Hydrochemie

Amoniakální dusík

 Amoniakální dusík se vyskytuje téměř ve všech typech vod. Je primárním produktem rozkladu organických dusíkatých látek živočišného i rostlinného původu. Organického původu je rovněž ve splaškových a odpadních vodách ze zemědělských výrob. Může vznikat přímo ve vodě redukcí dusitanů nebo dusičnanů. Anorganického původu je v odpadních vodách z tepelného zpracování uhlí, může být obsažen i v pitných vodách dezinfikovaných chloraminací. Plynný amoniak (molekulární, nedisociovaná forma NH3) se ve vodě ihned rozpouští za tvorby amonných solí (iontová, disociovaná forma NH4+). Vzájemný poměr obou forem závisí na pH a teplotě.

Závislost mezi pH, teplotou a procentuálním obsahem toxické formy (NH3) amoniakálního dusíku.

Atmosférické vody obsahují amoniakální dusík obvykle v desetinách mg.l-1, v průmyslových oblastech může jeho koncentrace vzrůst až na jednotky. Podzemní vody obsahují obvykle do 0,1 mg.l-1 N-NH4+, vyšší koncentrace u vod v kontaktu s vodami ropnými     (i přes 100 mg.l-1 N-NH4+). Čisté povrchové vody obvykle jen stopy, max. desetinu mg.l-1,  v znečištěných vodách i desítky mg.l-1. Mořská voda ve svrchních vrstvách pouze desítky µg.l-1, ve větších hloubkách až jednotky mg.l-1 N-NH4+. Amoniakální dusík je v přírodních vodách za aerobních podmínek velmi nestálý. Biochemickou oxidací (nitrifikací) přechází na dusíkaté sloučeniny vyšších oxidačních stupňů.

Patří mezi ukazatele chemického složení povrchových vod, podle nichž se řadí do tříd čistoty. Je závažným ukazatelem při vypouštění odpadních vod do vod povrchových. Obsah amoniaku je sledován při kontrole provozu a účinnosti biologických čistíren. U pitné vody slouží obsah amoniakálního dusíku jako indikátor znečištění živočišnými odpady (nutno vyloučit anorganický původ a vznik z rozkladu látek rostlinného původu). Amoniakální dusík je nezbytný pro tvorbu nové biomasy mikroorganizmů. Činností heterotrofních a autotrofních organizmů je přeměňován na dusík organicky vázaný.

Amoniakální dusík ve formě amonných solí je pro hydrobionty neškodný i v množství několika desítek mg.l-1, plynný amoniak je pro ryby však značně toxický. Hranice toxicity pro tlouště je 1,0 - 1,2 mg.l-1, pro plůdek pstruha duhového však již 0,006 - 0,010 mg.l-1. LC50 pro kaprovité 1,0-1,5 mg.l-1 NH3, pro lososovité 0,5-0,8 mg.l-1 NH3. Maximální přípustná koncentrace pro kaprovité 0,05 mg.l-1 NH3, pro lososovité 0,0125 mg.l-1 NH3

Ryby se zbavují přes 90 % veškerého amoniaku, vznikajícího v důsledku metabolismu v jejich těle uvolňováním přes žábry na základě koncentračního spádu. Stoupající koncentrace amoniaku v okolní vodě tak může bránit a posléze i zablokovat další uvolňování amoniaku z těla ryb. To může vést postupně až k autointoxikaci ryb,  jejich onemocnění a posléze i úhynu. Ryby zasažené toxickým amoniakem jeví neklid, nouzově dýchají, typickým znakem jsou křeče svaloviny, světlá barva, žábry překrvené a zahleněné, drobné krváceniny. Toxicita amoniaku stoupá se snižující se koncentrací kyslíku.

