MYRHG-9VWRK-CP7CK-WPPQX-QMRCM
FQPPD-7DPY8-48CFX-7TRCG-VVMK6
K3JPK-2P3DW-HFGTC-FF2HW-8D4RB
JQ4T4-8VM63-6WFBK-KTT29-V8966
G47M2-XHX69-7P974-9B3CM-YYF48
Q9GJG-YXRKF-J8R6P-XD368-HBQXD
G47M2-XHX69-7P974-9B3CM-YYF48
CHEMIA WODY
1. WODA występująca w przyrodzie, czyli woda naturalna jest roztworem wieloskładnikowym, bądź niejednorodna mieszanina H2O i innych substancji oraz związków chemicznych pochodzenia mineralnego. Spośród różnych form występowania wody w przyrodzie przedmiotem zainteresowania inżynierii sanitarnej jest woda zgromadzona w rzekach, jeziorach, morzach i pod ziemią. Dzielimy je na: wody powierzchniowe śródlądowe i morskie, wody podziemne gruntowe i wgłębne. Wody te w wyniku swego pochodzenia i umiejscowienia charakteryzują się odmiennym składem i odrębnymi właściwościami.
Wody powierzchniowe śródlądowe są to wody lądowe, stojące lub płynące. Ich cecha charakterystyczna jest słaba mineralizacja, obecność substancji organicznych, tlenu, zawiesin, bakterii. Ponadto odznaczają, się dużą zmiennością składu chemicznego i temperatury, w zależności od zanieczyszczeń odpadów.
Wody powierzchniowe morskie charakteryzują się bardzo silnym zasoleniem rzędu kilku do kilkudziesięciu gramów/ dm3. Wykazują stały skład chemiczny, zmieniający się wraz z głębokością. Temperatura w mniejszym stopniu niż w wodach śródlądowych ulega zmianie w zależności od pory roku.
Wody podziemne gruntowe są to wody zalęgające do głębokości około 10 m. Charakteryzują się skaldem chemicznym zbliżonym do wód wgłębnych i wód powierzchniowych, nie posiadają jednakże zawiesin, a także mogą zawierać niewielkie ilości tlenu. Na ich skład chem. rzutuje rodzaj zanieczyszczeń gleby oraz opady.
Wody podziemne wgłębne są to wody zalegające poniżej 10m. Charakteryzują się dużą zawartością soli nieorganicznych, brakiem związków organicznych, tlenu rozpuszczonego i zanieczyszczeń bakteryjnych. Posiadają stałą temp i prawie stały skład chemiczny.
Z punktu widzenia czystości wód wyróżniamy: wody naturalne, zanieczyszczone i ścieki. Stan wody określa się za pomocą tzw. wskaźników jakości wód. Nazwą tą obejmuje się zawieszone i rozpuszczone składniki wody oraz jej fizyczne i chemiczne właściwości.
Zawieszone składniki wody to makroskopowe substancje składające się zarówno ze zw. nieorg. jak i org. Ogólnie można je określić jako substancje o rozdrobnieniu 1nm. Rozpuszczone składniki wody to zw. org. jak i nie org. Oraz gazy reagujące i nie reagujące z woda.
2. SKŁADNIKI WOD:
2.1 ZAWIESZONE SKŁADNIKI WÓD:
-Zawiesiny: Wskaźnik ten reprezentuje ciała zawieszone o średnicy 7200 nm. Pod względem chemicznym stanowią je rozdrobnione substancje mineralne jak: piasek, osady, węglanów, wodorowęglanów, fosforów, cząstki iłu, gleby jak i sub org. w postaci szczątków roślin i zwierząt. Zawiesiny występują w wodach naturalnych, powierzchniowych w wyniku erozji dna i brzegów. W wodach zanieczyszczonych zawiesiny pochodzą ze ścieków. Zawiesiny nie występują zasadniczo w wodach podziemnych, mogą się jednak wydzielać w wyniku kontaktu wód pod-ziemnych z atmosfera, prowadzącego do reakcji chemicznych. Zawartość zawiesin w naturalnych wodach nie przekracza kilku mg/dm3. W wodach zanieczyszczonych do kilkudziesięciu mg/dm3. W wodach wezbranych może być kilku set.
-Koloidy: Sub. koloidalne zawarte w wodach naturalnych to przede wszystkim glinokrzemiany o różnym składzie chemicznym i ogólnym wzorze xAl2O3*ySiO2*z H2O oraz krzemionka koloidalna (SiO2)n. Substancje te przechodzą do wody w wyniku reakcji pomiędzy glinokrzemianami występującymi w minera-łach, glebie, glinach oraz dwutlenkiem węgla. Do koloidów występujących w wodach naturalnych zaliczyć trzeba sole sodowe, Ca, Mg i kwasy huminowe. W wodach zanieczyszczonych w postaci koloidalnej występują niektóre proste białka, skrobie i inne związki pochodzenia zw. lub roślinnego.
-Piany: Występują wyłącznie w wodach zanieczyszczonych tłuszczami lub węglowodorami ciekłymi. Stanowią układy dwóch nie mieszających się ze sobą cieczy. Nadają wodzie wygląd mętny lub mleczny. Stanowią uciążliwy składnik wody i ścieków.
-tłuszcze (ekstrakt eterowy): Nazwa ta określa się tłuszcze roślinne i zw. oraz węglowodory ciekle lub stale, pływające po powierzchni wody lub występujące w postaci emulsji. Substancje te wyodrębnia się z wody za pomocą ekstrakcji eterem i określa jako ekstrakt eterowy. Ten rodzaj zanieczyszczenie występuje głownie w ściekach, w wodach naturalnych Jedynie w przypadkach awaryjnych.
2.2 ROZPUSZCZONE SKLADNIKI WOD:
2.2.1 Gazy rozpuszczone: Rozpuszczalność gazów w wodzie zależy od ich charakteru, ciśnienia cząsteczkowego, temp wody, jej składu fizykochemicznego i biologicznego. Rozp gazu w wodzie maleje wraz ze wzrostem temp. Do gazów rozpuszczonych w wodach naturalnych należą CO2, O2, N2, H2S, CH4, SO2, H2Rn i inne gazy szlachetne.
Pochodzenie gazów zawartych w wodach naturalnych:
-atmosferyczne: O2, N2, CO2, SO2,
-chemiczne: CO2, H2S, H2, N2, CH4, SO2,
-biochemiczne: CH4, H2, CO2, N2, H2S pochodzące z biol. rozkładu sub. org. w warunkach tlenowych tj. aerobowych i beztlenowych tj. anaerobowych
-radioaktywnego.
Gazy rozpuszczone maja znaczenie:
-geologiczne (zmieniają właściwości wody jako rozpuszczalnika skal, minerałów, gruntów),
-lecznicze ( np. na organizm ludzki),
-techniczne ( działają, agresywnie na materiały budowlane)
-tlen rozpuszczony: Występuje, we wszystkich wodach naturalnych stykających się z powietrzem atmosferycznym. Po-chodzi głównie z atmosfery oraz procesów fotosyntezy roślin wodnych, jego stężenie jest wypadkową fizycznej rozpuszczalności tego gazu i jego zużycia na procesy biochemiczne. Tlen rozpuszczony występuje w wodach powierzchniowych i płytkich wodach podziemnych, wody wgłębne pozbawione są tlenu zupełnie. Zawartość jego waha się w wodach naturalnych od 0-14mg O2/l. Ilość rozpuszczonego tlenu mg O2/l. Nie określa sto-pnia nasycenia wody tlenem w danych warunkach. Stopień nasycenia wody jest to stosunek zawartości tlenu rozpuszczonego w badanej wodzie do maksymalnej zawartości tlenu w wodzie destylowanej w danej temp. przy ciśnieniu 760mm Hg. Dla wód powierzchniowych % nasycenia wody tlenem wynosi prawie 100%. Dla wód powierzchniowych o małym zanieczyszczeniu waha się od 80 do 95%, natomiast w wodach o wyraźnym zanieczyszczeniu spada do około 40 – 50 % nasycenia.
W wyniku spadku nasycenia w wodzie dominują procesy anaerobowe, w wyniku których powstaje H2S, NH3, PH3 i inne gazy. Taki deficyt tlenu spowodowany zostaje zrzutem dużych ilości związków organicznych. Tlen jest wskaźnikiem zanieczyszczenie wód powierzchniowych i jego niskie wartości wskazują na zanieczyszczenie rzeki i toczące się w niej procesy rozkładu biochemicznego. Obecność tlenu w wodach przemysłowych jest nie pożądana, gdyż przyspiesza proces korozji. Korodujące działanie wody można przedstawić za pomocą reakcji
2H+ + Fe Fe2+ +2H
2H + 1/2O2 H2O
Jony wodorowe atakują powierzchnie metalu. W wyniku reakcji do roztworu przechodzą jony żelazowe, a tworzący się wodór atomowy wydziela się w postaci warstwy na powierzchni metalu, izolując go od dalszej korozji. Obecny w wodzie tlen utlenia wydzielający się wodór do cząsteczki H2O, co powoduje zanik warstwy. Aby zapobiec temu zjawisku wodę należy odgazować.
-dwutlenek węgla: W wodach naturalnych powierzchniowych CO2 pochodzi głownie z atmosfery, bądź z procesów mineralizacji ciał org., w wodach wgłębnych CO2 pochodzi z proce-sów geochemicznych. Zawartość CO2 w wodach naturalnych waha się w szerokich granicach od kilku mg do kilkuset. CO2 w wodzie jest w postaci rozpuszczonych cząsteczek gazowych CO2, w których 1% reaguje z woda tworząc H2CO3:
CO2+H2O⇔H2CO3
Kwas ten dysocjuje dwustopniowo:
H2CO3 = H+ + HCO3-
HCO3- = H+ + CO22-
Stan równowagi pomiędzy rozpuszczonym CO2, a jego postaciami jonowymi zależy od pH wody. W zależności od pH wody CO2 może występować:
-Przy pH < 4,5 w formie gazowej,
-przy pH=8,4 w formie HCO3-,
-przy pH= 10,5 w formie CO23-
Ponieważ większość wód naturalnych ma pH 6.5 ÷ 8.5 zatem w wodach CO2 występuje na ogół w całym zespole związków kwasu węglanowego.
Ogólny CO2 jest sumą CO2 zawartego w wodzie w różnych postaciach. Ogólny CO2 dzielimy na wolny i związany. Związany CO2 znajduje się w wodzie pod postacią HCO3- i CO23-. Wolny CO2 występuje w postaci rozpuszczonej jako H2CO2. Część wolnego CO2 niezbędna do utrzymania w roztworze rozpuszczonego wodorowęglanu wapnia wg równania:
Ca(HCO3)2 ⇔ CaCO2 + H2O + CO2
Nazywa się CO2 równowagi węglanowo wapniowej lub CO2 przynależnym. W miarę zwiększania się w wodzie wodorowęglanów ilość niezbędnego CO2 przynależnego znacznie wzrasta. Pozostała część CO2 wolnego w wodzie, czyli nadmiaru wolnego CO2 w stosunku do stechiometrycznej ilości CO2 przy-należnego jest CO2 agresywnym. CO2 agresywny w odróżnieniu od CO2 jest aktywny i nadaje wodzie właściwości korodujące w stosunku do betonu i stali. Zawartość CO2 agresywnego zwiększa zdolność rozpuszczania w wodzie CaCO3 zmieniając go na łatwiej rozpuszczalny w wodzie wodorowęglan wapnia Obecność z higienicznego punktu widzenia nie ma znaczenie w wodach podziemnych, w wodach powierzchniowych jest wskaźnikiem stopnia zanieczyszczenia wody substancjami org.
-amoniak NH3: Gaz o charakterystycznym zapachu dobrze rozpuszczalny w wodzie. Związek ten łatwo reaguje z woda tworząc zasadę lub sól amonową
NH3 + H+ + OH+ ⇔ NH4 + OH-
Powstały wodorotlenek jest słabą zasada. Kierunek tej przemiany zależy od pH wody. Przy wzroście pH zwiększa się stężenie wolnego amoniaku, który wydziela się z wody.
2.2.2 związki nieorganiczne:
-chlorki: Ze względu na dużą rozpuszczalność chlorki występują we wszystkich wodach naturalnych. Mogą pochodzić z wy-mywania pokładów soli, z gruntu oraz zanieczyszczeń ściekowych. Wody śródlądowe, naturalne zawierają chlorki w stężeniu od kilku do kilkunastu mg/dm3. Wody zanieczyszczone mogą zawierać do kilkuset chlorków. Największe ładunki chlorków wprowadzane są do wody dołowe z odwadniania kopalni oraz ścieki przemysłu sodowego, chem. i garbarskiego. Chlorki wydalane są prze organizmy zwierzęce, występują wiec zawsze w ściekach bytowo gospodarczych i miejskich. Chlorki nie podlegają procesom samooczyszczania w rzekach ani oczyszczaniu konwencjonalnemu w oczyszczalniach. W wodzie pitnej może znajdować się do 300mg chlorków na dm3. Jon chlorkowy wykazuje działanie korozyjne do żelaza i stali w stężeniu > 150mg /dm3.
-siarczany: Należą do najbardziej, obok chlorków rozpowszechnionych anionów. Przechodzą do wody na wskutek wymywania skal osadowych, utleniania siarczanów. W wyniku mineralizacji organicznych zawierających siarkę są wprowadzane wraz ze ściekami. Utlenianie siarczków zachodzi wg równania:
2FeS2 + 7O2 +2H2O ⇔ 2FeSO4 + 2H2SO4
Zawartość siarczanów w wodach pow. naturalnych wynosi od kilku do kilkuset mg/dm3.
W wodach podziemnych i wodach zanieczyszczonych stężenie ich może być znacznie wyższe. Jeśli występują w nich jako sole słabych zasad nadają wodzie odczyn kwasowy. Siarczany nie podlegają procesowi samooczyszczania w warunkach tlenowych. W warunkach beztlenowych mogą ulegać redukcji do siarkowodoru.
FeSO4 + 8H+ ⇔ FeS +4H2O
Usuwanie siarczanów jest możliwe tylko przy ich bardzo dużych stężeniach przy użyciu wapna w postaci siarczanu wapna. Woda do picia zawiera do 200mg siarczanów / dm3. Siarczany mają właściwości korozyjne w stosunku do betonu wskutek tworzenie się w porach betonu silnie uwodnionej soli glinosiarczanu wapnia o wzorze:
3CaO *Al2O3*3CaSO4*3O*31H2O
Krystalizacja sól zwiększa silnie swoja objętość powodując rozsadzanie betonu. Woda o stężeniu siarczanów > 250mg /dm3 jest już agresywna w stosunku do betonu.
-węglany i kwaśne węglany: Są to sole słabego kwasu węglowego występujące jedynie w roztworach wodnych. Kwas węglowy dysocjuje dwustopniowo dając dwa typy soli: węglany i wodorowęglany.
H2CO3 ⇔ H+ + HCO-3
HCO-3 = H+ + CO2-3
Stałe dysocjacji I i II stopnia różnią się od siebie. Dobrze rozpuszczalne w wodzie są węglany potasu i sodu oraz wodorowęglany K, NA, Ca, Mg, Fe, Mn. Węglany i kwaśne węglany jako sole słabego kwasu rozkładają się pod wpływem mocniejszych kwasów z wydzieleniem CO2. Są tu głównym składnikiem zasadowości wody. Stanowią twardość węglanową wody. Obecność kwaśnych węglanów w wodzie uwarunkowana jest obecnością pewnej ilości CO2:
Ca(HCO3)2 = CaCO3 + H2O + CO2.
Nazywanego dwutlenkiem węgla przynależnym lub równowagi. Obojętne węglany występują w wodach nat w bardzo niewielkich ilościach. Wyjątek stanowią wody podziemne lub stykające się ze złożami wapnia, stanowiące przesycone roztwory wodorowęglanów. Kwaśne węglany są natomiast powszechnym składnikiem wód naturalnych. W wodach powierzchniowych, śródlądowych zawartość kwaśnych węglanów wynosi 1,5 ÷ 3,5 mval/dm3 a w wodach podziemnych osiągają wartości wyższe. Węglany i kwaśne węglany nie są wskaźnikami zanieczyszczenia wody. Ich obecność w wodzie jest dla odbiornika pożądana, gdyż stanowi układ buforowy, przeciwdziałający nagłym zmiana pH.
-azotyny: Są to sole kwasu azotowego, powstają jako produkty utleniania amoniaku do azotanów na drodze biochemicznej wg schematu:
NH4+ bakt nitrosomonas NO2+ bakt nitrobacter NO3+
Azotyny są zatem nietrwałą formą azotu przechodzącą łatwo w warunkach utleniających w azotany, w warunkach redukujących w amoniak są tez wskaźnikiem zanieczyszczenia wody i kierunkiem z procesów samooczyszczania. Stężenie ich w wodach powierzchniowych jest rzędu tysięcznych mg/dm3 a w wodach zanieczyszczonych rzędu dziesiętnych lub setnych mg/dm3.
-azotany: Są to bardzo łatwo rozpuszczalne sole kwasu azotowego. Stanowią ostateczny produkt na drodze tlenowej azotowych związków organicznych. Azotany dostają się do wód nat pow wraz ze ściekami miejskimi i przemysłowymi, wraz z opadami atm i spływami z nawożonych pol. Tą droga dostają się tez do wód podziemnych. Stężenie azotanów w wodach naturalnych jest na ogół rzędu kilku mg/dm3, w wodach zanieczyszczonych może być wyższe. Azotany w wyższej ilości są niepożądanym składnikiem wód nat. Są one wykorzystywane przez glony i rośliny wodne do swojego rozwoju, w sprzyjających warunkach do nadmiernego rozwoju flory wodnej, który w konsekwencji po-woduje wtórne zanieczyszczenie wód. Nie podlegają procesowi samo oczyszczania się. Woda do picia może zawierać 10mg azotanów na 1 dm3
-fosforany i polifosforany:
Kwas fosforowy dysocjuje trójstopniowo w wyniku czego powstają sole I, II, III rzędowe typu: McH2PO4, McHPO4, Mc3PO4, gdzie Mc - jon metalu jednowartościowego. Pierwszorzędowe fosforany sodu, potasu, wapnia i magnezu są rozpuszczalne w wodzie spośród II i III rzędowych rozpuszczalne są tylko fosforany sodu i potasu. Fosforany są końcowym produktem mineralizacji związków org. zawierających fosfor
Fosforany w wodach naturalnych mogą pochodzić też z mineralizacji substancji roślinnych z wyługowaniem gleby nawożonej nawozami fosforowymi oraz ze ścieków miejskich i przemysłowych. Fosforany podobnie jak azotany stanowią substancje po-karmową dla roślin są przez nie przyswajalne a następnie przy obumieraniu roślin wracają do wody. W związku z tym uważa się je za związki nie ulegające procesowi samooczyszczania. W wodach naturalnych stężenie ich nie przekracza ułamka [mg/dm3], w wodach zanieczyszczonych kilka [mg/dm3]. Norma nie podaje stężenia fosforanów w wodzie do picia. w wodach I klasy muszą być poniżej 0,2 mg/dm3. Kwas fosforowy oraz jego sole I, II rzędowe maja zdolności kondensacji czyli łączenia się w dwie cząsteczki z wydzieleniem wody. Produkty kondensacji mogą posiadać bardzo duży ciężar cząsteczkowy oraz budowę łańcuchową lub pierścieniową. Cząsteczki o budowie łańcuchowej noszą nazwę kwasów ortofosforowych, zaś o budowie pierścieniowej –kwasów metafosforowych. np.;
a. kwasy ortofosforowe:
H3PO4 -ortojednofosforowy,
H3P2O7 -ortodwufosforowy (pirofosforowy),
H5P3O10 -ortotrójfosforowy.
b. kwasy metafosforowe;
HPO3 - metafosforowy,
H3P3O4 - metatrójfosforowy.
H4P4O12 - metaczterofosforowy.
Wyższe kwasy orto- i metafosforowe występują wyłącznie w postaci soli. Wszystkie sole kwasów orto- i metafosforowych nazywa potocznie polifosforanami. Polifosforany mają zdolność tworzenia związków kompleksowych z jonami metali dwu i trójwartościowych najczęściej z jonami magnezu i wapnia. Związki te mają szerokie zastosowanie jako środki zmiękczające, jako zabezpieczenie przed tworzeniem kamienia kotłowego, jako środki pasywujące powierzchnie stali- w konserwacji znajdują się one w coraz większych stężeniach w wodach naturalnych ścieków.
Na2SiO3+2H2CO32NaHCO3+SiO2+H20
Związki krzemu pochodzą głównie w wymywania skał, gleby oraz rozkładu złożonych glinokrzemianów na związki proste. Zawartość krzemu w wodach jest rzędu ułamków mgSiO2/dm3. W wodach podziemnych stężenie krzemu jest wyższe, rzędu do kilkudziesięciu mgSiO2/dm3.
-fluor - jako pierwiastek bardzo rozpowszechniony w skorupie ziemskiej, występuje również w wodach naturalnych. fluor wchodzi w skład organizmów zwierzęcych i roślinnych. w większych stężeniach działa szkodliwie na układ kostny. W stężeniach niskich fluor wywiera korzystny wpływ na uzębienie dlatego tez w okolicach gdzie występuje jako deficyt wprowadza się go do wody pitnej. Fluor występuje w wodach głównie w postaci fluorków F. Stężenie dopuszczalne w wodzie pitnej wynosi 1,5mgF/dm3.
-jod - jest pierwiastkiem bardzo rozpowszechnionym najczęściej występuje w postaci jodków J, jodki znajdują się jako do-mieszki w soli kuchennej. Związki jodu są bardzo dobrze rozpuszczalne w wodach. Posiada duże znaczenie fizjologiczne – jego brak powoduje niedoczynność tarczycy. Jod występuje w wodzie jako jodki (J-) i jodany (JO3) zawartość jodu w wodach naturalnych jest rzędu setnych i tysięcznych mg/dm3
-bor - jest dość rozpowszechniony w przyrodzie, i występuje w postaci kwasu borowego H3BO3 oraz w postaci borokrzemianu np. boraksu NA2B4O7 ⋅10H20. kwas borowy jest słabym kwasem w wodzie dysocjuje tworząc H2BO3-,HBO-23,BO3-3,HB40-7,B4O2-7. W zależności od pH bor może występować w formie niejonowej lub jonowej. Przy pH>1 spotykana w wodach naturalnych prze-ważnie forma niejonowa. Stężenie boru w wodach naturalnych waha się od zera do kilku mg/dm3.
-wapń i magnez - Są głównymi kationami w wodach naturalnych dostają się do wody głównie na wskutek wymywania skał i gleb. Stężenie wapnia w wodach naturalnych jest rzędu kilkudziesięciu mg/dm3 zaś magnezu rzędu kilkunastu mg/dm3 najczęściej kationy te występują w postaci węglanów i kwaśnych węglanów, siarczanów oraz chlorków. Stosunek jonów wapnia i magnezu w wodach naturalnych jest miarą stopnia mineralizacji wody;
-wody słabo z mineralizowane tj. wody o suchej pozostałości- części mineralne 200 mg/dm3 wykazują:
Ca/Mg = (3-4)/1
-wody o mineralizacji 200-500 mg/dm3 wykazują:
Ca/Mg = (2-3)/1
-wody o mineralizacji <1000 mg/dm3 wykazują:
Ca/Mg = (1-2)/1
-wody silnie z mineralizowane tj. o suchej pozostałości- części mineralne >100 mg/dm3 wykazują:
Ca/Mg = 1/(3-4)
-żelazo i mangan - Pierwiastki te należą do szeroko rozpowszechnionych w skorupie ziemskiej stąd też są częstymi składnikami wód naturalnych. Do wody przechodzą w wyniku reakcji geotermicznych lub procesów utleniająco-redukujących. Żelazo występuje w dwóch stopniach utlenienia jako jon Fe2+- dając sole żelazawe i jako jon Fe3+- dają jony żelazowe. W zależności od warunków utleniająco-redukujących obie formy żelaza przechodzą jedna w drugą. Sole żelaza są solami słabej zasady i w roztworach wodnych ulegają hydrolizie w wydzieleniem Fe(OH)2, a utlenianiu Fe(OH)3. Tak więc w dobrze natlenionych wodach powierzchniowych żelazo występuje w postaci zawiesiny uwodnionych tlenków żelaza;
4Fe2++O2+10H2O=4Fe(OH)3+8H+
W wodach powierzchniowych stężenie żelaza rozpuszczonego jest rzędu ułamków mg/dm3 natomiast stężenie całkowite (łącznie z żelazem w zawieszeniu) jest na ogół rzędu 0,5÷1 mg żelaza /dm3. Żelazo za-warte w wodach podziemnych występuje w postaci dwuwartościowej. Beztlenowe warunki wód podziemnych sprzyjają rozpuszczeniu żelaza dwuwartościowego. W wodach podziemnych stężenie żelaza może być duże od kilku do kilkudziesięciu mg/dm3. W wodzie do picia może znajdować się 0,5 żelaza mg/dm3
Mangan - występuje w ilościach mniejszych wynoszących od ¼ do 1/10 zawartości żelaza. Proces utleniania i wydzielania manganu zachodzi znacznie wolniej i trudniej stąd też mangan częściej występuje w wodach powierzchniowych gdzie jego stężenie jest rzędu ułamka mg/dm3. Przebieg reakcji hydrolizy i utleniania manganu [II] do manganu [IV] zachodzi następująco;
Mn(HCO3)2+H20⇔Mn(OH)2+2CO2+H20
2Mn(OH)2+O2⇔2MnO(OH)2
2MnO(OH)2⇔2MnO2+2H2O
Zawartość manganu w wodzie do picia wynosi 0,1mgMn/dm3
Jony żelaza i manganu stanowią pożywkę dla pewnych gatunków bakterii czerpiących energię z procesów utleniania i redukcji. W wyniku tego procesu następuje odkładanie się zbitych osadów na ściankach rur, co powoduje znaczne zmniejszenie ich prześwitu. W studniach ujmujących wodę żelazo i mangan zachodzą podobne procesy. Na filtrach studni następuje wytracenie się osadów wodorotlenków żelaza i manganu, co powoduje spadek wydajności studnia nawet unieruchomienie – zjawisko to nosi nazwę – kolmatacji. Wody zawierające ponadnormatywne ilości żelaza i manganu można uzdatnić.
z jonem wodorotlenowym daje zasadę amonową:
NH+4+OH-⇔NH4OH
Zasada amonowa ulega łatwo rozkładowi z wydzieleniem wolnego amoniaku:
NH4OH⇔NH3+H2O
Przebieg tej reakcji zależy od temperatury i odczynu wody wraz ze wzrostem pH wydziela się coraz więcej amoniaku. Reakcja ta wykorzystywana jest przy oczyszczaniu ścieków od nadmiaru azotu amonowego. Azot amonowy w stężeniu >15 mg/dm3 nadaje wodzie charakter korozyjny w stosunku do betonu – polega to na wymianie jonu Ca2+ ze spoiwa cementowego na jon NH+4 i rozluźnieniu przez to jego struktury.
Poza omówionymi ważniejszymi składnikami mineralnymi wód naturalnych w wodzie mogą być inne pierwiastki jak: arsen, rtęć, kadm, chrom, ołów, selen, beryl, bar, miedź, molibden, wanad, cynk. Występowanie ich w wodach naturalnych związane jest z obecnością minerałów tych pierwiastków w obszarze wodonośnym. Stężenia ich są na ogół niewielkie rzędu ułamków mg/dm3. Większe stężenia wystąpić mogą w wyniku zanieczyszczenia wody ściekami przemysłowymi, wyciekami z hałd, spływami z pól intensywnie eksploatowanych.
Wody naturalne ulegają nie zanieczyszczeniu nie tylko związkami pochodzenia nieorganicznego, ale również związkami organicznymi, które dostają się do wody powodując jeszcze większe je zanieczyszczenie. Związki organiczne przedostające się do wód mogą być pochodzenia naturalnego i sztucznego. Źródłami ich są ścieki bytowo-gospodarcze, przemysłowe, spływy atmosferyczne z obszarów upraw rolnych. Związki organiczne są na ogół związkami trwałymi jedynie w procesach biochemicznych zachodzących pod wpływem enzymów bakterii niektóre z nich mogą ulec rozkładowi na związki wykorzystywane przez bakterie do budowy nowych komórek oraz na proste zw. org. Wiele związków organicznych ulega działaniu silnych utleniaczy- możliwe wtedy częściowe utlenienie związków org. do związków prostych lub tworzenie się chlorowcopochodnych. Powstające w obydwu przypadkach nowe związki organiczne mogą posiadać charakter toksyczny nawet w większym stopniu niż produkty wyjściowe. Związki organiczne stanowią często substancje toksyczne dla mikroorganizmów oraz dla organizmów większych (ryby rośliny a nawet człowiek)- w takich przypadkach nie może nastąpić proces samooczyszczania się wód i następuje bądź ich trwałe zatrucie bądź kumulacja tych związków w organizmach wyższych. Związki organiczne są to zw. węgla z wodorem, tlenem, azotem, fosforem, oraz innymi pierwiastkami. Wszystkie. Związki węgla z wyjątkiem węglanów i kwaśnych węglanów, tlenku i dwutlenku węgla oraz węglików (CaC2) uważa się za związki organiczne. Atomy węgla w tych związkach łącza się ze sobą za pomocą wiązań kowalencyjnych, w długie łańcuchy, proste lub rozgałęzione, zamknięte lub otwarte. Oprócz węgla zdolność łączenia wielu atomów kowalencyjnych posiada krzem oraz bar.
-zw. humusowe- stanowią złożone, heterogenne polimery kwasy o żółtej i brązowej barwie powstają w wyniku procesu humifikacji materiału roślinnego i zwierzęcego przez drobnoustroje i mikrofaunę glebową. Pod względem chemicznych są to bardzo różnorodne substancje należące do wielocząsteczkowych polimerów o charakterze fenolu.
W skład związków humusowych wchodzą kwasy fulwowe, kwasy huminowe, kwasy hymatomelanowe, huminy. Substancje humusowe występują w wodzie w postaci rozpuszczonej, koloidalnej i trudno rozpuszczalnych cząstek. Postać w jakiej występują zależy od pH wody. Występowanie tych związków w wodzie powoduje zwiększenie barwy, utlenialności. Domieszki te mają ponadto duże zdolności sorpcyjne i odznaczają się aktywnością chemiczną w stosunku do innych zanieczyszczeń obecnych w wodzie. Substancje sorbują zarówno związki org. (pestycydy), jak i mineralne, stabilizują koloidy, a z jonami wielu metali tworzą połączenia metaloorganiczne. Obecność substancji humusowych w wodach dla oczyszczenia których stosuje się związki chloru może spowodować powstanie bardzo szkodliwych form organicznych – trojchlorometanu. Związki humusowe są najbardziej szkodliwe w połączeniach metaloorganicznych z metalami ciężkimi lub innymi uciążliwymi substancjami organicznymi i mineralnymi.
-fenol- jest to związek organiczny zawierający grupę wodorotlenową z pierścieniem aromatycznym. Fenole i ich pochodne są w pewnym stopniu wskaźnikiem zanieczyszczenia wody ściekami przemysłowymi. Do wód powierzchniowych dostają się wraz ze ściekami miejskimi z różnych gałęzi przemysłu jak np. chemiczny, z gazowni i koksowni, rafinerii, fabryk tworzyw sztucznych. Fenol i jego pochodne jest niepożądanym składnikiem wód. Ulega w pewnym stopniu rozkładowi w procesie samooczyszczania się rzeki, lecz wiąże się to ze zużyciem tlenu i możliwością występowania deficytu tlenowego. W dużych stężeniach jest bardzo toksyczny dla organizmów wodnych. Obecność fenolu w wodzie ogranicza jej użytkowanie do hodowli ryb, gdyż nawet w bardzo małych stężeniach przechodzi do ich mięsa gdzie się kumuluje, nadając mu nieprzyjemny smak i zapach. Woda zawierająca fenol i poddawana procesowi chlorowania posiada charakterystyczny ‘’apteczny’’ zapach umożliwiający jej użycie. Zjawisko to występuje przy stężeniu fenoli w wodzie powyżej 0,005 mg/dm3.
-substancje powierzchniowo czynne;- są to substancje koncentrujące się na powierzchni wody, w tym samym obniżające jej napięcie powierzchniowe. Według charakteru granicy faz na której wykorzystywane są ich właściwości dzieli się je na:
A środki pieniące działają na granicy faz ciecz/gaz
B środki emulgujące [emulgatory] działają na granicy faz ciecz/ciecz
C środki zwilżające działające na granicy ciecz/ ciało stałe
Cząsteczka związku powierzchniowo czynnego składa się z długiego łańcucha hydrofobowego np. CH3(CH2)nOH; CH3(CH2)nCOOH; CH3(CH2)nNH2 oraz grupy hydrofilowej do której zalicza się OH, COOH, NH2 Grupy hydrofobowe mają wartość n=6-16. Łańcuch hydrofobowy może być alifatyczny prosty lub rozgałęziony oraz skondensowany z rdzeniem aromatycznym. Cząstki SPC mają tendencję do gromadzenia się na granicy dwóch faz o różnych stałych dielektrycznych. Hydrofobowa cześć cząsteczki ustawia się w fazie o mniejszej stałej dielektrycznej, natomiast część hydrofilowa w fazie większej stałej. Powoduje to w pierwszym przypadku rozluźnienie struktury brudu i daje efekt prania (pozwala na zwilżenie i zemulgowanie). W drugim przypadku tj. na granicy ciecz / gaz cząsteczki SPC blokujące powierzchnie uniemożliwia wymianę gazową.
Najliczniejszą grupę SPC stanowią detergenty czyli sztuczne środki piorące. Zawierają one w swoim składzie 15-30% SPC oraz 70-80% innych środków wspomagających jak; polifosforany, chemiczne środki bielące, soda, borany. Środki zapachowe. Detergenty posiadają budowę zbliżoną do środków powierzchniowo czynnych jakimi są mydła
Następuje łatwiejsze zwilżenie pranych przedmiotów i wyniku tarcia mechanicznego powstaje z brudu i mydła emulsja którą wypłukuje się z woda. Efektywność działania mydła zależy od temperatury i miękkości wody. W wodzie twardej część mydła wytrąca się w postaci soli wapiennej, powodując jego zużycie. Z tego powodu zastosowano syntetyczne SPC. Wyższość SPC w stosunku do -30% mydła polega na tym że SPC są niewrażliwe na twardość wody [nie tworzą osadów z jonami wapnia i magnezu] nie wymagają wysokiej temperatury, mają większe właściwości zwilżające tworzą obfitą pianę, łatwiej się rozpuszczają w wodzie i maja lepsze właściwości piorące niż mydło. Pod wzgl. chemicznym detergenty są solami zasadami lub związkami niejonowymi. Z punktu widzenia rodzaju powstającego jonu dzielimy detergenty na:
A anionowe – posiadające grupę polarną SO3Na
B kationowe – posiadające polarna grupę kationową (IV rzędowa grupa amoniowa)
C amfolityczne – zawierają cząsteczkę polarną o dominującej grupie hydrofilowej nadającej SPC właściwości powierzchniowo czynne.
D – niejonowe -zawierające niejonowa grupę polarna. Nie tworzą jonów w roztworze
Z punktu widzenia podatności na rozkład biochemiczny dzielimy detergenty na: miękkie i twarde. Do twardych czyli nie ulegających procesom biochemicznego rozkładu należą detergenty kationowe oraz część jonowych. Obecność SPC zmienia właściwości organoleptyczne wody, wywołuje pienienie się wód wpływa niekorzystnie na procesy samooczyszczenia oraz oddziaływuje toksycznie na organizmy roślinne i zwierzęce. Stopień tego oddziaływania jest różny i zależy od rodzaju i stężenia SPC (zawartość w wodzie pitnej stanowi zagrożenie dla człowieka, ułatwiając przenikanie i wchłanianie substancji szkodliwych). Detergenty tworząc pianę powodują śniecie ryb z powodu braku tlenu. Przy stężeniu 0,3-0,4 mg SPC/dm3 powstaje trwała piana. Zawartość 1 mg SPC zmniejsza zdolność aeracji wody o ok. 60%.detergenty anionowe szkodliwie wpływają na plankton i rośliny wodne, przy stężeniu 15-70 mg/dm3, kationowe i niejonowe wykazuje zahamowania rozwoju roślin wodnych przy stężeniu 1 mg/dm3. SPC zmniejsza efektywność procesów uzdatniania wody. W wodzie przeznaczonej do picia i na potrzeby gospodarcze stężenie detergentów nie powinno przekraczać 0,2 mg/dm3
A zoocydy które dzielimy na:
insektycydy- środki owadobójcze
akarcydy – środki do niszczenia roztoczy roślinnych
rodencydy –środki przeciw gryzoniom
moluskocydy- środki do zwalczania ślimaków
limacydy –środki do zwalczania ślimaków nagich
nematocydy- środki nicieniobójcze
owicydy- środki do zwalczania jaj owadów i roztoczy
B herbicydy – środki chwastobójcze
C fungicydy-środki grzybobójcze
fumicjanty – środki do gazowania
atraktanty- zwabiające
repelemity –środki odstraszające
D regulatory wzrostu roślin –środki stymulujące lub hamujące rozwój roślin.
Najszersze zastosowanie w praktyce znajdują insektycydy oraz herbicydy i fungicydy.
Insektycydy pod wzgl. chem stanowią dwie grupy związków; chlorowane węglowodory aromatyczne i zw. fosforoorganiczne.
-węglowodory chlorowane – odznaczają się dużą twardością, trudno ulegają biodegradacji, kumulują się w organizmach żywych, bardzo długo pozostają w glebie i w wodzie. Do najważniejszych węglowodorów należą;
DDT którego cecha charakterystyczna jest praktycznie całko-wita odporność na rozkład biochemiczny. Z tego względu stosowanie DDT jak i preparatów w skład których wchodzi jest zabronione. W wodzie do picia stężenie DDT nie może przekraczać 0,03mg/dm3.
Metoksychlor (DMDT)jest najmniej szkodliwym środkiem z tej grupy związków nieznacznie kumuluje się w tkance tłuszczowej. W wodzie do picia stężenie DMDT nie może przekraczać 0,01mg/dm3.
Lindan [HCH]w wodzie do picia stężenie HCH nie może przekraczać 0,04mg/dm3
-zw. fosforoorganiczne – są mniej szkodliwe dla środowiska, łatwiej ulegają biodegradacji, produkty rozkładu są na ogół mniej toksyczne. Wśród licznych pestycydów fosforoorganicznych znajdują się takie związki jak;
-foschlor – pochodna kwasu fosforowego ulega szybko rozkładowi, działa krótkotrwale, stężenie w wodzie nie może przekroczyć 0,02 mg/dm3
-Malation – pochodna kwasu dwutiofosforowego niezbyt toksyczny stężenie w wodzie nie może przekraczać 0,05 mg/dm3
-Dichlorfos (DDVP) – należy do estrów kwasu fosforowego woda do picia może zawierać stężenie 0,02mg/dm3
-Metylopoaration – ester kwasu dwutiofosforowego, silna trucizna stężenie w wodzie do picia może wynosić 0,01 mg/dm3
-herbicydy: stosowane są do zwalczania chwastów działanie polega na nadmiernym pobudzaniu wzrostu roślin co prowadzi do ich obumierania. Prawie wszystkie herbicydy ulegają rozkładowi w środowisku naturalnym. Do związków tego typu należą: nieorganiczne zw. Arsenu, cjaniny, pochodne kwasów fenoksyoctowych, związki karbuminowe
-fungicydy: tworzą liczną grupę związków chem. Zarówno organicznych jak i nieorganicznych działających grzybobójczo lub grzybostatycznie.
-Wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne (WWA)
Przyczyna występowania WWA jest rozwój przemysłu a szczególnie petrochemicznego, koksowniczego i motoryzacyjnego. WWA mogą przedostać się do wód powierzchniowych z powierzchni ulic lub opadów atmosfer. Powodem powstawania WWA jest najczęściej niepełne spalanie. Do najbardziej niebezpiecznych WWA zalicza się 3.4 – benzopiren występujący w smole węglowej, sadzy, gazach ze silników spalinowych, w dymie papierosowym. Związki tego typu posiadają zdolność do kumulacji w organizmie. Wg. światowej org. Zdrowia w wodzie do picia dopuszcza się stężenie 0,2 mg WWA/dm3
Wg. uzyskanych doświadczeń przyjęto umowny podział wód w zależności od stwierdzonego stężenia WWA
-wody podziemne czyste 1-10
-wody podziemne słabo zanieczyszczone 10-50
-wody powierzchniowe umiarkowanie zanieczyszczone 10-100
-wody powierzchniowe silnie zanieczyszczone 100-1000
-ścieki do 100000
-Trójchlorowcometany THM
Jest to grupa związków organicznych o ogólnym wzorze CHX3 gdzie X oznacza F,Br,Cl,J. Związki te powstają podczas chlorowania wody zawierającej tzw. prekursory THM czyli związki organiczne które reagując z chlorem dają połączenie trójhalometanowe. Substancjami które mogą stanowić prekursory są: kwasy fluwowe, rezorycyna, fenole, anilana. THM powstaje w trakcie tzw. reakcji haloformowej czyli trzy atomy wodoru grupy metylowej podstawiane są kolejno atomami chloru (lub innego halogenu) czego efektem jest związek haloformowy i kwas karboksylowy. Reakcje te w skrócie można przedstawić następująco:
CH3COR + 3HOCl CCl3COR+3H2O
CCL3COR + H2O CHCl3 + RCOOH
3. WŁAŚCIWOŚCI WÓD
3.1 Właściwości fizyczne:
-Temperatura: optymalna temperatura wody do picia jest zawarta w granicach 7-12 C – temu warunkowi odpowiadają przeważnie wody podziemne. Wody powierzchniowe mają temp. wahającą się w granicach 0-35 C w zależności od pór roku i zrzutu wód podgrzanych. Wody podziemne mają temperaturę stałą i nie ulegają wahaniom cyklu rocznego. Gdy temp. wody podziemnej ulega wahaniom to świadczy to o jej kontakcie z wodami powierzchniowymi. Odprowadzanie wód podgrzanych do powierzchniowych wpływa na zmianę ich biocenozy. Znajomość temp. wód jest potrzebna do obliczania różnych postaci zasadowości i stabilności wodorowęglanów, do obliczania stopnia za-solenia i nasycenia wody gazami. Temp. nie jest bezpośrednim wskaźnikiem zanieczyszczenia wody ściekami ale jej wahania mogą świadczyć o jej zanieczyszczeniu.
W głębokich zbiornikach wodnych temp. jest różna na różnych głębokościach. Wiosną i jesienią w takich zbiornikach wskutek wymieszania się wód następuje pionowe przemieszczanie się wody co rzutuje na zmiany składu chemicznego. Większość zwierząt wodnych znosi zmiany temperatury w granicach 4-35 C powyżej 35 C następuje śniecie ryb.
-Barwa: w wodach naturalnych barwa wywołana może być obecnością niektórych jonów, związków humusowych lub zakwitania planktonu. Barwę wody oznacza się przez porównanie ze wzorcem. Wody naturalne wykazują barwę rzędu kilku jedno-stek. Wody zanieczyszczone mają barwę znacznie wyższą. W wodzie do picia nie powinno przekraczać 20mgPt/dm3.
-Mętność: wywołana jest obecnością ciał zawieszonych o rozdrobnieniu >1µ, czyli substancji koloidalnych. W wodach naturalnych stanowią ją głównie krzemiany i glinokrzemiany w postaci iłów gleby i gliny jak również szczątki wodnych organizmów roślinnych i zwierzęcych.
W wodach podziemnych mętność pojawiająca się po wydobyciu wody na powierzchnię związana jest z zaburzeniem równowagi chemicznej – dotyczy to wytrącania się osadów węglanu wapnia i wodorotlenku żelaza. W wodach zanieczyszczonych mętność spowodowana jest przez rozdrobnione lub rozłożone substancje organiczne pochodzące ze ścieków. Mętność wód powierzchniowych jest rzędu kilki do kilkunastu mg SiO2/dm3.
3.2 Wskaźniki charakteryzujące chemiczne właściwości wody
3.2.1 Właściwości wynikające z obecności związków nieorganicznych
-twardość: cecha wody związana z obecnością w wodzie jonów wapnia, magnezu, żelaza, manganu, glinu, cynku. Zawartość wapnia i magnezu w wodach naturalnych jest dużo większa od innych wymienionych pierwiastków wobec czego przy-jęto uważać za twardość wody całkowitą ilość jonów wapnia i magnezu. Wyodrębnienie tej własności wynika ze zdolności tworzenia przez te jony trudno rozpuszczalnych lub nierozpuszczalnych soli z anionami kwasów nieorganicznych i organicznych mydeł wapniowych, zw. z garbnikami. W zależności od rodzaju soli w jakiej występuje wapń, magnez, rozróżniamy twardość węglanową (węglany i kwaśne węglany) i niewęglanową (sole silnych kwasów jak siarczany, chlorki, azotany). Twardość wody wyraża się w stopniach twardości ( 1 stopień oznacza taka zawartość jonów wapnia i magnezu która odpowiada równo-ważnej ilości 10 mg CaO/dm3 lub w mval/dm3
Woda do picia nie powinna przekraczać 10 mval/dm3 twardości.
