Учебный центр «Крисмас+»

Сезонное исследование химического состава природных вод питьевого назначения

Богданов Андрей, Лукоянова Марина, школа №252 Санкт-Петербурга.
Руководитель работы: Михеева Оксана Сергеевна, учитель химии высшей категории школы №252

В процессе работы исследовались водопроводная вода Красносельского района, где питьевая вода неодинакова по химическому составу. В микрорайон школы (Сосновая поляна, Санкт-Петербург) в водопровод поступает невская вода, которая прошла очистку на водоочистной станции. В Красное село и в посёлок Горелово питьевая вода поступает из глубинных скважин (Орловские и Варварецкие ключи). Эта вода обладает повышенной жесткостью. При её кипячении выпадает осадок белого цвета, на стенках бытовых нагревательных приборов осаждается накипь. Также была исследована вода из колодца, источника нецентрализованного водоснабжения окраины города Гатчины.
Анализ воды проводился сезонно: в середине весны, лета, осени, зимы.

Цель работы: исследование химического состава вод, оценка пригодности данных вод для питьевого и хозяйственного водоснабжения.

Задачи исследовательской работы:
- знакомство с классификацией вод и с их химическим составом;
- овладение методами и методикой исследования химического состава воды;
- сравнение химического состава вод различных источников;
- сравнение химического состава вод по сезонам;
- оценка экологического состояния природных вод.

В ходе исследования использовались такие методы, как титриметрический, визуально-колориметрический, турбидиметрический. Определялись следующие характеристики воды: цветность, водородный показатель, наличие и количественный состав ионов: HCO₃^-, CO₃^2-, Na⁺, K⁺, Cl^-, SO₄^2-, NH₄⁺, Fe общее (Fe²⁺ + Fe³⁺) и общая жёсткость (Ca²⁺ + Mg²⁺).

Результаты исследования природной воды разных источников.
Для исследования были взяты пробы 3-х питьевых вод: водопроводной воды микрорайона Сосновая поляна Красносельского района Санкт-Петербурга (источник – река Нева), водопроводной воды микрорайона Красное село (источник – подземные воды) и колодезной воды окраины города Гатчина. Точки отбора проб см. на рис. 1. Для исследования были взяты пробы 3-х питьевых вод: водопроводной воды микрорайона Сосновая поляна Красносельского района Санкт-Петербурга (источник – река Нева), водопроводной воды микрорайона Красное село (источник – подземные воды) и колодезной воды окраины города Гатчина. Точки отбора проб см. на карте 1.

Карта 1. Точки отбора проб воды для исследования по показателю "Общая жесткость".

По результатам исследования видно, что химический состав вод разного происхождения существенно отличается друг от друга по цветности, общей жёсткости, концентрации гидрокарбонат-, хлорид-, сульфат-анионов, сумме катионов натрия и калия, содержанию общего железа. (см. диаграмму №1).

Диаграмма №1.

Состав вод схож по рН и отсутствию катионов алюминия. 
Наибольшее отличие – показатели общей жесткости и концентрации гидрокарбонат-ионов. (см. диаграмму №2).

Диаграмма №2.

Вода невская водопроводная мягкая (жесткость 1 мг-экв/л), колодезная нецентрализованного источника водоснабжения окраины города Гатчина – средней жесткости (6 мг-экв/л), а вода централизованного источника водоснабжения в Красном селе жесткая (9 мг-экв/л). Наивысший показатель концентрации гидрокарбонат-ионов наблюдается у колодезной воды, высокий – у водопроводной в Красном селе и низкий – у водопроводной невской. В поверхностной воде выше концентрация общего железа и ионов аммония.
Водопроводная невская вода имеет малую минерализацию (до 200 мг/л), порядок преобладающих ионов соответствует рекам такой классификации. (см. диаграмму №3).

Диаграмма №3.

Водопроводная вода Красного села пресная (до 1 г/л), с повышенной минерализацией (500-1000 мг/л). (см. диаграмму №4).

Диаграмма №4.

Колодезная вода г. Гатчины пресная (до 1 г/л), с повышенной минерализацией (500-1000 мг/л), но содержание солей в ней меньше, чем у воды централизованного источника водоснабжения в Красном селе.(см. диаграмма №5).