Koncentrace amoniakálního dusíku se ve vodě vyjadřuje hmotnostní koncentrací v mg.l-1 jako NH4+, NH3, nebo N-NH4+, N-NH3 popř. N-(NH3+ NH4+). Používanými analytickými postupy nelze rozlišit jednotlivé formy (stanoví se vždy součet obou) lze obsah amoniakálního dusíku vyjadřovat jako N (amoniakální N) v mg.l-1 nebo mmol.l-1. Pro přímé stanovení amoniakálního dusíku se celosvětově používá indofenolová spektrofotometrická metoda. (dříve metoda s Nesslerovým činidlem). Lze využít iontově selektivní elektrody (vhodní pro vzorky s vyšším obsahem amoniakálního dusíku).

Výpočet koncentrace toxické formy amoniakálního dusíku

Zjistěte koncentraci nedisociovaného amoniaku NH3, jestliže koncentrace celkového amoniakálního dusíku  N-NH4+ je 2,5 mg.l-1, hodnota pH vody je 9,5 a teplota vody 17°C.

Z tabulky vyplývá, že při dané teplotě vody a pH je 50,2% z celkového amoniakálního dusíku v nedisociované formě. Koncentrace N-NH3 = 2,5 . 50,2 / 100 = 2,5 . 0,502 = 1,255

Toxicita amoniaku je v literatuře obvykle uváděna  jako koncentrace NH3 a proto je nutné převést hodnotu N-NH3 na NH3. NH3 = 1,255 . přepočítávací koeficient (1,216) = 1,526

Koncentrace nedisociovaného amoniaku NH3 = 1,53 mg.l-1

Oxid uhličitý

Plynný CO2 je ve vodě snadno rozpustný (cca 200x rozpustnější než O2), takže jeho množství ve vodě je v poměru k jiným plynům vyšší, než odpovídá jeho objemovému podílu v ovzduší (0,03%). Na dalším zvýšení CO2 ve vodě se podílí bakteriální rozklad organické hmoty a dýchání vodních rostlin a živočichů. Rovněž voda prosakující půdními horizonty je obohacována CO2 z půdního vzduchu (obsah CO2 v půdní atmosféře obnáší až 3 objemová %). CO2 chemického původu vzniká rozkladem minerálů kyselými vodami, objevujícími se při oxidaci sulfidických rud, nebo se uvolňuje při oxidaci dvojmocného železa v hydrogenuhličitanových vodách.

CO2 je rozpuštěn ve vodě převážně v molekulární formě. Jen asi necelé 1 % reaguje s vodou za vzniku H2CO3. H2CO3 je ve vodě částečně disociována na ionty H+ a hydrogenuhličitanové ionty HCO3-. Ionty HCO3- dále disociují na ionty H+ a uhličitanové CO32- a zvyšují tak kyselost vody (pokles pH). Rozpuštěný CO2 ve vodě se nazývá volný oxid uhličitý a pod tímto pojmem se rozumí součet koncentrací volně hydratovaného CO2 a H2CO3. Iontové formy oxidu uhličitého představují ionty HCO3- a CO32-. V nich obsažený oxid uhličitý se nazývá vázaný a dělí se na hydrogenuhličitanový (bikarbonátový) a uhličitanový. Součet všech tří forem, volného, hydrogenuhličitanového a uhličitanového se nazývá veškerý oxid uhličitý.

Změny v relativním zastoupení jednotlivých forem anorganického uhlíku v povrchových vodách (Golterman, 1975)

Rozpuštěný volný oxid uhličitý je obsažen téměř ve všech přírodních vodách, jejichž pH nepřesahuje 8,3. Obsah CO2 se snižuje únikem do atmosféry, chemickou vazbou některými minerály (CaCO3) a odčerpáváním rostlinami při fotosyntetické asimilaci. V povrchových vodách jeho obsah nepřekračuje 20 - 30 mg.l-1. Podzemní vody obsahují obvykle několik desítek mg.l-1 CO2, vody minerální pak několik stovek až přes 1.000 mg.l-1 (kyselky). Ve stojatých vodách dochází ke stratifikaci obsahu CO2 vlivem fotosyntetické asimilace. Svrchní vrstvy obsahují obvykle méně volného CO2 než vrstvy spodní.