0-5 woda bardzo miękka, 5-10 miękka, 10-15 woda o średniej twardości, 15-20 o znacznej twardości, 20-30 woda twarda, powyżej 30 woda bardzo twarda.
-zasadowość: określa zdolność wody do przejmowania pro-tonów tj. do zobojętniania silnych kwasów mineralnych do określonego pH. Zdolność tą nadaje wodzie obecne w niej wodorowęglany i węglany głównie metali alkalicznych, wodorotlenki oraz nieznaczne ilości krzemianów, fosforanów i boranów.
W wodach naturalnych zasadowość pochodzi w przeważającej ilości od wodorowęglanów wapnia i magnezu. Mogą ja również powodować wodorowęglany i węglany sodu i potasu. W niektórych przypadkach w wodach naturalnych występują duże stężenia wodorowęglanów sodu i metali alkalicznych – wówczas zasadowość jest większa od twardości ogólnej a różnica miedzy nimi stanowi zasadowość alkaliczna. Zasadowość z punktu widzenia sanitarnego ma znaczenie drugorzędne natomiast jest istotna cecha wody ponieważ określa jej zdolność do buforowania wprowadzonych kwasów i zasad. Istotna jest również zasadowość w wodach przemysłowych.
-kwasowość: to zdolność do zobojętniania silnych zasad. Jest ona spowodowana obecnością dwutlenku węgla lub kwas-ów organicznych. Kwasowość mineralna występuje przy pH <4,4 a ogólna w zakresie pH 4,4 – 8,2. Kwasowość mineralna występuje wyjątkowo jedynie w wodach silnie zanieczyszczonych. Najczęściej kwasowość spowodowana jest przez wolny CO2. Wartość kwasowości ogólnej w wodach naturalnych jest rzędu ułamków mval/dm3
-odczyn: wynika ze stosunku pomiędzy jonami wodorowymi a wodorotlenowymi występującymi w roztworze: Odczyn wody za-leży od: stężenia wolnych słabych kwasów, stężenia ich soli, obecności hydrolizujących soli, obecności rozpuszczonych gazów.
Większość wód naturalnych charakteryzuje się wartością pH w granicach 6,5 – 8,5. Odstępstwa od normalnego odczynu mogą wystąpić w okresie letnim. Przy danym nasłonecznieniu procesy asymilacji zachodzą szybko pH wody wzrasta nawet do wartości 10
Powyższe zjawisko spowodowane jest całkowitym wyczerpaniem się rozpuszczonego CO2. Wodorowęglany obecne w wodzie wobec zaniknięcia CO2 jako czynnika równowagi węglanowej ulegają hydrolizie: Ca(HCO3)2 + H2O = Ca(OH)2 + 2H2CO3. Powstały wodorotlenek podnosi pH wody. W wodach silnie za-nieczyszczonych odczyn waha się w szerokich granicach przy czym podwyższanie odczynu obserwuje się częściej aniżeli ob.-niżanie pH poniżej zwykłego zakresu jest to spowodowane mniejszą pojemnością buforową wody w stosunku do jonów OH aniżeli w stosunku do jonów H ( stężenie CO2 jest rzędu ułamka mval/dm3 a stężenie wodorowęglanów rzędu kilku mval/dm3). Wody o odczynie kwaśnym są korozyjne, agresywne wobec be-tonu i stali. Odczyn wody ma podstawowe znaczenie dla proce-sów biochemicznych zachodzących w roztworach wodnych oraz organizmach żywych w przyrodzie.
-przewodnictwo: właściwe jest charakterystyczną cechą wody związaną z obecnością w niej jonów. W wodach naturalnych nie zanieczyszczonych występują głównie związki nie-organiczne dysocjujące na jony – wobec tego przewodnictwo jest doskonałym wskaźnikiem zawartości soli w wodzie. Jakość wody ze źródeł dostarczających wodę o stałym składzie chem. może być kontrolowana przy pomocy przewodnictwa - jego nagła zmiana świadczy o przedostaniu się zanieczyszczeń o charakterze nieorganicznym. Przewodnictwo właściwe wyraża się w µS/cm. Dla wód naturalnych wynosi 250 –500 uS/cm a dla wód zanieczyszczonych osiąga wart. 1000 uS/cm, dla ścieków 10000µS/cm. Przewodnictwo właściwe wykazuje dużą korelację z zawartością związków nieorganicznych.
3.2.2 Właściwości wody wynikające z obecności związków organicznych:
-BZT: jednym z podstawowych wskaźników pozwalającym ocenić zawartość substancji organicznych łatwo ulegających rozkładowi w warunkach tlenowych pod wpływem enzymów wydzielonych przez drobnoustroje głównie przez bakterie jest biochemiczne zapotrzebowanie na tlen BZT. Jest to pojęcie umowne określające ilość tlenu (w miligramach) potrzebną do biochemicznego utleniania związków organicznych łatwo utleniających się zawartych w 1dm3 wody w warunkach tlenowych i temp. 20ºC. Schemat reakcji:
związki org.CxHyO2 + O2 =(bakterie)= CO2 + H2O
Lub w postaci ogólnej:
E + S = ES = E + P
gdzie: E - enzym,
S-substrat (zw. organiczny),
ES – zw., przejściowy substratu z enzymem,
P – produkt utleniania.
Reakcja enzymatyczna przebiega w ten sposób, że początkowo utleniają się związki organiczne węglowe, a następnie azotowe:
NH3 + O2 =(bakterie)= NO-2 + O2=(bakterie)=NO-3
Utlenianie związków azotowych (nitryfikacja) następuje po upływie 9-10 dni a całkowity proces utleniania kończy się po ok. 100 dniach. Najszybciej zachodzą procesy biochemicznego utleniania w ciągu 5 dni, około 68% substancji org. ulega utlenieniu, a po 20 dobach do 99%. Przebieg biochemicznego rozkładu zw. org. opisuje:
dL/dt = -kL,
gdzie: L – całkowite zapotrzebowanie na tlen BZT100% (mg O2/dm3),
t – czas,
k – stała szybkości reakcji
Dla reakcji utleniania zw. org. jako miarę szybkości przyjęto zużycie tlenu.
y = L(1-10-kt)
gdzie: y – zawartość tlenu po czasie t.
Proces biochemicznego zapotrzebowania tlenu jest bardziej złożony i składa się głownie z procesu syntezy i oddychania komórkowego, wobec czego powyższe równanie należy traktować jako uproszczony opis matematyczny przebiegu procesu.
Nie wszystkie związki org. są w jednakowym stopniu podatne na rozkład biochemiczny. Szczególnie odporne są związki o dużym ciężarze cząsteczkowym oraz o rozgałęzionej budowie zawierającej boczne łańcuchy alifatyczne. Substancje takie zalicza się do substancji refrakcyjnych czy odpornych na rozkład biochemiczny. Związki te nie są wykazywane za pomocą wskaźnika BZT. Niektóre związki chemiczne nie tylko nie ulega-ją rozkładowi biochemicznemu lecz wykazują działanie toksyczne w stosunkach do bakterii a tym samym obniżają wynik BZT. Wskaźnik BZT w wodach powierzchniowych kilka mgO2 /dm3, w wodach zanieczyszczonych kilkanaście mgO2/dm3 a w ściekach BZT osiąga wartość setek a nawet tysięcy mgO2/dm3. Proces biochemicznego rozkładu substancji org. należy do podstawowych procesów samooczyszczania wód i oczyszczania ścieków.
-utlenialność: wskaźnik ten określa zawartość związków organicznych utleniających się w określonych warunkach tj. pod wpływem KmnO4 w środowisku kwaśnym w temp. wrzenia w czasie 30 min. Oprócz związków org. w warunkach tych ulegają utlenianiu związki nieorganiczne takie jak azotyny, siarczany, siarkowodór, jon żelazawy. Jest to wskaźnik umowny stosowany dla wód czystych i mało zanieczyszczonych oraz dla niektórych ścieków. Wartość tego wskaźnika dla wód naturalnych to kilka mgO2/dm3, dla wód zanieczyszczonych kilkanaście mgO2/dm3 dla ścieków kilkadziesiąt do kilkaset mgO2/dm3.
-CHZT to pojęcie umowne jak utlenialność oznacza ilość tlenu w mg pobraną z utleniacza (chromian, jodan, nadsiarczan) do utlenienia związków org. w 1 dm3 wody w środowisku kwaśnym w ściśle określonym czasie. W porównaniu z utlenialnością daje wyższy stopień utleniania związków org. (90-100%). Ze związków nieorganicznych utleniających się pod wpływem K2Cr2O7 można wymienić Fe+2, azotyny siarczany, siarczki, chlorki. Natomiast ze związków org. ulegających całkowitemu utlenieniu wymienić należy: węglowodany, rozgałęzione związki tłuszczowe, aromatyczne. Alkohole i aminokwasy mogą być utlenione całkowicie po użyciu katalizatora. Wartości CHZT są na ogół większe niż BZT. CHZT jest najbardziej dogodnym oznaczeniem dla określenia stężenia związków org. w ściekach przemysłowych w których obecność substancji toksycznych hamuje proces BZT5 a utlenialność wymaga znacznego rozcieńczenia próbki.
-Ogólny węgiel organiczny OWO: wskaźnik wyraża ogólną zawartość węgla związanego w związkach organicznych rozpuszczonych w wodzie poczynając od węglowodorów przez węglowodany i białka aż do detergentów i pestycydów. OWO jest wskaźnikiem zanieczyszczenia wody bardziej miarodajnym niż utlenialność, BZT, CHZT ponieważ obejmuje wszystkie związki organiczne. Wyniki OWO 10-w przeliczeniu na tlen w powiązaniu z BZT i CHZT pozwala w przybliżeniu określić czy substancje org. należą do związków ulegających rozkładowi chemicznemu czy też nie. Jeśli stosunek BZT5/OWO oraz CHZT/OWO jest znacznie mniejszy od jedności to w wodzie znajdują się związki organiczne trudno rozkładalne. Dla wód naturalnych OWO jest rzędu ułamków mg/dm3, w wodach zanieczyszczonych osiąga wielkość kilku do kilkunastu mg/dm3
-Ekstrakt węglowo – chloroformowy – EWCH (CCE): oznaczenie to obejmuje mikroilości szkodliwych zw.org absorbowanych z wodą na węglu aktywnym a następnie ekstrahowanych za pomocą chloroformu. Otrzymana po odprężeniu chloroformu pozostałość określa łączną masę niezidentyfikowanych związków zaabsorbowanych w warunkach oznaczenia na węglu aktywnym w mg/dm3. Oddzielona masa związków org. może zostać poddana szczegółowej analizie pozwalającej na zidentyfikowanie składników i oznaczeniu ich stężenia. W wodzie pitnej dopuszczalne stężenie EWCH waha się w granicach 0,2 – 0,5 mg/dm3. W wodach powierzchniowych nie zanieczyszczonych EWCH nie powinno przekroczyć 0,05 mg/dm3
4. FIZYKOCHEMICZNE WŁAŚCIWOŚCI CZĄSTECZKI WODY
Woda jest związkiem wodoru i tlenu, który określa skład jakościowy i ilościowy wody. Skład pierwiastków wchodzących w skład cząsteczki wody jest następujący: 11,2% H i 88,8% O.
Sumaryczny wzór chemiczny nie wyjaśnia właściwości fizycznych i chemicznych danego związku chemicznego. Własności te zależą od budowy cząsteczki. Stwierdzono,że kształt cząsteczki wody nie jest wydłużony, lecz odpowiada trójkątowi. W jednym z jego wierzchołków znajduje się atom tlenu, a w dwóch pozostałych atomy wodoru. Atomy tworzące cząsteczkę wody są połączone wiązaniami chemicznymi – pomiędzy atomem tlenu a wodoru istnieje wiązanie kowalencyjne spolaryzowane. Atom tlenu (elektro ujemny) silniej przyciąga wspólną parę elektronowa, czyli zwiększa się gęstość elektronowa przy atomie tlenu oraz skupienie ładunków elektronów na atomów wodoru. Ze względu na swą budowę przestrzenną i spolaryzowane wiązanie atomowe cząsteczka wody jest biegu-nowa czyli polarna. Cząsteczka wody ma niesymetryczny rozkład ładunków elektrycznych (środki ładunków ujemnych i dodatnich nie pokrywają się). Cząstki polarności charakteryzuje się za pomocą tzw. momentu dipolowego,który jest równy iloczynowi bezwzględnej wartości ładunku jednego z biegunów dipola i odległości pomiędzy biegunami. Polarność cząsteczki wody jest przyczyną asocjacji i hydratacji.
W stanie pary woda składa się z pojedynczych cząsteczek H2O. Najwyższy stopień asocjacji powstaje w temp. od 276-277K w tej temp. woda zawiera najwięcej asocjatów cząsteczkowych (H2O)2 które w niższej temp. tworzą zespoły trójcząsteczkowe a w wyższej rozpadają się na pojedyncze cząsteczki H2O wg. równania
2(H2O)3=3(H2O)2=6H2O
Woda w stanie ciekłym jest mieszaniną pojedynczych cząsteczek H2O i różnych asocjatów (dwu i trójcząsteczkowych). Wiązania wodorowe warunkują dużą spoistość wody, jej zdolność do silnego przylegania do różnych powierzchni i ich zwilżania.
-Właściwości fizyczne wody służą do definicji wielu jednostek i stałych fizycznych np. temperatura krzepnięcia wody - 0°, temperatura wrzenia - 100°.
-Ciekły stan wody jest to stan
Woda dzięki omówionym właściwością takim jak: zdolność jonizacji, rozpuszczania i hydratacji jest szczególnie korzystnym środowiskiem różnych przemian i reakcji chemicznych, naturalnych.
| sezon | wiosna | lato | jesień |
|---|---|---|---|
| stanowisko | 1 | 2 | 3 |
| Temperatura wody ° C | 11 | 15 | 15 |
| Zawiesiny og. mg*dm-3 | 13 | 38 | 5 |
| Przewodnictwo µS*cm-1 | 520 | 354 | 362 |
| Odczyn pH | 7,7 | 8,2 | 7,7 |
| O2 mg*dm-3 | 11 | 12 | 12 |
| O2 % nasycenia | 102 | 111 | 121 |
| BZT5 | 6,4 | 5,6 | 6,7 |
| Subst. pow. czynne | 5,1 | 1,5 | 1,7 |
| ChZT | 8,6 | 12 | 14 |
| Nog. | 3,5 | 3 | 3,3 |
| NO3 | 1,4 | 0,4 | 0,4 |
| NH4 | 0,2 | 0,1 | 0,2 |
| Pog. | 0,3 | 0,1 | 0,1 |
| PO4 | 51 | 10 | 22 |
| Na | 5,4 | 6 | 6 |
| K | 2,5 | 2,6 | 2,7 |
| Mg | 2,5 | 2,6 | 2,7 |
MYRHG-9VWRK-CP7CK-WPPQX-QMRCM
FQPPD-7DPY8-48CFX-7TRCG-VVMK6
K3JPK-2P3DW-HFGTC-FF2HW-8D4RB
JQ4T4-8VM63-6WFBK-KTT29-V8966
G47M2-XHX69-7P974-9B3CM-YYF48
Q9GJG-YXRKF-J8R6P-XD368-HBQXD
G47M2-XHX69-7P974-9B3CM-YYF48
CHEMIA WODY
1. WODA występująca w przyrodzie, czyli woda naturalna jest roztworem wieloskładnikowym, bądź niejednorodna mieszanina H2O i innych substancji oraz związków chemicznych pochodzenia mineralnego. Spośród różnych form występowania wody w przyrodzie przedmiotem zainteresowania inżynierii sanitarnej jest woda zgromadzona w rzekach, jeziorach, morzach i pod ziemią. Dzielimy je na: wody powierzchniowe śródlądowe i morskie, wody podziemne gruntowe i wgłębne. Wody te w wyniku swego pochodzenia i umiejscowienia charakteryzują się odmiennym składem i odrębnymi właściwościami.
Wody powierzchniowe śródlądowe są to wody lądowe, stojące lub płynące. Ich cecha charakterystyczna jest słaba mineralizacja, obecność substancji organicznych, tlenu, zawiesin, bakterii. Ponadto odznaczają, się dużą zmiennością składu chemicznego i temperatury, w zależności od zanieczyszczeń odpadów.
Wody powierzchniowe morskie charakteryzują się bardzo silnym zasoleniem rzędu kilku do kilkudziesięciu gramów/ dm3. Wykazują stały skład chemiczny, zmieniający się wraz z głębokością. Temperatura w mniejszym stopniu niż w wodach śródlądowych ulega zmianie w zależności od pory roku.
Wody podziemne gruntowe są to wody zalęgające do głębokości około 10 m. Charakteryzują się skaldem chemicznym zbliżonym do wód wgłębnych i wód powierzchniowych, nie posiadają jednakże zawiesin, a także mogą zawierać niewielkie ilości tlenu. Na ich skład chem. rzutuje rodzaj zanieczyszczeń gleby oraz opady.
Wody podziemne wgłębne są to wody zalegające poniżej 10m. Charakteryzują się dużą zawartością soli nieorganicznych, brakiem związków organicznych, tlenu rozpuszczonego i zanieczyszczeń bakteryjnych. Posiadają stałą temp i prawie stały skład chemiczny.
Z punktu widzenia czystości wód wyróżniamy: wody naturalne, zanieczyszczone i ścieki. Stan wody określa się za pomocą tzw. wskaźników jakości wód. Nazwą tą obejmuje się zawieszone i rozpuszczone składniki wody oraz jej fizyczne i chemiczne właściwości.
Zawieszone składniki wody to makroskopowe substancje składające się zarówno ze zw. nieorg. jak i org. Ogólnie można je określić jako substancje o rozdrobnieniu 1nm. Rozpuszczone składniki wody to zw. org. jak i nie org. Oraz gazy reagujące i nie reagujące z woda.
2. SKŁADNIKI WOD:
2.1 ZAWIESZONE SKŁADNIKI WÓD:
-Zawiesiny: Wskaźnik ten reprezentuje ciała zawieszone o średnicy 7200 nm. Pod względem chemicznym stanowią je rozdrobnione substancje mineralne jak: piasek, osady, węglanów, wodorowęglanów, fosforów, cząstki iłu, gleby jak i sub org. w postaci szczątków roślin i zwierząt. Zawiesiny występują w wodach naturalnych, powierzchniowych w wyniku erozji dna i brzegów. W wodach zanieczyszczonych zawiesiny pochodzą ze ścieków. Zawiesiny nie występują zasadniczo w wodach podziemnych, mogą się jednak wydzielać w wyniku kontaktu wód pod-ziemnych z atmosfera, prowadzącego do reakcji chemicznych. Zawartość zawiesin w naturalnych wodach nie przekracza kilku mg/dm3. W wodach zanieczyszczonych do kilkudziesięciu mg/dm3. W wodach wezbranych może być kilku set.
-Koloidy: Sub. koloidalne zawarte w wodach naturalnych to przede wszystkim glinokrzemiany o różnym składzie chemicznym i ogólnym wzorze xAl2O3*ySiO2*z H2O oraz krzemionka koloidalna (SiO2)n. Substancje te przechodzą do wody w wyniku reakcji pomiędzy glinokrzemianami występującymi w minera-łach, glebie, glinach oraz dwutlenkiem węgla. Do koloidów występujących w wodach naturalnych zaliczyć trzeba sole sodowe, Ca, Mg i kwasy huminowe. W wodach zanieczyszczonych w postaci koloidalnej występują niektóre proste białka, skrobie i inne związki pochodzenia zw. lub roślinnego.
-Piany: Występują wyłącznie w wodach zanieczyszczonych tłuszczami lub węglowodorami ciekłymi. Stanowią układy dwóch nie mieszających się ze sobą cieczy. Nadają wodzie wygląd mętny lub mleczny. Stanowią uciążliwy składnik wody i ścieków.
-tłuszcze (ekstrakt eterowy): Nazwa ta określa się tłuszcze roślinne i zw. oraz węglowodory ciekle lub stale, pływające po powierzchni wody lub występujące w postaci emulsji. Substancje te wyodrębnia się z wody za pomocą ekstrakcji eterem i określa jako ekstrakt eterowy. Ten rodzaj zanieczyszczenie występuje głownie w ściekach, w wodach naturalnych Jedynie w przypadkach awaryjnych.
2.2 ROZPUSZCZONE SKLADNIKI WOD:
2.2.1 Gazy rozpuszczone: Rozpuszczalność gazów w wodzie zależy od ich charakteru, ciśnienia cząsteczkowego, temp wody, jej składu fizykochemicznego i biologicznego. Rozp gazu w wodzie maleje wraz ze wzrostem temp. Do gazów rozpuszczonych w wodach naturalnych należą CO2, O2, N2, H2S, CH4, SO2, H2Rn i inne gazy szlachetne.
Pochodzenie gazów zawartych w wodach naturalnych:
-atmosferyczne: O2, N2, CO2, SO2,
-chemiczne: CO2, H2S, H2, N2, CH4, SO2,
-biochemiczne: CH4, H2, CO2, N2, H2S pochodzące z biol. rozkładu sub. org. w warunkach tlenowych tj. aerobowych i beztlenowych tj. anaerobowych
-radioaktywnego.
Gazy rozpuszczone maja znaczenie:
-geologiczne (zmieniają właściwości wody jako rozpuszczalnika skal, minerałów, gruntów),
-lecznicze ( np. na organizm ludzki),
-techniczne ( działają, agresywnie na materiały budowlane)
-tlen rozpuszczony: Występuje, we wszystkich wodach naturalnych stykających się z powietrzem atmosferycznym. Po-chodzi głównie z atmosfery oraz procesów fotosyntezy roślin wodnych, jego stężenie jest wypadkową fizycznej rozpuszczalności tego gazu i jego zużycia na procesy biochemiczne. Tlen rozpuszczony występuje w wodach powierzchniowych i płytkich wodach podziemnych, wody wgłębne pozbawione są tlenu zupełnie. Zawartość jego waha się w wodach naturalnych od 0-14mg O2/l. Ilość rozpuszczonego tlenu mg O2/l. Nie określa sto-pnia nasycenia wody tlenem w danych warunkach. Stopień nasycenia wody jest to stosunek zawartości tlenu rozpuszczonego w badanej wodzie do maksymalnej zawartości tlenu w wodzie destylowanej w danej temp. przy ciśnieniu 760mm Hg. Dla wód powierzchniowych % nasycenia wody tlenem wynosi prawie 100%. Dla wód powierzchniowych o małym zanieczyszczeniu waha się od 80 do 95%, natomiast w wodach o wyraźnym zanieczyszczeniu spada do około 40 – 50 % nasycenia.
W wyniku spadku nasycenia w wodzie dominują procesy anaerobowe, w wyniku których powstaje H2S, NH3, PH3 i inne gazy. Taki deficyt tlenu spowodowany zostaje zrzutem dużych ilości związków organicznych. Tlen jest wskaźnikiem zanieczyszczenie wód powierzchniowych i jego niskie wartości wskazują na zanieczyszczenie rzeki i toczące się w niej procesy rozkładu biochemicznego. Obecność tlenu w wodach przemysłowych jest nie pożądana, gdyż przyspiesza proces korozji. Korodujące działanie wody można przedstawić za pomocą reakcji
2H+ + Fe Fe2+ +2H
2H + 1/2O2 H2O
Jony wodorowe atakują powierzchnie metalu. W wyniku reakcji do roztworu przechodzą jony żelazowe, a tworzący się wodór atomowy wydziela się w postaci warstwy na powierzchni metalu, izolując go od dalszej korozji. Obecny w wodzie tlen utlenia wydzielający się wodór do cząsteczki H2O, co powoduje zanik warstwy. Aby zapobiec temu zjawisku wodę należy odgazować.
-dwutlenek węgla: W wodach naturalnych powierzchniowych CO2 pochodzi głownie z atmosfery, bądź z procesów mineralizacji ciał org., w wodach wgłębnych CO2 pochodzi z proce-sów geochemicznych. Zawartość CO2 w wodach naturalnych waha się w szerokich granicach od kilku mg do kilkuset. CO2 w wodzie jest w postaci rozpuszczonych cząsteczek gazowych CO2, w których 1% reaguje z woda tworząc H2CO3:
CO2+H2O⇔H2CO3
Kwas ten dysocjuje dwustopniowo:
H2CO3 = H+ + HCO3-
HCO3- = H+ + CO22-
Stan równowagi pomiędzy rozpuszczonym CO2, a jego postaciami jonowymi zależy od pH wody. W zależności od pH wody CO2 może występować:
-Przy pH < 4,5 w formie gazowej,
-przy pH=8,4 w formie HCO3-,
-przy pH= 10,5 w formie CO23-
Ponieważ większość wód naturalnych ma pH 6.5 ÷ 8.5 zatem w wodach CO2 występuje na ogół w całym zespole związków kwasu węglanowego.
Ogólny CO2 jest sumą CO2 zawartego w wodzie w różnych postaciach. Ogólny CO2 dzielimy na wolny i związany. Związany CO2 znajduje się w wodzie pod postacią HCO3- i CO23-. Wolny CO2 występuje w postaci rozpuszczonej jako H2CO2. Część wolnego CO2 niezbędna do utrzymania w roztworze rozpuszczonego wodorowęglanu wapnia wg równania:
Ca(HCO3)2 ⇔ CaCO2 + H2O + CO2
Nazywa się CO2 równowagi węglanowo wapniowej lub CO2 przynależnym. W miarę zwiększania się w wodzie wodorowęglanów ilość niezbędnego CO2 przynależnego znacznie wzrasta. Pozostała część CO2 wolnego w wodzie, czyli nadmiaru wolnego CO2 w stosunku do stechiometrycznej ilości CO2 przy-należnego jest CO2 agresywnym. CO2 agresywny w odróżnieniu od CO2 jest aktywny i nadaje wodzie właściwości korodujące w stosunku do betonu i stali. Zawartość CO2 agresywnego zwiększa zdolność rozpuszczania w wodzie CaCO3 zmieniając go na łatwiej rozpuszczalny w wodzie wodorowęglan wapnia Obecność z higienicznego punktu widzenia nie ma znaczenie w wodach podziemnych, w wodach powierzchniowych jest wskaźnikiem stopnia zanieczyszczenia wody substancjami org.
-amoniak NH3: Gaz o charakterystycznym zapachu dobrze rozpuszczalny w wodzie. Związek ten łatwo reaguje z woda tworząc zasadę lub sól amonową
NH3 + H+ + OH+ ⇔ NH4 + OH-
Powstały wodorotlenek jest słabą zasada. Kierunek tej przemiany zależy od pH wody. Przy wzroście pH zwiększa się stężenie wolnego amoniaku, który wydziela się z wody.
2.2.2 związki nieorganiczne:
-chlorki: Ze względu na dużą rozpuszczalność chlorki występują we wszystkich wodach naturalnych. Mogą pochodzić z wy-mywania pokładów soli, z gruntu oraz zanieczyszczeń ściekowych. Wody śródlądowe, naturalne zawierają chlorki w stężeniu od kilku do kilkunastu mg/dm3. Wody zanieczyszczone mogą zawierać do kilkuset chlorków. Największe ładunki chlorków wprowadzane są do wody dołowe z odwadniania kopalni oraz ścieki przemysłu sodowego, chem. i garbarskiego. Chlorki wydalane są prze organizmy zwierzęce, występują wiec zawsze w ściekach bytowo gospodarczych i miejskich. Chlorki nie podlegają procesom samooczyszczania w rzekach ani oczyszczaniu konwencjonalnemu w oczyszczalniach. W wodzie pitnej może znajdować się do 300mg chlorków na dm3. Jon chlorkowy wykazuje działanie korozyjne do żelaza i stali w stężeniu > 150mg /dm3.
-siarczany: Należą do najbardziej, obok chlorków rozpowszechnionych anionów. Przechodzą do wody na wskutek wymywania skal osadowych, utleniania siarczanów. W wyniku mineralizacji organicznych zawierających siarkę są wprowadzane wraz ze ściekami. Utlenianie siarczków zachodzi wg równania:
2FeS2 + 7O2 +2H2O ⇔ 2FeSO4 + 2H2SO4
Zawartość siarczanów w wodach pow. naturalnych wynosi od kilku do kilkuset mg/dm3.
W wodach podziemnych i wodach zanieczyszczonych stężenie ich może być znacznie wyższe. Jeśli występują w nich jako sole słabych zasad nadają wodzie odczyn kwasowy. Siarczany nie podlegają procesowi samooczyszczania w warunkach tlenowych. W warunkach beztlenowych mogą ulegać redukcji do siarkowodoru.
FeSO4 + 8H+ ⇔ FeS +4H2O
Usuwanie siarczanów jest możliwe tylko przy ich bardzo dużych stężeniach przy użyciu wapna w postaci siarczanu wapna. Woda do picia zawiera do 200mg siarczanów / dm3. Siarczany mają właściwości korozyjne w stosunku do betonu wskutek tworzenie się w porach betonu silnie uwodnionej soli glinosiarczanu wapnia o wzorze:
3CaO *Al2O3*3CaSO4*3O*31H2O
Krystalizacja sól zwiększa silnie swoja objętość powodując rozsadzanie betonu. Woda o stężeniu siarczanów > 250mg /dm3 jest już agresywna w stosunku do betonu.
-węglany i kwaśne węglany: Są to sole słabego kwasu węglowego występujące jedynie w roztworach wodnych. Kwas węglowy dysocjuje dwustopniowo dając dwa typy soli: węglany i wodorowęglany.
H2CO3 ⇔ H+ + HCO-3
HCO-3 = H+ + CO2-3
Stałe dysocjacji I i II stopnia różnią się od siebie. Dobrze rozpuszczalne w wodzie są węglany potasu i sodu oraz wodorowęglany K, NA, Ca, Mg, Fe, Mn. Węglany i kwaśne węglany jako sole słabego kwasu rozkładają się pod wpływem mocniejszych kwasów z wydzieleniem CO2. Są tu głównym składnikiem zasadowości wody. Stanowią twardość węglanową wody. Obecność kwaśnych węglanów w wodzie uwarunkowana jest obecnością pewnej ilości CO2:
Ca(HCO3)2 = CaCO3 + H2O + CO2.
Nazywanego dwutlenkiem węgla przynależnym lub równowagi. Obojętne węglany występują w wodach nat w bardzo niewielkich ilościach. Wyjątek stanowią wody podziemne lub stykające się ze złożami wapnia, stanowiące przesycone roztwory wodorowęglanów. Kwaśne węglany są natomiast powszechnym składnikiem wód naturalnych. W wodach powierzchniowych, śródlądowych zawartość kwaśnych węglanów wynosi 1,5 ÷ 3,5 mval/dm3 a w wodach podziemnych osiągają wartości wyższe. Węglany i kwaśne węglany nie są wskaźnikami zanieczyszczenia wody. Ich obecność w wodzie jest dla odbiornika pożądana, gdyż stanowi układ buforowy, przeciwdziałający nagłym zmiana pH.
-azotyny: Są to sole kwasu azotowego, powstają jako produkty utleniania amoniaku do azotanów na drodze biochemicznej wg schematu:
NH4+ bakt nitrosomonas NO2+ bakt nitrobacter NO3+
Azotyny są zatem nietrwałą formą azotu przechodzącą łatwo w warunkach utleniających w azotany, w warunkach redukujących w amoniak są tez wskaźnikiem zanieczyszczenia wody i kierunkiem z procesów samooczyszczania. Stężenie ich w wodach powierzchniowych jest rzędu tysięcznych mg/dm3 a w wodach zanieczyszczonych rzędu dziesiętnych lub setnych mg/dm3.
-azotany: Są to bardzo łatwo rozpuszczalne sole kwasu azotowego. Stanowią ostateczny produkt na drodze tlenowej azotowych związków organicznych. Azotany dostają się do wód nat pow wraz ze ściekami miejskimi i przemysłowymi, wraz z opadami atm i spływami z nawożonych pol. Tą droga dostają się tez do wód podziemnych. Stężenie azotanów w wodach naturalnych jest na ogół rzędu kilku mg/dm3, w wodach zanieczyszczonych może być wyższe. Azotany w wyższej ilości są niepożądanym składnikiem wód nat. Są one wykorzystywane przez glony i rośliny wodne do swojego rozwoju, w sprzyjających warunkach do nadmiernego rozwoju flory wodnej, który w konsekwencji po-woduje wtórne zanieczyszczenie wód. Nie podlegają procesowi samo oczyszczania się. Woda do picia może zawierać 10mg azotanów na 1 dm3
-fosforany i polifosforany:
Kwas fosforowy dysocjuje trójstopniowo w wyniku czego powstają sole I, II, III rzędowe typu: McH2PO4, McHPO4, Mc3PO4, gdzie Mc - jon metalu jednowartościowego. Pierwszorzędowe fosforany sodu, potasu, wapnia i magnezu są rozpuszczalne w wodzie spośród II i III rzędowych rozpuszczalne są tylko fosforany sodu i potasu. Fosforany są końcowym produktem mineralizacji związków org. zawierających fosfor
Fosforany w wodach naturalnych mogą pochodzić też z mineralizacji substancji roślinnych z wyługowaniem gleby nawożonej nawozami fosforowymi oraz ze ścieków miejskich i przemysłowych. Fosforany podobnie jak azotany stanowią substancje po-karmową dla roślin są przez nie przyswajalne a następnie przy obumieraniu roślin wracają do wody. W związku z tym uważa się je za związki nie ulegające procesowi samooczyszczania. W wodach naturalnych stężenie ich nie przekracza ułamka [mg/dm3], w wodach zanieczyszczonych kilka [mg/dm3]. Norma nie podaje stężenia fosforanów w wodzie do picia. w wodach I klasy muszą być poniżej 0,2 mg/dm3. Kwas fosforowy oraz jego sole I, II rzędowe maja zdolności kondensacji czyli łączenia się w dwie cząsteczki z wydzieleniem wody. Produkty kondensacji mogą posiadać bardzo duży ciężar cząsteczkowy oraz budowę łańcuchową lub pierścieniową. Cząsteczki o budowie łańcuchowej noszą nazwę kwasów ortofosforowych, zaś o budowie pierścieniowej –kwasów metafosforowych. np.;
a. kwasy ortofosforowe:
H3PO4 -ortojednofosforowy,
H3P2O7 -ortodwufosforowy (pirofosforowy),
H5P3O10 -ortotrójfosforowy.
b. kwasy metafosforowe;
HPO3 - metafosforowy,
H3P3O4 - metatrójfosforowy.
H4P4O12 - metaczterofosforowy.
Wyższe kwasy orto- i metafosforowe występują wyłącznie w postaci soli. Wszystkie sole kwasów orto- i metafosforowych nazywa potocznie polifosforanami. Polifosforany mają zdolność tworzenia związków kompleksowych z jonami metali dwu i trójwartościowych najczęściej z jonami magnezu i wapnia. Związki te mają szerokie zastosowanie jako środki zmiękczające, jako zabezpieczenie przed tworzeniem kamienia kotłowego, jako środki pasywujące powierzchnie stali- w konserwacji znajdują się one w coraz większych stężeniach w wodach naturalnych ścieków.
Na2SiO3+2H2CO32NaHCO3+SiO2+H20
Związki krzemu pochodzą głównie w wymywania skał, gleby oraz rozkładu złożonych glinokrzemianów na związki proste. Zawartość krzemu w wodach jest rzędu ułamków mgSiO2/dm3. W wodach podziemnych stężenie krzemu jest wyższe, rzędu do kilkudziesięciu mgSiO2/dm3.
-fluor - jako pierwiastek bardzo rozpowszechniony w skorupie ziemskiej, występuje również w wodach naturalnych. fluor wchodzi w skład organizmów zwierzęcych i roślinnych. w większych stężeniach działa szkodliwie na układ kostny. W stężeniach niskich fluor wywiera korzystny wpływ na uzębienie dlatego tez w okolicach gdzie występuje jako deficyt wprowadza się go do wody pitnej. Fluor występuje w wodach głównie w postaci fluorków F. Stężenie dopuszczalne w wodzie pitnej wynosi 1,5mgF/dm3.
-jod - jest pierwiastkiem bardzo rozpowszechnionym najczęściej występuje w postaci jodków J, jodki znajdują się jako do-mieszki w soli kuchennej. Związki jodu są bardzo dobrze rozpuszczalne w wodach. Posiada duże znaczenie fizjologiczne – jego brak powoduje niedoczynność tarczycy. Jod występuje w wodzie jako jodki (J-) i jodany (JO3) zawartość jodu w wodach naturalnych jest rzędu setnych i tysięcznych mg/dm3
-bor - jest dość rozpowszechniony w przyrodzie, i występuje w postaci kwasu borowego H3BO3 oraz w postaci borokrzemianu np. boraksu NA2B4O7 ⋅10H20. kwas borowy jest słabym kwasem w wodzie dysocjuje tworząc H2BO3-,HBO-23,BO3-3,HB40-7,B4O2-7. W zależności od pH bor może występować w formie niejonowej lub jonowej. Przy pH>1 spotykana w wodach naturalnych prze-ważnie forma niejonowa. Stężenie boru w wodach naturalnych waha się od zera do kilku mg/dm3.
-wapń i magnez - Są głównymi kationami w wodach naturalnych dostają się do wody głównie na wskutek wymywania skał i gleb. Stężenie wapnia w wodach naturalnych jest rzędu kilkudziesięciu mg/dm3 zaś magnezu rzędu kilkunastu mg/dm3 najczęściej kationy te występują w postaci węglanów i kwaśnych węglanów, siarczanów oraz chlorków. Stosunek jonów wapnia i magnezu w wodach naturalnych jest miarą stopnia mineralizacji wody;
-wody słabo z mineralizowane tj. wody o suchej pozostałości- części mineralne 200 mg/dm3 wykazują:
Ca/Mg = (3-4)/1
-wody o mineralizacji 200-500 mg/dm3 wykazują:
Ca/Mg = (2-3)/1
-wody o mineralizacji <1000 mg/dm3 wykazują:
Ca/Mg = (1-2)/1
-wody silnie z mineralizowane tj. o suchej pozostałości- części mineralne >100 mg/dm3 wykazują:
Ca/Mg = 1/(3-4)
-żelazo i mangan - Pierwiastki te należą do szeroko rozpowszechnionych w skorupie ziemskiej stąd też są częstymi składnikami wód naturalnych. Do wody przechodzą w wyniku reakcji geotermicznych lub procesów utleniająco-redukujących. Żelazo występuje w dwóch stopniach utlenienia jako jon Fe2+- dając sole żelazawe i jako jon Fe3+- dają jony żelazowe. W zależności od warunków utleniająco-redukujących obie formy żelaza przechodzą jedna w drugą. Sole żelaza są solami słabej zasady i w roztworach wodnych ulegają hydrolizie w wydzieleniem Fe(OH)2, a utlenianiu Fe(OH)3. Tak więc w dobrze natlenionych wodach powierzchniowych żelazo występuje w postaci zawiesiny uwodnionych tlenków żelaza;
4Fe2++O2+10H2O=4Fe(OH)3+8H+
W wodach powierzchniowych stężenie żelaza rozpuszczonego jest rzędu ułamków mg/dm3 natomiast stężenie całkowite (łącznie z żelazem w zawieszeniu) jest na ogół rzędu 0,5÷1 mg żelaza /dm3. Żelazo za-warte w wodach podziemnych występuje w postaci dwuwartościowej. Beztlenowe warunki wód podziemnych sprzyjają rozpuszczeniu żelaza dwuwartościowego. W wodach podziemnych stężenie żelaza może być duże od kilku do kilkudziesięciu mg/dm3. W wodzie do picia może znajdować się 0,5 żelaza mg/dm3
Mangan - występuje w ilościach mniejszych wynoszących od ¼ do 1/10 zawartości żelaza. Proces utleniania i wydzielania manganu zachodzi znacznie wolniej i trudniej stąd też mangan częściej występuje w wodach powierzchniowych gdzie jego stężenie jest rzędu ułamka mg/dm3. Przebieg reakcji hydrolizy i utleniania manganu [II] do manganu [IV] zachodzi następująco;
Mn(HCO3)2+H20⇔Mn(OH)2+2CO2+H20
2Mn(OH)2+O2⇔2MnO(OH)2
2MnO(OH)2⇔2MnO2+2H2O
Zawartość manganu w wodzie do picia wynosi 0,1mgMn/dm3
Jony żelaza i manganu stanowią pożywkę dla pewnych gatunków bakterii czerpiących energię z procesów utleniania i redukcji. W wyniku tego procesu następuje odkładanie się zbitych osadów na ściankach rur, co powoduje znaczne zmniejszenie ich prześwitu. W studniach ujmujących wodę żelazo i mangan zachodzą podobne procesy. Na filtrach studni następuje wytracenie się osadów wodorotlenków żelaza i manganu, co powoduje spadek wydajności studnia nawet unieruchomienie – zjawisko to nosi nazwę – kolmatacji. Wody zawierające ponadnormatywne ilości żelaza i manganu można uzdatnić.
z jonem wodorotlenowym daje zasadę amonową:
NH+4+OH-⇔NH4OH
Zasada amonowa ulega łatwo rozkładowi z wydzieleniem wolnego amoniaku:
NH4OH⇔NH3+H2O
Przebieg tej reakcji zależy od temperatury i odczynu wody wraz ze wzrostem pH wydziela się coraz więcej amoniaku. Reakcja ta wykorzystywana jest przy oczyszczaniu ścieków od nadmiaru azotu amonowego. Azot amonowy w stężeniu >15 mg/dm3 nadaje wodzie charakter korozyjny w stosunku do betonu – polega to na wymianie jonu Ca2+ ze spoiwa cementowego na jon NH+4 i rozluźnieniu przez to jego struktury.
Poza omówionymi ważniejszymi składnikami mineralnymi wód naturalnych w wodzie mogą być inne pierwiastki jak: arsen, rtęć, kadm, chrom, ołów, selen, beryl, bar, miedź, molibden, wanad, cynk. Występowanie ich w wodach naturalnych związane jest z obecnością minerałów tych pierwiastków w obszarze wodonośnym. Stężenia ich są na ogół niewielkie rzędu ułamków mg/dm3. Większe stężenia wystąpić mogą w wyniku zanieczyszczenia wody ściekami przemysłowymi, wyciekami z hałd, spływami z pól intensywnie eksploatowanych.
Wody naturalne ulegają nie zanieczyszczeniu nie tylko związkami pochodzenia nieorganicznego, ale również związkami organicznymi, które dostają się do wody powodując jeszcze większe je zanieczyszczenie. Związki organiczne przedostające się do wód mogą być pochodzenia naturalnego i sztucznego. Źródłami ich są ścieki bytowo-gospodarcze, przemysłowe, spływy atmosferyczne z obszarów upraw rolnych. Związki organiczne są na ogół związkami trwałymi jedynie w procesach biochemicznych zachodzących pod wpływem enzymów bakterii niektóre z nich mogą ulec rozkładowi na związki wykorzystywane przez bakterie do budowy nowych komórek oraz na proste zw. org. Wiele związków organicznych ulega działaniu silnych utleniaczy- możliwe wtedy częściowe utlenienie związków org. do związków prostych lub tworzenie się chlorowcopochodnych. Powstające w obydwu przypadkach nowe związki organiczne mogą posiadać charakter toksyczny nawet w większym stopniu niż produkty wyjściowe. Związki organiczne stanowią często substancje toksyczne dla mikroorganizmów oraz dla organizmów większych (ryby rośliny a nawet człowiek)- w takich przypadkach nie może nastąpić proces samooczyszczania się wód i następuje bądź ich trwałe zatrucie bądź kumulacja tych związków w organizmach wyższych. Związki organiczne są to zw. węgla z wodorem, tlenem, azotem, fosforem, oraz innymi pierwiastkami. Wszystkie. Związki węgla z wyjątkiem węglanów i kwaśnych węglanów, tlenku i dwutlenku węgla oraz węglików (CaC2) uważa się za związki organiczne. Atomy węgla w tych związkach łącza się ze sobą za pomocą wiązań kowalencyjnych, w długie łańcuchy, proste lub rozgałęzione, zamknięte lub otwarte. Oprócz węgla zdolność łączenia wielu atomów kowalencyjnych posiada krzem oraz bar.
-zw. humusowe- stanowią złożone, heterogenne polimery kwasy o żółtej i brązowej barwie powstają w wyniku procesu humifikacji materiału roślinnego i zwierzęcego przez drobnoustroje i mikrofaunę glebową. Pod względem chemicznych są to bardzo różnorodne substancje należące do wielocząsteczkowych polimerów o charakterze fenolu.