Диаграмма №5.

Следует отметить, что по исследованным показателям все три воды соответствуют нормативу качества. Вода, имеющая общую жесткость больше 7 мг-экв/л, может использоваться для питья только по специальному распоряжению главного врача санэпидемслужбы.
Воды централизованного водоснабжения можно использовать для питья, их качество контролируется санэпидемслужбой. Колодезную воду, прежде чем использовать для питья, мы рекомендовали бы дополнительные бактериологические исследования и определение концентраций азотных форм и суммы тяжёлых металлов.

Результаты исследования химического состава природных вод в разные времена года.
Анализ воды каждого источника проводился 4 раза в год по сезонам: в апреле 2009 года, в июле 2009 года, в ноябре 2009 года и в январе 2010 года.
А) Водопроводная вода (источник – река Нева, место взятия пробы – Красносельский район).
По результатам исследования видно, что в течение года по сезонам химический состав воды отличается по рН (весной и летом - 7.0, осенью и зимой – 6,5). Предполагаем, это связано с понижением температуры воды в осенний и зимний период, с увеличением растворимости углекислого газа. Также фиксируется изменение цветности, общего железа и концентрации ионов аммония.
В летний период фиксируются самые высокие показатели общего железа, концентрации ионов аммония. Это может быть связано с уменьшением скорости потока воды в летний период (взятие проб воды производилось в школе, когда потребление воды невысокое), увеличением застоя воды, а также с увеличением коррозии. Увеличение концентрации ионов аммония может быть связано с повышенной деятельностью организмов в поверхностной воде летом. Оставалась постоянной общая жесткость, концентрация сульфат-ионов, мало изменялась концентрация хлорид-, гидрокарбонат-ионов и катионов натрия и калия.
Весной, летом и зимой показатели воды соответствовали нормативу качества. Осенью было превышение ПДК по цветности и общему железу. Использовать такую воду для питья без дополнительной очистки, например, фильтра, нельзя. Так как превышение общего железа и цветности одновременное, то это говорит, скорее всего, о состоянии водопроводной системы, о застое воды в трубах, что вызвало увеличение концентрации продуктов коррозии железа.

Б) Водопроводная вода (источник – подземные воды, место забора – Красное село).
По результатам исследования видно, что в течение года по сезонам химический состав воды изменялся, но по-иному. Наблюдается отсутствие цветности, ионов алюминия, близкие значения концентрации сульфат-ионов и рН раствора в течение исследуемого периода. Изменялись показатели концентрации ионов аммония, железа, карбонат и хлорид-анионов. Показатель общей жесткости в ноябре был минимальным. Концентрация ионов аммония повысилась осенью, железа – зимой и также осенью. Изменение концентрации ионов железа наблюдалось незначительное, что, скорее всего, зависело от состояния труб, скорости тока или застоя воды в них или от погрешности измерения колориметрическим методом. Максимальная концентрация хлорид-ионов наблюдалась осенью.
Существеннее всего изменялась концентрация гидрокарбонат-ионов.
В каждом сезоне показатели воды соответствовали нормативу качества.

В) Колодезная вода (источник- подземные воды, место забора – окраина города Гатчина).
По результатам исследования видно, что в течение года по сезонам химический состав колодезной воды существенно изменялся. (см. диаграмму №6).

Диаграмма №6.

Одинаковые показатели только у рН (7,5), значительно изменялась общая жесткость, цветность, концентрация ионов аммония, натрия и калия, гидрокарбонат-, хлорид- и сульфат-ионов. Незначительно колебалась концентрация ионов железа.
Показатель общей жесткости был максимален осенью и минимален летом. Концентрация гидрокарбонат-ионов максимальна весной и минимальна зимой, сульфат-ионов максимальна зимой и минимальна осенью, хлорид-ионов максимальна осенью и минимальна летом. Существеннее всего изменялась концентрация гидрокарбонат-ионов: максимальна весной, минимальна зимой.
Значительно отличаются показатели цветности: минимальные зимой (00), максимальные летом (400). (см. диаграмму №7).

Диаграмма №7.