Hydrogenuhličitany (kyselé uhličitany) -  HCO3- jsou běžnou součástí všech přírodních vod. Atmosférické vody obsahují několik desítek mg.l-1 HCO3-, povrchové vody desítky až stovky mg.l-1, minerální vody stovky až tisíce mg.l-1. V mořské vodě je průměrně obsaženo jen 150 mg.l-1.

Uhličitany- CO32-se v podzemních a povrchových vodách zpravidla nevyskytují. Jejich výskyt je vázán na intenzivní fotosyntézu vodních rostlin, sinic a řas. Normální uhličitany se mohou vyskytovat též v užitkových nebo provozních vodách, které byly upraveny změkčením nebo odkyselováním (textilní průmysl, prádelny).

V důsledku intenzivní fotosyntézy může dojít k úplnému vyčerpání obsahu CO2 a tím vzrůstu pH nad 8,3. V eutrofních vodách může být tedy i látkou limitující rozvoj rostlin.

CaCO3 + H2O + CO↔ Ca2+ + 2 HCO3-

Po odčerpání volného CO2 dochází k rozkladu kyselých uhličitanů a pH vody může vystoupit až nad hodnotu 10,0, při rozkladu normálních uhličitanů pak až na hodnoty kolem pH 11,0.

CaCO3 → CaO + CO2

CaO+ H2O → Ca(OH)2

Rozpustnost CaCO3 ve vodě je asi 15 mg.l-1, pokud voda neobsahuje rozpuštěný CO2. Ustavuje se rovnovážný stav mezi ionty HCO3-, volným CO2, ionty Ca2+ a ionty CO32-. CO2 který je podle této rovnice v rovnováze s HCO3- a je nezbytný k tomu, aby se CaCO3 nevylučoval z roztoku nebo naopak nerozpouštěl, se nazývá rovnovážný (příslušný) oxid uhličitý. Je-li ve vodě přítomno větší množství volného CO2, než odpovídá uhličitanové rovnováze, má voda tendenci rozpouštět uhličitan vápenatý a hořečnatý. Soli vápníku a hořčíku se působením kyseliny uhličité mění na hydrogenuhličitany (kyselé uhličitany), čímž vzniká poměrně stálá chemická soustava, bránící většímu kolísání pH (ústojnost vody, ústojné neboli tlumivé roztoky, pufry).

Nadbytek CO2 ve vodě může vést ke ztíženému uvolňování vydechovaného CO(uvolňování přes žábry či jiné povrchy) z těl hydrobiontů. V přírodě však zpravidla k těmto extrémním stavům nedochází. Nadbytek CO2 se kombinuje s dalšími nepříznivými faktory, zpravidla s nedostatkem kyslíku, nízkým pH a zvýšeným obsahem Fe. Rozdíl mezi obsahem volného a rovnovážného CO2 se nazývá nadbytečný (agresivní) oxid uhličitý. Část nebo veškerý nadbytečný CO2 může působit agresivně na různé materiály. Je-li ve vodě přítomno naopak menší množství volného CO2 než odpovídá rovnovážnému stavu, má voda tendenci vylučovat CaCO3 a tvořit inkrustace.

Oxid uhličitý - stanovení

Volný CO2 by bylo možno ve vodě titrovat roztokem hydroxidu. V praxi se obvykle provádí stanovení výpočtem. Stanovení je totožné se stanovením celkové acidity, kdy reaguje CO2 s titračním roztokem hydroxidu, přičemž vzniká kyselý uhličitan. Výpočet má platnost jen potud, pokud je acidita tvořena výhradně rozpuštěným CO2. Výpočet se nedá použít, má-li vzorek zjevnou aciditu, neboť pH menší než 4,5 indikuje přítomnost silných kyselin.

Výpočet:  volný CO2 v mg.l-1  =  celková acidita v mmol.l-1. 44

K přesnějšímu výpočtu jednotlivých forem oxidu uhličitého lze využít složitý výpočet s řadou tabelárních hodnot. K provedení výpočtu je nutno do vzorce dodat teplotu vody (T - ºC) KNK4,5 (K - mmol.l-1)a hodnotu pH. Výsledek nám udá celkovou koncentraci anorganického uhlíku v mmol.l-1 i koncentraci jednotlivých forem (C-CO2, C-HCO3, C-CO3).