W skład związków humusowych wchodzą kwasy fulwowe, kwasy huminowe, kwasy hymatomelanowe, huminy. Substancje humusowe występują w wodzie w postaci rozpuszczonej, koloidalnej i trudno rozpuszczalnych cząstek. Postać w jakiej występują zależy od pH wody. Występowanie tych związków w wodzie powoduje zwiększenie barwy, utlenialności. Domieszki te mają ponadto duże zdolności sorpcyjne i odznaczają się aktywnością chemiczną w stosunku do innych zanieczyszczeń obecnych w wodzie. Substancje sorbują zarówno związki org. (pestycydy), jak i mineralne, stabilizują koloidy, a z jonami wielu metali tworzą połączenia metaloorganiczne. Obecność substancji humusowych w wodach dla oczyszczenia których stosuje się związki chloru może spowodować powstanie bardzo szkodliwych form organicznych – trojchlorometanu. Związki humusowe są najbardziej szkodliwe w połączeniach metaloorganicznych z metalami ciężkimi lub innymi uciążliwymi substancjami organicznymi i mineralnymi.
-fenol- jest to związek organiczny zawierający grupę wodorotlenową z pierścieniem aromatycznym. Fenole i ich pochodne są w pewnym stopniu wskaźnikiem zanieczyszczenia wody ściekami przemysłowymi. Do wód powierzchniowych dostają się wraz ze ściekami miejskimi z różnych gałęzi przemysłu jak np. chemiczny, z gazowni i koksowni, rafinerii, fabryk tworzyw sztucznych. Fenol i jego pochodne jest niepożądanym składnikiem wód. Ulega w pewnym stopniu rozkładowi w procesie samooczyszczania się rzeki, lecz wiąże się to ze zużyciem tlenu i możliwością występowania deficytu tlenowego. W dużych stężeniach jest bardzo toksyczny dla organizmów wodnych. Obecność fenolu w wodzie ogranicza jej użytkowanie do hodowli ryb, gdyż nawet w bardzo małych stężeniach przechodzi do ich mięsa gdzie się kumuluje, nadając mu nieprzyjemny smak i zapach. Woda zawierająca fenol i poddawana procesowi chlorowania posiada charakterystyczny ‘’apteczny’’ zapach umożliwiający jej użycie. Zjawisko to występuje przy stężeniu fenoli w wodzie powyżej 0,005 mg/dm3.
-substancje powierzchniowo czynne;- są to substancje koncentrujące się na powierzchni wody, w tym samym obniżające jej napięcie powierzchniowe. Według charakteru granicy faz na której wykorzystywane są ich właściwości dzieli się je na:
A środki pieniące działają na granicy faz ciecz/gaz
B środki emulgujące [emulgatory] działają na granicy faz ciecz/ciecz
C środki zwilżające działające na granicy ciecz/ ciało stałe
Cząsteczka związku powierzchniowo czynnego składa się z długiego łańcucha hydrofobowego np. CH3(CH2)nOH; CH3(CH2)nCOOH; CH3(CH2)nNH2 oraz grupy hydrofilowej do której zalicza się OH, COOH, NH2 Grupy hydrofobowe mają wartość n=6-16. Łańcuch hydrofobowy może być alifatyczny prosty lub rozgałęziony oraz skondensowany z rdzeniem aromatycznym. Cząstki SPC mają tendencję do gromadzenia się na granicy dwóch faz o różnych stałych dielektrycznych. Hydrofobowa cześć cząsteczki ustawia się w fazie o mniejszej stałej dielektrycznej, natomiast część hydrofilowa w fazie większej stałej. Powoduje to w pierwszym przypadku rozluźnienie struktury brudu i daje efekt prania (pozwala na zwilżenie i zemulgowanie). W drugim przypadku tj. na granicy ciecz / gaz cząsteczki SPC blokujące powierzchnie uniemożliwia wymianę gazową.
Najliczniejszą grupę SPC stanowią detergenty czyli sztuczne środki piorące. Zawierają one w swoim składzie 15-30% SPC oraz 70-80% innych środków wspomagających jak; polifosforany, chemiczne środki bielące, soda, borany. Środki zapachowe. Detergenty posiadają budowę zbliżoną do środków powierzchniowo czynnych jakimi są mydła
Następuje łatwiejsze zwilżenie pranych przedmiotów i wyniku tarcia mechanicznego powstaje z brudu i mydła emulsja którą wypłukuje się z woda. Efektywność działania mydła zależy od temperatury i miękkości wody. W wodzie twardej część mydła wytrąca się w postaci soli wapiennej, powodując jego zużycie. Z tego powodu zastosowano syntetyczne SPC. Wyższość SPC w stosunku do -30% mydła polega na tym że SPC są niewrażliwe na twardość wody [nie tworzą osadów z jonami wapnia i magnezu] nie wymagają wysokiej temperatury, mają większe właściwości zwilżające tworzą obfitą pianę, łatwiej się rozpuszczają w wodzie i maja lepsze właściwości piorące niż mydło. Pod wzgl. chemicznym detergenty są solami zasadami lub związkami niejonowymi. Z punktu widzenia rodzaju powstającego jonu dzielimy detergenty na:
A anionowe – posiadające grupę polarną SO3Na
B kationowe – posiadające polarna grupę kationową (IV rzędowa grupa amoniowa)
C amfolityczne – zawierają cząsteczkę polarną o dominującej grupie hydrofilowej nadającej SPC właściwości powierzchniowo czynne.
D – niejonowe -zawierające niejonowa grupę polarna. Nie tworzą jonów w roztworze
Z punktu widzenia podatności na rozkład biochemiczny dzielimy detergenty na: miękkie i twarde. Do twardych czyli nie ulegających procesom biochemicznego rozkładu należą detergenty kationowe oraz część jonowych. Obecność SPC zmienia właściwości organoleptyczne wody, wywołuje pienienie się wód wpływa niekorzystnie na procesy samooczyszczenia oraz oddziaływuje toksycznie na organizmy roślinne i zwierzęce. Stopień tego oddziaływania jest różny i zależy od rodzaju i stężenia SPC (zawartość w wodzie pitnej stanowi zagrożenie dla człowieka, ułatwiając przenikanie i wchłanianie substancji szkodliwych). Detergenty tworząc pianę powodują śniecie ryb z powodu braku tlenu. Przy stężeniu 0,3-0,4 mg SPC/dm3 powstaje trwała piana. Zawartość 1 mg SPC zmniejsza zdolność aeracji wody o ok. 60%.detergenty anionowe szkodliwie wpływają na plankton i rośliny wodne, przy stężeniu 15-70 mg/dm3, kationowe i niejonowe wykazuje zahamowania rozwoju roślin wodnych przy stężeniu 1 mg/dm3. SPC zmniejsza efektywność procesów uzdatniania wody. W wodzie przeznaczonej do picia i na potrzeby gospodarcze stężenie detergentów nie powinno przekraczać 0,2 mg/dm3
A zoocydy które dzielimy na:
insektycydy- środki owadobójcze
akarcydy – środki do niszczenia roztoczy roślinnych
rodencydy –środki przeciw gryzoniom
moluskocydy- środki do zwalczania ślimaków
limacydy –środki do zwalczania ślimaków nagich
nematocydy- środki nicieniobójcze
owicydy- środki do zwalczania jaj owadów i roztoczy
B herbicydy – środki chwastobójcze
C fungicydy-środki grzybobójcze
fumicjanty – środki do gazowania
atraktanty- zwabiające
repelemity –środki odstraszające
D regulatory wzrostu roślin –środki stymulujące lub hamujące rozwój roślin.
Najszersze zastosowanie w praktyce znajdują insektycydy oraz herbicydy i fungicydy.
Insektycydy pod wzgl. chem stanowią dwie grupy związków; chlorowane węglowodory aromatyczne i zw. fosforoorganiczne.
-węglowodory chlorowane – odznaczają się dużą twardością, trudno ulegają biodegradacji, kumulują się w organizmach żywych, bardzo długo pozostają w glebie i w wodzie. Do najważniejszych węglowodorów należą;
DDT którego cecha charakterystyczna jest praktycznie całko-wita odporność na rozkład biochemiczny. Z tego względu stosowanie DDT jak i preparatów w skład których wchodzi jest zabronione. W wodzie do picia stężenie DDT nie może przekraczać 0,03mg/dm3.
Metoksychlor (DMDT)jest najmniej szkodliwym środkiem z tej grupy związków nieznacznie kumuluje się w tkance tłuszczowej. W wodzie do picia stężenie DMDT nie może przekraczać 0,01mg/dm3.
Lindan [HCH]w wodzie do picia stężenie HCH nie może przekraczać 0,04mg/dm3
-zw. fosforoorganiczne – są mniej szkodliwe dla środowiska, łatwiej ulegają biodegradacji, produkty rozkładu są na ogół mniej toksyczne. Wśród licznych pestycydów fosforoorganicznych znajdują się takie związki jak;
-foschlor – pochodna kwasu fosforowego ulega szybko rozkładowi, działa krótkotrwale, stężenie w wodzie nie może przekroczyć 0,02 mg/dm3
-Malation – pochodna kwasu dwutiofosforowego niezbyt toksyczny stężenie w wodzie nie może przekraczać 0,05 mg/dm3
-Dichlorfos (DDVP) – należy do estrów kwasu fosforowego woda do picia może zawierać stężenie 0,02mg/dm3
-Metylopoaration – ester kwasu dwutiofosforowego, silna trucizna stężenie w wodzie do picia może wynosić 0,01 mg/dm3
-herbicydy: stosowane są do zwalczania chwastów działanie polega na nadmiernym pobudzaniu wzrostu roślin co prowadzi do ich obumierania. Prawie wszystkie herbicydy ulegają rozkładowi w środowisku naturalnym. Do związków tego typu należą: nieorganiczne zw. Arsenu, cjaniny, pochodne kwasów fenoksyoctowych, związki karbuminowe
-fungicydy: tworzą liczną grupę związków chem. Zarówno organicznych jak i nieorganicznych działających grzybobójczo lub grzybostatycznie.
-Wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne (WWA)
Przyczyna występowania WWA jest rozwój przemysłu a szczególnie petrochemicznego, koksowniczego i motoryzacyjnego. WWA mogą przedostać się do wód powierzchniowych z powierzchni ulic lub opadów atmosfer. Powodem powstawania WWA jest najczęściej niepełne spalanie. Do najbardziej niebezpiecznych WWA zalicza się 3.4 – benzopiren występujący w smole węglowej, sadzy, gazach ze silników spalinowych, w dymie papierosowym. Związki tego typu posiadają zdolność do kumulacji w organizmie. Wg. światowej org. Zdrowia w wodzie do picia dopuszcza się stężenie 0,2 mg WWA/dm3
Wg. uzyskanych doświadczeń przyjęto umowny podział wód w zależności od stwierdzonego stężenia WWA
-wody podziemne czyste 1-10
-wody podziemne słabo zanieczyszczone 10-50
-wody powierzchniowe umiarkowanie zanieczyszczone 10-100
-wody powierzchniowe silnie zanieczyszczone 100-1000
-ścieki do 100000
-Trójchlorowcometany THM
Jest to grupa związków organicznych o ogólnym wzorze CHX3 gdzie X oznacza F,Br,Cl,J. Związki te powstają podczas chlorowania wody zawierającej tzw. prekursory THM czyli związki organiczne które reagując z chlorem dają połączenie trójhalometanowe. Substancjami które mogą stanowić prekursory są: kwasy fluwowe, rezorycyna, fenole, anilana. THM powstaje w trakcie tzw. reakcji haloformowej czyli trzy atomy wodoru grupy metylowej podstawiane są kolejno atomami chloru (lub innego halogenu) czego efektem jest związek haloformowy i kwas karboksylowy. Reakcje te w skrócie można przedstawić następująco:
CH3COR + 3HOCl CCl3COR+3H2O
CCL3COR + H2O CHCl3 + RCOOH
3. WŁAŚCIWOŚCI WÓD
3.1 Właściwości fizyczne:
-Temperatura: optymalna temperatura wody do picia jest zawarta w granicach 7-12 C – temu warunkowi odpowiadają przeważnie wody podziemne. Wody powierzchniowe mają temp. wahającą się w granicach 0-35 C w zależności od pór roku i zrzutu wód podgrzanych. Wody podziemne mają temperaturę stałą i nie ulegają wahaniom cyklu rocznego. Gdy temp. wody podziemnej ulega wahaniom to świadczy to o jej kontakcie z wodami powierzchniowymi. Odprowadzanie wód podgrzanych do powierzchniowych wpływa na zmianę ich biocenozy. Znajomość temp. wód jest potrzebna do obliczania różnych postaci zasadowości i stabilności wodorowęglanów, do obliczania stopnia za-solenia i nasycenia wody gazami. Temp. nie jest bezpośrednim wskaźnikiem zanieczyszczenia wody ściekami ale jej wahania mogą świadczyć o jej zanieczyszczeniu.
W głębokich zbiornikach wodnych temp. jest różna na różnych głębokościach. Wiosną i jesienią w takich zbiornikach wskutek wymieszania się wód następuje pionowe przemieszczanie się wody co rzutuje na zmiany składu chemicznego. Większość zwierząt wodnych znosi zmiany temperatury w granicach 4-35 C powyżej 35 C następuje śniecie ryb.
-Barwa: w wodach naturalnych barwa wywołana może być obecnością niektórych jonów, związków humusowych lub zakwitania planktonu. Barwę wody oznacza się przez porównanie ze wzorcem. Wody naturalne wykazują barwę rzędu kilku jedno-stek. Wody zanieczyszczone mają barwę znacznie wyższą. W wodzie do picia nie powinno przekraczać 20mgPt/dm3.
-Mętność: wywołana jest obecnością ciał zawieszonych o rozdrobnieniu >1µ, czyli substancji koloidalnych. W wodach naturalnych stanowią ją głównie krzemiany i glinokrzemiany w postaci iłów gleby i gliny jak również szczątki wodnych organizmów roślinnych i zwierzęcych.
W wodach podziemnych mętność pojawiająca się po wydobyciu wody na powierzchnię związana jest z zaburzeniem równowagi chemicznej – dotyczy to wytrącania się osadów węglanu wapnia i wodorotlenku żelaza. W wodach zanieczyszczonych mętność spowodowana jest przez rozdrobnione lub rozłożone substancje organiczne pochodzące ze ścieków. Mętność wód powierzchniowych jest rzędu kilki do kilkunastu mg SiO2/dm3.
3.2 Wskaźniki charakteryzujące chemiczne właściwości wody
3.2.1 Właściwości wynikające z obecności związków nieorganicznych
-twardość: cecha wody związana z obecnością w wodzie jonów wapnia, magnezu, żelaza, manganu, glinu, cynku. Zawartość wapnia i magnezu w wodach naturalnych jest dużo większa od innych wymienionych pierwiastków wobec czego przy-jęto uważać za twardość wody całkowitą ilość jonów wapnia i magnezu. Wyodrębnienie tej własności wynika ze zdolności tworzenia przez te jony trudno rozpuszczalnych lub nierozpuszczalnych soli z anionami kwasów nieorganicznych i organicznych mydeł wapniowych, zw. z garbnikami. W zależności od rodzaju soli w jakiej występuje wapń, magnez, rozróżniamy twardość węglanową (węglany i kwaśne węglany) i niewęglanową (sole silnych kwasów jak siarczany, chlorki, azotany). Twardość wody wyraża się w stopniach twardości ( 1 stopień oznacza taka zawartość jonów wapnia i magnezu która odpowiada równo-ważnej ilości 10 mg CaO/dm3 lub w mval/dm3
Woda do picia nie powinna przekraczać 10 mval/dm3 twardości.
0-5 woda bardzo miękka, 5-10 miękka, 10-15 woda o średniej twardości, 15-20 o znacznej twardości, 20-30 woda twarda, powyżej 30 woda bardzo twarda.
-zasadowość: określa zdolność wody do przejmowania pro-tonów tj. do zobojętniania silnych kwasów mineralnych do określonego pH. Zdolność tą nadaje wodzie obecne w niej wodorowęglany i węglany głównie metali alkalicznych, wodorotlenki oraz nieznaczne ilości krzemianów, fosforanów i boranów.
W wodach naturalnych zasadowość pochodzi w przeważającej ilości od wodorowęglanów wapnia i magnezu. Mogą ja również powodować wodorowęglany i węglany sodu i potasu. W niektórych przypadkach w wodach naturalnych występują duże stężenia wodorowęglanów sodu i metali alkalicznych – wówczas zasadowość jest większa od twardości ogólnej a różnica miedzy nimi stanowi zasadowość alkaliczna. Zasadowość z punktu widzenia sanitarnego ma znaczenie drugorzędne natomiast jest istotna cecha wody ponieważ określa jej zdolność do buforowania wprowadzonych kwasów i zasad. Istotna jest również zasadowość w wodach przemysłowych.
-kwasowość: to zdolność do zobojętniania silnych zasad. Jest ona spowodowana obecnością dwutlenku węgla lub kwas-ów organicznych. Kwasowość mineralna występuje przy pH <4,4 a ogólna w zakresie pH 4,4 – 8,2. Kwasowość mineralna występuje wyjątkowo jedynie w wodach silnie zanieczyszczonych. Najczęściej kwasowość spowodowana jest przez wolny CO2. Wartość kwasowości ogólnej w wodach naturalnych jest rzędu ułamków mval/dm3
-odczyn: wynika ze stosunku pomiędzy jonami wodorowymi a wodorotlenowymi występującymi w roztworze: Odczyn wody za-leży od: stężenia wolnych słabych kwasów, stężenia ich soli, obecności hydrolizujących soli, obecności rozpuszczonych gazów.
Większość wód naturalnych charakteryzuje się wartością pH w granicach 6,5 – 8,5. Odstępstwa od normalnego odczynu mogą wystąpić w okresie letnim. Przy danym nasłonecznieniu procesy asymilacji zachodzą szybko pH wody wzrasta nawet do wartości 10
Powyższe zjawisko spowodowane jest całkowitym wyczerpaniem się rozpuszczonego CO2. Wodorowęglany obecne w wodzie wobec zaniknięcia CO2 jako czynnika równowagi węglanowej ulegają hydrolizie: Ca(HCO3)2 + H2O = Ca(OH)2 + 2H2CO3. Powstały wodorotlenek podnosi pH wody. W wodach silnie za-nieczyszczonych odczyn waha się w szerokich granicach przy czym podwyższanie odczynu obserwuje się częściej aniżeli ob.-niżanie pH poniżej zwykłego zakresu jest to spowodowane mniejszą pojemnością buforową wody w stosunku do jonów OH aniżeli w stosunku do jonów H ( stężenie CO2 jest rzędu ułamka mval/dm3 a stężenie wodorowęglanów rzędu kilku mval/dm3). Wody o odczynie kwaśnym są korozyjne, agresywne wobec be-tonu i stali. Odczyn wody ma podstawowe znaczenie dla proce-sów biochemicznych zachodzących w roztworach wodnych oraz organizmach żywych w przyrodzie.
-przewodnictwo: właściwe jest charakterystyczną cechą wody związaną z obecnością w niej jonów. W wodach naturalnych nie zanieczyszczonych występują głównie związki nie-organiczne dysocjujące na jony – wobec tego przewodnictwo jest doskonałym wskaźnikiem zawartości soli w wodzie. Jakość wody ze źródeł dostarczających wodę o stałym składzie chem. może być kontrolowana przy pomocy przewodnictwa - jego nagła zmiana świadczy o przedostaniu się zanieczyszczeń o charakterze nieorganicznym. Przewodnictwo właściwe wyraża się w µS/cm. Dla wód naturalnych wynosi 250 –500 uS/cm a dla wód zanieczyszczonych osiąga wart. 1000 uS/cm, dla ścieków 10000µS/cm. Przewodnictwo właściwe wykazuje dużą korelację z zawartością związków nieorganicznych.
3.2.2 Właściwości wody wynikające z obecności związków organicznych:
-BZT: jednym z podstawowych wskaźników pozwalającym ocenić zawartość substancji organicznych łatwo ulegających rozkładowi w warunkach tlenowych pod wpływem enzymów wydzielonych przez drobnoustroje głównie przez bakterie jest biochemiczne zapotrzebowanie na tlen BZT. Jest to pojęcie umowne określające ilość tlenu (w miligramach) potrzebną do biochemicznego utleniania związków organicznych łatwo utleniających się zawartych w 1dm3 wody w warunkach tlenowych i temp. 20ºC. Schemat reakcji:
związki org.CxHyO2 + O2 =(bakterie)= CO2 + H2O
Lub w postaci ogólnej:
E + S = ES = E + P
gdzie: E - enzym,
S-substrat (zw. organiczny),
ES – zw., przejściowy substratu z enzymem,
P – produkt utleniania.
Reakcja enzymatyczna przebiega w ten sposób, że początkowo utleniają się związki organiczne węglowe, a następnie azotowe:
NH3 + O2 =(bakterie)= NO-2 + O2=(bakterie)=NO-3
Utlenianie związków azotowych (nitryfikacja) następuje po upływie 9-10 dni a całkowity proces utleniania kończy się po ok. 100 dniach. Najszybciej zachodzą procesy biochemicznego utleniania w ciągu 5 dni, około 68% substancji org. ulega utlenieniu, a po 20 dobach do 99%. Przebieg biochemicznego rozkładu zw. org. opisuje:
dL/dt = -kL,
gdzie: L – całkowite zapotrzebowanie na tlen BZT100% (mg O2/dm3),
t – czas,
k – stała szybkości reakcji
Dla reakcji utleniania zw. org. jako miarę szybkości przyjęto zużycie tlenu.
y = L(1-10-kt)
gdzie: y – zawartość tlenu po czasie t.
Proces biochemicznego zapotrzebowania tlenu jest bardziej złożony i składa się głownie z procesu syntezy i oddychania komórkowego, wobec czego powyższe równanie należy traktować jako uproszczony opis matematyczny przebiegu procesu.
Nie wszystkie związki org. są w jednakowym stopniu podatne na rozkład biochemiczny. Szczególnie odporne są związki o dużym ciężarze cząsteczkowym oraz o rozgałęzionej budowie zawierającej boczne łańcuchy alifatyczne. Substancje takie zalicza się do substancji refrakcyjnych czy odpornych na rozkład biochemiczny. Związki te nie są wykazywane za pomocą wskaźnika BZT. Niektóre związki chemiczne nie tylko nie ulega-ją rozkładowi biochemicznemu lecz wykazują działanie toksyczne w stosunkach do bakterii a tym samym obniżają wynik BZT. Wskaźnik BZT w wodach powierzchniowych kilka mgO2 /dm3, w wodach zanieczyszczonych kilkanaście mgO2/dm3 a w ściekach BZT osiąga wartość setek a nawet tysięcy mgO2/dm3. Proces biochemicznego rozkładu substancji org. należy do podstawowych procesów samooczyszczania wód i oczyszczania ścieków.
-utlenialność: wskaźnik ten określa zawartość związków organicznych utleniających się w określonych warunkach tj. pod wpływem KmnO4 w środowisku kwaśnym w temp. wrzenia w czasie 30 min. Oprócz związków org. w warunkach tych ulegają utlenianiu związki nieorganiczne takie jak azotyny, siarczany, siarkowodór, jon żelazawy. Jest to wskaźnik umowny stosowany dla wód czystych i mało zanieczyszczonych oraz dla niektórych ścieków. Wartość tego wskaźnika dla wód naturalnych to kilka mgO2/dm3, dla wód zanieczyszczonych kilkanaście mgO2/dm3 dla ścieków kilkadziesiąt do kilkaset mgO2/dm3.
-CHZT to pojęcie umowne jak utlenialność oznacza ilość tlenu w mg pobraną z utleniacza (chromian, jodan, nadsiarczan) do utlenienia związków org. w 1 dm3 wody w środowisku kwaśnym w ściśle określonym czasie. W porównaniu z utlenialnością daje wyższy stopień utleniania związków org. (90-100%). Ze związków nieorganicznych utleniających się pod wpływem K2Cr2O7 można wymienić Fe+2, azotyny siarczany, siarczki, chlorki. Natomiast ze związków org. ulegających całkowitemu utlenieniu wymienić należy: węglowodany, rozgałęzione związki tłuszczowe, aromatyczne. Alkohole i aminokwasy mogą być utlenione całkowicie po użyciu katalizatora. Wartości CHZT są na ogół większe niż BZT. CHZT jest najbardziej dogodnym oznaczeniem dla określenia stężenia związków org. w ściekach przemysłowych w których obecność substancji toksycznych hamuje proces BZT5 a utlenialność wymaga znacznego rozcieńczenia próbki.
-Ogólny węgiel organiczny OWO: wskaźnik wyraża ogólną zawartość węgla związanego w związkach organicznych rozpuszczonych w wodzie poczynając od węglowodorów przez węglowodany i białka aż do detergentów i pestycydów. OWO jest wskaźnikiem zanieczyszczenia wody bardziej miarodajnym niż utlenialność, BZT, CHZT ponieważ obejmuje wszystkie związki organiczne. Wyniki OWO 10-w przeliczeniu na tlen w powiązaniu z BZT i CHZT pozwala w przybliżeniu określić czy substancje org. należą do związków ulegających rozkładowi chemicznemu czy też nie. Jeśli stosunek BZT5/OWO oraz CHZT/OWO jest znacznie mniejszy od jedności to w wodzie znajdują się związki organiczne trudno rozkładalne. Dla wód naturalnych OWO jest rzędu ułamków mg/dm3, w wodach zanieczyszczonych osiąga wielkość kilku do kilkunastu mg/dm3
-Ekstrakt węglowo – chloroformowy – EWCH (CCE): oznaczenie to obejmuje mikroilości szkodliwych zw.org absorbowanych z wodą na węglu aktywnym a następnie ekstrahowanych za pomocą chloroformu. Otrzymana po odprężeniu chloroformu pozostałość określa łączną masę niezidentyfikowanych związków zaabsorbowanych w warunkach oznaczenia na węglu aktywnym w mg/dm3. Oddzielona masa związków org. może zostać poddana szczegółowej analizie pozwalającej na zidentyfikowanie składników i oznaczeniu ich stężenia. W wodzie pitnej dopuszczalne stężenie EWCH waha się w granicach 0,2 – 0,5 mg/dm3. W wodach powierzchniowych nie zanieczyszczonych EWCH nie powinno przekroczyć 0,05 mg/dm3
4. FIZYKOCHEMICZNE WŁAŚCIWOŚCI CZĄSTECZKI WODY
Woda jest związkiem wodoru i tlenu, który określa skład jakościowy i ilościowy wody. Skład pierwiastków wchodzących w skład cząsteczki wody jest następujący: 11,2% H i 88,8% O.
Sumaryczny wzór chemiczny nie wyjaśnia właściwości fizycznych i chemicznych danego związku chemicznego. Własności te zależą od budowy cząsteczki. Stwierdzono,że kształt cząsteczki wody nie jest wydłużony, lecz odpowiada trójkątowi. W jednym z jego wierzchołków znajduje się atom tlenu, a w dwóch pozostałych atomy wodoru. Atomy tworzące cząsteczkę wody są połączone wiązaniami chemicznymi – pomiędzy atomem tlenu a wodoru istnieje wiązanie kowalencyjne spolaryzowane. Atom tlenu (elektro ujemny) silniej przyciąga wspólną parę elektronowa, czyli zwiększa się gęstość elektronowa przy atomie tlenu oraz skupienie ładunków elektronów na atomów wodoru. Ze względu na swą budowę przestrzenną i spolaryzowane wiązanie atomowe cząsteczka wody jest biegu-nowa czyli polarna. Cząsteczka wody ma niesymetryczny rozkład ładunków elektrycznych (środki ładunków ujemnych i dodatnich nie pokrywają się). Cząstki polarności charakteryzuje się za pomocą tzw. momentu dipolowego,który jest równy iloczynowi bezwzględnej wartości ładunku jednego z biegunów dipola i odległości pomiędzy biegunami. Polarność cząsteczki wody jest przyczyną asocjacji i hydratacji.
W stanie pary woda składa się z pojedynczych cząsteczek H2O. Najwyższy stopień asocjacji powstaje w temp. od 276-277K w tej temp. woda zawiera najwięcej asocjatów cząsteczkowych (H2O)2 które w niższej temp. tworzą zespoły trójcząsteczkowe a w wyższej rozpadają się na pojedyncze cząsteczki H2O wg. równania
2(H2O)3=3(H2O)2=6H2O
Woda w stanie ciekłym jest mieszaniną pojedynczych cząsteczek H2O i różnych asocjatów (dwu i trójcząsteczkowych). Wiązania wodorowe warunkują dużą spoistość wody, jej zdolność do silnego przylegania do różnych powierzchni i ich zwilżania.
-Właściwości fizyczne wody służą do definicji wielu jednostek i stałych fizycznych np. temperatura krzepnięcia wody - 0°, temperatura wrzenia - 100°.
-Ciekły stan wody jest to stan
Woda dzięki omówionym właściwością takim jak: zdolność jonizacji, rozpuszczania i hydratacji jest szczególnie korzystnym środowiskiem różnych przemian i reakcji chemicznych, naturalnych.
| sezon | wiosna | lato | jesień |
|---|---|---|---|
| stanowisko | 1 | 2 | 3 |
| Temperatura wody ° C | 11 | 15 | 15 |
| Zawiesiny og. mg*dm-3 | 13 | 38 | 5 |
| Przewodnictwo µS*cm-1 | 520 | 354 | 362 |
| Odczyn pH | 7,7 | 8,2 | 7,7 |
| O2 mg*dm-3 | 11 | 12 | 12 |
| O2 % nasycenia | 102 | 111 | 121 |
| BZT5 | 6,4 | 5,6 | 6,7 |
| Subst. pow. czynne | 5,1 | 1,5 | 1,7 |
| ChZT | 8,6 | 12 | 14 |
| Nog. | 3,5 | 3 | 3,3 |
| NO3 | 1,4 | 0,4 | 0,4 |
| NH4 | 0,2 | 0,1 | 0,2 |
| Pog. | 0,3 | 0,1 | 0,1 |
| PO4 | 51 | 10 | 22 |
| Na | 5,4 | 6 | 6 |
| K | 2,5 | 2,6 | 2,7 |
| Mg | 2,5 | 2,6 | 2,7 |
MYRHG-9VWRK-CP7CK-WPPQX-QMRCM
FQPPD-7DPY8-48CFX-7TRCG-VVMK6
K3JPK-2P3DW-HFGTC-FF2HW-8D4RB
JQ4T4-8VM63-6WFBK-KTT29-V8966
G47M2-XHX69-7P974-9B3CM-YYF48
Q9GJG-YXRKF-J8R6P-XD368-HBQXD
G47M2-XHX69-7P974-9B3CM-YYF48
CHEMIA WODY
1. WODA występująca w przyrodzie, czyli woda naturalna jest roztworem wieloskładnikowym, bądź niejednorodna mieszanina H2O i innych substancji oraz związków chemicznych pochodzenia mineralnego. Spośród różnych form występowania wody w przyrodzie przedmiotem zainteresowania inżynierii sanitarnej jest woda zgromadzona w rzekach, jeziorach, morzach i pod ziemią. Dzielimy je na: wody powierzchniowe śródlądowe i morskie, wody podziemne gruntowe i wgłębne. Wody te w wyniku swego pochodzenia i umiejscowienia charakteryzują się odmiennym składem i odrębnymi właściwościami.
Wody powierzchniowe śródlądowe są to wody lądowe, stojące lub płynące. Ich cecha charakterystyczna jest słaba mineralizacja, obecność substancji organicznych, tlenu, zawiesin, bakterii. Ponadto odznaczają, się dużą zmiennością składu chemicznego i temperatury, w zależności od zanieczyszczeń odpadów.
Wody powierzchniowe morskie charakteryzują się bardzo silnym zasoleniem rzędu kilku do kilkudziesięciu gramów/ dm3. Wykazują stały skład chemiczny, zmieniający się wraz z głębokością. Temperatura w mniejszym stopniu niż w wodach śródlądowych ulega zmianie w zależności od pory roku.
Wody podziemne gruntowe są to wody zalęgające do głębokości około 10 m. Charakteryzują się skaldem chemicznym zbliżonym do wód wgłębnych i wód powierzchniowych, nie posiadają jednakże zawiesin, a także mogą zawierać niewielkie ilości tlenu. Na ich skład chem. rzutuje rodzaj zanieczyszczeń gleby oraz opady.
Wody podziemne wgłębne są to wody zalegające poniżej 10m. Charakteryzują się dużą zawartością soli nieorganicznych, brakiem związków organicznych, tlenu rozpuszczonego i zanieczyszczeń bakteryjnych. Posiadają stałą temp i prawie stały skład chemiczny.
Z punktu widzenia czystości wód wyróżniamy: wody naturalne, zanieczyszczone i ścieki. Stan wody określa się za pomocą tzw. wskaźników jakości wód. Nazwą tą obejmuje się zawieszone i rozpuszczone składniki wody oraz jej fizyczne i chemiczne właściwości.
Zawieszone składniki wody to makroskopowe substancje składające się zarówno ze zw. nieorg. jak i org. Ogólnie można je określić jako substancje o rozdrobnieniu 1nm. Rozpuszczone składniki wody to zw. org. jak i nie org. Oraz gazy reagujące i nie reagujące z woda.
2. SKŁADNIKI WOD:
2.1 ZAWIESZONE SKŁADNIKI WÓD:
-Zawiesiny: Wskaźnik ten reprezentuje ciała zawieszone o średnicy 7200 nm. Pod względem chemicznym stanowią je rozdrobnione substancje mineralne jak: piasek, osady, węglanów, wodorowęglanów, fosforów, cząstki iłu, gleby jak i sub org. w postaci szczątków roślin i zwierząt. Zawiesiny występują w wodach naturalnych, powierzchniowych w wyniku erozji dna i brzegów. W wodach zanieczyszczonych zawiesiny pochodzą ze ścieków. Zawiesiny nie występują zasadniczo w wodach podziemnych, mogą się jednak wydzielać w wyniku kontaktu wód pod-ziemnych z atmosfera, prowadzącego do reakcji chemicznych. Zawartość zawiesin w naturalnych wodach nie przekracza kilku mg/dm3. W wodach zanieczyszczonych do kilkudziesięciu mg/dm3. W wodach wezbranych może być kilku set.
-Koloidy: Sub. koloidalne zawarte w wodach naturalnych to przede wszystkim glinokrzemiany o różnym składzie chemicznym i ogólnym wzorze xAl2O3*ySiO2*z H2O oraz krzemionka koloidalna (SiO2)n. Substancje te przechodzą do wody w wyniku reakcji pomiędzy glinokrzemianami występującymi w minera-łach, glebie, glinach oraz dwutlenkiem węgla. Do koloidów występujących w wodach naturalnych zaliczyć trzeba sole sodowe, Ca, Mg i kwasy huminowe. W wodach zanieczyszczonych w postaci koloidalnej występują niektóre proste białka, skrobie i inne związki pochodzenia zw. lub roślinnego.
-Piany: Występują wyłącznie w wodach zanieczyszczonych tłuszczami lub węglowodorami ciekłymi. Stanowią układy dwóch nie mieszających się ze sobą cieczy. Nadają wodzie wygląd mętny lub mleczny. Stanowią uciążliwy składnik wody i ścieków.
-tłuszcze (ekstrakt eterowy): Nazwa ta określa się tłuszcze roślinne i zw. oraz węglowodory ciekle lub stale, pływające po powierzchni wody lub występujące w postaci emulsji. Substancje te wyodrębnia się z wody za pomocą ekstrakcji eterem i określa jako ekstrakt eterowy. Ten rodzaj zanieczyszczenie występuje głownie w ściekach, w wodach naturalnych Jedynie w przypadkach awaryjnych.
2.2 ROZPUSZCZONE SKLADNIKI WOD:
2.2.1 Gazy rozpuszczone: Rozpuszczalność gazów w wodzie zależy od ich charakteru, ciśnienia cząsteczkowego, temp wody, jej składu fizykochemicznego i biologicznego. Rozp gazu w wodzie maleje wraz ze wzrostem temp. Do gazów rozpuszczonych w wodach naturalnych należą CO2, O2, N2, H2S, CH4, SO2, H2Rn i inne gazy szlachetne.
Pochodzenie gazów zawartych w wodach naturalnych:
-atmosferyczne: O2, N2, CO2, SO2,
-chemiczne: CO2, H2S, H2, N2, CH4, SO2,
-biochemiczne: CH4, H2, CO2, N2, H2S pochodzące z biol. rozkładu sub. org. w warunkach tlenowych tj. aerobowych i beztlenowych tj. anaerobowych
-radioaktywnego.
Gazy rozpuszczone maja znaczenie:
-geologiczne (zmieniają właściwości wody jako rozpuszczalnika skal, minerałów, gruntów),
-lecznicze ( np. na organizm ludzki),
-techniczne ( działają, agresywnie na materiały budowlane)
-tlen rozpuszczony: Występuje, we wszystkich wodach naturalnych stykających się z powietrzem atmosferycznym. Po-chodzi głównie z atmosfery oraz procesów fotosyntezy roślin wodnych, jego stężenie jest wypadkową fizycznej rozpuszczalności tego gazu i jego zużycia na procesy biochemiczne. Tlen rozpuszczony występuje w wodach powierzchniowych i płytkich wodach podziemnych, wody wgłębne pozbawione są tlenu zupełnie. Zawartość jego waha się w wodach naturalnych od 0-14mg O2/l. Ilość rozpuszczonego tlenu mg O2/l. Nie określa sto-pnia nasycenia wody tlenem w danych warunkach. Stopień nasycenia wody jest to stosunek zawartości tlenu rozpuszczonego w badanej wodzie do maksymalnej zawartości tlenu w wodzie destylowanej w danej temp. przy ciśnieniu 760mm Hg. Dla wód powierzchniowych % nasycenia wody tlenem wynosi prawie 100%. Dla wód powierzchniowych o małym zanieczyszczeniu waha się od 80 do 95%, natomiast w wodach o wyraźnym zanieczyszczeniu spada do około 40 – 50 % nasycenia.
W wyniku spadku nasycenia w wodzie dominują procesy anaerobowe, w wyniku których powstaje H2S, NH3, PH3 i inne gazy. Taki deficyt tlenu spowodowany zostaje zrzutem dużych ilości związków organicznych. Tlen jest wskaźnikiem zanieczyszczenie wód powierzchniowych i jego niskie wartości wskazują na zanieczyszczenie rzeki i toczące się w niej procesy rozkładu biochemicznego. Obecność tlenu w wodach przemysłowych jest nie pożądana, gdyż przyspiesza proces korozji. Korodujące działanie wody można przedstawić za pomocą reakcji
2H+ + Fe Fe2+ +2H
2H + 1/2O2 H2O
Jony wodorowe atakują powierzchnie metalu. W wyniku reakcji do roztworu przechodzą jony żelazowe, a tworzący się wodór atomowy wydziela się w postaci warstwy na powierzchni metalu, izolując go od dalszej korozji. Obecny w wodzie tlen utlenia wydzielający się wodór do cząsteczki H2O, co powoduje zanik warstwy. Aby zapobiec temu zjawisku wodę należy odgazować.
-dwutlenek węgla: W wodach naturalnych powierzchniowych CO2 pochodzi głownie z atmosfery, bądź z procesów mineralizacji ciał org., w wodach wgłębnych CO2 pochodzi z proce-sów geochemicznych. Zawartość CO2 w wodach naturalnych waha się w szerokich granicach od kilku mg do kilkuset. CO2 w wodzie jest w postaci rozpuszczonych cząsteczek gazowych CO2, w których 1% reaguje z woda tworząc H2CO3:
CO2+H2O⇔H2CO3
Kwas ten dysocjuje dwustopniowo:
H2CO3 = H+ + HCO3-
HCO3- = H+ + CO22-
Stan równowagi pomiędzy rozpuszczonym CO2, a jego postaciami jonowymi zależy od pH wody. W zależności od pH wody CO2 może występować:
-Przy pH < 4,5 w formie gazowej,
-przy pH=8,4 w formie HCO3-,
-przy pH= 10,5 w formie CO23-
Ponieważ większość wód naturalnych ma pH 6.5 ÷ 8.5 zatem w wodach CO2 występuje na ogół w całym zespole związków kwasu węglanowego.
Ogólny CO2 jest sumą CO2 zawartego w wodzie w różnych postaciach. Ogólny CO2 dzielimy na wolny i związany. Związany CO2 znajduje się w wodzie pod postacią HCO3- i CO23-. Wolny CO2 występuje w postaci rozpuszczonej jako H2CO2. Część wolnego CO2 niezbędna do utrzymania w roztworze rozpuszczonego wodorowęglanu wapnia wg równania:
Ca(HCO3)2 ⇔ CaCO2 + H2O + CO2
Nazywa się CO2 równowagi węglanowo wapniowej lub CO2 przynależnym. W miarę zwiększania się w wodzie wodorowęglanów ilość niezbędnego CO2 przynależnego znacznie wzrasta. Pozostała część CO2 wolnego w wodzie, czyli nadmiaru wolnego CO2 w stosunku do stechiometrycznej ilości CO2 przy-należnego jest CO2 agresywnym. CO2 agresywny w odróżnieniu od CO2 jest aktywny i nadaje wodzie właściwości korodujące w stosunku do betonu i stali. Zawartość CO2 agresywnego zwiększa zdolność rozpuszczania w wodzie CaCO3 zmieniając go na łatwiej rozpuszczalny w wodzie wodorowęglan wapnia Obecność z higienicznego punktu widzenia nie ma znaczenie w wodach podziemnych, w wodach powierzchniowych jest wskaźnikiem stopnia zanieczyszczenia wody substancjami org.
-amoniak NH3: Gaz o charakterystycznym zapachu dobrze rozpuszczalny w wodzie. Związek ten łatwo reaguje z woda tworząc zasadę lub sól amonową
NH3 + H+ + OH+ ⇔ NH4 + OH-
Powstały wodorotlenek jest słabą zasada. Kierunek tej przemiany zależy od pH wody. Przy wzroście pH zwiększa się stężenie wolnego amoniaku, który wydziela się z wody.
2.2.2 związki nieorganiczne:
-chlorki: Ze względu na dużą rozpuszczalność chlorki występują we wszystkich wodach naturalnych. Mogą pochodzić z wy-mywania pokładów soli, z gruntu oraz zanieczyszczeń ściekowych. Wody śródlądowe, naturalne zawierają chlorki w stężeniu od kilku do kilkunastu mg/dm3. Wody zanieczyszczone mogą zawierać do kilkuset chlorków. Największe ładunki chlorków wprowadzane są do wody dołowe z odwadniania kopalni oraz ścieki przemysłu sodowego, chem. i garbarskiego. Chlorki wydalane są prze organizmy zwierzęce, występują wiec zawsze w ściekach bytowo gospodarczych i miejskich. Chlorki nie podlegają procesom samooczyszczania w rzekach ani oczyszczaniu konwencjonalnemu w oczyszczalniach. W wodzie pitnej może znajdować się do 300mg chlorków na dm3. Jon chlorkowy wykazuje działanie korozyjne do żelaza i stali w stężeniu > 150mg /dm3.
-siarczany: Należą do najbardziej, obok chlorków rozpowszechnionych anionów. Przechodzą do wody na wskutek wymywania skal osadowych, utleniania siarczanów. W wyniku mineralizacji organicznych zawierających siarkę są wprowadzane wraz ze ściekami. Utlenianie siarczków zachodzi wg równania:
2FeS2 + 7O2 +2H2O ⇔ 2FeSO4 + 2H2SO4
Zawartość siarczanów w wodach pow. naturalnych wynosi od kilku do kilkuset mg/dm3.
W wodach podziemnych i wodach zanieczyszczonych stężenie ich może być znacznie wyższe. Jeśli występują w nich jako sole słabych zasad nadają wodzie odczyn kwasowy. Siarczany nie podlegają procesowi samooczyszczania w warunkach tlenowych. W warunkach beztlenowych mogą ulegać redukcji do siarkowodoru.
FeSO4 + 8H+ ⇔ FeS +4H2O
Usuwanie siarczanów jest możliwe tylko przy ich bardzo dużych stężeniach przy użyciu wapna w postaci siarczanu wapna. Woda do picia zawiera do 200mg siarczanów / dm3. Siarczany mają właściwości korozyjne w stosunku do betonu wskutek tworzenie się w porach betonu silnie uwodnionej soli glinosiarczanu wapnia o wzorze:
3CaO *Al2O3*3CaSO4*3O*31H2O
Krystalizacja sól zwiększa silnie swoja objętość powodując rozsadzanie betonu. Woda o stężeniu siarczanów > 250mg /dm3 jest już agresywna w stosunku do betonu.
-węglany i kwaśne węglany: Są to sole słabego kwasu węglowego występujące jedynie w roztworach wodnych. Kwas węglowy dysocjuje dwustopniowo dając dwa typy soli: węglany i wodorowęglany.