200- весной, в период пробуждения растений после зимней спячки, ниже (100) – осенью. Такое резкое изменение, вероятнее всего, сильно зависит от сезонных процессов в почве, от усиленного притока грунтовых вод летом и весной. Резкое отличие большинства показателей воды говорит о высокой доли грунтовых вод в питании данного источника.
Летом вода не соответствовала нормативу качества по цветности и концентрации ионов аммония, что говорит об увеличении количества гуминовых и фульевых кислот, образующихся при разложении остатков растений, продуктов жизнедеятельности и распада организмов. Употреблять ее в данный период для питья нельзя. Признать воду пригодной для питья при жесткости больше 7 мг-экв/л может только санэпидемслужба, проведя полный гидрохимический и бактериологический анализ.

Выводы
1. Химический состав вод разного происхождения различный. Гидрохимические показатели поверхностных и подземных вод отличаются по цветности, общей жёсткости, концентрации гидрокарбонат-, хлорид-, сульфат-анионов, сумме катионов натрия и калия, содержанию общего железа. Наибольшее отличие наблюдается по общей жесткости и концентрации гидрокарбонат-ионов.
2. Водопроводная невская вода имеет малую минерализацию (до 200 мг/л), гидрокарбонатно-кальциевая, магниевая, мягкая (жесткость 1мг-экв/л), порядок преобладающих ионов соответствует рекам такой классификации.
3. Водопроводная вода Красного села пресная (до 1 г/л), с повышенной минерализацией (500-1000 мг/л), жесткая (9 мг-экв/л), гидрокарбонатно-кальциево магниевая.
4. Колодезная вода города Гатчины пресная (до 1 г/л), средней жесткости (6мг-экв/л), с повышенной минерализацией (500-1000 мг/л), но содержание солей в ней меньше, чем у воды централизованного источника водоснабжения в Красном селе.
5. Воды из всех источников имеют сезонные изменения. У поверхностной невской воды изменяются рН, цветность, общее железо и концентрация ионов аммония, остальные показатели изменялись несущественно. У воды из скважины изменялись показатели концентрации гидрокарбонат-, хлорид-анионов, ионов аммония, и в меньшей степени общая жесткость и общее железо. Химический состав колодезной воды больше всего изменялся по сезонам. Такое резкое изменение, вероятнее всего, зависит от сезонных процессов в почве, от высокой доли грунтовых вод в питании данного источника.
6. Водопроводная (подземная и поверхностная) вода Красносельского района пригодна для питья. Показатели цветности и общего железа водопроводной невской воды единожды (осенью) превысили ПДК. Следовательно, целесообразно использовать доочистку воды с помощью бытовых фильтров. Колодезная вода пригодна для хозяйственных нужд. Для решения использования её в качестве питья необходимо проведение дополнительных гидрохимических и бактериологических исследований и доочистка.

Источники информации в литературе и Интернете
1. Богдановский Г.А. Химическая экология.-М.:Изд-во МГУ.1994.
2. Лосев К.С. Вода. – Ленинград: Гидрометеоиздат, 1989.
3. Муравьёв А.Г. Руководство по определению показателей качества воды полевыми методами. – СПб: Крисмас+, 2005.
4. Муравьёв А.Г. Экологический практикум для школьников. - СПб: Крисмас+, 2003.
5. Никаноров А.М., Посохов Е.В. Гидрохимия. – Ленинград: Гидрометеоиздат, 1985.
6. Подземные_воды. Поверхностные воды// http://ru.wikipedia.org/wiki/ - 09- 2009
7. Поверхностные воды // http://prom-water.ru – 12-2009
8. Питьевая вода// http://staroderbenovskaya.ru – 10- 2009

Приложение - фотоматериалы.

Фото 1. Оборудование для исследований.

Фото 2, 3. Использование колорометрического и титриметрического методов.

Фото 4. Использование турбидиметрического метода.

Мультимедийная презентация

См. также

Учебное оборудование производства ЗАО «Крисмас+» для исследования водоемов и воды

Путеводитель по выбору оборудования для учебно-исследовательских работ

Этот материал опубликован в Сборнике тезисов участников V Всероссийского конкурса с международным участием «Инструментальные исследования окружающей среды»