H2CO3 ⇔ H+ + HCO-3
HCO-3 = H+ + CO2-3
Stałe dysocjacji I i II stopnia różnią się od siebie. Dobrze rozpuszczalne w wodzie są węglany potasu i sodu oraz wodorowęglany K, NA, Ca, Mg, Fe, Mn. Węglany i kwaśne węglany jako sole słabego kwasu rozkładają się pod wpływem mocniejszych kwasów z wydzieleniem CO2. Są tu głównym składnikiem zasadowości wody. Stanowią twardość węglanową wody. Obecność kwaśnych węglanów w wodzie uwarunkowana jest obecnością pewnej ilości CO2:
Ca(HCO3)2 = CaCO3 + H2O + CO2.
Nazywanego dwutlenkiem węgla przynależnym lub równowagi. Obojętne węglany występują w wodach nat w bardzo niewielkich ilościach. Wyjątek stanowią wody podziemne lub stykające się ze złożami wapnia, stanowiące przesycone roztwory wodorowęglanów. Kwaśne węglany są natomiast powszechnym składnikiem wód naturalnych. W wodach powierzchniowych, śródlądowych zawartość kwaśnych węglanów wynosi 1,5 ÷ 3,5 mval/dm3 a w wodach podziemnych osiągają wartości wyższe. Węglany i kwaśne węglany nie są wskaźnikami zanieczyszczenia wody. Ich obecność w wodzie jest dla odbiornika pożądana, gdyż stanowi układ buforowy, przeciwdziałający nagłym zmiana pH.
-azotyny: Są to sole kwasu azotowego, powstają jako produkty utleniania amoniaku do azotanów na drodze biochemicznej wg schematu:
NH4+ bakt nitrosomonas NO2+ bakt nitrobacter NO3+
Azotyny są zatem nietrwałą formą azotu przechodzącą łatwo w warunkach utleniających w azotany, w warunkach redukujących w amoniak są tez wskaźnikiem zanieczyszczenia wody i kierunkiem z procesów samooczyszczania. Stężenie ich w wodach powierzchniowych jest rzędu tysięcznych mg/dm3 a w wodach zanieczyszczonych rzędu dziesiętnych lub setnych mg/dm3.
-azotany: Są to bardzo łatwo rozpuszczalne sole kwasu azotowego. Stanowią ostateczny produkt na drodze tlenowej azotowych związków organicznych. Azotany dostają się do wód nat pow wraz ze ściekami miejskimi i przemysłowymi, wraz z opadami atm i spływami z nawożonych pol. Tą droga dostają się tez do wód podziemnych. Stężenie azotanów w wodach naturalnych jest na ogół rzędu kilku mg/dm3, w wodach zanieczyszczonych może być wyższe. Azotany w wyższej ilości są niepożądanym składnikiem wód nat. Są one wykorzystywane przez glony i rośliny wodne do swojego rozwoju, w sprzyjających warunkach do nadmiernego rozwoju flory wodnej, który w konsekwencji po-woduje wtórne zanieczyszczenie wód. Nie podlegają procesowi samo oczyszczania się. Woda do picia może zawierać 10mg azotanów na 1 dm3
-fosforany i polifosforany:
Kwas fosforowy dysocjuje trójstopniowo w wyniku czego powstają sole I, II, III rzędowe typu: McH2PO4, McHPO4, Mc3PO4, gdzie Mc - jon metalu jednowartościowego. Pierwszorzędowe fosforany sodu, potasu, wapnia i magnezu są rozpuszczalne w wodzie spośród II i III rzędowych rozpuszczalne są tylko fosforany sodu i potasu. Fosforany są końcowym produktem mineralizacji związków org. zawierających fosfor
Fosforany w wodach naturalnych mogą pochodzić też z mineralizacji substancji roślinnych z wyługowaniem gleby nawożonej nawozami fosforowymi oraz ze ścieków miejskich i przemysłowych. Fosforany podobnie jak azotany stanowią substancje po-karmową dla roślin są przez nie przyswajalne a następnie przy obumieraniu roślin wracają do wody. W związku z tym uważa się je za związki nie ulegające procesowi samooczyszczania. W wodach naturalnych stężenie ich nie przekracza ułamka [mg/dm3], w wodach zanieczyszczonych kilka [mg/dm3]. Norma nie podaje stężenia fosforanów w wodzie do picia. w wodach I klasy muszą być poniżej 0,2 mg/dm3. Kwas fosforowy oraz jego sole I, II rzędowe maja zdolności kondensacji czyli łączenia się w dwie cząsteczki z wydzieleniem wody. Produkty kondensacji mogą posiadać bardzo duży ciężar cząsteczkowy oraz budowę łańcuchową lub pierścieniową. Cząsteczki o budowie łańcuchowej noszą nazwę kwasów ortofosforowych, zaś o budowie pierścieniowej –kwasów metafosforowych. np.;
a. kwasy ortofosforowe:
H3PO4 -ortojednofosforowy,
H3P2O7 -ortodwufosforowy (pirofosforowy),
H5P3O10 -ortotrójfosforowy.
b. kwasy metafosforowe;
HPO3 - metafosforowy,
H3P3O4 - metatrójfosforowy.
H4P4O12 - metaczterofosforowy.
Wyższe kwasy orto- i metafosforowe występują wyłącznie w postaci soli. Wszystkie sole kwasów orto- i metafosforowych nazywa potocznie polifosforanami. Polifosforany mają zdolność tworzenia związków kompleksowych z jonami metali dwu i trójwartościowych najczęściej z jonami magnezu i wapnia. Związki te mają szerokie zastosowanie jako środki zmiękczające, jako zabezpieczenie przed tworzeniem kamienia kotłowego, jako środki pasywujące powierzchnie stali- w konserwacji znajdują się one w coraz większych stężeniach w wodach naturalnych ścieków.
Na2SiO3+2H2CO32NaHCO3+SiO2+H20
Związki krzemu pochodzą głównie w wymywania skał, gleby oraz rozkładu złożonych glinokrzemianów na związki proste. Zawartość krzemu w wodach jest rzędu ułamków mgSiO2/dm3. W wodach podziemnych stężenie krzemu jest wyższe, rzędu do kilkudziesięciu mgSiO2/dm3.
-fluor - jako pierwiastek bardzo rozpowszechniony w skorupie ziemskiej, występuje również w wodach naturalnych. fluor wchodzi w skład organizmów zwierzęcych i roślinnych. w większych stężeniach działa szkodliwie na układ kostny. W stężeniach niskich fluor wywiera korzystny wpływ na uzębienie dlatego tez w okolicach gdzie występuje jako deficyt wprowadza się go do wody pitnej. Fluor występuje w wodach głównie w postaci fluorków F. Stężenie dopuszczalne w wodzie pitnej wynosi 1,5mgF/dm3.
-jod - jest pierwiastkiem bardzo rozpowszechnionym najczęściej występuje w postaci jodków J, jodki znajdują się jako do-mieszki w soli kuchennej. Związki jodu są bardzo dobrze rozpuszczalne w wodach. Posiada duże znaczenie fizjologiczne – jego brak powoduje niedoczynność tarczycy. Jod występuje w wodzie jako jodki (J-) i jodany (JO3) zawartość jodu w wodach naturalnych jest rzędu setnych i tysięcznych mg/dm3
-bor - jest dość rozpowszechniony w przyrodzie, i występuje w postaci kwasu borowego H3BO3 oraz w postaci borokrzemianu np. boraksu NA2B4O7 ⋅10H20. kwas borowy jest słabym kwasem w wodzie dysocjuje tworząc H2BO3-,HBO-23,BO3-3,HB40-7,B4O2-7. W zależności od pH bor może występować w formie niejonowej lub jonowej. Przy pH>1 spotykana w wodach naturalnych prze-ważnie forma niejonowa. Stężenie boru w wodach naturalnych waha się od zera do kilku mg/dm3.
-wapń i magnez - Są głównymi kationami w wodach naturalnych dostają się do wody głównie na wskutek wymywania skał i gleb. Stężenie wapnia w wodach naturalnych jest rzędu kilkudziesięciu mg/dm3 zaś magnezu rzędu kilkunastu mg/dm3 najczęściej kationy te występują w postaci węglanów i kwaśnych węglanów, siarczanów oraz chlorków. Stosunek jonów wapnia i magnezu w wodach naturalnych jest miarą stopnia mineralizacji wody;
-wody słabo z mineralizowane tj. wody o suchej pozostałości- części mineralne 200 mg/dm3 wykazują:
Ca/Mg = (3-4)/1
-wody o mineralizacji 200-500 mg/dm3 wykazują:
Ca/Mg = (2-3)/1
-wody o mineralizacji <1000 mg/dm3 wykazują:
Ca/Mg = (1-2)/1
-wody silnie z mineralizowane tj. o suchej pozostałości- części mineralne >100 mg/dm3 wykazują:
Ca/Mg = 1/(3-4)
-żelazo i mangan - Pierwiastki te należą do szeroko rozpowszechnionych w skorupie ziemskiej stąd też są częstymi składnikami wód naturalnych. Do wody przechodzą w wyniku reakcji geotermicznych lub procesów utleniająco-redukujących. Żelazo występuje w dwóch stopniach utlenienia jako jon Fe2+- dając sole żelazawe i jako jon Fe3+- dają jony żelazowe. W zależności od warunków utleniająco-redukujących obie formy żelaza przechodzą jedna w drugą. Sole żelaza są solami słabej zasady i w roztworach wodnych ulegają hydrolizie w wydzieleniem Fe(OH)2, a utlenianiu Fe(OH)3. Tak więc w dobrze natlenionych wodach powierzchniowych żelazo występuje w postaci zawiesiny uwodnionych tlenków żelaza;
4Fe2++O2+10H2O=4Fe(OH)3+8H+
W wodach powierzchniowych stężenie żelaza rozpuszczonego jest rzędu ułamków mg/dm3 natomiast stężenie całkowite (łącznie z żelazem w zawieszeniu) jest na ogół rzędu 0,5÷1 mg żelaza /dm3. Żelazo za-warte w wodach podziemnych występuje w postaci dwuwartościowej. Beztlenowe warunki wód podziemnych sprzyjają rozpuszczeniu żelaza dwuwartościowego. W wodach podziemnych stężenie żelaza może być duże od kilku do kilkudziesięciu mg/dm3. W wodzie do picia może znajdować się 0,5 żelaza mg/dm3
Mangan - występuje w ilościach mniejszych wynoszących od ¼ do 1/10 zawartości żelaza. Proces utleniania i wydzielania manganu zachodzi znacznie wolniej i trudniej stąd też mangan częściej występuje w wodach powierzchniowych gdzie jego stężenie jest rzędu ułamka mg/dm3. Przebieg reakcji hydrolizy i utleniania manganu [II] do manganu [IV] zachodzi następująco;
Mn(HCO3)2+H20⇔Mn(OH)2+2CO2+H20
2Mn(OH)2+O2⇔2MnO(OH)2
2MnO(OH)2⇔2MnO2+2H2O
Zawartość manganu w wodzie do picia wynosi 0,1mgMn/dm3
Jony żelaza i manganu stanowią pożywkę dla pewnych gatunków bakterii czerpiących energię z procesów utleniania i redukcji. W wyniku tego procesu następuje odkładanie się zbitych osadów na ściankach rur, co powoduje znaczne zmniejszenie ich prześwitu. W studniach ujmujących wodę żelazo i mangan zachodzą podobne procesy. Na filtrach studni następuje wytracenie się osadów wodorotlenków żelaza i manganu, co powoduje spadek wydajności studnia nawet unieruchomienie – zjawisko to nosi nazwę – kolmatacji. Wody zawierające ponadnormatywne ilości żelaza i manganu można uzdatnić.
z jonem wodorotlenowym daje zasadę amonową:
NH+4+OH-⇔NH4OH
Zasada amonowa ulega łatwo rozkładowi z wydzieleniem wolnego amoniaku:
NH4OH⇔NH3+H2O
Przebieg tej reakcji zależy od temperatury i odczynu wody wraz ze wzrostem pH wydziela się coraz więcej amoniaku. Reakcja ta wykorzystywana jest przy oczyszczaniu ścieków od nadmiaru azotu amonowego. Azot amonowy w stężeniu >15 mg/dm3 nadaje wodzie charakter korozyjny w stosunku do betonu – polega to na wymianie jonu Ca2+ ze spoiwa cementowego na jon NH+4 i rozluźnieniu przez to jego struktury.
Poza omówionymi ważniejszymi składnikami mineralnymi wód naturalnych w wodzie mogą być inne pierwiastki jak: arsen, rtęć, kadm, chrom, ołów, selen, beryl, bar, miedź, molibden, wanad, cynk. Występowanie ich w wodach naturalnych związane jest z obecnością minerałów tych pierwiastków w obszarze wodonośnym. Stężenia ich są na ogół niewielkie rzędu ułamków mg/dm3. Większe stężenia wystąpić mogą w wyniku zanieczyszczenia wody ściekami przemysłowymi, wyciekami z hałd, spływami z pól intensywnie eksploatowanych.
Wody naturalne ulegają nie zanieczyszczeniu nie tylko związkami pochodzenia nieorganicznego, ale również związkami organicznymi, które dostają się do wody powodując jeszcze większe je zanieczyszczenie. Związki organiczne przedostające się do wód mogą być pochodzenia naturalnego i sztucznego. Źródłami ich są ścieki bytowo-gospodarcze, przemysłowe, spływy atmosferyczne z obszarów upraw rolnych. Związki organiczne są na ogół związkami trwałymi jedynie w procesach biochemicznych zachodzących pod wpływem enzymów bakterii niektóre z nich mogą ulec rozkładowi na związki wykorzystywane przez bakterie do budowy nowych komórek oraz na proste zw. org. Wiele związków organicznych ulega działaniu silnych utleniaczy- możliwe wtedy częściowe utlenienie związków org. do związków prostych lub tworzenie się chlorowcopochodnych. Powstające w obydwu przypadkach nowe związki organiczne mogą posiadać charakter toksyczny nawet w większym stopniu niż produkty wyjściowe. Związki organiczne stanowią często substancje toksyczne dla mikroorganizmów oraz dla organizmów większych (ryby rośliny a nawet człowiek)- w takich przypadkach nie może nastąpić proces samooczyszczania się wód i następuje bądź ich trwałe zatrucie bądź kumulacja tych związków w organizmach wyższych. Związki organiczne są to zw. węgla z wodorem, tlenem, azotem, fosforem, oraz innymi pierwiastkami. Wszystkie. Związki węgla z wyjątkiem węglanów i kwaśnych węglanów, tlenku i dwutlenku węgla oraz węglików (CaC2) uważa się za związki organiczne. Atomy węgla w tych związkach łącza się ze sobą za pomocą wiązań kowalencyjnych, w długie łańcuchy, proste lub rozgałęzione, zamknięte lub otwarte. Oprócz węgla zdolność łączenia wielu atomów kowalencyjnych posiada krzem oraz bar.
-zw. humusowe- stanowią złożone, heterogenne polimery kwasy o żółtej i brązowej barwie powstają w wyniku procesu humifikacji materiału roślinnego i zwierzęcego przez drobnoustroje i mikrofaunę glebową. Pod względem chemicznych są to bardzo różnorodne substancje należące do wielocząsteczkowych polimerów o charakterze fenolu.
W skład związków humusowych wchodzą kwasy fulwowe, kwasy huminowe, kwasy hymatomelanowe, huminy. Substancje humusowe występują w wodzie w postaci rozpuszczonej, koloidalnej i trudno rozpuszczalnych cząstek. Postać w jakiej występują zależy od pH wody. Występowanie tych związków w wodzie powoduje zwiększenie barwy, utlenialności. Domieszki te mają ponadto duże zdolności sorpcyjne i odznaczają się aktywnością chemiczną w stosunku do innych zanieczyszczeń obecnych w wodzie. Substancje sorbują zarówno związki org. (pestycydy), jak i mineralne, stabilizują koloidy, a z jonami wielu metali tworzą połączenia metaloorganiczne. Obecność substancji humusowych w wodach dla oczyszczenia których stosuje się związki chloru może spowodować powstanie bardzo szkodliwych form organicznych – trojchlorometanu. Związki humusowe są najbardziej szkodliwe w połączeniach metaloorganicznych z metalami ciężkimi lub innymi uciążliwymi substancjami organicznymi i mineralnymi.
-fenol- jest to związek organiczny zawierający grupę wodorotlenową z pierścieniem aromatycznym. Fenole i ich pochodne są w pewnym stopniu wskaźnikiem zanieczyszczenia wody ściekami przemysłowymi. Do wód powierzchniowych dostają się wraz ze ściekami miejskimi z różnych gałęzi przemysłu jak np. chemiczny, z gazowni i koksowni, rafinerii, fabryk tworzyw sztucznych. Fenol i jego pochodne jest niepożądanym składnikiem wód. Ulega w pewnym stopniu rozkładowi w procesie samooczyszczania się rzeki, lecz wiąże się to ze zużyciem tlenu i możliwością występowania deficytu tlenowego. W dużych stężeniach jest bardzo toksyczny dla organizmów wodnych. Obecność fenolu w wodzie ogranicza jej użytkowanie do hodowli ryb, gdyż nawet w bardzo małych stężeniach przechodzi do ich mięsa gdzie się kumuluje, nadając mu nieprzyjemny smak i zapach. Woda zawierająca fenol i poddawana procesowi chlorowania posiada charakterystyczny ‘’apteczny’’ zapach umożliwiający jej użycie. Zjawisko to występuje przy stężeniu fenoli w wodzie powyżej 0,005 mg/dm3.
-substancje powierzchniowo czynne;- są to substancje koncentrujące się na powierzchni wody, w tym samym obniżające jej napięcie powierzchniowe. Według charakteru granicy faz na której wykorzystywane są ich właściwości dzieli się je na:
A środki pieniące działają na granicy faz ciecz/gaz
B środki emulgujące [emulgatory] działają na granicy faz ciecz/ciecz
C środki zwilżające działające na granicy ciecz/ ciało stałe
Cząsteczka związku powierzchniowo czynnego składa się z długiego łańcucha hydrofobowego np. CH3(CH2)nOH; CH3(CH2)nCOOH; CH3(CH2)nNH2 oraz grupy hydrofilowej do której zalicza się OH, COOH, NH2 Grupy hydrofobowe mają wartość n=6-16. Łańcuch hydrofobowy może być alifatyczny prosty lub rozgałęziony oraz skondensowany z rdzeniem aromatycznym. Cząstki SPC mają tendencję do gromadzenia się na granicy dwóch faz o różnych stałych dielektrycznych. Hydrofobowa cześć cząsteczki ustawia się w fazie o mniejszej stałej dielektrycznej, natomiast część hydrofilowa w fazie większej stałej. Powoduje to w pierwszym przypadku rozluźnienie struktury brudu i daje efekt prania (pozwala na zwilżenie i zemulgowanie). W drugim przypadku tj. na granicy ciecz / gaz cząsteczki SPC blokujące powierzchnie uniemożliwia wymianę gazową.
Najliczniejszą grupę SPC stanowią detergenty czyli sztuczne środki piorące. Zawierają one w swoim składzie 15-30% SPC oraz 70-80% innych środków wspomagających jak; polifosforany, chemiczne środki bielące, soda, borany. Środki zapachowe. Detergenty posiadają budowę zbliżoną do środków powierzchniowo czynnych jakimi są mydła
Następuje łatwiejsze zwilżenie pranych przedmiotów i wyniku tarcia mechanicznego powstaje z brudu i mydła emulsja którą wypłukuje się z woda. Efektywność działania mydła zależy od temperatury i miękkości wody. W wodzie twardej część mydła wytrąca się w postaci soli wapiennej, powodując jego zużycie. Z tego powodu zastosowano syntetyczne SPC. Wyższość SPC w stosunku do -30% mydła polega na tym że SPC są niewrażliwe na twardość wody [nie tworzą osadów z jonami wapnia i magnezu] nie wymagają wysokiej temperatury, mają większe właściwości zwilżające tworzą obfitą pianę, łatwiej się rozpuszczają w wodzie i maja lepsze właściwości piorące niż mydło. Pod wzgl. chemicznym detergenty są solami zasadami lub związkami niejonowymi. Z punktu widzenia rodzaju powstającego jonu dzielimy detergenty na:
A anionowe – posiadające grupę polarną SO3Na
B kationowe – posiadające polarna grupę kationową (IV rzędowa grupa amoniowa)
C amfolityczne – zawierają cząsteczkę polarną o dominującej grupie hydrofilowej nadającej SPC właściwości powierzchniowo czynne.
D – niejonowe -zawierające niejonowa grupę polarna. Nie tworzą jonów w roztworze
Z punktu widzenia podatności na rozkład biochemiczny dzielimy detergenty na: miękkie i twarde. Do twardych czyli nie ulegających procesom biochemicznego rozkładu należą detergenty kationowe oraz część jonowych. Obecność SPC zmienia właściwości organoleptyczne wody, wywołuje pienienie się wód wpływa niekorzystnie na procesy samooczyszczenia oraz oddziaływuje toksycznie na organizmy roślinne i zwierzęce. Stopień tego oddziaływania jest różny i zależy od rodzaju i stężenia SPC (zawartość w wodzie pitnej stanowi zagrożenie dla człowieka, ułatwiając przenikanie i wchłanianie substancji szkodliwych). Detergenty tworząc pianę powodują śniecie ryb z powodu braku tlenu. Przy stężeniu 0,3-0,4 mg SPC/dm3 powstaje trwała piana. Zawartość 1 mg SPC zmniejsza zdolność aeracji wody o ok. 60%.detergenty anionowe szkodliwie wpływają na plankton i rośliny wodne, przy stężeniu 15-70 mg/dm3, kationowe i niejonowe wykazuje zahamowania rozwoju roślin wodnych przy stężeniu 1 mg/dm3. SPC zmniejsza efektywność procesów uzdatniania wody. W wodzie przeznaczonej do picia i na potrzeby gospodarcze stężenie detergentów nie powinno przekraczać 0,2 mg/dm3
A zoocydy które dzielimy na:
insektycydy- środki owadobójcze
akarcydy – środki do niszczenia roztoczy roślinnych
rodencydy –środki przeciw gryzoniom
moluskocydy- środki do zwalczania ślimaków
limacydy –środki do zwalczania ślimaków nagich
nematocydy- środki nicieniobójcze
owicydy- środki do zwalczania jaj owadów i roztoczy
B herbicydy – środki chwastobójcze
C fungicydy-środki grzybobójcze
fumicjanty – środki do gazowania
atraktanty- zwabiające
repelemity –środki odstraszające
D regulatory wzrostu roślin –środki stymulujące lub hamujące rozwój roślin.
Najszersze zastosowanie w praktyce znajdują insektycydy oraz herbicydy i fungicydy.
Insektycydy pod wzgl. chem stanowią dwie grupy związków; chlorowane węglowodory aromatyczne i zw. fosforoorganiczne.
-węglowodory chlorowane – odznaczają się dużą twardością, trudno ulegają biodegradacji, kumulują się w organizmach żywych, bardzo długo pozostają w glebie i w wodzie. Do najważniejszych węglowodorów należą;
DDT którego cecha charakterystyczna jest praktycznie całko-wita odporność na rozkład biochemiczny. Z tego względu stosowanie DDT jak i preparatów w skład których wchodzi jest zabronione. W wodzie do picia stężenie DDT nie może przekraczać 0,03mg/dm3.
Metoksychlor (DMDT)jest najmniej szkodliwym środkiem z tej grupy związków nieznacznie kumuluje się w tkance tłuszczowej. W wodzie do picia stężenie DMDT nie może przekraczać 0,01mg/dm3.
Lindan [HCH]w wodzie do picia stężenie HCH nie może przekraczać 0,04mg/dm3
-zw. fosforoorganiczne – są mniej szkodliwe dla środowiska, łatwiej ulegają biodegradacji, produkty rozkładu są na ogół mniej toksyczne. Wśród licznych pestycydów fosforoorganicznych znajdują się takie związki jak;
-foschlor – pochodna kwasu fosforowego ulega szybko rozkładowi, działa krótkotrwale, stężenie w wodzie nie może przekroczyć 0,02 mg/dm3
-Malation – pochodna kwasu dwutiofosforowego niezbyt toksyczny stężenie w wodzie nie może przekraczać 0,05 mg/dm3
-Dichlorfos (DDVP) – należy do estrów kwasu fosforowego woda do picia może zawierać stężenie 0,02mg/dm3
-Metylopoaration – ester kwasu dwutiofosforowego, silna trucizna stężenie w wodzie do picia może wynosić 0,01 mg/dm3
-herbicydy: stosowane są do zwalczania chwastów działanie polega na nadmiernym pobudzaniu wzrostu roślin co prowadzi do ich obumierania. Prawie wszystkie herbicydy ulegają rozkładowi w środowisku naturalnym. Do związków tego typu należą: nieorganiczne zw. Arsenu, cjaniny, pochodne kwasów fenoksyoctowych, związki karbuminowe
-fungicydy: tworzą liczną grupę związków chem. Zarówno organicznych jak i nieorganicznych działających grzybobójczo lub grzybostatycznie.
-Wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne (WWA)
Przyczyna występowania WWA jest rozwój przemysłu a szczególnie petrochemicznego, koksowniczego i motoryzacyjnego. WWA mogą przedostać się do wód powierzchniowych z powierzchni ulic lub opadów atmosfer. Powodem powstawania WWA jest najczęściej niepełne spalanie. Do najbardziej niebezpiecznych WWA zalicza się 3.4 – benzopiren występujący w smole węglowej, sadzy, gazach ze silników spalinowych, w dymie papierosowym. Związki tego typu posiadają zdolność do kumulacji w organizmie. Wg. światowej org. Zdrowia w wodzie do picia dopuszcza się stężenie 0,2 mg WWA/dm3
Wg. uzyskanych doświadczeń przyjęto umowny podział wód w zależności od stwierdzonego stężenia WWA
-wody podziemne czyste 1-10
-wody podziemne słabo zanieczyszczone 10-50
-wody powierzchniowe umiarkowanie zanieczyszczone 10-100
-wody powierzchniowe silnie zanieczyszczone 100-1000
-ścieki do 100000
-Trójchlorowcometany THM
Jest to grupa związków organicznych o ogólnym wzorze CHX3 gdzie X oznacza F,Br,Cl,J. Związki te powstają podczas chlorowania wody zawierającej tzw. prekursory THM czyli związki organiczne które reagując z chlorem dają połączenie trójhalometanowe. Substancjami które mogą stanowić prekursory są: kwasy fluwowe, rezorycyna, fenole, anilana. THM powstaje w trakcie tzw. reakcji haloformowej czyli trzy atomy wodoru grupy metylowej podstawiane są kolejno atomami chloru (lub innego halogenu) czego efektem jest związek haloformowy i kwas karboksylowy. Reakcje te w skrócie można przedstawić następująco:
CH3COR + 3HOCl CCl3COR+3H2O
CCL3COR + H2O CHCl3 + RCOOH
3. WŁAŚCIWOŚCI WÓD
3.1 Właściwości fizyczne:
-Temperatura: optymalna temperatura wody do picia jest zawarta w granicach 7-12 C – temu warunkowi odpowiadają przeważnie wody podziemne. Wody powierzchniowe mają temp. wahającą się w granicach 0-35 C w zależności od pór roku i zrzutu wód podgrzanych. Wody podziemne mają temperaturę stałą i nie ulegają wahaniom cyklu rocznego. Gdy temp. wody podziemnej ulega wahaniom to świadczy to o jej kontakcie z wodami powierzchniowymi. Odprowadzanie wód podgrzanych do powierzchniowych wpływa na zmianę ich biocenozy. Znajomość temp. wód jest potrzebna do obliczania różnych postaci zasadowości i stabilności wodorowęglanów, do obliczania stopnia za-solenia i nasycenia wody gazami. Temp. nie jest bezpośrednim wskaźnikiem zanieczyszczenia wody ściekami ale jej wahania mogą świadczyć o jej zanieczyszczeniu.
W głębokich zbiornikach wodnych temp. jest różna na różnych głębokościach. Wiosną i jesienią w takich zbiornikach wskutek wymieszania się wód następuje pionowe przemieszczanie się wody co rzutuje na zmiany składu chemicznego. Większość zwierząt wodnych znosi zmiany temperatury w granicach 4-35 C powyżej 35 C następuje śniecie ryb.
-Barwa: w wodach naturalnych barwa wywołana może być obecnością niektórych jonów, związków humusowych lub zakwitania planktonu. Barwę wody oznacza się przez porównanie ze wzorcem. Wody naturalne wykazują barwę rzędu kilku jedno-stek. Wody zanieczyszczone mają barwę znacznie wyższą. W wodzie do picia nie powinno przekraczać 20mgPt/dm3.
-Mętność: wywołana jest obecnością ciał zawieszonych o rozdrobnieniu >1µ, czyli substancji koloidalnych. W wodach naturalnych stanowią ją głównie krzemiany i glinokrzemiany w postaci iłów gleby i gliny jak również szczątki wodnych organizmów roślinnych i zwierzęcych.
W wodach podziemnych mętność pojawiająca się po wydobyciu wody na powierzchnię związana jest z zaburzeniem równowagi chemicznej – dotyczy to wytrącania się osadów węglanu wapnia i wodorotlenku żelaza. W wodach zanieczyszczonych mętność spowodowana jest przez rozdrobnione lub rozłożone substancje organiczne pochodzące ze ścieków. Mętność wód powierzchniowych jest rzędu kilki do kilkunastu mg SiO2/dm3.
3.2 Wskaźniki charakteryzujące chemiczne właściwości wody
3.2.1 Właściwości wynikające z obecności związków nieorganicznych
-twardość: cecha wody związana z obecnością w wodzie jonów wapnia, magnezu, żelaza, manganu, glinu, cynku. Zawartość wapnia i magnezu w wodach naturalnych jest dużo większa od innych wymienionych pierwiastków wobec czego przy-jęto uważać za twardość wody całkowitą ilość jonów wapnia i magnezu. Wyodrębnienie tej własności wynika ze zdolności tworzenia przez te jony trudno rozpuszczalnych lub nierozpuszczalnych soli z anionami kwasów nieorganicznych i organicznych mydeł wapniowych, zw. z garbnikami. W zależności od rodzaju soli w jakiej występuje wapń, magnez, rozróżniamy twardość węglanową (węglany i kwaśne węglany) i niewęglanową (sole silnych kwasów jak siarczany, chlorki, azotany). Twardość wody wyraża się w stopniach twardości ( 1 stopień oznacza taka zawartość jonów wapnia i magnezu która odpowiada równo-ważnej ilości 10 mg CaO/dm3 lub w mval/dm3
Woda do picia nie powinna przekraczać 10 mval/dm3 twardości.
0-5 woda bardzo miękka, 5-10 miękka, 10-15 woda o średniej twardości, 15-20 o znacznej twardości, 20-30 woda twarda, powyżej 30 woda bardzo twarda.
-zasadowość: określa zdolność wody do przejmowania pro-tonów tj. do zobojętniania silnych kwasów mineralnych do określonego pH. Zdolność tą nadaje wodzie obecne w niej wodorowęglany i węglany głównie metali alkalicznych, wodorotlenki oraz nieznaczne ilości krzemianów, fosforanów i boranów.
W wodach naturalnych zasadowość pochodzi w przeważającej ilości od wodorowęglanów wapnia i magnezu. Mogą ja również powodować wodorowęglany i węglany sodu i potasu. W niektórych przypadkach w wodach naturalnych występują duże stężenia wodorowęglanów sodu i metali alkalicznych – wówczas zasadowość jest większa od twardości ogólnej a różnica miedzy nimi stanowi zasadowość alkaliczna. Zasadowość z punktu widzenia sanitarnego ma znaczenie drugorzędne natomiast jest istotna cecha wody ponieważ określa jej zdolność do buforowania wprowadzonych kwasów i zasad. Istotna jest również zasadowość w wodach przemysłowych.
-kwasowość: to zdolność do zobojętniania silnych zasad. Jest ona spowodowana obecnością dwutlenku węgla lub kwas-ów organicznych. Kwasowość mineralna występuje przy pH <4,4 a ogólna w zakresie pH 4,4 – 8,2. Kwasowość mineralna występuje wyjątkowo jedynie w wodach silnie zanieczyszczonych. Najczęściej kwasowość spowodowana jest przez wolny CO2. Wartość kwasowości ogólnej w wodach naturalnych jest rzędu ułamków mval/dm3
-odczyn: wynika ze stosunku pomiędzy jonami wodorowymi a wodorotlenowymi występującymi w roztworze: Odczyn wody za-leży od: stężenia wolnych słabych kwasów, stężenia ich soli, obecności hydrolizujących soli, obecności rozpuszczonych gazów.
Większość wód naturalnych charakteryzuje się wartością pH w granicach 6,5 – 8,5. Odstępstwa od normalnego odczynu mogą wystąpić w okresie letnim. Przy danym nasłonecznieniu procesy asymilacji zachodzą szybko pH wody wzrasta nawet do wartości 10
Powyższe zjawisko spowodowane jest całkowitym wyczerpaniem się rozpuszczonego CO2. Wodorowęglany obecne w wodzie wobec zaniknięcia CO2 jako czynnika równowagi węglanowej ulegają hydrolizie: Ca(HCO3)2 + H2O = Ca(OH)2 + 2H2CO3. Powstały wodorotlenek podnosi pH wody. W wodach silnie za-nieczyszczonych odczyn waha się w szerokich granicach przy czym podwyższanie odczynu obserwuje się częściej aniżeli ob.-niżanie pH poniżej zwykłego zakresu jest to spowodowane mniejszą pojemnością buforową wody w stosunku do jonów OH aniżeli w stosunku do jonów H ( stężenie CO2 jest rzędu ułamka mval/dm3 a stężenie wodorowęglanów rzędu kilku mval/dm3). Wody o odczynie kwaśnym są korozyjne, agresywne wobec be-tonu i stali. Odczyn wody ma podstawowe znaczenie dla proce-sów biochemicznych zachodzących w roztworach wodnych oraz organizmach żywych w przyrodzie.
-przewodnictwo: właściwe jest charakterystyczną cechą wody związaną z obecnością w niej jonów. W wodach naturalnych nie zanieczyszczonych występują głównie związki nie-organiczne dysocjujące na jony – wobec tego przewodnictwo jest doskonałym wskaźnikiem zawartości soli w wodzie. Jakość wody ze źródeł dostarczających wodę o stałym składzie chem. może być kontrolowana przy pomocy przewodnictwa - jego nagła zmiana świadczy o przedostaniu się zanieczyszczeń o charakterze nieorganicznym. Przewodnictwo właściwe wyraża się w µS/cm. Dla wód naturalnych wynosi 250 –500 uS/cm a dla wód zanieczyszczonych osiąga wart. 1000 uS/cm, dla ścieków 10000µS/cm. Przewodnictwo właściwe wykazuje dużą korelację z zawartością związków nieorganicznych.
3.2.2 Właściwości wody wynikające z obecności związków organicznych:
-BZT: jednym z podstawowych wskaźników pozwalającym ocenić zawartość substancji organicznych łatwo ulegających rozkładowi w warunkach tlenowych pod wpływem enzymów wydzielonych przez drobnoustroje głównie przez bakterie jest biochemiczne zapotrzebowanie na tlen BZT. Jest to pojęcie umowne określające ilość tlenu (w miligramach) potrzebną do biochemicznego utleniania związków organicznych łatwo utleniających się zawartych w 1dm3 wody w warunkach tlenowych i temp. 20ºC. Schemat reakcji:
związki org.CxHyO2 + O2 =(bakterie)= CO2 + H2O
Lub w postaci ogólnej:
E + S = ES = E + P
gdzie: E - enzym,
S-substrat (zw. organiczny),
ES – zw., przejściowy substratu z enzymem,
P – produkt utleniania.
Reakcja enzymatyczna przebiega w ten sposób, że początkowo utleniają się związki organiczne węglowe, a następnie azotowe:
NH3 + O2 =(bakterie)= NO-2 + O2=(bakterie)=NO-3
Utlenianie związków azotowych (nitryfikacja) następuje po upływie 9-10 dni a całkowity proces utleniania kończy się po ok. 100 dniach. Najszybciej zachodzą procesy biochemicznego utleniania w ciągu 5 dni, około 68% substancji org. ulega utlenieniu, a po 20 dobach do 99%. Przebieg biochemicznego rozkładu zw. org. opisuje:
dL/dt = -kL,
gdzie: L – całkowite zapotrzebowanie na tlen BZT100% (mg O2/dm3),
t – czas,
k – stała szybkości reakcji
Dla reakcji utleniania zw. org. jako miarę szybkości przyjęto zużycie tlenu.
y = L(1-10-kt)
gdzie: y – zawartość tlenu po czasie t.
Proces biochemicznego zapotrzebowania tlenu jest bardziej złożony i składa się głownie z procesu syntezy i oddychania komórkowego, wobec czego powyższe równanie należy traktować jako uproszczony opis matematyczny przebiegu procesu.
Nie wszystkie związki org. są w jednakowym stopniu podatne na rozkład biochemiczny. Szczególnie odporne są związki o dużym ciężarze cząsteczkowym oraz o rozgałęzionej budowie zawierającej boczne łańcuchy alifatyczne. Substancje takie zalicza się do substancji refrakcyjnych czy odpornych na rozkład biochemiczny. Związki te nie są wykazywane za pomocą wskaźnika BZT. Niektóre związki chemiczne nie tylko nie ulega-ją rozkładowi biochemicznemu lecz wykazują działanie toksyczne w stosunkach do bakterii a tym samym obniżają wynik BZT. Wskaźnik BZT w wodach powierzchniowych kilka mgO2 /dm3, w wodach zanieczyszczonych kilkanaście mgO2/dm3 a w ściekach BZT osiąga wartość setek a nawet tysięcy mgO2/dm3. Proces biochemicznego rozkładu substancji org. należy do podstawowych procesów samooczyszczania wód i oczyszczania ścieków.
-utlenialność: wskaźnik ten określa zawartość związków organicznych utleniających się w określonych warunkach tj. pod wpływem KmnO4 w środowisku kwaśnym w temp. wrzenia w czasie 30 min. Oprócz związków org. w warunkach tych ulegają utlenianiu związki nieorganiczne takie jak azotyny, siarczany, siarkowodór, jon żelazawy. Jest to wskaźnik umowny stosowany dla wód czystych i mało zanieczyszczonych oraz dla niektórych ścieków. Wartość tego wskaźnika dla wód naturalnych to kilka mgO2/dm3, dla wód zanieczyszczonych kilkanaście mgO2/dm3 dla ścieków kilkadziesiąt do kilkaset mgO2/dm3.
-CHZT to pojęcie umowne jak utlenialność oznacza ilość tlenu w mg pobraną z utleniacza (chromian, jodan, nadsiarczan) do utlenienia związków org. w 1 dm3 wody w środowisku kwaśnym w ściśle określonym czasie. W porównaniu z utlenialnością daje wyższy stopień utleniania związków org. (90-100%). Ze związków nieorganicznych utleniających się pod wpływem K2Cr2O7 można wymienić Fe+2, azotyny siarczany, siarczki, chlorki. Natomiast ze związków org. ulegających całkowitemu utlenieniu wymienić należy: węglowodany, rozgałęzione związki tłuszczowe, aromatyczne. Alkohole i aminokwasy mogą być utlenione całkowicie po użyciu katalizatora. Wartości CHZT są na ogół większe niż BZT. CHZT jest najbardziej dogodnym oznaczeniem dla określenia stężenia związków org. w ściekach przemysłowych w których obecność substancji toksycznych hamuje proces BZT5 a utlenialność wymaga znacznego rozcieńczenia próbki.
-Ogólny węgiel organiczny OWO: wskaźnik wyraża ogólną zawartość węgla związanego w związkach organicznych rozpuszczonych w wodzie poczynając od węglowodorów przez węglowodany i białka aż do detergentów i pestycydów. OWO jest wskaźnikiem zanieczyszczenia wody bardziej miarodajnym niż utlenialność, BZT, CHZT ponieważ obejmuje wszystkie związki organiczne. Wyniki OWO 10-w przeliczeniu na tlen w powiązaniu z BZT i CHZT pozwala w przybliżeniu określić czy substancje org. należą do związków ulegających rozkładowi chemicznemu czy też nie. Jeśli stosunek BZT5/OWO oraz CHZT/OWO jest znacznie mniejszy od jedności to w wodzie znajdują się związki organiczne trudno rozkładalne. Dla wód naturalnych OWO jest rzędu ułamków mg/dm3, w wodach zanieczyszczonych osiąga wielkość kilku do kilkunastu mg/dm3
-Ekstrakt węglowo – chloroformowy – EWCH (CCE): oznaczenie to obejmuje mikroilości szkodliwych zw.org absorbowanych z wodą na węglu aktywnym a następnie ekstrahowanych za pomocą chloroformu. Otrzymana po odprężeniu chloroformu pozostałość określa łączną masę niezidentyfikowanych związków zaabsorbowanych w warunkach oznaczenia na węglu aktywnym w mg/dm3. Oddzielona masa związków org. może zostać poddana szczegółowej analizie pozwalającej na zidentyfikowanie składników i oznaczeniu ich stężenia. W wodzie pitnej dopuszczalne stężenie EWCH waha się w granicach 0,2 – 0,5 mg/dm3. W wodach powierzchniowych nie zanieczyszczonych EWCH nie powinno przekroczyć 0,05 mg/dm3
4. FIZYKOCHEMICZNE WŁAŚCIWOŚCI CZĄSTECZKI WODY
Woda jest związkiem wodoru i tlenu, który określa skład jakościowy i ilościowy wody. Skład pierwiastków wchodzących w skład cząsteczki wody jest następujący: 11,2% H i 88,8% O.
Sumaryczny wzór chemiczny nie wyjaśnia właściwości fizycznych i chemicznych danego związku chemicznego. Własności te zależą od budowy cząsteczki. Stwierdzono,że kształt cząsteczki wody nie jest wydłużony, lecz odpowiada trójkątowi. W jednym z jego wierzchołków znajduje się atom tlenu, a w dwóch pozostałych atomy wodoru. Atomy tworzące cząsteczkę wody są połączone wiązaniami chemicznymi – pomiędzy atomem tlenu a wodoru istnieje wiązanie kowalencyjne spolaryzowane. Atom tlenu (elektro ujemny) silniej przyciąga wspólną parę elektronowa, czyli zwiększa się gęstość elektronowa przy atomie tlenu oraz skupienie ładunków elektronów na atomów wodoru. Ze względu na swą budowę przestrzenną i spolaryzowane wiązanie atomowe cząsteczka wody jest biegu-nowa czyli polarna. Cząsteczka wody ma niesymetryczny rozkład ładunków elektrycznych (środki ładunków ujemnych i dodatnich nie pokrywają się). Cząstki polarności charakteryzuje się za pomocą tzw. momentu dipolowego,który jest równy iloczynowi bezwzględnej wartości ładunku jednego z biegunów dipola i odległości pomiędzy biegunami. Polarność cząsteczki wody jest przyczyną asocjacji i hydratacji.
W stanie pary woda składa się z pojedynczych cząsteczek H2O. Najwyższy stopień asocjacji powstaje w temp. od 276-277K w tej temp. woda zawiera najwięcej asocjatów cząsteczkowych (H2O)2 które w niższej temp. tworzą zespoły trójcząsteczkowe a w wyższej rozpadają się na pojedyncze cząsteczki H2O wg. równania
2(H2O)3=3(H2O)2=6H2O
Woda w stanie ciekłym jest mieszaniną pojedynczych cząsteczek H2O i różnych asocjatów (dwu i trójcząsteczkowych). Wiązania wodorowe warunkują dużą spoistość wody, jej zdolność do silnego przylegania do różnych powierzchni i ich zwilżania.
-Właściwości fizyczne wody służą do definicji wielu jednostek i stałych fizycznych np. temperatura krzepnięcia wody - 0°, temperatura wrzenia - 100°.
-Ciekły stan wody jest to stan
Woda dzięki omówionym właściwością takim jak: zdolność jonizacji, rozpuszczania i hydratacji jest szczególnie korzystnym środowiskiem różnych przemian i reakcji chemicznych, naturalnych.
| sezon | wiosna | lato | jesień |
|---|---|---|---|
| stanowisko | 1 | 2 | 3 |
| Temperatura wody ° C | 11 | 15 | 15 |
| Zawiesiny og. mg*dm-3 | 13 | 38 | 5 |
| Przewodnictwo µS*cm-1 | 520 | 354 | 362 |
| Odczyn pH | 7,7 | 8,2 | 7,7 |
| O2 mg*dm-3 | 11 | 12 | 12 |
| O2 % nasycenia | 102 | 111 | 121 |
| BZT5 | 6,4 | 5,6 | 6,7 |
| Subst. pow. czynne | 5,1 | 1,5 | 1,7 |
| ChZT | 8,6 | 12 | 14 |
| Nog. | 3,5 | 3 | 3,3 |
| NO3 | 1,4 | 0,4 | 0,4 |
| NH4 | 0,2 | 0,1 | 0,2 |
| Pog. | 0,3 | 0,1 | 0,1 |
| PO4 | 51 | 10 | 22 |
| Na | 5,4 | 6 | 6 |
| K | 2,5 | 2,6 | 2,7 |
| Mg | 2,5 | 2,6 | 2,7 |
MYRHG-9VWRK-CP7CK-WPPQX-QMRCM
FQPPD-7DPY8-48CFX-7TRCG-VVMK6
K3JPK-2P3DW-HFGTC-FF2HW-8D4RB
JQ4T4-8VM63-6WFBK-KTT29-V8966
G47M2-XHX69-7P974-9B3CM-YYF48
Q9GJG-YXRKF-J8R6P-XD368-HBQXD
G47M2-XHX69-7P974-9B3CM-YYF48
CHEMIA WODY
1. WODA występująca w przyrodzie, czyli woda naturalna jest roztworem wieloskładnikowym, bądź niejednorodna mieszanina H2O i innych substancji oraz związków chemicznych pochodzenia mineralnego. Spośród różnych form występowania wody w przyrodzie przedmiotem zainteresowania inżynierii sanitarnej jest woda zgromadzona w rzekach, jeziorach, morzach i pod ziemią. Dzielimy je na: wody powierzchniowe śródlądowe i morskie, wody podziemne gruntowe i wgłębne. Wody te w wyniku swego pochodzenia i umiejscowienia charakteryzują się odmiennym składem i odrębnymi właściwościami.
Wody powierzchniowe śródlądowe są to wody lądowe, stojące lub płynące. Ich cecha charakterystyczna jest słaba mineralizacja, obecność substancji organicznych, tlenu, zawiesin, bakterii. Ponadto odznaczają, się dużą zmiennością składu chemicznego i temperatury, w zależności od zanieczyszczeń odpadów.
Wody powierzchniowe morskie charakteryzują się bardzo silnym zasoleniem rzędu kilku do kilkudziesięciu gramów/ dm3. Wykazują stały skład chemiczny, zmieniający się wraz z głębokością. Temperatura w mniejszym stopniu niż w wodach śródlądowych ulega zmianie w zależności od pory roku.
Wody podziemne gruntowe są to wody zalęgające do głębokości około 10 m. Charakteryzują się skaldem chemicznym zbliżonym do wód wgłębnych i wód powierzchniowych, nie posiadają jednakże zawiesin, a także mogą zawierać niewielkie ilości tlenu. Na ich skład chem. rzutuje rodzaj zanieczyszczeń gleby oraz opady.
Wody podziemne wgłębne są to wody zalegające poniżej 10m. Charakteryzują się dużą zawartością soli nieorganicznych, brakiem związków organicznych, tlenu rozpuszczonego i zanieczyszczeń bakteryjnych. Posiadają stałą temp i prawie stały skład chemiczny.
Z punktu widzenia czystości wód wyróżniamy: wody naturalne, zanieczyszczone i ścieki. Stan wody określa się za pomocą tzw. wskaźników jakości wód. Nazwą tą obejmuje się zawieszone i rozpuszczone składniki wody oraz jej fizyczne i chemiczne właściwości.
Zawieszone składniki wody to makroskopowe substancje składające się zarówno ze zw. nieorg. jak i org. Ogólnie można je określić jako substancje o rozdrobnieniu 1nm. Rozpuszczone składniki wody to zw. org. jak i nie org. Oraz gazy reagujące i nie reagujące z woda.
2. SKŁADNIKI WOD:
2.1 ZAWIESZONE SKŁADNIKI WÓD:
-Zawiesiny: Wskaźnik ten reprezentuje ciała zawieszone o średnicy 7200 nm. Pod względem chemicznym stanowią je rozdrobnione substancje mineralne jak: piasek, osady, węglanów, wodorowęglanów, fosforów, cząstki iłu, gleby jak i sub org. w postaci szczątków roślin i zwierząt. Zawiesiny występują w wodach naturalnych, powierzchniowych w wyniku erozji dna i brzegów. W wodach zanieczyszczonych zawiesiny pochodzą ze ścieków. Zawiesiny nie występują zasadniczo w wodach podziemnych, mogą się jednak wydzielać w wyniku kontaktu wód pod-ziemnych z atmosfera, prowadzącego do reakcji chemicznych. Zawartość zawiesin w naturalnych wodach nie przekracza kilku mg/dm3. W wodach zanieczyszczonych do kilkudziesięciu mg/dm3. W wodach wezbranych może być kilku set.
-Koloidy: Sub. koloidalne zawarte w wodach naturalnych to przede wszystkim glinokrzemiany o różnym składzie chemicznym i ogólnym wzorze xAl2O3*ySiO2*z H2O oraz krzemionka koloidalna (SiO2)n. Substancje te przechodzą do wody w wyniku reakcji pomiędzy glinokrzemianami występującymi w minera-łach, glebie, glinach oraz dwutlenkiem węgla. Do koloidów występujących w wodach naturalnych zaliczyć trzeba sole sodowe, Ca, Mg i kwasy huminowe. W wodach zanieczyszczonych w postaci koloidalnej występują niektóre proste białka, skrobie i inne związki pochodzenia zw. lub roślinnego.
-Piany: Występują wyłącznie w wodach zanieczyszczonych tłuszczami lub węglowodorami ciekłymi. Stanowią układy dwóch nie mieszających się ze sobą cieczy. Nadają wodzie wygląd mętny lub mleczny. Stanowią uciążliwy składnik wody i ścieków.
-tłuszcze (ekstrakt eterowy): Nazwa ta określa się tłuszcze roślinne i zw. oraz węglowodory ciekle lub stale, pływające po powierzchni wody lub występujące w postaci emulsji. Substancje te wyodrębnia się z wody za pomocą ekstrakcji eterem i określa jako ekstrakt eterowy. Ten rodzaj zanieczyszczenie występuje głownie w ściekach, w wodach naturalnych Jedynie w przypadkach awaryjnych.
2.2 ROZPUSZCZONE SKLADNIKI WOD:
2.2.1 Gazy rozpuszczone: Rozpuszczalność gazów w wodzie zależy od ich charakteru, ciśnienia cząsteczkowego, temp wody, jej składu fizykochemicznego i biologicznego. Rozp gazu w wodzie maleje wraz ze wzrostem temp. Do gazów rozpuszczonych w wodach naturalnych należą CO2, O2, N2, H2S, CH4, SO2, H2Rn i inne gazy szlachetne.
Pochodzenie gazów zawartych w wodach naturalnych:
-atmosferyczne: O2, N2, CO2, SO2,
-chemiczne: CO2, H2S, H2, N2, CH4, SO2,
-biochemiczne: CH4, H2, CO2, N2, H2S pochodzące z biol. rozkładu sub. org. w warunkach tlenowych tj. aerobowych i beztlenowych tj. anaerobowych
-radioaktywnego.
Gazy rozpuszczone maja znaczenie:
-geologiczne (zmieniają właściwości wody jako rozpuszczalnika skal, minerałów, gruntów),
-lecznicze ( np. na organizm ludzki),
-techniczne ( działają, agresywnie na materiały budowlane)
-tlen rozpuszczony: Występuje, we wszystkich wodach naturalnych stykających się z powietrzem atmosferycznym. Po-chodzi głównie z atmosfery oraz procesów fotosyntezy roślin wodnych, jego stężenie jest wypadkową fizycznej rozpuszczalności tego gazu i jego zużycia na procesy biochemiczne. Tlen rozpuszczony występuje w wodach powierzchniowych i płytkich wodach podziemnych, wody wgłębne pozbawione są tlenu zupełnie. Zawartość jego waha się w wodach naturalnych od 0-14mg O2/l. Ilość rozpuszczonego tlenu mg O2/l. Nie określa sto-pnia nasycenia wody tlenem w danych warunkach. Stopień nasycenia wody jest to stosunek zawartości tlenu rozpuszczonego w badanej wodzie do maksymalnej zawartości tlenu w wodzie destylowanej w danej temp. przy ciśnieniu 760mm Hg. Dla wód powierzchniowych % nasycenia wody tlenem wynosi prawie 100%. Dla wód powierzchniowych o małym zanieczyszczeniu waha się od 80 do 95%, natomiast w wodach o wyraźnym zanieczyszczeniu spada do około 40 – 50 % nasycenia.
W wyniku spadku nasycenia w wodzie dominują procesy anaerobowe, w wyniku których powstaje H2S, NH3, PH3 i inne gazy. Taki deficyt tlenu spowodowany zostaje zrzutem dużych ilości związków organicznych. Tlen jest wskaźnikiem zanieczyszczenie wód powierzchniowych i jego niskie wartości wskazują na zanieczyszczenie rzeki i toczące się w niej procesy rozkładu biochemicznego. Obecność tlenu w wodach przemysłowych jest nie pożądana, gdyż przyspiesza proces korozji. Korodujące działanie wody można przedstawić za pomocą reakcji
2H+ + Fe Fe2+ +2H
2H + 1/2O2 H2O
Jony wodorowe atakują powierzchnie metalu. W wyniku reakcji do roztworu przechodzą jony żelazowe, a tworzący się wodór atomowy wydziela się w postaci warstwy na powierzchni metalu, izolując go od dalszej korozji. Obecny w wodzie tlen utlenia wydzielający się wodór do cząsteczki H2O, co powoduje zanik warstwy. Aby zapobiec temu zjawisku wodę należy odgazować.
-dwutlenek węgla: W wodach naturalnych powierzchniowych CO2 pochodzi głownie z atmosfery, bądź z procesów mineralizacji ciał org., w wodach wgłębnych CO2 pochodzi z proce-sów geochemicznych. Zawartość CO2 w wodach naturalnych waha się w szerokich granicach od kilku mg do kilkuset. CO2 w wodzie jest w postaci rozpuszczonych cząsteczek gazowych CO2, w których 1% reaguje z woda tworząc H2CO3:
CO2+H2O⇔H2CO3
Kwas ten dysocjuje dwustopniowo:
H2CO3 = H+ + HCO3-
HCO3- = H+ + CO22-
Stan równowagi pomiędzy rozpuszczonym CO2, a jego postaciami jonowymi zależy od pH wody. W zależności od pH wody CO2 może występować:
-Przy pH < 4,5 w formie gazowej,
-przy pH=8,4 w formie HCO3-,
-przy pH= 10,5 w formie CO23-
Ponieważ większość wód naturalnych ma pH 6.5 ÷ 8.5 zatem w wodach CO2 występuje na ogół w całym zespole związków kwasu węglanowego.
Ogólny CO2 jest sumą CO2 zawartego w wodzie w różnych postaciach. Ogólny CO2 dzielimy na wolny i związany. Związany CO2 znajduje się w wodzie pod postacią HCO3- i CO23-. Wolny CO2 występuje w postaci rozpuszczonej jako H2CO2. Część wolnego CO2 niezbędna do utrzymania w roztworze rozpuszczonego wodorowęglanu wapnia wg równania:
Ca(HCO3)2 ⇔ CaCO2 + H2O + CO2
Nazywa się CO2 równowagi węglanowo wapniowej lub CO2 przynależnym. W miarę zwiększania się w wodzie wodorowęglanów ilość niezbędnego CO2 przynależnego znacznie wzrasta. Pozostała część CO2 wolnego w wodzie, czyli nadmiaru wolnego CO2 w stosunku do stechiometrycznej ilości CO2 przy-należnego jest CO2 agresywnym. CO2 agresywny w odróżnieniu od CO2 jest aktywny i nadaje wodzie właściwości korodujące w stosunku do betonu i stali. Zawartość CO2 agresywnego zwiększa zdolność rozpuszczania w wodzie CaCO3 zmieniając go na łatwiej rozpuszczalny w wodzie wodorowęglan wapnia Obecność z higienicznego punktu widzenia nie ma znaczenie w wodach podziemnych, w wodach powierzchniowych jest wskaźnikiem stopnia zanieczyszczenia wody substancjami org.
-amoniak NH3: Gaz o charakterystycznym zapachu dobrze rozpuszczalny w wodzie. Związek ten łatwo reaguje z woda tworząc zasadę lub sól amonową
NH3 + H+ + OH+ ⇔ NH4 + OH-
Powstały wodorotlenek jest słabą zasada. Kierunek tej przemiany zależy od pH wody. Przy wzroście pH zwiększa się stężenie wolnego amoniaku, który wydziela się z wody.
2.2.2 związki nieorganiczne:
-chlorki: Ze względu na dużą rozpuszczalność chlorki występują we wszystkich wodach naturalnych. Mogą pochodzić z wy-mywania pokładów soli, z gruntu oraz zanieczyszczeń ściekowych. Wody śródlądowe, naturalne zawierają chlorki w stężeniu od kilku do kilkunastu mg/dm3. Wody zanieczyszczone mogą zawierać do kilkuset chlorków. Największe ładunki chlorków wprowadzane są do wody dołowe z odwadniania kopalni oraz ścieki przemysłu sodowego, chem. i garbarskiego. Chlorki wydalane są prze organizmy zwierzęce, występują wiec zawsze w ściekach bytowo gospodarczych i miejskich. Chlorki nie podlegają procesom samooczyszczania w rzekach ani oczyszczaniu konwencjonalnemu w oczyszczalniach. W wodzie pitnej może znajdować się do 300mg chlorków na dm3. Jon chlorkowy wykazuje działanie korozyjne do żelaza i stali w stężeniu > 150mg /dm3.
-siarczany: Należą do najbardziej, obok chlorków rozpowszechnionych anionów. Przechodzą do wody na wskutek wymywania skal osadowych, utleniania siarczanów. W wyniku mineralizacji organicznych zawierających siarkę są wprowadzane wraz ze ściekami. Utlenianie siarczków zachodzi wg równania:
2FeS2 + 7O2 +2H2O ⇔ 2FeSO4 + 2H2SO4
Zawartość siarczanów w wodach pow. naturalnych wynosi od kilku do kilkuset mg/dm3.
W wodach podziemnych i wodach zanieczyszczonych stężenie ich może być znacznie wyższe. Jeśli występują w nich jako sole słabych zasad nadają wodzie odczyn kwasowy. Siarczany nie podlegają procesowi samooczyszczania w warunkach tlenowych. W warunkach beztlenowych mogą ulegać redukcji do siarkowodoru.
FeSO4 + 8H+ ⇔ FeS +4H2O
Usuwanie siarczanów jest możliwe tylko przy ich bardzo dużych stężeniach przy użyciu wapna w postaci siarczanu wapna. Woda do picia zawiera do 200mg siarczanów / dm3. Siarczany mają właściwości korozyjne w stosunku do betonu wskutek tworzenie się w porach betonu silnie uwodnionej soli glinosiarczanu wapnia o wzorze:
3CaO *Al2O3*3CaSO4*3O*31H2O
Krystalizacja sól zwiększa silnie swoja objętość powodując rozsadzanie betonu. Woda o stężeniu siarczanów > 250mg /dm3 jest już agresywna w stosunku do betonu.
-węglany i kwaśne węglany: Są to sole słabego kwasu węglowego występujące jedynie w roztworach wodnych. Kwas węglowy dysocjuje dwustopniowo dając dwa typy soli: węglany i wodorowęglany.
H2CO3 ⇔ H+ + HCO-3
HCO-3 = H+ + CO2-3
Stałe dysocjacji I i II stopnia różnią się od siebie. Dobrze rozpuszczalne w wodzie są węglany potasu i sodu oraz wodorowęglany K, NA, Ca, Mg, Fe, Mn. Węglany i kwaśne węglany jako sole słabego kwasu rozkładają się pod wpływem mocniejszych kwasów z wydzieleniem CO2. Są tu głównym składnikiem zasadowości wody. Stanowią twardość węglanową wody. Obecność kwaśnych węglanów w wodzie uwarunkowana jest obecnością pewnej ilości CO2:
Ca(HCO3)2 = CaCO3 + H2O + CO2.
Nazywanego dwutlenkiem węgla przynależnym lub równowagi. Obojętne węglany występują w wodach nat w bardzo niewielkich ilościach. Wyjątek stanowią wody podziemne lub stykające się ze złożami wapnia, stanowiące przesycone roztwory wodorowęglanów. Kwaśne węglany są natomiast powszechnym składnikiem wód naturalnych. W wodach powierzchniowych, śródlądowych zawartość kwaśnych węglanów wynosi 1,5 ÷ 3,5 mval/dm3 a w wodach podziemnych osiągają wartości wyższe. Węglany i kwaśne węglany nie są wskaźnikami zanieczyszczenia wody. Ich obecność w wodzie jest dla odbiornika pożądana, gdyż stanowi układ buforowy, przeciwdziałający nagłym zmiana pH.
-azotyny: Są to sole kwasu azotowego, powstają jako produkty utleniania amoniaku do azotanów na drodze biochemicznej wg schematu:
NH4+ bakt nitrosomonas NO2+ bakt nitrobacter NO3+
Azotyny są zatem nietrwałą formą azotu przechodzącą łatwo w warunkach utleniających w azotany, w warunkach redukujących w amoniak są tez wskaźnikiem zanieczyszczenia wody i kierunkiem z procesów samooczyszczania. Stężenie ich w wodach powierzchniowych jest rzędu tysięcznych mg/dm3 a w wodach zanieczyszczonych rzędu dziesiętnych lub setnych mg/dm3.
-azotany: Są to bardzo łatwo rozpuszczalne sole kwasu azotowego. Stanowią ostateczny produkt na drodze tlenowej azotowych związków organicznych. Azotany dostają się do wód nat pow wraz ze ściekami miejskimi i przemysłowymi, wraz z opadami atm i spływami z nawożonych pol. Tą droga dostają się tez do wód podziemnych. Stężenie azotanów w wodach naturalnych jest na ogół rzędu kilku mg/dm3, w wodach zanieczyszczonych może być wyższe. Azotany w wyższej ilości są niepożądanym składnikiem wód nat. Są one wykorzystywane przez glony i rośliny wodne do swojego rozwoju, w sprzyjających warunkach do nadmiernego rozwoju flory wodnej, który w konsekwencji po-woduje wtórne zanieczyszczenie wód. Nie podlegają procesowi samo oczyszczania się. Woda do picia może zawierać 10mg azotanów na 1 dm3
-fosforany i polifosforany:
Kwas fosforowy dysocjuje trójstopniowo w wyniku czego powstają sole I, II, III rzędowe typu: McH2PO4, McHPO4, Mc3PO4, gdzie Mc - jon metalu jednowartościowego. Pierwszorzędowe fosforany sodu, potasu, wapnia i magnezu są rozpuszczalne w wodzie spośród II i III rzędowych rozpuszczalne są tylko fosforany sodu i potasu. Fosforany są końcowym produktem mineralizacji związków org. zawierających fosfor
Fosforany w wodach naturalnych mogą pochodzić też z mineralizacji substancji roślinnych z wyługowaniem gleby nawożonej nawozami fosforowymi oraz ze ścieków miejskich i przemysłowych. Fosforany podobnie jak azotany stanowią substancje po-karmową dla roślin są przez nie przyswajalne a następnie przy obumieraniu roślin wracają do wody. W związku z tym uważa się je za związki nie ulegające procesowi samooczyszczania. W wodach naturalnych stężenie ich nie przekracza ułamka [mg/dm3], w wodach zanieczyszczonych kilka [mg/dm3]. Norma nie podaje stężenia fosforanów w wodzie do picia. w wodach I klasy muszą być poniżej 0,2 mg/dm3. Kwas fosforowy oraz jego sole I, II rzędowe maja zdolności kondensacji czyli łączenia się w dwie cząsteczki z wydzieleniem wody. Produkty kondensacji mogą posiadać bardzo duży ciężar cząsteczkowy oraz budowę łańcuchową lub pierścieniową. Cząsteczki o budowie łańcuchowej noszą nazwę kwasów ortofosforowych, zaś o budowie pierścieniowej –kwasów metafosforowych. np.;
a. kwasy ortofosforowe:
H3PO4 -ortojednofosforowy,
H3P2O7 -ortodwufosforowy (pirofosforowy),
H5P3O10 -ortotrójfosforowy.
b. kwasy metafosforowe;
HPO3 - metafosforowy,
H3P3O4 - metatrójfosforowy.
H4P4O12 - metaczterofosforowy.
Wyższe kwasy orto- i metafosforowe występują wyłącznie w postaci soli. Wszystkie sole kwasów orto- i metafosforowych nazywa potocznie polifosforanami. Polifosforany mają zdolność tworzenia związków kompleksowych z jonami metali dwu i trójwartościowych najczęściej z jonami magnezu i wapnia. Związki te mają szerokie zastosowanie jako środki zmiękczające, jako zabezpieczenie przed tworzeniem kamienia kotłowego, jako środki pasywujące powierzchnie stali- w konserwacji znajdują się one w coraz większych stężeniach w wodach naturalnych ścieków.
Na2SiO3+2H2CO32NaHCO3+SiO2+H20
Związki krzemu pochodzą głównie w wymywania skał, gleby oraz rozkładu złożonych glinokrzemianów na związki proste. Zawartość krzemu w wodach jest rzędu ułamków mgSiO2/dm3. W wodach podziemnych stężenie krzemu jest wyższe, rzędu do kilkudziesięciu mgSiO2/dm3.
-fluor - jako pierwiastek bardzo rozpowszechniony w skorupie ziemskiej, występuje również w wodach naturalnych. fluor wchodzi w skład organizmów zwierzęcych i roślinnych. w większych stężeniach działa szkodliwie na układ kostny. W stężeniach niskich fluor wywiera korzystny wpływ na uzębienie dlatego tez w okolicach gdzie występuje jako deficyt wprowadza się go do wody pitnej. Fluor występuje w wodach głównie w postaci fluorków F. Stężenie dopuszczalne w wodzie pitnej wynosi 1,5mgF/dm3.
-jod - jest pierwiastkiem bardzo rozpowszechnionym najczęściej występuje w postaci jodków J, jodki znajdują się jako do-mieszki w soli kuchennej. Związki jodu są bardzo dobrze rozpuszczalne w wodach. Posiada duże znaczenie fizjologiczne – jego brak powoduje niedoczynność tarczycy. Jod występuje w wodzie jako jodki (J-) i jodany (JO3) zawartość jodu w wodach naturalnych jest rzędu setnych i tysięcznych mg/dm3
-bor - jest dość rozpowszechniony w przyrodzie, i występuje w postaci kwasu borowego H3BO3 oraz w postaci borokrzemianu np. boraksu NA2B4O7 ⋅10H20. kwas borowy jest słabym kwasem w wodzie dysocjuje tworząc H2BO3-,HBO-23,BO3-3,HB40-7,B4O2-7. W zależności od pH bor może występować w formie niejonowej lub jonowej. Przy pH>1 spotykana w wodach naturalnych prze-ważnie forma niejonowa. Stężenie boru w wodach naturalnych waha się od zera do kilku mg/dm3.
-wapń i magnez - Są głównymi kationami w wodach naturalnych dostają się do wody głównie na wskutek wymywania skał i gleb. Stężenie wapnia w wodach naturalnych jest rzędu kilkudziesięciu mg/dm3 zaś magnezu rzędu kilkunastu mg/dm3 najczęściej kationy te występują w postaci węglanów i kwaśnych węglanów, siarczanów oraz chlorków. Stosunek jonów wapnia i magnezu w wodach naturalnych jest miarą stopnia mineralizacji wody;
-wody słabo z mineralizowane tj. wody o suchej pozostałości- części mineralne 200 mg/dm3 wykazują:
Ca/Mg = (3-4)/1
-wody o mineralizacji 200-500 mg/dm3 wykazują:
Ca/Mg = (2-3)/1
-wody o mineralizacji <1000 mg/dm3 wykazują:
Ca/Mg = (1-2)/1
-wody silnie z mineralizowane tj. o suchej pozostałości- części mineralne >100 mg/dm3 wykazują:
Ca/Mg = 1/(3-4)
-żelazo i mangan - Pierwiastki te należą do szeroko rozpowszechnionych w skorupie ziemskiej stąd też są częstymi składnikami wód naturalnych. Do wody przechodzą w wyniku reakcji geotermicznych lub procesów utleniająco-redukujących. Żelazo występuje w dwóch stopniach utlenienia jako jon Fe2+- dając sole żelazawe i jako jon Fe3+- dają jony żelazowe. W zależności od warunków utleniająco-redukujących obie formy żelaza przechodzą jedna w drugą. Sole żelaza są solami słabej zasady i w roztworach wodnych ulegają hydrolizie w wydzieleniem Fe(OH)2, a utlenianiu Fe(OH)3. Tak więc w dobrze natlenionych wodach powierzchniowych żelazo występuje w postaci zawiesiny uwodnionych tlenków żelaza;
4Fe2++O2+10H2O=4Fe(OH)3+8H+
W wodach powierzchniowych stężenie żelaza rozpuszczonego jest rzędu ułamków mg/dm3 natomiast stężenie całkowite (łącznie z żelazem w zawieszeniu) jest na ogół rzędu 0,5÷1 mg żelaza /dm3. Żelazo za-warte w wodach podziemnych występuje w postaci dwuwartościowej. Beztlenowe warunki wód podziemnych sprzyjają rozpuszczeniu żelaza dwuwartościowego. W wodach podziemnych stężenie żelaza może być duże od kilku do kilkudziesięciu mg/dm3. W wodzie do picia może znajdować się 0,5 żelaza mg/dm3
Mangan - występuje w ilościach mniejszych wynoszących od ¼ do 1/10 zawartości żelaza. Proces utleniania i wydzielania manganu zachodzi znacznie wolniej i trudniej stąd też mangan częściej występuje w wodach powierzchniowych gdzie jego stężenie jest rzędu ułamka mg/dm3. Przebieg reakcji hydrolizy i utleniania manganu [II] do manganu [IV] zachodzi następująco;
Mn(HCO3)2+H20⇔Mn(OH)2+2CO2+H20
2Mn(OH)2+O2⇔2MnO(OH)2
2MnO(OH)2⇔2MnO2+2H2O
Zawartość manganu w wodzie do picia wynosi 0,1mgMn/dm3
Jony żelaza i manganu stanowią pożywkę dla pewnych gatunków bakterii czerpiących energię z procesów utleniania i redukcji. W wyniku tego procesu następuje odkładanie się zbitych osadów na ściankach rur, co powoduje znaczne zmniejszenie ich prześwitu. W studniach ujmujących wodę żelazo i mangan zachodzą podobne procesy. Na filtrach studni następuje wytracenie się osadów wodorotlenków żelaza i manganu, co powoduje spadek wydajności studnia nawet unieruchomienie – zjawisko to nosi nazwę – kolmatacji. Wody zawierające ponadnormatywne ilości żelaza i manganu można uzdatnić.
z jonem wodorotlenowym daje zasadę amonową:
NH+4+OH-⇔NH4OH
Zasada amonowa ulega łatwo rozkładowi z wydzieleniem wolnego amoniaku:
NH4OH⇔NH3+H2O
Przebieg tej reakcji zależy od temperatury i odczynu wody wraz ze wzrostem pH wydziela się coraz więcej amoniaku. Reakcja ta wykorzystywana jest przy oczyszczaniu ścieków od nadmiaru azotu amonowego. Azot amonowy w stężeniu >15 mg/dm3 nadaje wodzie charakter korozyjny w stosunku do betonu – polega to na wymianie jonu Ca2+ ze spoiwa cementowego na jon NH+4 i rozluźnieniu przez to jego struktury.
Poza omówionymi ważniejszymi składnikami mineralnymi wód naturalnych w wodzie mogą być inne pierwiastki jak: arsen, rtęć, kadm, chrom, ołów, selen, beryl, bar, miedź, molibden, wanad, cynk. Występowanie ich w wodach naturalnych związane jest z obecnością minerałów tych pierwiastków w obszarze wodonośnym. Stężenia ich są na ogół niewielkie rzędu ułamków mg/dm3. Większe stężenia wystąpić mogą w wyniku zanieczyszczenia wody ściekami przemysłowymi, wyciekami z hałd, spływami z pól intensywnie eksploatowanych.
Wody naturalne ulegają nie zanieczyszczeniu nie tylko związkami pochodzenia nieorganicznego, ale również związkami organicznymi, które dostają się do wody powodując jeszcze większe je zanieczyszczenie. Związki organiczne przedostające się do wód mogą być pochodzenia naturalnego i sztucznego. Źródłami ich są ścieki bytowo-gospodarcze, przemysłowe, spływy atmosferyczne z obszarów upraw rolnych. Związki organiczne są na ogół związkami trwałymi jedynie w procesach biochemicznych zachodzących pod wpływem enzymów bakterii niektóre z nich mogą ulec rozkładowi na związki wykorzystywane przez bakterie do budowy nowych komórek oraz na proste zw. org. Wiele związków organicznych ulega działaniu silnych utleniaczy- możliwe wtedy częściowe utlenienie związków org. do związków prostych lub tworzenie się chlorowcopochodnych. Powstające w obydwu przypadkach nowe związki organiczne mogą posiadać charakter toksyczny nawet w większym stopniu niż produkty wyjściowe. Związki organiczne stanowią często substancje toksyczne dla mikroorganizmów oraz dla organizmów większych (ryby rośliny a nawet człowiek)- w takich przypadkach nie może nastąpić proces samooczyszczania się wód i następuje bądź ich trwałe zatrucie bądź kumulacja tych związków w organizmach wyższych. Związki organiczne są to zw. węgla z wodorem, tlenem, azotem, fosforem, oraz innymi pierwiastkami. Wszystkie. Związki węgla z wyjątkiem węglanów i kwaśnych węglanów, tlenku i dwutlenku węgla oraz węglików (CaC2) uważa się za związki organiczne. Atomy węgla w tych związkach łącza się ze sobą za pomocą wiązań kowalencyjnych, w długie łańcuchy, proste lub rozgałęzione, zamknięte lub otwarte. Oprócz węgla zdolność łączenia wielu atomów kowalencyjnych posiada krzem oraz bar.
-zw. humusowe- stanowią złożone, heterogenne polimery kwasy o żółtej i brązowej barwie powstają w wyniku procesu humifikacji materiału roślinnego i zwierzęcego przez drobnoustroje i mikrofaunę glebową. Pod względem chemicznych są to bardzo różnorodne substancje należące do wielocząsteczkowych polimerów o charakterze fenolu.
W skład związków humusowych wchodzą kwasy fulwowe, kwasy huminowe, kwasy hymatomelanowe, huminy. Substancje humusowe występują w wodzie w postaci rozpuszczonej, koloidalnej i trudno rozpuszczalnych cząstek. Postać w jakiej występują zależy od pH wody. Występowanie tych związków w wodzie powoduje zwiększenie barwy, utlenialności. Domieszki te mają ponadto duże zdolności sorpcyjne i odznaczają się aktywnością chemiczną w stosunku do innych zanieczyszczeń obecnych w wodzie. Substancje sorbują zarówno związki org. (pestycydy), jak i mineralne, stabilizują koloidy, a z jonami wielu metali tworzą połączenia metaloorganiczne. Obecność substancji humusowych w wodach dla oczyszczenia których stosuje się związki chloru może spowodować powstanie bardzo szkodliwych form organicznych – trojchlorometanu. Związki humusowe są najbardziej szkodliwe w połączeniach metaloorganicznych z metalami ciężkimi lub innymi uciążliwymi substancjami organicznymi i mineralnymi.
-fenol- jest to związek organiczny zawierający grupę wodorotlenową z pierścieniem aromatycznym. Fenole i ich pochodne są w pewnym stopniu wskaźnikiem zanieczyszczenia wody ściekami przemysłowymi. Do wód powierzchniowych dostają się wraz ze ściekami miejskimi z różnych gałęzi przemysłu jak np. chemiczny, z gazowni i koksowni, rafinerii, fabryk tworzyw sztucznych. Fenol i jego pochodne jest niepożądanym składnikiem wód. Ulega w pewnym stopniu rozkładowi w procesie samooczyszczania się rzeki, lecz wiąże się to ze zużyciem tlenu i możliwością występowania deficytu tlenowego. W dużych stężeniach jest bardzo toksyczny dla organizmów wodnych. Obecność fenolu w wodzie ogranicza jej użytkowanie do hodowli ryb, gdyż nawet w bardzo małych stężeniach przechodzi do ich mięsa gdzie się kumuluje, nadając mu nieprzyjemny smak i zapach. Woda zawierająca fenol i poddawana procesowi chlorowania posiada charakterystyczny ‘’apteczny’’ zapach umożliwiający jej użycie. Zjawisko to występuje przy stężeniu fenoli w wodzie powyżej 0,005 mg/dm3.
-substancje powierzchniowo czynne;- są to substancje koncentrujące się na powierzchni wody, w tym samym obniżające jej napięcie powierzchniowe. Według charakteru granicy faz na której wykorzystywane są ich właściwości dzieli się je na:
A środki pieniące działają na granicy faz ciecz/gaz
B środki emulgujące [emulgatory] działają na granicy faz ciecz/ciecz
C środki zwilżające działające na granicy ciecz/ ciało stałe
Cząsteczka związku powierzchniowo czynnego składa się z długiego łańcucha hydrofobowego np. CH3(CH2)nOH; CH3(CH2)nCOOH; CH3(CH2)nNH2 oraz grupy hydrofilowej do której zalicza się OH, COOH, NH2 Grupy hydrofobowe mają wartość n=6-16. Łańcuch hydrofobowy może być alifatyczny prosty lub rozgałęziony oraz skondensowany z rdzeniem aromatycznym. Cząstki SPC mają tendencję do gromadzenia się na granicy dwóch faz o różnych stałych dielektrycznych. Hydrofobowa cześć cząsteczki ustawia się w fazie o mniejszej stałej dielektrycznej, natomiast część hydrofilowa w fazie większej stałej. Powoduje to w pierwszym przypadku rozluźnienie struktury brudu i daje efekt prania (pozwala na zwilżenie i zemulgowanie). W drugim przypadku tj. na granicy ciecz / gaz cząsteczki SPC blokujące powierzchnie uniemożliwia wymianę gazową.
Najliczniejszą grupę SPC stanowią detergenty czyli sztuczne środki piorące. Zawierają one w swoim składzie 15-30% SPC oraz 70-80% innych środków wspomagających jak; polifosforany, chemiczne środki bielące, soda, borany. Środki zapachowe. Detergenty posiadają budowę zbliżoną do środków powierzchniowo czynnych jakimi są mydła
Następuje łatwiejsze zwilżenie pranych przedmiotów i wyniku tarcia mechanicznego powstaje z brudu i mydła emulsja którą wypłukuje się z woda. Efektywność działania mydła zależy od temperatury i miękkości wody. W wodzie twardej część mydła wytrąca się w postaci soli wapiennej, powodując jego zużycie. Z tego powodu zastosowano syntetyczne SPC. Wyższość SPC w stosunku do -30% mydła polega na tym że SPC są niewrażliwe na twardość wody [nie tworzą osadów z jonami wapnia i magnezu] nie wymagają wysokiej temperatury, mają większe właściwości zwilżające tworzą obfitą pianę, łatwiej się rozpuszczają w wodzie i maja lepsze właściwości piorące niż mydło. Pod wzgl. chemicznym detergenty są solami zasadami lub związkami niejonowymi. Z punktu widzenia rodzaju powstającego jonu dzielimy detergenty na:
A anionowe – posiadające grupę polarną SO3Na
B kationowe – posiadające polarna grupę kationową (IV rzędowa grupa amoniowa)
C amfolityczne – zawierają cząsteczkę polarną o dominującej grupie hydrofilowej nadającej SPC właściwości powierzchniowo czynne.
D – niejonowe -zawierające niejonowa grupę polarna. Nie tworzą jonów w roztworze
Z punktu widzenia podatności na rozkład biochemiczny dzielimy detergenty na: miękkie i twarde. Do twardych czyli nie ulegających procesom biochemicznego rozkładu należą detergenty kationowe oraz część jonowych. Obecność SPC zmienia właściwości organoleptyczne wody, wywołuje pienienie się wód wpływa niekorzystnie na procesy samooczyszczenia oraz oddziaływuje toksycznie na organizmy roślinne i zwierzęce. Stopień tego oddziaływania jest różny i zależy od rodzaju i stężenia SPC (zawartość w wodzie pitnej stanowi zagrożenie dla człowieka, ułatwiając przenikanie i wchłanianie substancji szkodliwych). Detergenty tworząc pianę powodują śniecie ryb z powodu braku tlenu. Przy stężeniu 0,3-0,4 mg SPC/dm3 powstaje trwała piana. Zawartość 1 mg SPC zmniejsza zdolność aeracji wody o ok. 60%.detergenty anionowe szkodliwie wpływają na plankton i rośliny wodne, przy stężeniu 15-70 mg/dm3, kationowe i niejonowe wykazuje zahamowania rozwoju roślin wodnych przy stężeniu 1 mg/dm3. SPC zmniejsza efektywność procesów uzdatniania wody. W wodzie przeznaczonej do picia i na potrzeby gospodarcze stężenie detergentów nie powinno przekraczać 0,2 mg/dm3
A zoocydy które dzielimy na:
insektycydy- środki owadobójcze
akarcydy – środki do niszczenia roztoczy roślinnych
rodencydy –środki przeciw gryzoniom
moluskocydy- środki do zwalczania ślimaków
limacydy –środki do zwalczania ślimaków nagich
nematocydy- środki nicieniobójcze
owicydy- środki do zwalczania jaj owadów i roztoczy
B herbicydy – środki chwastobójcze
C fungicydy-środki grzybobójcze
fumicjanty – środki do gazowania
atraktanty- zwabiające
repelemity –środki odstraszające
D regulatory wzrostu roślin –środki stymulujące lub hamujące rozwój roślin.
Najszersze zastosowanie w praktyce znajdują insektycydy oraz herbicydy i fungicydy.
Insektycydy pod wzgl. chem stanowią dwie grupy związków; chlorowane węglowodory aromatyczne i zw. fosforoorganiczne.
-węglowodory chlorowane – odznaczają się dużą twardością, trudno ulegają biodegradacji, kumulują się w organizmach żywych, bardzo długo pozostają w glebie i w wodzie. Do najważniejszych węglowodorów należą;
DDT którego cecha charakterystyczna jest praktycznie całko-wita odporność na rozkład biochemiczny. Z tego względu stosowanie DDT jak i preparatów w skład których wchodzi jest zabronione. W wodzie do picia stężenie DDT nie może przekraczać 0,03mg/dm3.
Metoksychlor (DMDT)jest najmniej szkodliwym środkiem z tej grupy związków nieznacznie kumuluje się w tkance tłuszczowej. W wodzie do picia stężenie DMDT nie może przekraczać 0,01mg/dm3.
Lindan [HCH]w wodzie do picia stężenie HCH nie może przekraczać 0,04mg/dm3
-zw. fosforoorganiczne – są mniej szkodliwe dla środowiska, łatwiej ulegają biodegradacji, produkty rozkładu są na ogół mniej toksyczne. Wśród licznych pestycydów fosforoorganicznych znajdują się takie związki jak;
-foschlor – pochodna kwasu fosforowego ulega szybko rozkładowi, działa krótkotrwale, stężenie w wodzie nie może przekroczyć 0,02 mg/dm3
-Malation – pochodna kwasu dwutiofosforowego niezbyt toksyczny stężenie w wodzie nie może przekraczać 0,05 mg/dm3
-Dichlorfos (DDVP) – należy do estrów kwasu fosforowego woda do picia może zawierać stężenie 0,02mg/dm3
-Metylopoaration – ester kwasu dwutiofosforowego, silna trucizna stężenie w wodzie do picia może wynosić 0,01 mg/dm3
-herbicydy: stosowane są do zwalczania chwastów działanie polega na nadmiernym pobudzaniu wzrostu roślin co prowadzi do ich obumierania. Prawie wszystkie herbicydy ulegają rozkładowi w środowisku naturalnym. Do związków tego typu należą: nieorganiczne zw. Arsenu, cjaniny, pochodne kwasów fenoksyoctowych, związki karbuminowe
-fungicydy: tworzą liczną grupę związków chem. Zarówno organicznych jak i nieorganicznych działających grzybobójczo lub grzybostatycznie.
-Wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne (WWA)
Przyczyna występowania WWA jest rozwój przemysłu a szczególnie petrochemicznego, koksowniczego i motoryzacyjnego. WWA mogą przedostać się do wód powierzchniowych z powierzchni ulic lub opadów atmosfer. Powodem powstawania WWA jest najczęściej niepełne spalanie. Do najbardziej niebezpiecznych WWA zalicza się 3.4 – benzopiren występujący w smole węglowej, sadzy, gazach ze silników spalinowych, w dymie papierosowym. Związki tego typu posiadają zdolność do kumulacji w organizmie. Wg. światowej org. Zdrowia w wodzie do picia dopuszcza się stężenie 0,2 mg WWA/dm3
Wg. uzyskanych doświadczeń przyjęto umowny podział wód w zależności od stwierdzonego stężenia WWA
-wody podziemne czyste 1-10
-wody podziemne słabo zanieczyszczone 10-50
-wody powierzchniowe umiarkowanie zanieczyszczone 10-100
-wody powierzchniowe silnie zanieczyszczone 100-1000
-ścieki do 100000
-Trójchlorowcometany THM
Jest to grupa związków organicznych o ogólnym wzorze CHX3 gdzie X oznacza F,Br,Cl,J. Związki te powstają podczas chlorowania wody zawierającej tzw. prekursory THM czyli związki organiczne które reagując z chlorem dają połączenie trójhalometanowe. Substancjami które mogą stanowić prekursory są: kwasy fluwowe, rezorycyna, fenole, anilana. THM powstaje w trakcie tzw. reakcji haloformowej czyli trzy atomy wodoru grupy metylowej podstawiane są kolejno atomami chloru (lub innego halogenu) czego efektem jest związek haloformowy i kwas karboksylowy. Reakcje te w skrócie można przedstawić następująco:
CH3COR + 3HOCl CCl3COR+3H2O
CCL3COR + H2O CHCl3 + RCOOH
3. WŁAŚCIWOŚCI WÓD
3.1 Właściwości fizyczne:
-Temperatura: optymalna temperatura wody do picia jest zawarta w granicach 7-12 C – temu warunkowi odpowiadają przeważnie wody podziemne. Wody powierzchniowe mają temp. wahającą się w granicach 0-35 C w zależności od pór roku i zrzutu wód podgrzanych. Wody podziemne mają temperaturę stałą i nie ulegają wahaniom cyklu rocznego. Gdy temp. wody podziemnej ulega wahaniom to świadczy to o jej kontakcie z wodami powierzchniowymi. Odprowadzanie wód podgrzanych do powierzchniowych wpływa na zmianę ich biocenozy. Znajomość temp. wód jest potrzebna do obliczania różnych postaci zasadowości i stabilności wodorowęglanów, do obliczania stopnia za-solenia i nasycenia wody gazami. Temp. nie jest bezpośrednim wskaźnikiem zanieczyszczenia wody ściekami ale jej wahania mogą świadczyć o jej zanieczyszczeniu.
W głębokich zbiornikach wodnych temp. jest różna na różnych głębokościach. Wiosną i jesienią w takich zbiornikach wskutek wymieszania się wód następuje pionowe przemieszczanie się wody co rzutuje na zmiany składu chemicznego. Większość zwierząt wodnych znosi zmiany temperatury w granicach 4-35 C powyżej 35 C następuje śniecie ryb.
-Barwa: w wodach naturalnych barwa wywołana może być obecnością niektórych jonów, związków humusowych lub zakwitania planktonu. Barwę wody oznacza się przez porównanie ze wzorcem. Wody naturalne wykazują barwę rzędu kilku jedno-stek. Wody zanieczyszczone mają barwę znacznie wyższą. W wodzie do picia nie powinno przekraczać 20mgPt/dm3.
-Mętność: wywołana jest obecnością ciał zawieszonych o rozdrobnieniu >1µ, czyli substancji koloidalnych. W wodach naturalnych stanowią ją głównie krzemiany i glinokrzemiany w postaci iłów gleby i gliny jak również szczątki wodnych organizmów roślinnych i zwierzęcych.
W wodach podziemnych mętność pojawiająca się po wydobyciu wody na powierzchnię związana jest z zaburzeniem równowagi chemicznej – dotyczy to wytrącania się osadów węglanu wapnia i wodorotlenku żelaza. W wodach zanieczyszczonych mętność spowodowana jest przez rozdrobnione lub rozłożone substancje organiczne pochodzące ze ścieków. Mętność wód powierzchniowych jest rzędu kilki do kilkunastu mg SiO2/dm3.
3.2 Wskaźniki charakteryzujące chemiczne właściwości wody
3.2.1 Właściwości wynikające z obecności związków nieorganicznych
-twardość: cecha wody związana z obecnością w wodzie jonów wapnia, magnezu, żelaza, manganu, glinu, cynku. Zawartość wapnia i magnezu w wodach naturalnych jest dużo większa od innych wymienionych pierwiastków wobec czego przy-jęto uważać za twardość wody całkowitą ilość jonów wapnia i magnezu. Wyodrębnienie tej własności wynika ze zdolności tworzenia przez te jony trudno rozpuszczalnych lub nierozpuszczalnych soli z anionami kwasów nieorganicznych i organicznych mydeł wapniowych, zw. z garbnikami. W zależności od rodzaju soli w jakiej występuje wapń, magnez, rozróżniamy twardość węglanową (węglany i kwaśne węglany) i niewęglanową (sole silnych kwasów jak siarczany, chlorki, azotany). Twardość wody wyraża się w stopniach twardości ( 1 stopień oznacza taka zawartość jonów wapnia i magnezu która odpowiada równo-ważnej ilości 10 mg CaO/dm3 lub w mval/dm3
Woda do picia nie powinna przekraczać 10 mval/dm3 twardości.
0-5 woda bardzo miękka, 5-10 miękka, 10-15 woda o średniej twardości, 15-20 o znacznej twardości, 20-30 woda twarda, powyżej 30 woda bardzo twarda.
-zasadowość: określa zdolność wody do przejmowania pro-tonów tj. do zobojętniania silnych kwasów mineralnych do określonego pH. Zdolność tą nadaje wodzie obecne w niej wodorowęglany i węglany głównie metali alkalicznych, wodorotlenki oraz nieznaczne ilości krzemianów, fosforanów i boranów.
W wodach naturalnych zasadowość pochodzi w przeważającej ilości od wodorowęglanów wapnia i magnezu. Mogą ja również powodować wodorowęglany i węglany sodu i potasu. W niektórych przypadkach w wodach naturalnych występują duże stężenia wodorowęglanów sodu i metali alkalicznych – wówczas zasadowość jest większa od twardości ogólnej a różnica miedzy nimi stanowi zasadowość alkaliczna. Zasadowość z punktu widzenia sanitarnego ma znaczenie drugorzędne natomiast jest istotna cecha wody ponieważ określa jej zdolność do buforowania wprowadzonych kwasów i zasad. Istotna jest również zasadowość w wodach przemysłowych.
-kwasowość: to zdolność do zobojętniania silnych zasad. Jest ona spowodowana obecnością dwutlenku węgla lub kwas-ów organicznych. Kwasowość mineralna występuje przy pH <4,4 a ogólna w zakresie pH 4,4 – 8,2. Kwasowość mineralna występuje wyjątkowo jedynie w wodach silnie zanieczyszczonych. Najczęściej kwasowość spowodowana jest przez wolny CO2. Wartość kwasowości ogólnej w wodach naturalnych jest rzędu ułamków mval/dm3
-odczyn: wynika ze stosunku pomiędzy jonami wodorowymi a wodorotlenowymi występującymi w roztworze: Odczyn wody za-leży od: stężenia wolnych słabych kwasów, stężenia ich soli, obecności hydrolizujących soli, obecności rozpuszczonych gazów.
Większość wód naturalnych charakteryzuje się wartością pH w granicach 6,5 – 8,5. Odstępstwa od normalnego odczynu mogą wystąpić w okresie letnim. Przy danym nasłonecznieniu procesy asymilacji zachodzą szybko pH wody wzrasta nawet do wartości 10
Powyższe zjawisko spowodowane jest całkowitym wyczerpaniem się rozpuszczonego CO2. Wodorowęglany obecne w wodzie wobec zaniknięcia CO2 jako czynnika równowagi węglanowej ulegają hydrolizie: Ca(HCO3)2 + H2O = Ca(OH)2 + 2H2CO3. Powstały wodorotlenek podnosi pH wody. W wodach silnie za-nieczyszczonych odczyn waha się w szerokich granicach przy czym podwyższanie odczynu obserwuje się częściej aniżeli ob.-niżanie pH poniżej zwykłego zakresu jest to spowodowane mniejszą pojemnością buforową wody w stosunku do jonów OH aniżeli w stosunku do jonów H ( stężenie CO2 jest rzędu ułamka mval/dm3 a stężenie wodorowęglanów rzędu kilku mval/dm3). Wody o odczynie kwaśnym są korozyjne, agresywne wobec be-tonu i stali. Odczyn wody ma podstawowe znaczenie dla proce-sów biochemicznych zachodzących w roztworach wodnych oraz organizmach żywych w przyrodzie.
-przewodnictwo: właściwe jest charakterystyczną cechą wody związaną z obecnością w niej jonów. W wodach naturalnych nie zanieczyszczonych występują głównie związki nie-organiczne dysocjujące na jony – wobec tego przewodnictwo jest doskonałym wskaźnikiem zawartości soli w wodzie. Jakość wody ze źródeł dostarczających wodę o stałym składzie chem. może być kontrolowana przy pomocy przewodnictwa - jego nagła zmiana świadczy o przedostaniu się zanieczyszczeń o charakterze nieorganicznym. Przewodnictwo właściwe wyraża się w µS/cm. Dla wód naturalnych wynosi 250 –500 uS/cm a dla wód zanieczyszczonych osiąga wart. 1000 uS/cm, dla ścieków 10000µS/cm. Przewodnictwo właściwe wykazuje dużą korelację z zawartością związków nieorganicznych.
3.2.2 Właściwości wody wynikające z obecności związków organicznych:
-BZT: jednym z podstawowych wskaźników pozwalającym ocenić zawartość substancji organicznych łatwo ulegających rozkładowi w warunkach tlenowych pod wpływem enzymów wydzielonych przez drobnoustroje głównie przez bakterie jest biochemiczne zapotrzebowanie na tlen BZT. Jest to pojęcie umowne określające ilość tlenu (w miligramach) potrzebną do biochemicznego utleniania związków organicznych łatwo utleniających się zawartych w 1dm3 wody w warunkach tlenowych i temp. 20ºC. Schemat reakcji:
związki org.CxHyO2 + O2 =(bakterie)= CO2 + H2O
Lub w postaci ogólnej:
E + S = ES = E + P
gdzie: E - enzym,
S-substrat (zw. organiczny),
ES – zw., przejściowy substratu z enzymem,
P – produkt utleniania.
Reakcja enzymatyczna przebiega w ten sposób, że początkowo utleniają się związki organiczne węglowe, a następnie azotowe:
NH3 + O2 =(bakterie)= NO-2 + O2=(bakterie)=NO-3
Utlenianie związków azotowych (nitryfikacja) następuje po upływie 9-10 dni a całkowity proces utleniania kończy się po ok. 100 dniach. Najszybciej zachodzą procesy biochemicznego utleniania w ciągu 5 dni, około 68% substancji org. ulega utlenieniu, a po 20 dobach do 99%. Przebieg biochemicznego rozkładu zw. org. opisuje:
dL/dt = -kL,
gdzie: L – całkowite zapotrzebowanie na tlen BZT100% (mg O2/dm3),
t – czas,
k – stała szybkości reakcji
Dla reakcji utleniania zw. org. jako miarę szybkości przyjęto zużycie tlenu.
y = L(1-10-kt)
gdzie: y – zawartość tlenu po czasie t.
Proces biochemicznego zapotrzebowania tlenu jest bardziej złożony i składa się głownie z procesu syntezy i oddychania komórkowego, wobec czego powyższe równanie należy traktować jako uproszczony opis matematyczny przebiegu procesu.
Nie wszystkie związki org. są w jednakowym stopniu podatne na rozkład biochemiczny. Szczególnie odporne są związki o dużym ciężarze cząsteczkowym oraz o rozgałęzionej budowie zawierającej boczne łańcuchy alifatyczne. Substancje takie zalicza się do substancji refrakcyjnych czy odpornych na rozkład biochemiczny. Związki te nie są wykazywane za pomocą wskaźnika BZT. Niektóre związki chemiczne nie tylko nie ulega-ją rozkładowi biochemicznemu lecz wykazują działanie toksyczne w stosunkach do bakterii a tym samym obniżają wynik BZT. Wskaźnik BZT w wodach powierzchniowych kilka mgO2 /dm3, w wodach zanieczyszczonych kilkanaście mgO2/dm3 a w ściekach BZT osiąga wartość setek a nawet tysięcy mgO2/dm3. Proces biochemicznego rozkładu substancji org. należy do podstawowych procesów samooczyszczania wód i oczyszczania ścieków.
-utlenialność: wskaźnik ten określa zawartość związków organicznych utleniających się w określonych warunkach tj. pod wpływem KmnO4 w środowisku kwaśnym w temp. wrzenia w czasie 30 min. Oprócz związków org. w warunkach tych ulegają utlenianiu związki nieorganiczne takie jak azotyny, siarczany, siarkowodór, jon żelazawy. Jest to wskaźnik umowny stosowany dla wód czystych i mało zanieczyszczonych oraz dla niektórych ścieków. Wartość tego wskaźnika dla wód naturalnych to kilka mgO2/dm3, dla wód zanieczyszczonych kilkanaście mgO2/dm3 dla ścieków kilkadziesiąt do kilkaset mgO2/dm3.
-CHZT to pojęcie umowne jak utlenialność oznacza ilość tlenu w mg pobraną z utleniacza (chromian, jodan, nadsiarczan) do utlenienia związków org. w 1 dm3 wody w środowisku kwaśnym w ściśle określonym czasie. W porównaniu z utlenialnością daje wyższy stopień utleniania związków org. (90-100%). Ze związków nieorganicznych utleniających się pod wpływem K2Cr2O7 można wymienić Fe+2, azotyny siarczany, siarczki, chlorki. Natomiast ze związków org. ulegających całkowitemu utlenieniu wymienić należy: węglowodany, rozgałęzione związki tłuszczowe, aromatyczne. Alkohole i aminokwasy mogą być utlenione całkowicie po użyciu katalizatora. Wartości CHZT są na ogół większe niż BZT. CHZT jest najbardziej dogodnym oznaczeniem dla określenia stężenia związków org. w ściekach przemysłowych w których obecność substancji toksycznych hamuje proces BZT5 a utlenialność wymaga znacznego rozcieńczenia próbki.
-Ogólny węgiel organiczny OWO: wskaźnik wyraża ogólną zawartość węgla związanego w związkach organicznych rozpuszczonych w wodzie poczynając od węglowodorów przez węglowodany i białka aż do detergentów i pestycydów. OWO jest wskaźnikiem zanieczyszczenia wody bardziej miarodajnym niż utlenialność, BZT, CHZT ponieważ obejmuje wszystkie związki organiczne. Wyniki OWO 10-w przeliczeniu na tlen w powiązaniu z BZT i CHZT pozwala w przybliżeniu określić czy substancje org. należą do związków ulegających rozkładowi chemicznemu czy też nie. Jeśli stosunek BZT5/OWO oraz CHZT/OWO jest znacznie mniejszy od jedności to w wodzie znajdują się związki organiczne trudno rozkładalne. Dla wód naturalnych OWO jest rzędu ułamków mg/dm3, w wodach zanieczyszczonych osiąga wielkość kilku do kilkunastu mg/dm3
-Ekstrakt węglowo – chloroformowy – EWCH (CCE): oznaczenie to obejmuje mikroilości szkodliwych zw.org absorbowanych z wodą na węglu aktywnym a następnie ekstrahowanych za pomocą chloroformu. Otrzymana po odprężeniu chloroformu pozostałość określa łączną masę niezidentyfikowanych związków zaabsorbowanych w warunkach oznaczenia na węglu aktywnym w mg/dm3. Oddzielona masa związków org. może zostać poddana szczegółowej analizie pozwalającej na zidentyfikowanie składników i oznaczeniu ich stężenia. W wodzie pitnej dopuszczalne stężenie EWCH waha się w granicach 0,2 – 0,5 mg/dm3. W wodach powierzchniowych nie zanieczyszczonych EWCH nie powinno przekroczyć 0,05 mg/dm3
4. FIZYKOCHEMICZNE WŁAŚCIWOŚCI CZĄSTECZKI WODY
Woda jest związkiem wodoru i tlenu, który określa skład jakościowy i ilościowy wody. Skład pierwiastków wchodzących w skład cząsteczki wody jest następujący: 11,2% H i 88,8% O.
Sumaryczny wzór chemiczny nie wyjaśnia właściwości fizycznych i chemicznych danego związku chemicznego. Własności te zależą od budowy cząsteczki. Stwierdzono,że kształt cząsteczki wody nie jest wydłużony, lecz odpowiada trójkątowi. W jednym z jego wierzchołków znajduje się atom tlenu, a w dwóch pozostałych atomy wodoru. Atomy tworzące cząsteczkę wody są połączone wiązaniami chemicznymi – pomiędzy atomem tlenu a wodoru istnieje wiązanie kowalencyjne spolaryzowane. Atom tlenu (elektro ujemny) silniej przyciąga wspólną parę elektronowa, czyli zwiększa się gęstość elektronowa przy atomie tlenu oraz skupienie ładunków elektronów na atomów wodoru. Ze względu na swą budowę przestrzenną i spolaryzowane wiązanie atomowe cząsteczka wody jest biegu-nowa czyli polarna. Cząsteczka wody ma niesymetryczny rozkład ładunków elektrycznych (środki ładunków ujemnych i dodatnich nie pokrywają się). Cząstki polarności charakteryzuje się za pomocą tzw. momentu dipolowego,który jest równy iloczynowi bezwzględnej wartości ładunku jednego z biegunów dipola i odległości pomiędzy biegunami. Polarność cząsteczki wody jest przyczyną asocjacji i hydratacji.
W stanie pary woda składa się z pojedynczych cząsteczek H2O. Najwyższy stopień asocjacji powstaje w temp. od 276-277K w tej temp. woda zawiera najwięcej asocjatów cząsteczkowych (H2O)2 które w niższej temp. tworzą zespoły trójcząsteczkowe a w wyższej rozpadają się na pojedyncze cząsteczki H2O wg. równania
2(H2O)3=3(H2O)2=6H2O
Woda w stanie ciekłym jest mieszaniną pojedynczych cząsteczek H2O i różnych asocjatów (dwu i trójcząsteczkowych). Wiązania wodorowe warunkują dużą spoistość wody, jej zdolność do silnego przylegania do różnych powierzchni i ich zwilżania.
-Właściwości fizyczne wody służą do definicji wielu jednostek i stałych fizycznych np. temperatura krzepnięcia wody - 0°, temperatura wrzenia - 100°.
-Ciekły stan wody jest to stan
Woda dzięki omówionym właściwością takim jak: zdolność jonizacji, rozpuszczania i hydratacji jest szczególnie korzystnym środowiskiem różnych przemian i reakcji chemicznych, naturalnych.
| sezon | wiosna | lato | jesień |
|---|---|---|---|
| stanowisko | 1 | 2 | 3 |
| Temperatura wody ° C | 11 | 15 | 15 |
| Zawiesiny og. mg*dm-3 | 13 | 38 | 5 |
| Przewodnictwo µS*cm-1 | 520 | 354 | 362 |
| Odczyn pH | 7,7 | 8,2 | 7,7 |
| O2 mg*dm-3 | 11 | 12 | 12 |
| O2 % nasycenia | 102 | 111 | 121 |
| BZT5 | 6,4 | 5,6 | 6,7 |
| Subst. pow. czynne | 5,1 | 1,5 | 1,7 |
| ChZT | 8,6 | 12 | 14 |
| Nog. | 3,5 | 3 | 3,3 |
| NO3 | 1,4 | 0,4 | 0,4 |
| NH4 | 0,2 | 0,1 | 0,2 |
| Pog. | 0,3 | 0,1 | 0,1 |
| PO4 | 51 | 10 | 22 |
| Na | 5,4 | 6 | 6 |
| K | 2,5 | 2,6 | 2,7 |
| Mg | 2,5 | 2,6 | 2,7 |
MYRHG-9VWRK-CP7CK-WPPQX-QMRCM
FQPPD-7DPY8-48CFX-7TRCG-VVMK6
K3JPK-2P3DW-HFGTC-FF2HW-8D4RB
JQ4T4-8VM63-6WFBK-KTT29-V8966
G47M2-XHX69-7P974-9B3CM-YYF48
Q9GJG-YXRKF-J8R6P-XD368-HBQXD
G47M2-XHX69-7P974-9B3CM-YYF48
CHEMIA WODY
1. WODA występująca w przyrodzie, czyli woda naturalna jest roztworem wieloskładnikowym, bądź niejednorodna mieszanina H2O i innych substancji oraz związków chemicznych pochodzenia mineralnego. Spośród różnych form występowania wody w przyrodzie przedmiotem zainteresowania inżynierii sanitarnej jest woda zgromadzona w rzekach, jeziorach, morzach i pod ziemią. Dzielimy je na: wody powierzchniowe śródlądowe i morskie, wody podziemne gruntowe i wgłębne. Wody te w wyniku swego pochodzenia i umiejscowienia charakteryzują się odmiennym składem i odrębnymi właściwościami.
Wody powierzchniowe śródlądowe są to wody lądowe, stojące lub płynące. Ich cecha charakterystyczna jest słaba mineralizacja, obecność substancji organicznych, tlenu, zawiesin, bakterii. Ponadto odznaczają, się dużą zmiennością składu chemicznego i temperatury, w zależności od zanieczyszczeń odpadów.
Wody powierzchniowe morskie charakteryzują się bardzo silnym zasoleniem rzędu kilku do kilkudziesięciu gramów/ dm3. Wykazują stały skład chemiczny, zmieniający się wraz z głębokością. Temperatura w mniejszym stopniu niż w wodach śródlądowych ulega zmianie w zależności od pory roku.
Wody podziemne gruntowe są to wody zalęgające do głębokości około 10 m. Charakteryzują się skaldem chemicznym zbliżonym do wód wgłębnych i wód powierzchniowych, nie posiadają jednakże zawiesin, a także mogą zawierać niewielkie ilości tlenu. Na ich skład chem. rzutuje rodzaj zanieczyszczeń gleby oraz opady.
Wody podziemne wgłębne są to wody zalegające poniżej 10m. Charakteryzują się dużą zawartością soli nieorganicznych, brakiem związków organicznych, tlenu rozpuszczonego i zanieczyszczeń bakteryjnych. Posiadają stałą temp i prawie stały skład chemiczny.
Z punktu widzenia czystości wód wyróżniamy: wody naturalne, zanieczyszczone i ścieki. Stan wody określa się za pomocą tzw. wskaźników jakości wód. Nazwą tą obejmuje się zawieszone i rozpuszczone składniki wody oraz jej fizyczne i chemiczne właściwości.
Zawieszone składniki wody to makroskopowe substancje składające się zarówno ze zw. nieorg. jak i org. Ogólnie można je określić jako substancje o rozdrobnieniu 1nm. Rozpuszczone składniki wody to zw. org. jak i nie org. Oraz gazy reagujące i nie reagujące z woda.
2. SKŁADNIKI WOD:
2.1 ZAWIESZONE SKŁADNIKI WÓD:
-Zawiesiny: Wskaźnik ten reprezentuje ciała zawieszone o średnicy 7200 nm. Pod względem chemicznym stanowią je rozdrobnione substancje mineralne jak: piasek, osady, węglanów, wodorowęglanów, fosforów, cząstki iłu, gleby jak i sub org. w postaci szczątków roślin i zwierząt. Zawiesiny występują w wodach naturalnych, powierzchniowych w wyniku erozji dna i brzegów. W wodach zanieczyszczonych zawiesiny pochodzą ze ścieków. Zawiesiny nie występują zasadniczo w wodach podziemnych, mogą się jednak wydzielać w wyniku kontaktu wód pod-ziemnych z atmosfera, prowadzącego do reakcji chemicznych. Zawartość zawiesin w naturalnych wodach nie przekracza kilku mg/dm3. W wodach zanieczyszczonych do kilkudziesięciu mg/dm3. W wodach wezbranych może być kilku set.
-Koloidy: Sub. koloidalne zawarte w wodach naturalnych to przede wszystkim glinokrzemiany o różnym składzie chemicznym i ogólnym wzorze xAl2O3*ySiO2*z H2O oraz krzemionka koloidalna (SiO2)n. Substancje te przechodzą do wody w wyniku reakcji pomiędzy glinokrzemianami występującymi w minera-łach, glebie, glinach oraz dwutlenkiem węgla. Do koloidów występujących w wodach naturalnych zaliczyć trzeba sole sodowe, Ca, Mg i kwasy huminowe. W wodach zanieczyszczonych w postaci koloidalnej występują niektóre proste białka, skrobie i inne związki pochodzenia zw. lub roślinnego.
-Piany: Występują wyłącznie w wodach zanieczyszczonych tłuszczami lub węglowodorami ciekłymi. Stanowią układy dwóch nie mieszających się ze sobą cieczy. Nadają wodzie wygląd mętny lub mleczny. Stanowią uciążliwy składnik wody i ścieków.
-tłuszcze (ekstrakt eterowy): Nazwa ta określa się tłuszcze roślinne i zw. oraz węglowodory ciekle lub stale, pływające po powierzchni wody lub występujące w postaci emulsji. Substancje te wyodrębnia się z wody za pomocą ekstrakcji eterem i określa jako ekstrakt eterowy. Ten rodzaj zanieczyszczenie występuje głownie w ściekach, w wodach naturalnych Jedynie w przypadkach awaryjnych.
2.2 ROZPUSZCZONE SKLADNIKI WOD:
2.2.1 Gazy rozpuszczone: Rozpuszczalność gazów w wodzie zależy od ich charakteru, ciśnienia cząsteczkowego, temp wody, jej składu fizykochemicznego i biologicznego. Rozp gazu w wodzie maleje wraz ze wzrostem temp. Do gazów rozpuszczonych w wodach naturalnych należą CO2, O2, N2, H2S, CH4, SO2, H2Rn i inne gazy szlachetne.
Pochodzenie gazów zawartych w wodach naturalnych:
-atmosferyczne: O2, N2, CO2, SO2,
-chemiczne: CO2, H2S, H2, N2, CH4, SO2,
-biochemiczne: CH4, H2, CO2, N2, H2S pochodzące z biol. rozkładu sub. org. w warunkach tlenowych tj. aerobowych i beztlenowych tj. anaerobowych
-radioaktywnego.
Gazy rozpuszczone maja znaczenie:
-geologiczne (zmieniają właściwości wody jako rozpuszczalnika skal, minerałów, gruntów),
-lecznicze ( np. na organizm ludzki),
-techniczne ( działają, agresywnie na materiały budowlane)
-tlen rozpuszczony: Występuje, we wszystkich wodach naturalnych stykających się z powietrzem atmosferycznym. Po-chodzi głównie z atmosfery oraz procesów fotosyntezy roślin wodnych, jego stężenie jest wypadkową fizycznej rozpuszczalności tego gazu i jego zużycia na procesy biochemiczne. Tlen rozpuszczony występuje w wodach powierzchniowych i płytkich wodach podziemnych, wody wgłębne pozbawione są tlenu zupełnie. Zawartość jego waha się w wodach naturalnych od 0-14mg O2/l. Ilość rozpuszczonego tlenu mg O2/l. Nie określa sto-pnia nasycenia wody tlenem w danych warunkach. Stopień nasycenia wody jest to stosunek zawartości tlenu rozpuszczonego w badanej wodzie do maksymalnej zawartości tlenu w wodzie destylowanej w danej temp. przy ciśnieniu 760mm Hg. Dla wód powierzchniowych % nasycenia wody tlenem wynosi prawie 100%. Dla wód powierzchniowych o małym zanieczyszczeniu waha się od 80 do 95%, natomiast w wodach o wyraźnym zanieczyszczeniu spada do około 40 – 50 % nasycenia.
W wyniku spadku nasycenia w wodzie dominują procesy anaerobowe, w wyniku których powstaje H2S, NH3, PH3 i inne gazy. Taki deficyt tlenu spowodowany zostaje zrzutem dużych ilości związków organicznych. Tlen jest wskaźnikiem zanieczyszczenie wód powierzchniowych i jego niskie wartości wskazują na zanieczyszczenie rzeki i toczące się w niej procesy rozkładu biochemicznego. Obecność tlenu w wodach przemysłowych jest nie pożądana, gdyż przyspiesza proces korozji. Korodujące działanie wody można przedstawić za pomocą reakcji
2H+ + Fe Fe2+ +2H
2H + 1/2O2 H2O
Jony wodorowe atakują powierzchnie metalu. W wyniku reakcji do roztworu przechodzą jony żelazowe, a tworzący się wodór atomowy wydziela się w postaci warstwy na powierzchni metalu, izolując go od dalszej korozji. Obecny w wodzie tlen utlenia wydzielający się wodór do cząsteczki H2O, co powoduje zanik warstwy. Aby zapobiec temu zjawisku wodę należy odgazować.
-dwutlenek węgla: W wodach naturalnych powierzchniowych CO2 pochodzi głownie z atmosfery, bądź z procesów mineralizacji ciał org., w wodach wgłębnych CO2 pochodzi z proce-sów geochemicznych. Zawartość CO2 w wodach naturalnych waha się w szerokich granicach od kilku mg do kilkuset. CO2 w wodzie jest w postaci rozpuszczonych cząsteczek gazowych CO2, w których 1% reaguje z woda tworząc H2CO3:
CO2+H2O⇔H2CO3
Kwas ten dysocjuje dwustopniowo:
H2CO3 = H+ + HCO3-
HCO3- = H+ + CO22-
Stan równowagi pomiędzy rozpuszczonym CO2, a jego postaciami jonowymi zależy od pH wody. W zależności od pH wody CO2 może występować:
-Przy pH < 4,5 w formie gazowej,
-przy pH=8,4 w formie HCO3-,
-przy pH= 10,5 w formie CO23-
Ponieważ większość wód naturalnych ma pH 6.5 ÷ 8.5 zatem w wodach CO2 występuje na ogół w całym zespole związków kwasu węglanowego.
Ogólny CO2 jest sumą CO2 zawartego w wodzie w różnych postaciach. Ogólny CO2 dzielimy na wolny i związany. Związany CO2 znajduje się w wodzie pod postacią HCO3- i CO23-. Wolny CO2 występuje w postaci rozpuszczonej jako H2CO2. Część wolnego CO2 niezbędna do utrzymania w roztworze rozpuszczonego wodorowęglanu wapnia wg równania:
Ca(HCO3)2 ⇔ CaCO2 + H2O + CO2
Nazywa się CO2 równowagi węglanowo wapniowej lub CO2 przynależnym. W miarę zwiększania się w wodzie wodorowęglanów ilość niezbędnego CO2 przynależnego znacznie wzrasta. Pozostała część CO2 wolnego w wodzie, czyli nadmiaru wolnego CO2 w stosunku do stechiometrycznej ilości CO2 przy-należnego jest CO2 agresywnym. CO2 agresywny w odróżnieniu od CO2 jest aktywny i nadaje wodzie właściwości korodujące w stosunku do betonu i stali. Zawartość CO2 agresywnego zwiększa zdolność rozpuszczania w wodzie CaCO3 zmieniając go na łatwiej rozpuszczalny w wodzie wodorowęglan wapnia Obecność z higienicznego punktu widzenia nie ma znaczenie w wodach podziemnych, w wodach powierzchniowych jest wskaźnikiem stopnia zanieczyszczenia wody substancjami org.
-amoniak NH3: Gaz o charakterystycznym zapachu dobrze rozpuszczalny w wodzie. Związek ten łatwo reaguje z woda tworząc zasadę lub sól amonową
NH3 + H+ + OH+ ⇔ NH4 + OH-
Powstały wodorotlenek jest słabą zasada. Kierunek tej przemiany zależy od pH wody. Przy wzroście pH zwiększa się stężenie wolnego amoniaku, który wydziela się z wody.
2.2.2 związki nieorganiczne:
-chlorki: Ze względu na dużą rozpuszczalność chlorki występują we wszystkich wodach naturalnych. Mogą pochodzić z wy-mywania pokładów soli, z gruntu oraz zanieczyszczeń ściekowych. Wody śródlądowe, naturalne zawierają chlorki w stężeniu od kilku do kilkunastu mg/dm3. Wody zanieczyszczone mogą zawierać do kilkuset chlorków. Największe ładunki chlorków wprowadzane są do wody dołowe z odwadniania kopalni oraz ścieki przemysłu sodowego, chem. i garbarskiego. Chlorki wydalane są prze organizmy zwierzęce, występują wiec zawsze w ściekach bytowo gospodarczych i miejskich. Chlorki nie podlegają procesom samooczyszczania w rzekach ani oczyszczaniu konwencjonalnemu w oczyszczalniach. W wodzie pitnej może znajdować się do 300mg chlorków na dm3. Jon chlorkowy wykazuje działanie korozyjne do żelaza i stali w stężeniu > 150mg /dm3.
-siarczany: Należą do najbardziej, obok chlorków rozpowszechnionych anionów. Przechodzą do wody na wskutek wymywania skal osadowych, utleniania siarczanów. W wyniku mineralizacji organicznych zawierających siarkę są wprowadzane wraz ze ściekami. Utlenianie siarczków zachodzi wg równania:
2FeS2 + 7O2 +2H2O ⇔ 2FeSO4 + 2H2SO4
Zawartość siarczanów w wodach pow. naturalnych wynosi od kilku do kilkuset mg/dm3.
W wodach podziemnych i wodach zanieczyszczonych stężenie ich może być znacznie wyższe. Jeśli występują w nich jako sole słabych zasad nadają wodzie odczyn kwasowy. Siarczany nie podlegają procesowi samooczyszczania w warunkach tlenowych. W warunkach beztlenowych mogą ulegać redukcji do siarkowodoru.
FeSO4 + 8H+ ⇔ FeS +4H2O
Usuwanie siarczanów jest możliwe tylko przy ich bardzo dużych stężeniach przy użyciu wapna w postaci siarczanu wapna. Woda do picia zawiera do 200mg siarczanów / dm3. Siarczany mają właściwości korozyjne w stosunku do betonu wskutek tworzenie się w porach betonu silnie uwodnionej soli glinosiarczanu wapnia o wzorze:
3CaO *Al2O3*3CaSO4*3O*31H2O
Krystalizacja sól zwiększa silnie swoja objętość powodując rozsadzanie betonu. Woda o stężeniu siarczanów > 250mg /dm3 jest już agresywna w stosunku do betonu.
-węglany i kwaśne węglany: Są to sole słabego kwasu węglowego występujące jedynie w roztworach wodnych. Kwas węglowy dysocjuje dwustopniowo dając dwa typy soli: węglany i wodorowęglany.
H2CO3 ⇔ H+ + HCO-3
HCO-3 = H+ + CO2-3
Stałe dysocjacji I i II stopnia różnią się od siebie. Dobrze rozpuszczalne w wodzie są węglany potasu i sodu oraz wodorowęglany K, NA, Ca, Mg, Fe, Mn. Węglany i kwaśne węglany jako sole słabego kwasu rozkładają się pod wpływem mocniejszych kwasów z wydzieleniem CO2. Są tu głównym składnikiem zasadowości wody. Stanowią twardość węglanową wody. Obecność kwaśnych węglanów w wodzie uwarunkowana jest obecnością pewnej ilości CO2:
Ca(HCO3)2 = CaCO3 + H2O + CO2.
Nazywanego dwutlenkiem węgla przynależnym lub równowagi. Obojętne węglany występują w wodach nat w bardzo niewielkich ilościach. Wyjątek stanowią wody podziemne lub stykające się ze złożami wapnia, stanowiące przesycone roztwory wodorowęglanów. Kwaśne węglany są natomiast powszechnym składnikiem wód naturalnych. W wodach powierzchniowych, śródlądowych zawartość kwaśnych węglanów wynosi 1,5 ÷ 3,5 mval/dm3 a w wodach podziemnych osiągają wartości wyższe. Węglany i kwaśne węglany nie są wskaźnikami zanieczyszczenia wody. Ich obecność w wodzie jest dla odbiornika pożądana, gdyż stanowi układ buforowy, przeciwdziałający nagłym zmiana pH.
-azotyny: Są to sole kwasu azotowego, powstają jako produkty utleniania amoniaku do azotanów na drodze biochemicznej wg schematu:
NH4+ bakt nitrosomonas NO2+ bakt nitrobacter NO3+
Azotyny są zatem nietrwałą formą azotu przechodzącą łatwo w warunkach utleniających w azotany, w warunkach redukujących w amoniak są tez wskaźnikiem zanieczyszczenia wody i kierunkiem z procesów samooczyszczania. Stężenie ich w wodach powierzchniowych jest rzędu tysięcznych mg/dm3 a w wodach zanieczyszczonych rzędu dziesiętnych lub setnych mg/dm3.
-azotany: Są to bardzo łatwo rozpuszczalne sole kwasu azotowego. Stanowią ostateczny produkt na drodze tlenowej azotowych związków organicznych. Azotany dostają się do wód nat pow wraz ze ściekami miejskimi i przemysłowymi, wraz z opadami atm i spływami z nawożonych pol. Tą droga dostają się tez do wód podziemnych. Stężenie azotanów w wodach naturalnych jest na ogół rzędu kilku mg/dm3, w wodach zanieczyszczonych może być wyższe. Azotany w wyższej ilości są niepożądanym składnikiem wód nat. Są one wykorzystywane przez glony i rośliny wodne do swojego rozwoju, w sprzyjających warunkach do nadmiernego rozwoju flory wodnej, który w konsekwencji po-woduje wtórne zanieczyszczenie wód. Nie podlegają procesowi samo oczyszczania się. Woda do picia może zawierać 10mg azotanów na 1 dm3
-fosforany i polifosforany:
Kwas fosforowy dysocjuje trójstopniowo w wyniku czego powstają sole I, II, III rzędowe typu: McH2PO4, McHPO4, Mc3PO4, gdzie Mc - jon metalu jednowartościowego. Pierwszorzędowe fosforany sodu, potasu, wapnia i magnezu są rozpuszczalne w wodzie spośród II i III rzędowych rozpuszczalne są tylko fosforany sodu i potasu. Fosforany są końcowym produktem mineralizacji związków org. zawierających fosfor
Fosforany w wodach naturalnych mogą pochodzić też z mineralizacji substancji roślinnych z wyługowaniem gleby nawożonej nawozami fosforowymi oraz ze ścieków miejskich i przemysłowych. Fosforany podobnie jak azotany stanowią substancje po-karmową dla roślin są przez nie przyswajalne a następnie przy obumieraniu roślin wracają do wody. W związku z tym uważa się je za związki nie ulegające procesowi samooczyszczania. W wodach naturalnych stężenie ich nie przekracza ułamka [mg/dm3], w wodach zanieczyszczonych kilka [mg/dm3]. Norma nie podaje stężenia fosforanów w wodzie do picia. w wodach I klasy muszą być poniżej 0,2 mg/dm3. Kwas fosforowy oraz jego sole I, II rzędowe maja zdolności kondensacji czyli łączenia się w dwie cząsteczki z wydzieleniem wody. Produkty kondensacji mogą posiadać bardzo duży ciężar cząsteczkowy oraz budowę łańcuchową lub pierścieniową. Cząsteczki o budowie łańcuchowej noszą nazwę kwasów ortofosforowych, zaś o budowie pierścieniowej –kwasów metafosforowych. np.;
a. kwasy ortofosforowe:
H3PO4 -ortojednofosforowy,
H3P2O7 -ortodwufosforowy (pirofosforowy),
H5P3O10 -ortotrójfosforowy.
b. kwasy metafosforowe;
HPO3 - metafosforowy,
H3P3O4 - metatrójfosforowy.
H4P4O12 - metaczterofosforowy.
Wyższe kwasy orto- i metafosforowe występują wyłącznie w postaci soli. Wszystkie sole kwasów orto- i metafosforowych nazywa potocznie polifosforanami. Polifosforany mają zdolność tworzenia związków kompleksowych z jonami metali dwu i trójwartościowych najczęściej z jonami magnezu i wapnia. Związki te mają szerokie zastosowanie jako środki zmiękczające, jako zabezpieczenie przed tworzeniem kamienia kotłowego, jako środki pasywujące powierzchnie stali- w konserwacji znajdują się one w coraz większych stężeniach w wodach naturalnych ścieków.
Na2SiO3+2H2CO32NaHCO3+SiO2+H20
Związki krzemu pochodzą głównie w wymywania skał, gleby oraz rozkładu złożonych glinokrzemianów na związki proste. Zawartość krzemu w wodach jest rzędu ułamków mgSiO2/dm3. W wodach podziemnych stężenie krzemu jest wyższe, rzędu do kilkudziesięciu mgSiO2/dm3.
-fluor - jako pierwiastek bardzo rozpowszechniony w skorupie ziemskiej, występuje również w wodach naturalnych. fluor wchodzi w skład organizmów zwierzęcych i roślinnych. w większych stężeniach działa szkodliwie na układ kostny. W stężeniach niskich fluor wywiera korzystny wpływ na uzębienie dlatego tez w okolicach gdzie występuje jako deficyt wprowadza się go do wody pitnej. Fluor występuje w wodach głównie w postaci fluorków F. Stężenie dopuszczalne w wodzie pitnej wynosi 1,5mgF/dm3.
-jod - jest pierwiastkiem bardzo rozpowszechnionym najczęściej występuje w postaci jodków J, jodki znajdują się jako do-mieszki w soli kuchennej. Związki jodu są bardzo dobrze rozpuszczalne w wodach. Posiada duże znaczenie fizjologiczne – jego brak powoduje niedoczynność tarczycy. Jod występuje w wodzie jako jodki (J-) i jodany (JO3) zawartość jodu w wodach naturalnych jest rzędu setnych i tysięcznych mg/dm3
-bor - jest dość rozpowszechniony w przyrodzie, i występuje w postaci kwasu borowego H3BO3 oraz w postaci borokrzemianu np. boraksu NA2B4O7 ⋅10H20. kwas borowy jest słabym kwasem w wodzie dysocjuje tworząc H2BO3-,HBO-23,BO3-3,HB40-7,B4O2-7. W zależności od pH bor może występować w formie niejonowej lub jonowej. Przy pH>1 spotykana w wodach naturalnych prze-ważnie forma niejonowa. Stężenie boru w wodach naturalnych waha się od zera do kilku mg/dm3.
-wapń i magnez - Są głównymi kationami w wodach naturalnych dostają się do wody głównie na wskutek wymywania skał i gleb. Stężenie wapnia w wodach naturalnych jest rzędu kilkudziesięciu mg/dm3 zaś magnezu rzędu kilkunastu mg/dm3 najczęściej kationy te występują w postaci węglanów i kwaśnych węglanów, siarczanów oraz chlorków. Stosunek jonów wapnia i magnezu w wodach naturalnych jest miarą stopnia mineralizacji wody;
-wody słabo z mineralizowane tj. wody o suchej pozostałości- części mineralne 200 mg/dm3 wykazują:
Ca/Mg = (3-4)/1
-wody o mineralizacji 200-500 mg/dm3 wykazują:
Ca/Mg = (2-3)/1
-wody o mineralizacji <1000 mg/dm3 wykazują:
Ca/Mg = (1-2)/1
-wody silnie z mineralizowane tj. o suchej pozostałości- części mineralne >100 mg/dm3 wykazują:
Ca/Mg = 1/(3-4)
-żelazo i mangan - Pierwiastki te należą do szeroko rozpowszechnionych w skorupie ziemskiej stąd też są częstymi składnikami wód naturalnych. Do wody przechodzą w wyniku reakcji geotermicznych lub procesów utleniająco-redukujących. Żelazo występuje w dwóch stopniach utlenienia jako jon Fe2+- dając sole żelazawe i jako jon Fe3+- dają jony żelazowe. W zależności od warunków utleniająco-redukujących obie formy żelaza przechodzą jedna w drugą. Sole żelaza są solami słabej zasady i w roztworach wodnych ulegają hydrolizie w wydzieleniem Fe(OH)2, a utlenianiu Fe(OH)3. Tak więc w dobrze natlenionych wodach powierzchniowych żelazo występuje w postaci zawiesiny uwodnionych tlenków żelaza;
4Fe2++O2+10H2O=4Fe(OH)3+8H+
W wodach powierzchniowych stężenie żelaza rozpuszczonego jest rzędu ułamków mg/dm3 natomiast stężenie całkowite (łącznie z żelazem w zawieszeniu) jest na ogół rzędu 0,5÷1 mg żelaza /dm3. Żelazo za-warte w wodach podziemnych występuje w postaci dwuwartościowej. Beztlenowe warunki wód podziemnych sprzyjają rozpuszczeniu żelaza dwuwartościowego. W wodach podziemnych stężenie żelaza może być duże od kilku do kilkudziesięciu mg/dm3. W wodzie do picia może znajdować się 0,5 żelaza mg/dm3
Mangan - występuje w ilościach mniejszych wynoszących od ¼ do 1/10 zawartości żelaza. Proces utleniania i wydzielania manganu zachodzi znacznie wolniej i trudniej stąd też mangan częściej występuje w wodach powierzchniowych gdzie jego stężenie jest rzędu ułamka mg/dm3. Przebieg reakcji hydrolizy i utleniania manganu [II] do manganu [IV] zachodzi następująco;
Mn(HCO3)2+H20⇔Mn(OH)2+2CO2+H20
2Mn(OH)2+O2⇔2MnO(OH)2
2MnO(OH)2⇔2MnO2+2H2O
Zawartość manganu w wodzie do picia wynosi 0,1mgMn/dm3
Jony żelaza i manganu stanowią pożywkę dla pewnych gatunków bakterii czerpiących energię z procesów utleniania i redukcji. W wyniku tego procesu następuje odkładanie się zbitych osadów na ściankach rur, co powoduje znaczne zmniejszenie ich prześwitu. W studniach ujmujących wodę żelazo i mangan zachodzą podobne procesy. Na filtrach studni następuje wytracenie się osadów wodorotlenków żelaza i manganu, co powoduje spadek wydajności studnia nawet unieruchomienie – zjawisko to nosi nazwę – kolmatacji. Wody zawierające ponadnormatywne ilości żelaza i manganu można uzdatnić.
z jonem wodorotlenowym daje zasadę amonową:
NH+4+OH-⇔NH4OH
Zasada amonowa ulega łatwo rozkładowi z wydzieleniem wolnego amoniaku:
NH4OH⇔NH3+H2O
Przebieg tej reakcji zależy od temperatury i odczynu wody wraz ze wzrostem pH wydziela się coraz więcej amoniaku. Reakcja ta wykorzystywana jest przy oczyszczaniu ścieków od nadmiaru azotu amonowego. Azot amonowy w stężeniu >15 mg/dm3 nadaje wodzie charakter korozyjny w stosunku do betonu – polega to na wymianie jonu Ca2+ ze spoiwa cementowego na jon NH+4 i rozluźnieniu przez to jego struktury.
Poza omówionymi ważniejszymi składnikami mineralnymi wód naturalnych w wodzie mogą być inne pierwiastki jak: arsen, rtęć, kadm, chrom, ołów, selen, beryl, bar, miedź, molibden, wanad, cynk. Występowanie ich w wodach naturalnych związane jest z obecnością minerałów tych pierwiastków w obszarze wodonośnym. Stężenia ich są na ogół niewielkie rzędu ułamków mg/dm3. Większe stężenia wystąpić mogą w wyniku zanieczyszczenia wody ściekami przemysłowymi, wyciekami z hałd, spływami z pól intensywnie eksploatowanych.
Wody naturalne ulegają nie zanieczyszczeniu nie tylko związkami pochodzenia nieorganicznego, ale również związkami organicznymi, które dostają się do wody powodując jeszcze większe je zanieczyszczenie. Związki organiczne przedostające się do wód mogą być pochodzenia naturalnego i sztucznego. Źródłami ich są ścieki bytowo-gospodarcze, przemysłowe, spływy atmosferyczne z obszarów upraw rolnych. Związki organiczne są na ogół związkami trwałymi jedynie w procesach biochemicznych zachodzących pod wpływem enzymów bakterii niektóre z nich mogą ulec rozkładowi na związki wykorzystywane przez bakterie do budowy nowych komórek oraz na proste zw. org. Wiele związków organicznych ulega działaniu silnych utleniaczy- możliwe wtedy częściowe utlenienie związków org. do związków prostych lub tworzenie się chlorowcopochodnych. Powstające w obydwu przypadkach nowe związki organiczne mogą posiadać charakter toksyczny nawet w większym stopniu niż produkty wyjściowe. Związki organiczne stanowią często substancje toksyczne dla mikroorganizmów oraz dla organizmów większych (ryby rośliny a nawet człowiek)- w takich przypadkach nie może nastąpić proces samooczyszczania się wód i następuje bądź ich trwałe zatrucie bądź kumulacja tych związków w organizmach wyższych. Związki organiczne są to zw. węgla z wodorem, tlenem, azotem, fosforem, oraz innymi pierwiastkami. Wszystkie. Związki węgla z wyjątkiem węglanów i kwaśnych węglanów, tlenku i dwutlenku węgla oraz węglików (CaC2) uważa się za związki organiczne. Atomy węgla w tych związkach łącza się ze sobą za pomocą wiązań kowalencyjnych, w długie łańcuchy, proste lub rozgałęzione, zamknięte lub otwarte. Oprócz węgla zdolność łączenia wielu atomów kowalencyjnych posiada krzem oraz bar.
-zw. humusowe- stanowią złożone, heterogenne polimery kwasy o żółtej i brązowej barwie powstają w wyniku procesu humifikacji materiału roślinnego i zwierzęcego przez drobnoustroje i mikrofaunę glebową. Pod względem chemicznych są to bardzo różnorodne substancje należące do wielocząsteczkowych polimerów o charakterze fenolu.
W skład związków humusowych wchodzą kwasy fulwowe, kwasy huminowe, kwasy hymatomelanowe, huminy. Substancje humusowe występują w wodzie w postaci rozpuszczonej, koloidalnej i trudno rozpuszczalnych cząstek. Postać w jakiej występują zależy od pH wody. Występowanie tych związków w wodzie powoduje zwiększenie barwy, utlenialności. Domieszki te mają ponadto duże zdolności sorpcyjne i odznaczają się aktywnością chemiczną w stosunku do innych zanieczyszczeń obecnych w wodzie. Substancje sorbują zarówno związki org. (pestycydy), jak i mineralne, stabilizują koloidy, a z jonami wielu metali tworzą połączenia metaloorganiczne. Obecność substancji humusowych w wodach dla oczyszczenia których stosuje się związki chloru może spowodować powstanie bardzo szkodliwych form organicznych – trojchlorometanu. Związki humusowe są najbardziej szkodliwe w połączeniach metaloorganicznych z metalami ciężkimi lub innymi uciążliwymi substancjami organicznymi i mineralnymi.
-fenol- jest to związek organiczny zawierający grupę wodorotlenową z pierścieniem aromatycznym. Fenole i ich pochodne są w pewnym stopniu wskaźnikiem zanieczyszczenia wody ściekami przemysłowymi. Do wód powierzchniowych dostają się wraz ze ściekami miejskimi z różnych gałęzi przemysłu jak np. chemiczny, z gazowni i koksowni, rafinerii, fabryk tworzyw sztucznych. Fenol i jego pochodne jest niepożądanym składnikiem wód. Ulega w pewnym stopniu rozkładowi w procesie samooczyszczania się rzeki, lecz wiąże się to ze zużyciem tlenu i możliwością występowania deficytu tlenowego. W dużych stężeniach jest bardzo toksyczny dla organizmów wodnych. Obecność fenolu w wodzie ogranicza jej użytkowanie do hodowli ryb, gdyż nawet w bardzo małych stężeniach przechodzi do ich mięsa gdzie się kumuluje, nadając mu nieprzyjemny smak i zapach. Woda zawierająca fenol i poddawana procesowi chlorowania posiada charakterystyczny ‘’apteczny’’ zapach umożliwiający jej użycie. Zjawisko to występuje przy stężeniu fenoli w wodzie powyżej 0,005 mg/dm3.
-substancje powierzchniowo czynne;- są to substancje koncentrujące się na powierzchni wody, w tym samym obniżające jej napięcie powierzchniowe. Według charakteru granicy faz na której wykorzystywane są ich właściwości dzieli się je na:
A środki pieniące działają na granicy faz ciecz/gaz
B środki emulgujące [emulgatory] działają na granicy faz ciecz/ciecz
C środki zwilżające działające na granicy ciecz/ ciało stałe
Cząsteczka związku powierzchniowo czynnego składa się z długiego łańcucha hydrofobowego np. CH3(CH2)nOH; CH3(CH2)nCOOH; CH3(CH2)nNH2 oraz grupy hydrofilowej do której zalicza się OH, COOH, NH2 Grupy hydrofobowe mają wartość n=6-16. Łańcuch hydrofobowy może być alifatyczny prosty lub rozgałęziony oraz skondensowany z rdzeniem aromatycznym. Cząstki SPC mają tendencję do gromadzenia się na granicy dwóch faz o różnych stałych dielektrycznych. Hydrofobowa cześć cząsteczki ustawia się w fazie o mniejszej stałej dielektrycznej, natomiast część hydrofilowa w fazie większej stałej. Powoduje to w pierwszym przypadku rozluźnienie struktury brudu i daje efekt prania (pozwala na zwilżenie i zemulgowanie). W drugim przypadku tj. na granicy ciecz / gaz cząsteczki SPC blokujące powierzchnie uniemożliwia wymianę gazową.
Najliczniejszą grupę SPC stanowią detergenty czyli sztuczne środki piorące. Zawierają one w swoim składzie 15-30% SPC oraz 70-80% innych środków wspomagających jak; polifosforany, chemiczne środki bielące, soda, borany. Środki zapachowe. Detergenty posiadają budowę zbliżoną do środków powierzchniowo czynnych jakimi są mydła
Następuje łatwiejsze zwilżenie pranych przedmiotów i wyniku tarcia mechanicznego powstaje z brudu i mydła emulsja którą wypłukuje się z woda. Efektywność działania mydła zależy od temperatury i miękkości wody. W wodzie twardej część mydła wytrąca się w postaci soli wapiennej, powodując jego zużycie. Z tego powodu zastosowano syntetyczne SPC. Wyższość SPC w stosunku do -30% mydła polega na tym że SPC są niewrażliwe na twardość wody [nie tworzą osadów z jonami wapnia i magnezu] nie wymagają wysokiej temperatury, mają większe właściwości zwilżające tworzą obfitą pianę, łatwiej się rozpuszczają w wodzie i maja lepsze właściwości piorące niż mydło. Pod wzgl. chemicznym detergenty są solami zasadami lub związkami niejonowymi. Z punktu widzenia rodzaju powstającego jonu dzielimy detergenty na:
A anionowe – posiadające grupę polarną SO3Na
B kationowe – posiadające polarna grupę kationową (IV rzędowa grupa amoniowa)
C amfolityczne – zawierają cząsteczkę polarną o dominującej grupie hydrofilowej nadającej SPC właściwości powierzchniowo czynne.
D – niejonowe -zawierające niejonowa grupę polarna. Nie tworzą jonów w roztworze
Z punktu widzenia podatności na rozkład biochemiczny dzielimy detergenty na: miękkie i twarde. Do twardych czyli nie ulegających procesom biochemicznego rozkładu należą detergenty kationowe oraz część jonowych. Obecność SPC zmienia właściwości organoleptyczne wody, wywołuje pienienie się wód wpływa niekorzystnie na procesy samooczyszczenia oraz oddziaływuje toksycznie na organizmy roślinne i zwierzęce. Stopień tego oddziaływania jest różny i zależy od rodzaju i stężenia SPC (zawartość w wodzie pitnej stanowi zagrożenie dla człowieka, ułatwiając przenikanie i wchłanianie substancji szkodliwych). Detergenty tworząc pianę powodują śniecie ryb z powodu braku tlenu. Przy stężeniu 0,3-0,4 mg SPC/dm3 powstaje trwała piana. Zawartość 1 mg SPC zmniejsza zdolność aeracji wody o ok. 60%.detergenty anionowe szkodliwie wpływają na plankton i rośliny wodne, przy stężeniu 15-70 mg/dm3, kationowe i niejonowe wykazuje zahamowania rozwoju roślin wodnych przy stężeniu 1 mg/dm3. SPC zmniejsza efektywność procesów uzdatniania wody. W wodzie przeznaczonej do picia i na potrzeby gospodarcze stężenie detergentów nie powinno przekraczać 0,2 mg/dm3
A zoocydy które dzielimy na:
insektycydy- środki owadobójcze
akarcydy – środki do niszczenia roztoczy roślinnych
rodencydy –środki przeciw gryzoniom
moluskocydy- środki do zwalczania ślimaków
limacydy –środki do zwalczania ślimaków nagich
nematocydy- środki nicieniobójcze
owicydy- środki do zwalczania jaj owadów i roztoczy
B herbicydy – środki chwastobójcze
C fungicydy-środki grzybobójcze
fumicjanty – środki do gazowania
atraktanty- zwabiające
repelemity –środki odstraszające
D regulatory wzrostu roślin –środki stymulujące lub hamujące rozwój roślin.
Najszersze zastosowanie w praktyce znajdują insektycydy oraz herbicydy i fungicydy.
Insektycydy pod wzgl. chem stanowią dwie grupy związków; chlorowane węglowodory aromatyczne i zw. fosforoorganiczne.
-węglowodory chlorowane – odznaczają się dużą twardością, trudno ulegają biodegradacji, kumulują się w organizmach żywych, bardzo długo pozostają w glebie i w wodzie. Do najważniejszych węglowodorów należą;
DDT którego cecha charakterystyczna jest praktycznie całko-wita odporność na rozkład biochemiczny. Z tego względu stosowanie DDT jak i preparatów w skład których wchodzi jest zabronione. W wodzie do picia stężenie DDT nie może przekraczać 0,03mg/dm3.
Metoksychlor (DMDT)jest najmniej szkodliwym środkiem z tej grupy związków nieznacznie kumuluje się w tkance tłuszczowej. W wodzie do picia stężenie DMDT nie może przekraczać 0,01mg/dm3.
Lindan [HCH]w wodzie do picia stężenie HCH nie może przekraczać 0,04mg/dm3
-zw. fosforoorganiczne – są mniej szkodliwe dla środowiska, łatwiej ulegają biodegradacji, produkty rozkładu są na ogół mniej toksyczne. Wśród licznych pestycydów fosforoorganicznych znajdują się takie związki jak;
-foschlor – pochodna kwasu fosforowego ulega szybko rozkładowi, działa krótkotrwale, stężenie w wodzie nie może przekroczyć 0,02 mg/dm3
-Malation – pochodna kwasu dwutiofosforowego niezbyt toksyczny stężenie w wodzie nie może przekraczać 0,05 mg/dm3
-Dichlorfos (DDVP) – należy do estrów kwasu fosforowego woda do picia może zawierać stężenie 0,02mg/dm3
-Metylopoaration – ester kwasu dwutiofosforowego, silna trucizna stężenie w wodzie do picia może wynosić 0,01 mg/dm3
-herbicydy: stosowane są do zwalczania chwastów działanie polega na nadmiernym pobudzaniu wzrostu roślin co prowadzi do ich obumierania. Prawie wszystkie herbicydy ulegają rozkładowi w środowisku naturalnym. Do związków tego typu należą: nieorganiczne zw. Arsenu, cjaniny, pochodne kwasów fenoksyoctowych, związki karbuminowe
-fungicydy: tworzą liczną grupę związków chem. Zarówno organicznych jak i nieorganicznych działających grzybobójczo lub grzybostatycznie.
-Wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne (WWA)
Przyczyna występowania WWA jest rozwój przemysłu a szczególnie petrochemicznego, koksowniczego i motoryzacyjnego. WWA mogą przedostać się do wód powierzchniowych z powierzchni ulic lub opadów atmosfer. Powodem powstawania WWA jest najczęściej niepełne spalanie. Do najbardziej niebezpiecznych WWA zalicza się 3.4 – benzopiren występujący w smole węglowej, sadzy, gazach ze silników spalinowych, w dymie papierosowym. Związki tego typu posiadają zdolność do kumulacji w organizmie. Wg. światowej org. Zdrowia w wodzie do picia dopuszcza się stężenie 0,2 mg WWA/dm3
Wg. uzyskanych doświadczeń przyjęto umowny podział wód w zależności od stwierdzonego stężenia WWA
-wody podziemne czyste 1-10
-wody podziemne słabo zanieczyszczone 10-50
-wody powierzchniowe umiarkowanie zanieczyszczone 10-100
-wody powierzchniowe silnie zanieczyszczone 100-1000
-ścieki do 100000
-Trójchlorowcometany THM
Jest to grupa związków organicznych o ogólnym wzorze CHX3 gdzie X oznacza F,Br,Cl,J. Związki te powstają podczas chlorowania wody zawierającej tzw. prekursory THM czyli związki organiczne które reagując z chlorem dają połączenie trójhalometanowe. Substancjami które mogą stanowić prekursory są: kwasy fluwowe, rezorycyna, fenole, anilana. THM powstaje w trakcie tzw. reakcji haloformowej czyli trzy atomy wodoru grupy metylowej podstawiane są kolejno atomami chloru (lub innego halogenu) czego efektem jest związek haloformowy i kwas karboksylowy. Reakcje te w skrócie można przedstawić następująco:
CH3COR + 3HOCl CCl3COR+3H2O
CCL3COR + H2O CHCl3 + RCOOH
3. WŁAŚCIWOŚCI WÓD
3.1 Właściwości fizyczne:
-Temperatura: optymalna temperatura wody do picia jest zawarta w granicach 7-12 C – temu warunkowi odpowiadają przeważnie wody podziemne. Wody powierzchniowe mają temp. wahającą się w granicach 0-35 C w zależności od pór roku i zrzutu wód podgrzanych. Wody podziemne mają temperaturę stałą i nie ulegają wahaniom cyklu rocznego. Gdy temp. wody podziemnej ulega wahaniom to świadczy to o jej kontakcie z wodami powierzchniowymi. Odprowadzanie wód podgrzanych do powierzchniowych wpływa na zmianę ich biocenozy. Znajomość temp. wód jest potrzebna do obliczania różnych postaci zasadowości i stabilności wodorowęglanów, do obliczania stopnia za-solenia i nasycenia wody gazami. Temp. nie jest bezpośrednim wskaźnikiem zanieczyszczenia wody ściekami ale jej wahania mogą świadczyć o jej zanieczyszczeniu.
W głębokich zbiornikach wodnych temp. jest różna na różnych głębokościach. Wiosną i jesienią w takich zbiornikach wskutek wymieszania się wód następuje pionowe przemieszczanie się wody co rzutuje na zmiany składu chemicznego. Większość zwierząt wodnych znosi zmiany temperatury w granicach 4-35 C powyżej 35 C następuje śniecie ryb.
-Barwa: w wodach naturalnych barwa wywołana może być obecnością niektórych jonów, związków humusowych lub zakwitania planktonu. Barwę wody oznacza się przez porównanie ze wzorcem. Wody naturalne wykazują barwę rzędu kilku jedno-stek. Wody zanieczyszczone mają barwę znacznie wyższą. W wodzie do picia nie powinno przekraczać 20mgPt/dm3.
-Mętność: wywołana jest obecnością ciał zawieszonych o rozdrobnieniu >1µ, czyli substancji koloidalnych. W wodach naturalnych stanowią ją głównie krzemiany i glinokrzemiany w postaci iłów gleby i gliny jak również szczątki wodnych organizmów roślinnych i zwierzęcych.
W wodach podziemnych mętność pojawiająca się po wydobyciu wody na powierzchnię związana jest z zaburzeniem równowagi chemicznej – dotyczy to wytrącania się osadów węglanu wapnia i wodorotlenku żelaza. W wodach zanieczyszczonych mętność spowodowana jest przez rozdrobnione lub rozłożone substancje organiczne pochodzące ze ścieków. Mętność wód powierzchniowych jest rzędu kilki do kilkunastu mg SiO2/dm3.
3.2 Wskaźniki charakteryzujące chemiczne właściwości wody
3.2.1 Właściwości wynikające z obecności związków nieorganicznych
-twardość: cecha wody związana z obecnością w wodzie jonów wapnia, magnezu, żelaza, manganu, glinu, cynku. Zawartość wapnia i magnezu w wodach naturalnych jest dużo większa od innych wymienionych pierwiastków wobec czego przy-jęto uważać za twardość wody całkowitą ilość jonów wapnia i magnezu. Wyodrębnienie tej własności wynika ze zdolności tworzenia przez te jony trudno rozpuszczalnych lub nierozpuszczalnych soli z anionami kwasów nieorganicznych i organicznych mydeł wapniowych, zw. z garbnikami. W zależności od rodzaju soli w jakiej występuje wapń, magnez, rozróżniamy twardość węglanową (węglany i kwaśne węglany) i niewęglanową (sole silnych kwasów jak siarczany, chlorki, azotany). Twardość wody wyraża się w stopniach twardości ( 1 stopień oznacza taka zawartość jonów wapnia i magnezu która odpowiada równo-ważnej ilości 10 mg CaO/dm3 lub w mval/dm3
Woda do picia nie powinna przekraczać 10 mval/dm3 twardości.
0-5 woda bardzo miękka, 5-10 miękka, 10-15 woda o średniej twardości, 15-20 o znacznej twardości, 20-30 woda twarda, powyżej 30 woda bardzo twarda.
-zasadowość: określa zdolność wody do przejmowania pro-tonów tj. do zobojętniania silnych kwasów mineralnych do określonego pH. Zdolność tą nadaje wodzie obecne w niej wodorowęglany i węglany głównie metali alkalicznych, wodorotlenki oraz nieznaczne ilości krzemianów, fosforanów i boranów.
W wodach naturalnych zasadowość pochodzi w przeważającej ilości od wodorowęglanów wapnia i magnezu. Mogą ja również powodować wodorowęglany i węglany sodu i potasu. W niektórych przypadkach w wodach naturalnych występują duże stężenia wodorowęglanów sodu i metali alkalicznych – wówczas zasadowość jest większa od twardości ogólnej a różnica miedzy nimi stanowi zasadowość alkaliczna. Zasadowość z punktu widzenia sanitarnego ma znaczenie drugorzędne natomiast jest istotna cecha wody ponieważ określa jej zdolność do buforowania wprowadzonych kwasów i zasad. Istotna jest również zasadowość w wodach przemysłowych.
-kwasowość: to zdolność do zobojętniania silnych zasad. Jest ona spowodowana obecnością dwutlenku węgla lub kwas-ów organicznych. Kwasowość mineralna występuje przy pH <4,4 a ogólna w zakresie pH 4,4 – 8,2. Kwasowość mineralna występuje wyjątkowo jedynie w wodach silnie zanieczyszczonych. Najczęściej kwasowość spowodowana jest przez wolny CO2. Wartość kwasowości ogólnej w wodach naturalnych jest rzędu ułamków mval/dm3
-odczyn: wynika ze stosunku pomiędzy jonami wodorowymi a wodorotlenowymi występującymi w roztworze: Odczyn wody za-leży od: stężenia wolnych słabych kwasów, stężenia ich soli, obecności hydrolizujących soli, obecności rozpuszczonych gazów.
Większość wód naturalnych charakteryzuje się wartością pH w granicach 6,5 – 8,5. Odstępstwa od normalnego odczynu mogą wystąpić w okresie letnim. Przy danym nasłonecznieniu procesy asymilacji zachodzą szybko pH wody wzrasta nawet do wartości 10
Powyższe zjawisko spowodowane jest całkowitym wyczerpaniem się rozpuszczonego CO2. Wodorowęglany obecne w wodzie wobec zaniknięcia CO2 jako czynnika równowagi węglanowej ulegają hydrolizie: Ca(HCO3)2 + H2O = Ca(OH)2 + 2H2CO3. Powstały wodorotlenek podnosi pH wody. W wodach silnie za-nieczyszczonych odczyn waha się w szerokich granicach przy czym podwyższanie odczynu obserwuje się częściej aniżeli ob.-niżanie pH poniżej zwykłego zakresu jest to spowodowane mniejszą pojemnością buforową wody w stosunku do jonów OH aniżeli w stosunku do jonów H ( stężenie CO2 jest rzędu ułamka mval/dm3 a stężenie wodorowęglanów rzędu kilku mval/dm3). Wody o odczynie kwaśnym są korozyjne, agresywne wobec be-tonu i stali. Odczyn wody ma podstawowe znaczenie dla proce-sów biochemicznych zachodzących w roztworach wodnych oraz organizmach żywych w przyrodzie.
-przewodnictwo: właściwe jest charakterystyczną cechą wody związaną z obecnością w niej jonów. W wodach naturalnych nie zanieczyszczonych występują głównie związki nie-organiczne dysocjujące na jony – wobec tego przewodnictwo jest doskonałym wskaźnikiem zawartości soli w wodzie. Jakość wody ze źródeł dostarczających wodę o stałym składzie chem. może być kontrolowana przy pomocy przewodnictwa - jego nagła zmiana świadczy o przedostaniu się zanieczyszczeń o charakterze nieorganicznym. Przewodnictwo właściwe wyraża się w µS/cm. Dla wód naturalnych wynosi 250 –500 uS/cm a dla wód zanieczyszczonych osiąga wart. 1000 uS/cm, dla ścieków 10000µS/cm. Przewodnictwo właściwe wykazuje dużą korelację z zawartością związków nieorganicznych.
3.2.2 Właściwości wody wynikające z obecności związków organicznych:
-BZT: jednym z podstawowych wskaźników pozwalającym ocenić zawartość substancji organicznych łatwo ulegających rozkładowi w warunkach tlenowych pod wpływem enzymów wydzielonych przez drobnoustroje głównie przez bakterie jest biochemiczne zapotrzebowanie na tlen BZT. Jest to pojęcie umowne określające ilość tlenu (w miligramach) potrzebną do biochemicznego utleniania związków organicznych łatwo utleniających się zawartych w 1dm3 wody w warunkach tlenowych i temp. 20ºC. Schemat reakcji:
związki org.CxHyO2 + O2 =(bakterie)= CO2 + H2O
Lub w postaci ogólnej:
E + S = ES = E + P
gdzie: E - enzym,
S-substrat (zw. organiczny),
ES – zw., przejściowy substratu z enzymem,
P – produkt utleniania.
Reakcja enzymatyczna przebiega w ten sposób, że początkowo utleniają się związki organiczne węglowe, a następnie azotowe:
NH3 + O2 =(bakterie)= NO-2 + O2=(bakterie)=NO-3
Utlenianie związków azotowych (nitryfikacja) następuje po upływie 9-10 dni a całkowity proces utleniania kończy się po ok. 100 dniach. Najszybciej zachodzą procesy biochemicznego utleniania w ciągu 5 dni, około 68% substancji org. ulega utlenieniu, a po 20 dobach do 99%. Przebieg biochemicznego rozkładu zw. org. opisuje:
dL/dt = -kL,
gdzie: L – całkowite zapotrzebowanie na tlen BZT100% (mg O2/dm3),
t – czas,
k – stała szybkości reakcji
Dla reakcji utleniania zw. org. jako miarę szybkości przyjęto zużycie tlenu.
y = L(1-10-kt)
gdzie: y – zawartość tlenu po czasie t.
Proces biochemicznego zapotrzebowania tlenu jest bardziej złożony i składa się głownie z procesu syntezy i oddychania komórkowego, wobec czego powyższe równanie należy traktować jako uproszczony opis matematyczny przebiegu procesu.
Nie wszystkie związki org. są w jednakowym stopniu podatne na rozkład biochemiczny. Szczególnie odporne są związki o dużym ciężarze cząsteczkowym oraz o rozgałęzionej budowie zawierającej boczne łańcuchy alifatyczne. Substancje takie zalicza się do substancji refrakcyjnych czy odpornych na rozkład biochemiczny. Związki te nie są wykazywane za pomocą wskaźnika BZT. Niektóre związki chemiczne nie tylko nie ulega-ją rozkładowi biochemicznemu lecz wykazują działanie toksyczne w stosunkach do bakterii a tym samym obniżają wynik BZT. Wskaźnik BZT w wodach powierzchniowych kilka mgO2 /dm3, w wodach zanieczyszczonych kilkanaście mgO2/dm3 a w ściekach BZT osiąga wartość setek a nawet tysięcy mgO2/dm3. Proces biochemicznego rozkładu substancji org. należy do podstawowych procesów samooczyszczania wód i oczyszczania ścieków.
-utlenialność: wskaźnik ten określa zawartość związków organicznych utleniających się w określonych warunkach tj. pod wpływem KmnO4 w środowisku kwaśnym w temp. wrzenia w czasie 30 min. Oprócz związków org. w warunkach tych ulegają utlenianiu związki nieorganiczne takie jak azotyny, siarczany, siarkowodór, jon żelazawy. Jest to wskaźnik umowny stosowany dla wód czystych i mało zanieczyszczonych oraz dla niektórych ścieków. Wartość tego wskaźnika dla wód naturalnych to kilka mgO2/dm3, dla wód zanieczyszczonych kilkanaście mgO2/dm3 dla ścieków kilkadziesiąt do kilkaset mgO2/dm3.
-CHZT to pojęcie umowne jak utlenialność oznacza ilość tlenu w mg pobraną z utleniacza (chromian, jodan, nadsiarczan) do utlenienia związków org. w 1 dm3 wody w środowisku kwaśnym w ściśle określonym czasie. W porównaniu z utlenialnością daje wyższy stopień utleniania związków org. (90-100%). Ze związków nieorganicznych utleniających się pod wpływem K2Cr2O7 można wymienić Fe+2, azotyny siarczany, siarczki, chlorki. Natomiast ze związków org. ulegających całkowitemu utlenieniu wymienić należy: węglowodany, rozgałęzione związki tłuszczowe, aromatyczne. Alkohole i aminokwasy mogą być utlenione całkowicie po użyciu katalizatora. Wartości CHZT są na ogół większe niż BZT. CHZT jest najbardziej dogodnym oznaczeniem dla określenia stężenia związków org. w ściekach przemysłowych w których obecność substancji toksycznych hamuje proces BZT5 a utlenialność wymaga znacznego rozcieńczenia próbki.
-Ogólny węgiel organiczny OWO: wskaźnik wyraża ogólną zawartość węgla związanego w związkach organicznych rozpuszczonych w wodzie poczynając od węglowodorów przez węglowodany i białka aż do detergentów i pestycydów. OWO jest wskaźnikiem zanieczyszczenia wody bardziej miarodajnym niż utlenialność, BZT, CHZT ponieważ obejmuje wszystkie związki organiczne. Wyniki OWO 10-w przeliczeniu na tlen w powiązaniu z BZT i CHZT pozwala w przybliżeniu określić czy substancje org. należą do związków ulegających rozkładowi chemicznemu czy też nie. Jeśli stosunek BZT5/OWO oraz CHZT/OWO jest znacznie mniejszy od jedności to w wodzie znajdują się związki organiczne trudno rozkładalne. Dla wód naturalnych OWO jest rzędu ułamków mg/dm3, w wodach zanieczyszczonych osiąga wielkość kilku do kilkunastu mg/dm3
-Ekstrakt węglowo – chloroformowy – EWCH (CCE): oznaczenie to obejmuje mikroilości szkodliwych zw.org absorbowanych z wodą na węglu aktywnym a następnie ekstrahowanych za pomocą chloroformu. Otrzymana po odprężeniu chloroformu pozostałość określa łączną masę niezidentyfikowanych związków zaabsorbowanych w warunkach oznaczenia na węglu aktywnym w mg/dm3. Oddzielona masa związków org. może zostać poddana szczegółowej analizie pozwalającej na zidentyfikowanie składników i oznaczeniu ich stężenia. W wodzie pitnej dopuszczalne stężenie EWCH waha się w granicach 0,2 – 0,5 mg/dm3. W wodach powierzchniowych nie zanieczyszczonych EWCH nie powinno przekroczyć 0,05 mg/dm3
4. FIZYKOCHEMICZNE WŁAŚCIWOŚCI CZĄSTECZKI WODY
Woda jest związkiem wodoru i tlenu, który określa skład jakościowy i ilościowy wody. Skład pierwiastków wchodzących w skład cząsteczki wody jest następujący: 11,2% H i 88,8% O.
Sumaryczny wzór chemiczny nie wyjaśnia właściwości fizycznych i chemicznych danego związku chemicznego. Własności te zależą od budowy cząsteczki. Stwierdzono,że kształt cząsteczki wody nie jest wydłużony, lecz odpowiada trójkątowi. W jednym z jego wierzchołków znajduje się atom tlenu, a w dwóch pozostałych atomy wodoru. Atomy tworzące cząsteczkę wody są połączone wiązaniami chemicznymi – pomiędzy atomem tlenu a wodoru istnieje wiązanie kowalencyjne spolaryzowane. Atom tlenu (elektro ujemny) silniej przyciąga wspólną parę elektronowa, czyli zwiększa się gęstość elektronowa przy atomie tlenu oraz skupienie ładunków elektronów na atomów wodoru. Ze względu na swą budowę przestrzenną i spolaryzowane wiązanie atomowe cząsteczka wody jest biegu-nowa czyli polarna. Cząsteczka wody ma niesymetryczny rozkład ładunków elektrycznych (środki ładunków ujemnych i dodatnich nie pokrywają się). Cząstki polarności charakteryzuje się za pomocą tzw. momentu dipolowego,który jest równy iloczynowi bezwzględnej wartości ładunku jednego z biegunów dipola i odległości pomiędzy biegunami. Polarność cząsteczki wody jest przyczyną asocjacji i hydratacji.
W stanie pary woda składa się z pojedynczych cząsteczek H2O. Najwyższy stopień asocjacji powstaje w temp. od 276-277K w tej temp. woda zawiera najwięcej asocjatów cząsteczkowych (H2O)2 które w niższej temp. tworzą zespoły trójcząsteczkowe a w wyższej rozpadają się na pojedyncze cząsteczki H2O wg. równania
2(H2O)3=3(H2O)2=6H2O
Woda w stanie ciekłym jest mieszaniną pojedynczych cząsteczek H2O i różnych asocjatów (dwu i trójcząsteczkowych). Wiązania wodorowe warunkują dużą spoistość wody, jej zdolność do silnego przylegania do różnych powierzchni i ich zwilżania.
-Właściwości fizyczne wody służą do definicji wielu jednostek i stałych fizycznych np. temperatura krzepnięcia wody - 0°, temperatura wrzenia - 100°.
-Ciekły stan wody jest to stan
Woda dzięki omówionym właściwością takim jak: zdolność jonizacji, rozpuszczania i hydratacji jest szczególnie korzystnym środowiskiem różnych przemian i reakcji chemicznych, naturalnych.
| sezon | wiosna | lato | jesień |
|---|---|---|---|
| stanowisko | 1 | 2 | 3 |
| Temperatura wody ° C | 11 | 15 | 15 |
| Zawiesiny og. mg*dm-3 | 13 | 38 | 5 |
| Przewodnictwo µS*cm-1 | 520 | 354 | 362 |
| Odczyn pH | 7,7 | 8,2 | 7,7 |
| O2 mg*dm-3 | 11 | 12 | 12 |
| O2 % nasycenia | 102 | 111 | 121 |
| BZT5 | 6,4 | 5,6 | 6,7 |
| Subst. pow. czynne | 5,1 | 1,5 | 1,7 |
| ChZT | 8,6 | 12 | 14 |
| Nog. | 3,5 | 3 | 3,3 |
| NO3 | 1,4 | 0,4 | 0,4 |
| NH4 | 0,2 | 0,1 | 0,2 |
| Pog. | 0,3 | 0,1 | 0,1 |
| PO4 | 51 | 10 | 22 |
| Na | 5,4 | 6 | 6 |
| K | 2,5 | 2,6 | 2,7 |
| Mg | 2,5 | 2,6 | 2,7 |
MYRHG-9VWRK-CP7CK-WPPQX-QMRCM
FQPPD-7DPY8-48CFX-7TRCG-VVMK6
K3JPK-2P3DW-HFGTC-FF2HW-8D4RB
JQ4T4-8VM63-6WFBK-KTT29-V8966
G47M2-XHX69-7P974-9B3CM-YYF48
Q9GJG-YXRKF-J8R6P-XD368-HBQXD
G47M2-XHX69-7P974-9B3CM-YYF48
CHEMIA WODY
1. WODA występująca w przyrodzie, czyli woda naturalna jest roztworem wieloskładnikowym, bądź niejednorodna mieszanina H2O i innych substancji oraz związków chemicznych pochodzenia mineralnego. Spośród różnych form występowania wody w przyrodzie przedmiotem zainteresowania inżynierii sanitarnej jest woda zgromadzona w rzekach, jeziorach, morzach i pod ziemią. Dzielimy je na: wody powierzchniowe śródlądowe i morskie, wody podziemne gruntowe i wgłębne. Wody te w wyniku swego pochodzenia i umiejscowienia charakteryzują się odmiennym składem i odrębnymi właściwościami.
Wody powierzchniowe śródlądowe są to wody lądowe, stojące lub płynące. Ich cecha charakterystyczna jest słaba mineralizacja, obecność substancji organicznych, tlenu, zawiesin, bakterii. Ponadto odznaczają, się dużą zmiennością składu chemicznego i temperatury, w zależności od zanieczyszczeń odpadów.
Wody powierzchniowe morskie charakteryzują się bardzo silnym zasoleniem rzędu kilku do kilkudziesięciu gramów/ dm3. Wykazują stały skład chemiczny, zmieniający się wraz z głębokością. Temperatura w mniejszym stopniu niż w wodach śródlądowych ulega zmianie w zależności od pory roku.
Wody podziemne gruntowe są to wody zalęgające do głębokości około 10 m. Charakteryzują się skaldem chemicznym zbliżonym do wód wgłębnych i wód powierzchniowych, nie posiadają jednakże zawiesin, a także mogą zawierać niewielkie ilości tlenu. Na ich skład chem. rzutuje rodzaj zanieczyszczeń gleby oraz opady.
Wody podziemne wgłębne są to wody zalegające poniżej 10m. Charakteryzują się dużą zawartością soli nieorganicznych, brakiem związków organicznych, tlenu rozpuszczonego i zanieczyszczeń bakteryjnych. Posiadają stałą temp i prawie stały skład chemiczny.
Z punktu widzenia czystości wód wyróżniamy: wody naturalne, zanieczyszczone i ścieki. Stan wody określa się za pomocą tzw. wskaźników jakości wód. Nazwą tą obejmuje się zawieszone i rozpuszczone składniki wody oraz jej fizyczne i chemiczne właściwości.
Zawieszone składniki wody to makroskopowe substancje składające się zarówno ze zw. nieorg. jak i org. Ogólnie można je określić jako substancje o rozdrobnieniu 1nm. Rozpuszczone składniki wody to zw. org. jak i nie org. Oraz gazy reagujące i nie reagujące z woda.
2. SKŁADNIKI WOD:
2.1 ZAWIESZONE SKŁADNIKI WÓD:
-Zawiesiny: Wskaźnik ten reprezentuje ciała zawieszone o średnicy 7200 nm. Pod względem chemicznym stanowią je rozdrobnione substancje mineralne jak: piasek, osady, węglanów, wodorowęglanów, fosforów, cząstki iłu, gleby jak i sub org. w postaci szczątków roślin i zwierząt. Zawiesiny występują w wodach naturalnych, powierzchniowych w wyniku erozji dna i brzegów. W wodach zanieczyszczonych zawiesiny pochodzą ze ścieków. Zawiesiny nie występują zasadniczo w wodach podziemnych, mogą się jednak wydzielać w wyniku kontaktu wód pod-ziemnych z atmosfera, prowadzącego do reakcji chemicznych. Zawartość zawiesin w naturalnych wodach nie przekracza kilku mg/dm3. W wodach zanieczyszczonych do kilkudziesięciu mg/dm3. W wodach wezbranych może być kilku set.
-Koloidy: Sub. koloidalne zawarte w wodach naturalnych to przede wszystkim glinokrzemiany o różnym składzie chemicznym i ogólnym wzorze xAl2O3*ySiO2*z H2O oraz krzemionka koloidalna (SiO2)n. Substancje te przechodzą do wody w wyniku reakcji pomiędzy glinokrzemianami występującymi w minera-łach, glebie, glinach oraz dwutlenkiem węgla. Do koloidów występujących w wodach naturalnych zaliczyć trzeba sole sodowe, Ca, Mg i kwasy huminowe. W wodach zanieczyszczonych w postaci koloidalnej występują niektóre proste białka, skrobie i inne związki pochodzenia zw. lub roślinnego.
-Piany: Występują wyłącznie w wodach zanieczyszczonych tłuszczami lub węglowodorami ciekłymi. Stanowią układy dwóch nie mieszających się ze sobą cieczy. Nadają wodzie wygląd mętny lub mleczny. Stanowią uciążliwy składnik wody i ścieków.
-tłuszcze (ekstrakt eterowy): Nazwa ta określa się tłuszcze roślinne i zw. oraz węglowodory ciekle lub stale, pływające po powierzchni wody lub występujące w postaci emulsji. Substancje te wyodrębnia się z wody za pomocą ekstrakcji eterem i określa jako ekstrakt eterowy. Ten rodzaj zanieczyszczenie występuje głownie w ściekach, w wodach naturalnych Jedynie w przypadkach awaryjnych.
2.2 ROZPUSZCZONE SKLADNIKI WOD:
2.2.1 Gazy rozpuszczone: Rozpuszczalność gazów w wodzie zależy od ich charakteru, ciśnienia cząsteczkowego, temp wody, jej składu fizykochemicznego i biologicznego. Rozp gazu w wodzie maleje wraz ze wzrostem temp. Do gazów rozpuszczonych w wodach naturalnych należą CO2, O2, N2, H2S, CH4, SO2, H2Rn i inne gazy szlachetne.
Pochodzenie gazów zawartych w wodach naturalnych:
-atmosferyczne: O2, N2, CO2, SO2,
-chemiczne: CO2, H2S, H2, N2, CH4, SO2,
-biochemiczne: CH4, H2, CO2, N2, H2S pochodzące z biol. rozkładu sub. org. w warunkach tlenowych tj. aerobowych i beztlenowych tj. anaerobowych
-radioaktywnego.
Gazy rozpuszczone maja znaczenie:
-geologiczne (zmieniają właściwości wody jako rozpuszczalnika skal, minerałów, gruntów),
-lecznicze ( np. na organizm ludzki),
-techniczne ( działają, agresywnie na materiały budowlane)
-tlen rozpuszczony: Występuje, we wszystkich wodach naturalnych stykających się z powietrzem atmosferycznym. Po-chodzi głównie z atmosfery oraz procesów fotosyntezy roślin wodnych, jego stężenie jest wypadkową fizycznej rozpuszczalności tego gazu i jego zużycia na procesy biochemiczne. Tlen rozpuszczony występuje w wodach powierzchniowych i płytkich wodach podziemnych, wody wgłębne pozbawione są tlenu zupełnie. Zawartość jego waha się w wodach naturalnych od 0-14mg O2/l. Ilość rozpuszczonego tlenu mg O2/l. Nie określa sto-pnia nasycenia wody tlenem w danych warunkach. Stopień nasycenia wody jest to stosunek zawartości tlenu rozpuszczonego w badanej wodzie do maksymalnej zawartości tlenu w wodzie destylowanej w danej temp. przy ciśnieniu 760mm Hg. Dla wód powierzchniowych % nasycenia wody tlenem wynosi prawie 100%. Dla wód powierzchniowych o małym zanieczyszczeniu waha się od 80 do 95%, natomiast w wodach o wyraźnym zanieczyszczeniu spada do około 40 – 50 % nasycenia.
W wyniku spadku nasycenia w wodzie dominują procesy anaerobowe, w wyniku których powstaje H2S, NH3, PH3 i inne gazy. Taki deficyt tlenu spowodowany zostaje zrzutem dużych ilości związków organicznych. Tlen jest wskaźnikiem zanieczyszczenie wód powierzchniowych i jego niskie wartości wskazują na zanieczyszczenie rzeki i toczące się w niej procesy rozkładu biochemicznego. Obecność tlenu w wodach przemysłowych jest nie pożądana, gdyż przyspiesza proces korozji. Korodujące działanie wody można przedstawić za pomocą reakcji
2H+ + Fe Fe2+ +2H
2H + 1/2O2 H2O
Jony wodorowe atakują powierzchnie metalu. W wyniku reakcji do roztworu przechodzą jony żelazowe, a tworzący się wodór atomowy wydziela się w postaci warstwy na powierzchni metalu, izolując go od dalszej korozji. Obecny w wodzie tlen utlenia wydzielający się wodór do cząsteczki H2O, co powoduje zanik warstwy. Aby zapobiec temu zjawisku wodę należy odgazować.
-dwutlenek węgla: W wodach naturalnych powierzchniowych CO2 pochodzi głownie z atmosfery, bądź z procesów mineralizacji ciał org., w wodach wgłębnych CO2 pochodzi z proce-sów geochemicznych. Zawartość CO2 w wodach naturalnych waha się w szerokich granicach od kilku mg do kilkuset. CO2 w wodzie jest w postaci rozpuszczonych cząsteczek gazowych CO2, w których 1% reaguje z woda tworząc H2CO3:
CO2+H2O⇔H2CO3
Kwas ten dysocjuje dwustopniowo:
H2CO3 = H+ + HCO3-
HCO3- = H+ + CO22-
Stan równowagi pomiędzy rozpuszczonym CO2, a jego postaciami jonowymi zależy od pH wody. W zależności od pH wody CO2 może występować:
-Przy pH < 4,5 w formie gazowej,
-przy pH=8,4 w formie HCO3-,
-przy pH= 10,5 w formie CO23-
Ponieważ większość wód naturalnych ma pH 6.5 ÷ 8.5 zatem w wodach CO2 występuje na ogół w całym zespole związków kwasu węglanowego.
Ogólny CO2 jest sumą CO2 zawartego w wodzie w różnych postaciach. Ogólny CO2 dzielimy na wolny i związany. Związany CO2 znajduje się w wodzie pod postacią HCO3- i CO23-. Wolny CO2 występuje w postaci rozpuszczonej jako H2CO2. Część wolnego CO2 niezbędna do utrzymania w roztworze rozpuszczonego wodorowęglanu wapnia wg równania:
Ca(HCO3)2 ⇔ CaCO2 + H2O + CO2
Nazywa się CO2 równowagi węglanowo wapniowej lub CO2 przynależnym. W miarę zwiększania się w wodzie wodorowęglanów ilość niezbędnego CO2 przynależnego znacznie wzrasta. Pozostała część CO2 wolnego w wodzie, czyli nadmiaru wolnego CO2 w stosunku do stechiometrycznej ilości CO2 przy-należnego jest CO2 agresywnym. CO2 agresywny w odróżnieniu od CO2 jest aktywny i nadaje wodzie właściwości korodujące w stosunku do betonu i stali. Zawartość CO2 agresywnego zwiększa zdolność rozpuszczania w wodzie CaCO3 zmieniając go na łatwiej rozpuszczalny w wodzie wodorowęglan wapnia Obecność z higienicznego punktu widzenia nie ma znaczenie w wodach podziemnych, w wodach powierzchniowych jest wskaźnikiem stopnia zanieczyszczenia wody substancjami org.
-amoniak NH3: Gaz o charakterystycznym zapachu dobrze rozpuszczalny w wodzie. Związek ten łatwo reaguje z woda tworząc zasadę lub sól amonową
NH3 + H+ + OH+ ⇔ NH4 + OH-
Powstały wodorotlenek jest słabą zasada. Kierunek tej przemiany zależy od pH wody. Przy wzroście pH zwiększa się stężenie wolnego amoniaku, który wydziela się z wody.
2.2.2 związki nieorganiczne:
-chlorki: Ze względu na dużą rozpuszczalność chlorki występują we wszystkich wodach naturalnych. Mogą pochodzić z wy-mywania pokładów soli, z gruntu oraz zanieczyszczeń ściekowych. Wody śródlądowe, naturalne zawierają chlorki w stężeniu od kilku do kilkunastu mg/dm3. Wody zanieczyszczone mogą zawierać do kilkuset chlorków. Największe ładunki chlorków wprowadzane są do wody dołowe z odwadniania kopalni oraz ścieki przemysłu sodowego, chem. i garbarskiego. Chlorki wydalane są prze organizmy zwierzęce, występują wiec zawsze w ściekach bytowo gospodarczych i miejskich. Chlorki nie podlegają procesom samooczyszczania w rzekach ani oczyszczaniu konwencjonalnemu w oczyszczalniach. W wodzie pitnej może znajdować się do 300mg chlorków na dm3. Jon chlorkowy wykazuje działanie korozyjne do żelaza i stali w stężeniu > 150mg /dm3.
-siarczany: Należą do najbardziej, obok chlorków rozpowszechnionych anionów. Przechodzą do wody na wskutek wymywania skal osadowych, utleniania siarczanów. W wyniku mineralizacji organicznych zawierających siarkę są wprowadzane wraz ze ściekami. Utlenianie siarczków zachodzi wg równania:
2FeS2 + 7O2 +2H2O ⇔ 2FeSO4 + 2H2SO4
Zawartość siarczanów w wodach pow. naturalnych wynosi od kilku do kilkuset mg/dm3.
W wodach podziemnych i wodach zanieczyszczonych stężenie ich może być znacznie wyższe. Jeśli występują w nich jako sole słabych zasad nadają wodzie odczyn kwasowy. Siarczany nie podlegają procesowi samooczyszczania w warunkach tlenowych. W warunkach beztlenowych mogą ulegać redukcji do siarkowodoru.
FeSO4 + 8H+ ⇔ FeS +4H2O
Usuwanie siarczanów jest możliwe tylko przy ich bardzo dużych stężeniach przy użyciu wapna w postaci siarczanu wapna. Woda do picia zawiera do 200mg siarczanów / dm3. Siarczany mają właściwości korozyjne w stosunku do betonu wskutek tworzenie się w porach betonu silnie uwodnionej soli glinosiarczanu wapnia o wzorze:
3CaO *Al2O3*3CaSO4*3O*31H2O
Krystalizacja sól zwiększa silnie swoja objętość powodując rozsadzanie betonu. Woda o stężeniu siarczanów > 250mg /dm3 jest już agresywna w stosunku do betonu.
-węglany i kwaśne węglany: Są to sole słabego kwasu węglowego występujące jedynie w roztworach wodnych. Kwas węglowy dysocjuje dwustopniowo dając dwa typy soli: węglany i wodorowęglany.
H2CO3 ⇔ H+ + HCO-3
HCO-3 = H+ + CO2-3
Stałe dysocjacji I i II stopnia różnią się od siebie. Dobrze rozpuszczalne w wodzie są węglany potasu i sodu oraz wodorowęglany K, NA, Ca, Mg, Fe, Mn. Węglany i kwaśne węglany jako sole słabego kwasu rozkładają się pod wpływem mocniejszych kwasów z wydzieleniem CO2. Są tu głównym składnikiem zasadowości wody. Stanowią twardość węglanową wody. Obecność kwaśnych węglanów w wodzie uwarunkowana jest obecnością pewnej ilości CO2:
Ca(HCO3)2 = CaCO3 + H2O + CO2.
Nazywanego dwutlenkiem węgla przynależnym lub równowagi. Obojętne węglany występują w wodach nat w bardzo niewielkich ilościach. Wyjątek stanowią wody podziemne lub stykające się ze złożami wapnia, stanowiące przesycone roztwory wodorowęglanów. Kwaśne węglany są natomiast powszechnym składnikiem wód naturalnych. W wodach powierzchniowych, śródlądowych zawartość kwaśnych węglanów wynosi 1,5 ÷ 3,5 mval/dm3 a w wodach podziemnych osiągają wartości wyższe. Węglany i kwaśne węglany nie są wskaźnikami zanieczyszczenia wody. Ich obecność w wodzie jest dla odbiornika pożądana, gdyż stanowi układ buforowy, przeciwdziałający nagłym zmiana pH.
-azotyny: Są to sole kwasu azotowego, powstają jako produkty utleniania amoniaku do azotanów na drodze biochemicznej wg schematu:
NH4+ bakt nitrosomonas NO2+ bakt nitrobacter NO3+
Azotyny są zatem nietrwałą formą azotu przechodzącą łatwo w warunkach utleniających w azotany, w warunkach redukujących w amoniak są tez wskaźnikiem zanieczyszczenia wody i kierunkiem z procesów samooczyszczania. Stężenie ich w wodach powierzchniowych jest rzędu tysięcznych mg/dm3 a w wodach zanieczyszczonych rzędu dziesiętnych lub setnych mg/dm3.
-azotany: Są to bardzo łatwo rozpuszczalne sole kwasu azotowego. Stanowią ostateczny produkt na drodze tlenowej azotowych związków organicznych. Azotany dostają się do wód nat pow wraz ze ściekami miejskimi i przemysłowymi, wraz z opadami atm i spływami z nawożonych pol. Tą droga dostają się tez do wód podziemnych. Stężenie azotanów w wodach naturalnych jest na ogół rzędu kilku mg/dm3, w wodach zanieczyszczonych może być wyższe. Azotany w wyższej ilości są niepożądanym składnikiem wód nat. Są one wykorzystywane przez glony i rośliny wodne do swojego rozwoju, w sprzyjających warunkach do nadmiernego rozwoju flory wodnej, który w konsekwencji po-woduje wtórne zanieczyszczenie wód. Nie podlegają procesowi samo oczyszczania się. Woda do picia może zawierać 10mg azotanów na 1 dm3
-fosforany i polifosforany:
Kwas fosforowy dysocjuje trójstopniowo w wyniku czego powstają sole I, II, III rzędowe typu: McH2PO4, McHPO4, Mc3PO4, gdzie Mc - jon metalu jednowartościowego. Pierwszorzędowe fosforany sodu, potasu, wapnia i magnezu są rozpuszczalne w wodzie spośród II i III rzędowych rozpuszczalne są tylko fosforany sodu i potasu. Fosforany są końcowym produktem mineralizacji związków org. zawierających fosfor
Fosforany w wodach naturalnych mogą pochodzić też z mineralizacji substancji roślinnych z wyługowaniem gleby nawożonej nawozami fosforowymi oraz ze ścieków miejskich i przemysłowych. Fosforany podobnie jak azotany stanowią substancje po-karmową dla roślin są przez nie przyswajalne a następnie przy obumieraniu roślin wracają do wody. W związku z tym uważa się je za związki nie ulegające procesowi samooczyszczania. W wodach naturalnych stężenie ich nie przekracza ułamka [mg/dm3], w wodach zanieczyszczonych kilka [mg/dm3]. Norma nie podaje stężenia fosforanów w wodzie do picia. w wodach I klasy muszą być poniżej 0,2 mg/dm3. Kwas fosforowy oraz jego sole I, II rzędowe maja zdolności kondensacji czyli łączenia się w dwie cząsteczki z wydzieleniem wody. Produkty kondensacji mogą posiadać bardzo duży ciężar cząsteczkowy oraz budowę łańcuchową lub pierścieniową. Cząsteczki o budowie łańcuchowej noszą nazwę kwasów ortofosforowych, zaś o budowie pierścieniowej –kwasów metafosforowych. np.;
a. kwasy ortofosforowe:
H3PO4 -ortojednofosforowy,
H3P2O7 -ortodwufosforowy (pirofosforowy),
H5P3O10 -ortotrójfosforowy.
b. kwasy metafosforowe;
HPO3 - metafosforowy,
H3P3O4 - metatrójfosforowy.
H4P4O12 - metaczterofosforowy.
Wyższe kwasy orto- i metafosforowe występują wyłącznie w postaci soli. Wszystkie sole kwasów orto- i metafosforowych nazywa potocznie polifosforanami. Polifosforany mają zdolność tworzenia związków kompleksowych z jonami metali dwu i trójwartościowych najczęściej z jonami magnezu i wapnia. Związki te mają szerokie zastosowanie jako środki zmiękczające, jako zabezpieczenie przed tworzeniem kamienia kotłowego, jako środki pasywujące powierzchnie stali- w konserwacji znajdują się one w coraz większych stężeniach w wodach naturalnych ścieków.
Na2SiO3+2H2CO32NaHCO3+SiO2+H20
Związki krzemu pochodzą głównie w wymywania skał, gleby oraz rozkładu złożonych glinokrzemianów na związki proste. Zawartość krzemu w wodach jest rzędu ułamków mgSiO2/dm3. W wodach podziemnych stężenie krzemu jest wyższe, rzędu do kilkudziesięciu mgSiO2/dm3.
-fluor - jako pierwiastek bardzo rozpowszechniony w skorupie ziemskiej, występuje również w wodach naturalnych. fluor wchodzi w skład organizmów zwierzęcych i roślinnych. w większych stężeniach działa szkodliwie na układ kostny. W stężeniach niskich fluor wywiera korzystny wpływ na uzębienie dlatego tez w okolicach gdzie występuje jako deficyt wprowadza się go do wody pitnej. Fluor występuje w wodach głównie w postaci fluorków F. Stężenie dopuszczalne w wodzie pitnej wynosi 1,5mgF/dm3.
-jod - jest pierwiastkiem bardzo rozpowszechnionym najczęściej występuje w postaci jodków J, jodki znajdują się jako do-mieszki w soli kuchennej. Związki jodu są bardzo dobrze rozpuszczalne w wodach. Posiada duże znaczenie fizjologiczne – jego brak powoduje niedoczynność tarczycy. Jod występuje w wodzie jako jodki (J-) i jodany (JO3) zawartość jodu w wodach naturalnych jest rzędu setnych i tysięcznych mg/dm3
-bor - jest dość rozpowszechniony w przyrodzie, i występuje w postaci kwasu borowego H3BO3 oraz w postaci borokrzemianu np. boraksu NA2B4O7 ⋅10H20. kwas borowy jest słabym kwasem w wodzie dysocjuje tworząc H2BO3-,HBO-23,BO3-3,HB40-7,B4O2-7. W zależności od pH bor może występować w formie niejonowej lub jonowej. Przy pH>1 spotykana w wodach naturalnych prze-ważnie forma niejonowa. Stężenie boru w wodach naturalnych waha się od zera do kilku mg/dm3.
-wapń i magnez - Są głównymi kationami w wodach naturalnych dostają się do wody głównie na wskutek wymywania skał i gleb. Stężenie wapnia w wodach naturalnych jest rzędu kilkudziesięciu mg/dm3 zaś magnezu rzędu kilkunastu mg/dm3 najczęściej kationy te występują w postaci węglanów i kwaśnych węglanów, siarczanów oraz chlorków. Stosunek jonów wapnia i magnezu w wodach naturalnych jest miarą stopnia mineralizacji wody;
-wody słabo z mineralizowane tj. wody o suchej pozostałości- części mineralne 200 mg/dm3 wykazują:
Ca/Mg = (3-4)/1
-wody o mineralizacji 200-500 mg/dm3 wykazują:
Ca/Mg = (2-3)/1
-wody o mineralizacji <1000 mg/dm3 wykazują:
Ca/Mg = (1-2)/1
-wody silnie z mineralizowane tj. o suchej pozostałości- części mineralne >100 mg/dm3 wykazują:
Ca/Mg = 1/(3-4)
-żelazo i mangan - Pierwiastki te należą do szeroko rozpowszechnionych w skorupie ziemskiej stąd też są częstymi składnikami wód naturalnych. Do wody przechodzą w wyniku reakcji geotermicznych lub procesów utleniająco-redukujących. Żelazo występuje w dwóch stopniach utlenienia jako jon Fe2+- dając sole żelazawe i jako jon Fe3+- dają jony żelazowe. W zależności od warunków utleniająco-redukujących obie formy żelaza przechodzą jedna w drugą. Sole żelaza są solami słabej zasady i w roztworach wodnych ulegają hydrolizie w wydzieleniem Fe(OH)2, a utlenianiu Fe(OH)3. Tak więc w dobrze natlenionych wodach powierzchniowych żelazo występuje w postaci zawiesiny uwodnionych tlenków żelaza;
4Fe2++O2+10H2O=4Fe(OH)3+8H+
W wodach powierzchniowych stężenie żelaza rozpuszczonego jest rzędu ułamków mg/dm3 natomiast stężenie całkowite (łącznie z żelazem w zawieszeniu) jest na ogół rzędu 0,5÷1 mg żelaza /dm3. Żelazo za-warte w wodach podziemnych występuje w postaci dwuwartościowej. Beztlenowe warunki wód podziemnych sprzyjają rozpuszczeniu żelaza dwuwartościowego. W wodach podziemnych stężenie żelaza może być duże od kilku do kilkudziesięciu mg/dm3. W wodzie do picia może znajdować się 0,5 żelaza mg/dm3
Mangan - występuje w ilościach mniejszych wynoszących od ¼ do 1/10 zawartości żelaza. Proces utleniania i wydzielania manganu zachodzi znacznie wolniej i trudniej stąd też mangan częściej występuje w wodach powierzchniowych gdzie jego stężenie jest rzędu ułamka mg/dm3. Przebieg reakcji hydrolizy i utleniania manganu [II] do manganu [IV] zachodzi następująco;
Mn(HCO3)2+H20⇔Mn(OH)2+2CO2+H20
2Mn(OH)2+O2⇔2MnO(OH)2
2MnO(OH)2⇔2MnO2+2H2O
Zawartość manganu w wodzie do picia wynosi 0,1mgMn/dm3
Jony żelaza i manganu stanowią pożywkę dla pewnych gatunków bakterii czerpiących energię z procesów utleniania i redukcji. W wyniku tego procesu następuje odkładanie się zbitych osadów na ściankach rur, co powoduje znaczne zmniejszenie ich prześwitu. W studniach ujmujących wodę żelazo i mangan zachodzą podobne procesy. Na filtrach studni następuje wytracenie się osadów wodorotlenków żelaza i manganu, co powoduje spadek wydajności studnia nawet unieruchomienie – zjawisko to nosi nazwę – kolmatacji. Wody zawierające ponadnormatywne ilości żelaza i manganu można uzdatnić.
z jonem wodorotlenowym daje zasadę amonową:
NH+4+OH-⇔NH4OH
Zasada amonowa ulega łatwo rozkładowi z wydzieleniem wolnego amoniaku:
NH4OH⇔NH3+H2O
Przebieg tej reakcji zależy od temperatury i odczynu wody wraz ze wzrostem pH wydziela się coraz więcej amoniaku. Reakcja ta wykorzystywana jest przy oczyszczaniu ścieków od nadmiaru azotu amonowego. Azot amonowy w stężeniu >15 mg/dm3 nadaje wodzie charakter korozyjny w stosunku do betonu – polega to na wymianie jonu Ca2+ ze spoiwa cementowego na jon NH+4 i rozluźnieniu przez to jego struktury.
Poza omówionymi ważniejszymi składnikami mineralnymi wód naturalnych w wodzie mogą być inne pierwiastki jak: arsen, rtęć, kadm, chrom, ołów, selen, beryl, bar, miedź, molibden, wanad, cynk. Występowanie ich w wodach naturalnych związane jest z obecnością minerałów tych pierwiastków w obszarze wodonośnym. Stężenia ich są na ogół niewielkie rzędu ułamków mg/dm3. Większe stężenia wystąpić mogą w wyniku zanieczyszczenia wody ściekami przemysłowymi, wyciekami z hałd, spływami z pól intensywnie eksploatowanych.
Wody naturalne ulegają nie zanieczyszczeniu nie tylko związkami pochodzenia nieorganicznego, ale również związkami organicznymi, które dostają się do wody powodując jeszcze większe je zanieczyszczenie. Związki organiczne przedostające się do wód mogą być pochodzenia naturalnego i sztucznego. Źródłami ich są ścieki bytowo-gospodarcze, przemysłowe, spływy atmosferyczne z obszarów upraw rolnych. Związki organiczne są na ogół związkami trwałymi jedynie w procesach biochemicznych zachodzących pod wpływem enzymów bakterii niektóre z nich mogą ulec rozkładowi na związki wykorzystywane przez bakterie do budowy nowych komórek oraz na proste zw. org. Wiele związków organicznych ulega działaniu silnych utleniaczy- możliwe wtedy częściowe utlenienie związków org. do związków prostych lub tworzenie się chlorowcopochodnych. Powstające w obydwu przypadkach nowe związki organiczne mogą posiadać charakter toksyczny nawet w większym stopniu niż produkty wyjściowe. Związki organiczne stanowią często substancje toksyczne dla mikroorganizmów oraz dla organizmów większych (ryby rośliny a nawet człowiek)- w takich przypadkach nie może nastąpić proces samooczyszczania się wód i następuje bądź ich trwałe zatrucie bądź kumulacja tych związków w organizmach wyższych. Związki organiczne są to zw. węgla z wodorem, tlenem, azotem, fosforem, oraz innymi pierwiastkami. Wszystkie. Związki węgla z wyjątkiem węglanów i kwaśnych węglanów, tlenku i dwutlenku węgla oraz węglików (CaC2) uważa się za związki organiczne. Atomy węgla w tych związkach łącza się ze sobą za pomocą wiązań kowalencyjnych, w długie łańcuchy, proste lub rozgałęzione, zamknięte lub otwarte. Oprócz węgla zdolność łączenia wielu atomów kowalencyjnych posiada krzem oraz bar.
-zw. humusowe- stanowią złożone, heterogenne polimery kwasy o żółtej i brązowej barwie powstają w wyniku procesu humifikacji materiału roślinnego i zwierzęcego przez drobnoustroje i mikrofaunę glebową. Pod względem chemicznych są to bardzo różnorodne substancje należące do wielocząsteczkowych polimerów o charakterze fenolu.
W skład związków humusowych wchodzą kwasy fulwowe, kwasy huminowe, kwasy hymatomelanowe, huminy. Substancje humusowe występują w wodzie w postaci rozpuszczonej, koloidalnej i trudno rozpuszczalnych cząstek. Postać w jakiej występują zależy od pH wody. Występowanie tych związków w wodzie powoduje zwiększenie barwy, utlenialności. Domieszki te mają ponadto duże zdolności sorpcyjne i odznaczają się aktywnością chemiczną w stosunku do innych zanieczyszczeń obecnych w wodzie. Substancje sorbują zarówno związki org. (pestycydy), jak i mineralne, stabilizują koloidy, a z jonami wielu metali tworzą połączenia metaloorganiczne. Obecność substancji humusowych w wodach dla oczyszczenia których stosuje się związki chloru może spowodować powstanie bardzo szkodliwych form organicznych – trojchlorometanu. Związki humusowe są najbardziej szkodliwe w połączeniach metaloorganicznych z metalami ciężkimi lub innymi uciążliwymi substancjami organicznymi i mineralnymi.
-fenol- jest to związek organiczny zawierający grupę wodorotlenową z pierścieniem aromatycznym. Fenole i ich pochodne są w pewnym stopniu wskaźnikiem zanieczyszczenia wody ściekami przemysłowymi. Do wód powierzchniowych dostają się wraz ze ściekami miejskimi z różnych gałęzi przemysłu jak np. chemiczny, z gazowni i koksowni, rafinerii, fabryk tworzyw sztucznych. Fenol i jego pochodne jest niepożądanym składnikiem wód. Ulega w pewnym stopniu rozkładowi w procesie samooczyszczania się rzeki, lecz wiąże się to ze zużyciem tlenu i możliwością występowania deficytu tlenowego. W dużych stężeniach jest bardzo toksyczny dla organizmów wodnych. Obecność fenolu w wodzie ogranicza jej użytkowanie do hodowli ryb, gdyż nawet w bardzo małych stężeniach przechodzi do ich mięsa gdzie się kumuluje, nadając mu nieprzyjemny smak i zapach. Woda zawierająca fenol i poddawana procesowi chlorowania posiada charakterystyczny ‘’apteczny’’ zapach umożliwiający jej użycie. Zjawisko to występuje przy stężeniu fenoli w wodzie powyżej 0,005 mg/dm3.
-substancje powierzchniowo czynne;- są to substancje koncentrujące się na powierzchni wody, w tym samym obniżające jej napięcie powierzchniowe. Według charakteru granicy faz na której wykorzystywane są ich właściwości dzieli się je na:
A środki pieniące działają na granicy faz ciecz/gaz
B środki emulgujące [emulgatory] działają na granicy faz ciecz/ciecz
C środki zwilżające działające na granicy ciecz/ ciało stałe
Cząsteczka związku powierzchniowo czynnego składa się z długiego łańcucha hydrofobowego np. CH3(CH2)nOH; CH3(CH2)nCOOH; CH3(CH2)nNH2 oraz grupy hydrofilowej do której zalicza się OH, COOH, NH2 Grupy hydrofobowe mają wartość n=6-16. Łańcuch hydrofobowy może być alifatyczny prosty lub rozgałęziony oraz skondensowany z rdzeniem aromatycznym. Cząstki SPC mają tendencję do gromadzenia się na granicy dwóch faz o różnych stałych dielektrycznych. Hydrofobowa cześć cząsteczki ustawia się w fazie o mniejszej stałej dielektrycznej, natomiast część hydrofilowa w fazie większej stałej. Powoduje to w pierwszym przypadku rozluźnienie struktury brudu i daje efekt prania (pozwala na zwilżenie i zemulgowanie). W drugim przypadku tj. na granicy ciecz / gaz cząsteczki SPC blokujące powierzchnie uniemożliwia wymianę gazową.
Najliczniejszą grupę SPC stanowią detergenty czyli sztuczne środki piorące. Zawierają one w swoim składzie 15-30% SPC oraz 70-80% innych środków wspomagających jak; polifosforany, chemiczne środki bielące, soda, borany. Środki zapachowe. Detergenty posiadają budowę zbliżoną do środków powierzchniowo czynnych jakimi są mydła
Następuje łatwiejsze zwilżenie pranych przedmiotów i wyniku tarcia mechanicznego powstaje z brudu i mydła emulsja którą wypłukuje się z woda. Efektywność działania mydła zależy od temperatury i miękkości wody. W wodzie twardej część mydła wytrąca się w postaci soli wapiennej, powodując jego zużycie. Z tego powodu zastosowano syntetyczne SPC. Wyższość SPC w stosunku do -30% mydła polega na tym że SPC są niewrażliwe na twardość wody [nie tworzą osadów z jonami wapnia i magnezu] nie wymagają wysokiej temperatury, mają większe właściwości zwilżające tworzą obfitą pianę, łatwiej się rozpuszczają w wodzie i maja lepsze właściwości piorące niż mydło. Pod wzgl. chemicznym detergenty są solami zasadami lub związkami niejonowymi. Z punktu widzenia rodzaju powstającego jonu dzielimy detergenty na:
A anionowe – posiadające grupę polarną SO3Na
B kationowe – posiadające polarna grupę kationową (IV rzędowa grupa amoniowa)
C amfolityczne – zawierają cząsteczkę polarną o dominującej grupie hydrofilowej nadającej SPC właściwości powierzchniowo czynne.
D – niejonowe -zawierające niejonowa grupę polarna. Nie tworzą jonów w roztworze
Z punktu widzenia podatności na rozkład biochemiczny dzielimy detergenty na: miękkie i twarde. Do twardych czyli nie ulegających procesom biochemicznego rozkładu należą detergenty kationowe oraz część jonowych. Obecność SPC zmienia właściwości organoleptyczne wody, wywołuje pienienie się wód wpływa niekorzystnie na procesy samooczyszczenia oraz oddziaływuje toksycznie na organizmy roślinne i zwierzęce. Stopień tego oddziaływania jest różny i zależy od rodzaju i stężenia SPC (zawartość w wodzie pitnej stanowi zagrożenie dla człowieka, ułatwiając przenikanie i wchłanianie substancji szkodliwych). Detergenty tworząc pianę powodują śniecie ryb z powodu braku tlenu. Przy stężeniu 0,3-0,4 mg SPC/dm3 powstaje trwała piana. Zawartość 1 mg SPC zmniejsza zdolność aeracji wody o ok. 60%.detergenty anionowe szkodliwie wpływają na plankton i rośliny wodne, przy stężeniu 15-70 mg/dm3, kationowe i niejonowe wykazuje zahamowania rozwoju roślin wodnych przy stężeniu 1 mg/dm3. SPC zmniejsza efektywność procesów uzdatniania wody. W wodzie przeznaczonej do picia i na potrzeby gospodarcze stężenie detergentów nie powinno przekraczać 0,2 mg/dm3
A zoocydy które dzielimy na:
insektycydy- środki owadobójcze
akarcydy – środki do niszczenia roztoczy roślinnych
rodencydy –środki przeciw gryzoniom
moluskocydy- środki do zwalczania ślimaków
limacydy –środki do zwalczania ślimaków nagich
nematocydy- środki nicieniobójcze
owicydy- środki do zwalczania jaj owadów i roztoczy
B herbicydy – środki chwastobójcze
C fungicydy-środki grzybobójcze
fumicjanty – środki do gazowania
atraktanty- zwabiające
repelemity –środki odstraszające
D regulatory wzrostu roślin –środki stymulujące lub hamujące rozwój roślin.
Najszersze zastosowanie w praktyce znajdują insektycydy oraz herbicydy i fungicydy.
Insektycydy pod wzgl. chem stanowią dwie grupy związków; chlorowane węglowodory aromatyczne i zw. fosforoorganiczne.
-węglowodory chlorowane – odznaczają się dużą twardością, trudno ulegają biodegradacji, kumulują się w organizmach żywych, bardzo długo pozostają w glebie i w wodzie. Do najważniejszych węglowodorów należą;
DDT którego cecha charakterystyczna jest praktycznie całko-wita odporność na rozkład biochemiczny. Z tego względu stosowanie DDT jak i preparatów w skład których wchodzi jest zabronione. W wodzie do picia stężenie DDT nie może przekraczać 0,03mg/dm3.
Metoksychlor (DMDT)jest najmniej szkodliwym środkiem z tej grupy związków nieznacznie kumuluje się w tkance tłuszczowej. W wodzie do picia stężenie DMDT nie może przekraczać 0,01mg/dm3.
Lindan [HCH]w wodzie do picia stężenie HCH nie może przekraczać 0,04mg/dm3
-zw. fosforoorganiczne – są mniej szkodliwe dla środowiska, łatwiej ulegają biodegradacji, produkty rozkładu są na ogół mniej toksyczne. Wśród licznych pestycydów fosforoorganicznych znajdują się takie związki jak;
-foschlor – pochodna kwasu fosforowego ulega szybko rozkładowi, działa krótkotrwale, stężenie w wodzie nie może przekroczyć 0,02 mg/dm3
-Malation – pochodna kwasu dwutiofosforowego niezbyt toksyczny stężenie w wodzie nie może przekraczać 0,05 mg/dm3
-Dichlorfos (DDVP) – należy do estrów kwasu fosforowego woda do picia może zawierać stężenie 0,02mg/dm3
-Metylopoaration – ester kwasu dwutiofosforowego, silna trucizna stężenie w wodzie do picia może wynosić 0,01 mg/dm3
-herbicydy: stosowane są do zwalczania chwastów działanie polega na nadmiernym pobudzaniu wzrostu roślin co prowadzi do ich obumierania. Prawie wszystkie herbicydy ulegają rozkładowi w środowisku naturalnym. Do związków tego typu należą: nieorganiczne zw. Arsenu, cjaniny, pochodne kwasów fenoksyoctowych, związki karbuminowe
-fungicydy: tworzą liczną grupę związków chem. Zarówno organicznych jak i nieorganicznych działających grzybobójczo lub grzybostatycznie.
-Wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne (WWA)
Przyczyna występowania WWA jest rozwój przemysłu a szczególnie petrochemicznego, koksowniczego i motoryzacyjnego. WWA mogą przedostać się do wód powierzchniowych z powierzchni ulic lub opadów atmosfer. Powodem powstawania WWA jest najczęściej niepełne spalanie. Do najbardziej niebezpiecznych WWA zalicza się 3.4 – benzopiren występujący w smole węglowej, sadzy, gazach ze silników spalinowych, w dymie papierosowym. Związki tego typu posiadają zdolność do kumulacji w organizmie. Wg. światowej org. Zdrowia w wodzie do picia dopuszcza się stężenie 0,2 mg WWA/dm3
Wg. uzyskanych doświadczeń przyjęto umowny podział wód w zależności od stwierdzonego stężenia WWA
-wody podziemne czyste 1-10
-wody podziemne słabo zanieczyszczone 10-50
-wody powierzchniowe umiarkowanie zanieczyszczone 10-100
-wody powierzchniowe silnie zanieczyszczone 100-1000
-ścieki do 100000
-Trójchlorowcometany THM
Jest to grupa związków organicznych o ogólnym wzorze CHX3 gdzie X oznacza F,Br,Cl,J. Związki te powstają podczas chlorowania wody zawierającej tzw. prekursory THM czyli związki organiczne które reagując z chlorem dają połączenie trójhalometanowe. Substancjami które mogą stanowić prekursory są: kwasy fluwowe, rezorycyna, fenole, anilana. THM powstaje w trakcie tzw. reakcji haloformowej czyli trzy atomy wodoru grupy metylowej podstawiane są kolejno atomami chloru (lub innego halogenu) czego efektem jest związek haloformowy i kwas karboksylowy. Reakcje te w skrócie można przedstawić następująco:
CH3COR + 3HOCl CCl3COR+3H2O
CCL3COR + H2O CHCl3 + RCOOH
3. WŁAŚCIWOŚCI WÓD
3.1 Właściwości fizyczne:
-Temperatura: optymalna temperatura wody do picia jest zawarta w granicach 7-12 C – temu warunkowi odpowiadają przeważnie wody podziemne. Wody powierzchniowe mają temp. wahającą się w granicach 0-35 C w zależności od pór roku i zrzutu wód podgrzanych. Wody podziemne mają temperaturę stałą i nie ulegają wahaniom cyklu rocznego. Gdy temp. wody podziemnej ulega wahaniom to świadczy to o jej kontakcie z wodami powierzchniowymi. Odprowadzanie wód podgrzanych do powierzchniowych wpływa na zmianę ich biocenozy. Znajomość temp. wód jest potrzebna do obliczania różnych postaci zasadowości i stabilności wodorowęglanów, do obliczania stopnia za-solenia i nasycenia wody gazami. Temp. nie jest bezpośrednim wskaźnikiem zanieczyszczenia wody ściekami ale jej wahania mogą świadczyć o jej zanieczyszczeniu.
W głębokich zbiornikach wodnych temp. jest różna na różnych głębokościach. Wiosną i jesienią w takich zbiornikach wskutek wymieszania się wód następuje pionowe przemieszczanie się wody co rzutuje na zmiany składu chemicznego. Większość zwierząt wodnych znosi zmiany temperatury w granicach 4-35 C powyżej 35 C następuje śniecie ryb.
-Barwa: w wodach naturalnych barwa wywołana może być obecnością niektórych jonów, związków humusowych lub zakwitania planktonu. Barwę wody oznacza się przez porównanie ze wzorcem. Wody naturalne wykazują barwę rzędu kilku jedno-stek. Wody zanieczyszczone mają barwę znacznie wyższą. W wodzie do picia nie powinno przekraczać 20mgPt/dm3.
-Mętność: wywołana jest obecnością ciał zawieszonych o rozdrobnieniu >1µ, czyli substancji koloidalnych. W wodach naturalnych stanowią ją głównie krzemiany i glinokrzemiany w postaci iłów gleby i gliny jak również szczątki wodnych organizmów roślinnych i zwierzęcych.
W wodach podziemnych mętność pojawiająca się po wydobyciu wody na powierzchnię związana jest z zaburzeniem równowagi chemicznej – dotyczy to wytrącania się osadów węglanu wapnia i wodorotlenku żelaza. W wodach zanieczyszczonych mętność spowodowana jest przez rozdrobnione lub rozłożone substancje organiczne pochodzące ze ścieków. Mętność wód powierzchniowych jest rzędu kilki do kilkunastu mg SiO2/dm3.
3.2 Wskaźniki charakteryzujące chemiczne właściwości wody
3.2.1 Właściwości wynikające z obecności związków nieorganicznych
-twardość: cecha wody związana z obecnością w wodzie jonów wapnia, magnezu, żelaza, manganu, glinu, cynku. Zawartość wapnia i magnezu w wodach naturalnych jest dużo większa od innych wymienionych pierwiastków wobec czego przy-jęto uważać za twardość wody całkowitą ilość jonów wapnia i magnezu. Wyodrębnienie tej własności wynika ze zdolności tworzenia przez te jony trudno rozpuszczalnych lub nierozpuszczalnych soli z anionami kwasów nieorganicznych i organicznych mydeł wapniowych, zw. z garbnikami. W zależności od rodzaju soli w jakiej występuje wapń, magnez, rozróżniamy twardość węglanową (węglany i kwaśne węglany) i niewęglanową (sole silnych kwasów jak siarczany, chlorki, azotany). Twardość wody wyraża się w stopniach twardości ( 1 stopień oznacza taka zawartość jonów wapnia i magnezu która odpowiada równo-ważnej ilości 10 mg CaO/dm3 lub w mval/dm3
Woda do picia nie powinna przekraczać 10 mval/dm3 twardości.
0-5 woda bardzo miękka, 5-10 miękka, 10-15 woda o średniej twardości, 15-20 o znacznej twardości, 20-30 woda twarda, powyżej 30 woda bardzo twarda.
-zasadowość: określa zdolność wody do przejmowania pro-tonów tj. do zobojętniania silnych kwasów mineralnych do określonego pH. Zdolność tą nadaje wodzie obecne w niej wodorowęglany i węglany głównie metali alkalicznych, wodorotlenki oraz nieznaczne ilości krzemianów, fosforanów i boranów.
W wodach naturalnych zasadowość pochodzi w przeważającej ilości od wodorowęglanów wapnia i magnezu. Mogą ja również powodować wodorowęglany i węglany sodu i potasu. W niektórych przypadkach w wodach naturalnych występują duże stężenia wodorowęglanów sodu i metali alkalicznych – wówczas zasadowość jest większa od twardości ogólnej a różnica miedzy nimi stanowi zasadowość alkaliczna. Zasadowość z punktu widzenia sanitarnego ma znaczenie drugorzędne natomiast jest istotna cecha wody ponieważ określa jej zdolność do buforowania wprowadzonych kwasów i zasad. Istotna jest również zasadowość w wodach przemysłowych.
-kwasowość: to zdolność do zobojętniania silnych zasad. Jest ona spowodowana obecnością dwutlenku węgla lub kwas-ów organicznych. Kwasowość mineralna występuje przy pH <4,4 a ogólna w zakresie pH 4,4 – 8,2. Kwasowość mineralna występuje wyjątkowo jedynie w wodach silnie zanieczyszczonych. Najczęściej kwasowość spowodowana jest przez wolny CO2. Wartość kwasowości ogólnej w wodach naturalnych jest rzędu ułamków mval/dm3
-odczyn: wynika ze stosunku pomiędzy jonami wodorowymi a wodorotlenowymi występującymi w roztworze: Odczyn wody za-leży od: stężenia wolnych słabych kwasów, stężenia ich soli, obecności hydrolizujących soli, obecności rozpuszczonych gazów.
Większość wód naturalnych charakteryzuje się wartością pH w granicach 6,5 – 8,5. Odstępstwa od normalnego odczynu mogą wystąpić w okresie letnim. Przy danym nasłonecznieniu procesy asymilacji zachodzą szybko pH wody wzrasta nawet do wartości 10
Powyższe zjawisko spowodowane jest całkowitym wyczerpaniem się rozpuszczonego CO2. Wodorowęglany obecne w wodzie wobec zaniknięcia CO2 jako czynnika równowagi węglanowej ulegają hydrolizie: Ca(HCO3)2 + H2O = Ca(OH)2 + 2H2CO3. Powstały wodorotlenek podnosi pH wody. W wodach silnie za-nieczyszczonych odczyn waha się w szerokich granicach przy czym podwyższanie odczynu obserwuje się częściej aniżeli ob.-niżanie pH poniżej zwykłego zakresu jest to spowodowane mniejszą pojemnością buforową wody w stosunku do jonów OH aniżeli w stosunku do jonów H ( stężenie CO2 jest rzędu ułamka mval/dm3 a stężenie wodorowęglanów rzędu kilku mval/dm3). Wody o odczynie kwaśnym są korozyjne, agresywne wobec be-tonu i stali. Odczyn wody ma podstawowe znaczenie dla proce-sów biochemicznych zachodzących w roztworach wodnych oraz organizmach żywych w przyrodzie.
-przewodnictwo: właściwe jest charakterystyczną cechą wody związaną z obecnością w niej jonów. W wodach naturalnych nie zanieczyszczonych występują głównie związki nie-organiczne dysocjujące na jony – wobec tego przewodnictwo jest doskonałym wskaźnikiem zawartości soli w wodzie. Jakość wody ze źródeł dostarczających wodę o stałym składzie chem. może być kontrolowana przy pomocy przewodnictwa - jego nagła zmiana świadczy o przedostaniu się zanieczyszczeń o charakterze nieorganicznym. Przewodnictwo właściwe wyraża się w µS/cm. Dla wód naturalnych wynosi 250 –500 uS/cm a dla wód zanieczyszczonych osiąga wart. 1000 uS/cm, dla ścieków 10000µS/cm. Przewodnictwo właściwe wykazuje dużą korelację z zawartością związków nieorganicznych.
3.2.2 Właściwości wody wynikające z obecności związków organicznych:
-BZT: jednym z podstawowych wskaźników pozwalającym ocenić zawartość substancji organicznych łatwo ulegających rozkładowi w warunkach tlenowych pod wpływem enzymów wydzielonych przez drobnoustroje głównie przez bakterie jest biochemiczne zapotrzebowanie na tlen BZT. Jest to pojęcie umowne określające ilość tlenu (w miligramach) potrzebną do biochemicznego utleniania związków organicznych łatwo utleniających się zawartych w 1dm3 wody w warunkach tlenowych i temp. 20ºC. Schemat reakcji:
związki org.CxHyO2 + O2 =(bakterie)= CO2 + H2O
Lub w postaci ogólnej:
E + S = ES = E + P
gdzie: E - enzym,
S-substrat (zw. organiczny),
ES – zw., przejściowy substratu z enzymem,
P – produkt utleniania.
Reakcja enzymatyczna przebiega w ten sposób, że początkowo utleniają się związki organiczne węglowe, a następnie azotowe:
NH3 + O2 =(bakterie)= NO-2 + O2=(bakterie)=NO-3
Utlenianie związków azotowych (nitryfikacja) następuje po upływie 9-10 dni a całkowity proces utleniania kończy się po ok. 100 dniach. Najszybciej zachodzą procesy biochemicznego utleniania w ciągu 5 dni, około 68% substancji org. ulega utlenieniu, a po 20 dobach do 99%. Przebieg biochemicznego rozkładu zw. org. opisuje:
dL/dt = -kL,
gdzie: L – całkowite zapotrzebowanie na tlen BZT100% (mg O2/dm3),
t – czas,
k – stała szybkości reakcji
Dla reakcji utleniania zw. org. jako miarę szybkości przyjęto zużycie tlenu.
y = L(1-10-kt)
gdzie: y – zawartość tlenu po czasie t.
Proces biochemicznego zapotrzebowania tlenu jest bardziej złożony i składa się głownie z procesu syntezy i oddychania komórkowego, wobec czego powyższe równanie należy traktować jako uproszczony opis matematyczny przebiegu procesu.
Nie wszystkie związki org. są w jednakowym stopniu podatne na rozkład biochemiczny. Szczególnie odporne są związki o dużym ciężarze cząsteczkowym oraz o rozgałęzionej budowie zawierającej boczne łańcuchy alifatyczne. Substancje takie zalicza się do substancji refrakcyjnych czy odpornych na rozkład biochemiczny. Związki te nie są wykazywane za pomocą wskaźnika BZT. Niektóre związki chemiczne nie tylko nie ulega-ją rozkładowi biochemicznemu lecz wykazują działanie toksyczne w stosunkach do bakterii a tym samym obniżają wynik BZT. Wskaźnik BZT w wodach powierzchniowych kilka mgO2 /dm3, w wodach zanieczyszczonych kilkanaście mgO2/dm3 a w ściekach BZT osiąga wartość setek a nawet tysięcy mgO2/dm3. Proces biochemicznego rozkładu substancji org. należy do podstawowych procesów samooczyszczania wód i oczyszczania ścieków.
-utlenialność: wskaźnik ten określa zawartość związków organicznych utleniających się w określonych warunkach tj. pod wpływem KmnO4 w środowisku kwaśnym w temp. wrzenia w czasie 30 min. Oprócz związków org. w warunkach tych ulegają utlenianiu związki nieorganiczne takie jak azotyny, siarczany, siarkowodór, jon żelazawy. Jest to wskaźnik umowny stosowany dla wód czystych i mało zanieczyszczonych oraz dla niektórych ścieków. Wartość tego wskaźnika dla wód naturalnych to kilka mgO2/dm3, dla wód zanieczyszczonych kilkanaście mgO2/dm3 dla ścieków kilkadziesiąt do kilkaset mgO2/dm3.
-CHZT to pojęcie umowne jak utlenialność oznacza ilość tlenu w mg pobraną z utleniacza (chromian, jodan, nadsiarczan) do utlenienia związków org. w 1 dm3 wody w środowisku kwaśnym w ściśle określonym czasie. W porównaniu z utlenialnością daje wyższy stopień utleniania związków org. (90-100%). Ze związków nieorganicznych utleniających się pod wpływem K2Cr2O7 można wymienić Fe+2, azotyny siarczany, siarczki, chlorki. Natomiast ze związków org. ulegających całkowitemu utlenieniu wymienić należy: węglowodany, rozgałęzione związki tłuszczowe, aromatyczne. Alkohole i aminokwasy mogą być utlenione całkowicie po użyciu katalizatora. Wartości CHZT są na ogół większe niż BZT. CHZT jest najbardziej dogodnym oznaczeniem dla określenia stężenia związków org. w ściekach przemysłowych w których obecność substancji toksycznych hamuje proces BZT5 a utlenialność wymaga znacznego rozcieńczenia próbki.
-Ogólny węgiel organiczny OWO: wskaźnik wyraża ogólną zawartość węgla związanego w związkach organicznych rozpuszczonych w wodzie poczynając od węglowodorów przez węglowodany i białka aż do detergentów i pestycydów. OWO jest wskaźnikiem zanieczyszczenia wody bardziej miarodajnym niż utlenialność, BZT, CHZT ponieważ obejmuje wszystkie związki organiczne. Wyniki OWO 10-w przeliczeniu na tlen w powiązaniu z BZT i CHZT pozwala w przybliżeniu określić czy substancje org. należą do związków ulegających rozkładowi chemicznemu czy też nie. Jeśli stosunek BZT5/OWO oraz CHZT/OWO jest znacznie mniejszy od jedności to w wodzie znajdują się związki organiczne trudno rozkładalne. Dla wód naturalnych OWO jest rzędu ułamków mg/dm3, w wodach zanieczyszczonych osiąga wielkość kilku do kilkunastu mg/dm3
-Ekstrakt węglowo – chloroformowy – EWCH (CCE): oznaczenie to obejmuje mikroilości szkodliwych zw.org absorbowanych z wodą na węglu aktywnym a następnie ekstrahowanych za pomocą chloroformu. Otrzymana po odprężeniu chloroformu pozostałość określa łączną masę niezidentyfikowanych związków zaabsorbowanych w warunkach oznaczenia na węglu aktywnym w mg/dm3. Oddzielona masa związków org. może zostać poddana szczegółowej analizie pozwalającej na zidentyfikowanie składników i oznaczeniu ich stężenia. W wodzie pitnej dopuszczalne stężenie EWCH waha się w granicach 0,2 – 0,5 mg/dm3. W wodach powierzchniowych nie zanieczyszczonych EWCH nie powinno przekroczyć 0,05 mg/dm3
4. FIZYKOCHEMICZNE WŁAŚCIWOŚCI CZĄSTECZKI WODY
Woda jest związkiem wodoru i tlenu, który określa skład jakościowy i ilościowy wody. Skład pierwiastków wchodzących w skład cząsteczki wody jest następujący: 11,2% H i 88,8% O.
Sumaryczny wzór chemiczny nie wyjaśnia właściwości fizycznych i chemicznych danego związku chemicznego. Własności te zależą od budowy cząsteczki. Stwierdzono,że kształt cząsteczki wody nie jest wydłużony, lecz odpowiada trójkątowi. W jednym z jego wierzchołków znajduje się atom tlenu, a w dwóch pozostałych atomy wodoru. Atomy tworzące cząsteczkę wody są połączone wiązaniami chemicznymi – pomiędzy atomem tlenu a wodoru istnieje wiązanie kowalencyjne spolaryzowane. Atom tlenu (elektro ujemny) silniej przyciąga wspólną parę elektronowa, czyli zwiększa się gęstość elektronowa przy atomie tlenu oraz skupienie ładunków elektronów na atomów wodoru. Ze względu na swą budowę przestrzenną i spolaryzowane wiązanie atomowe cząsteczka wody jest biegu-nowa czyli polarna. Cząsteczka wody ma niesymetryczny rozkład ładunków elektrycznych (środki ładunków ujemnych i dodatnich nie pokrywają się). Cząstki polarności charakteryzuje się za pomocą tzw. momentu dipolowego,który jest równy iloczynowi bezwzględnej wartości ładunku jednego z biegunów dipola i odległości pomiędzy biegunami. Polarność cząsteczki wody jest przyczyną asocjacji i hydratacji.
W stanie pary woda składa się z pojedynczych cząsteczek H2O. Najwyższy stopień asocjacji powstaje w temp. od 276-277K w tej temp. woda zawiera najwięcej asocjatów cząsteczkowych (H2O)2 które w niższej temp. tworzą zespoły trójcząsteczkowe a w wyższej rozpadają się na pojedyncze cząsteczki H2O wg. równania
2(H2O)3=3(H2O)2=6H2O
Woda w stanie ciekłym jest mieszaniną pojedynczych cząsteczek H2O i różnych asocjatów (dwu i trójcząsteczkowych). Wiązania wodorowe warunkują dużą spoistość wody, jej zdolność do silnego przylegania do różnych powierzchni i ich zwilżania.
-Właściwości fizyczne wody służą do definicji wielu jednostek i stałych fizycznych np. temperatura krzepnięcia wody - 0°, temperatura wrzenia - 100°.
-Ciekły stan wody jest to stan
Woda dzięki omówionym właściwością takim jak: zdolność jonizacji, rozpuszczania i hydratacji jest szczególnie korzystnym środowiskiem różnych przemian i reakcji chemicznych, naturalnych.
| sezon | wiosna | lato | jesień |
|---|---|---|---|
| stanowisko | 1 | 2 | 3 |
| Temperatura wody ° C | 11 | 15 | 15 |
| Zawiesiny og. mg*dm-3 | 13 | 38 | 5 |
| Przewodnictwo µS*cm-1 | 520 | 354 | 362 |
| Odczyn pH | 7,7 | 8,2 | 7,7 |
| O2 mg*dm-3 | 11 | 12 | 12 |
| O2 % nasycenia | 102 | 111 | 121 |
| BZT5 | 6,4 | 5,6 | 6,7 |
| Subst. pow. czynne | 5,1 | 1,5 | 1,7 |
| ChZT | 8,6 | 12 | 14 |
| Nog. | 3,5 | 3 | 3,3 |
| NO3 | 1,4 | 0,4 | 0,4 |
| NH4 | 0,2 | 0,1 | 0,2 |
| Pog. | 0,3 | 0,1 | 0,1 |
| PO4 | 51 | 10 | 22 |
| Na | 5,4 | 6 | 6 |
| K | 2,5 | 2,6 | 2,7 |
| Mg | 2,5 | 2,6 | 2,7 |