Sirovodík

Sirovodík a jeho iontové formy se vyskytují v přírodních vodách jen zřídka a pouze v malých koncentracích (vzhledem k jejich snadné oxidaci). Anorganického původu je sirovodík vznikající rozkladem sulfidických rud a biologickou redukcí síranů, dalším zdrojem mohou být vulkanické exhalace. Organického původu je sirovodík vzniklý biologickým rozkladem organických sirných látek v anaerobním prostředí. Umělým zdrojem mohou být odpadní vody z koželužen, tepelného zpracování uhlí, zpracování ropy, barvíren aj. Ve vodách se nedisociovaný sirovodík (H2S) vyskytuje při nižším pH (pod 6), při vyšších hodnotách je převážně ve formě jednoduchých iontů (S2- a HS-).

Sirovodík je jedovatý plyn, který se ve vodách vyskytuje nejčastěji u dna, kde je nedostatek kyslíku. V aerobním prostředí je nestabilní a podléhá postupně oxidaci až na sírany (SO42-). Minerální vody obsahující minimálně 1 mg.l-1 S-H2S se označují jako vody sirné (sirovodíkové). Bohaté na obsah sirovodíku jsou minerální vody ropného původu. Množství sirovodíku u dna hlubokých nádrží, kam proniká kyslík jen pozvolna, může být značné. Jeho koncentrace v hypolimniu jezer může dosáhnout hodnot až stovek mg.l-1. Např. v Černém moři je bez sirovodíku pouze horní vrstva vody o síle 150-200 m, zatímco níže ležící vrstvy jsou sirovodíkem nasyceny a tudíž bez života.

Na horní hranici sirovodíkové zóny dochází často k rozvoji sirných baktérií, které syntetizují organické látky ze sirovodíku v procesu chemosyntézy. H2S a jeho iontové formy mohou být příčinou koroze zdiva vodních staveb. Vznikající sirovodík je biochemicky oxidován až volnou H2SO4 baktériemi obsaženými v slizových vrstvách na stěnách staveb. Norma pro pitnou vodu připouští nejvýše 0,01 mg.l-1, ve vodárenských tocích se přítomnost H2S  nepřipouští, v ostatních může být nejvýše 0,1 mg.l-1. Pro vodní živočichy je sirovodík jedovatý. Letální koncentrace pro ryby se pohybuje od 0,4 mg.l-1 (lososovité) do 4 mg.l-1 H2S (karas, lín). Při vyšším pH toxicita H2S klesá.

Sirovodík - stanovení

Již velmi malá množství sirovodíku lze prokázat pouhým čichem, zvláště při zahřátí vzorku. Pach sirovodíku je zřetelný od koncentrace 0,01 mg.l-1. Pro rybářskou praxi zcela postačuje kvalitativní důkaz sirovodíku. Pro tento účel je vhodná zkouška s nitroprussidem sodným Na2Fe(CN)5NO, který se sirovodíkem tvoří fialově zbarvené roztoky. Ke vzorku vody se přidá několik kapek čerstvě připraveného roztoku nitroprussidu sodného a několik kapek roztoku NaOH. Fialové zbarvení je důkazem přítomnosti sirovodíku. Citlivost zkoušky je 2,5 . 10-4 mg.l-1 H2S.

Chlor

Volný chlór se v přírodních vodách nevyskytuje. Chlor je nejčastěji používaným dezinfekčním činidlem ve vodárenství, navíc se používá k bakteriologickému zabezpečení nezávadnosti vody. Volný chlór se používá jako bělicí prostředek v různých průmyslových odvětvích (textilní a papírenský průmysl), může se též objevit v odpadních vodách z čistíren, cukrovarů a škrobáren, nemocnic a lázeňských zařízení aj. Volný chlór působí na vodní organizmy a ryby toxicky. Rozrušuje žábra (žaberní lístky se bělavě zbarvují) až po úplné odumírání žaberního epitelu. Při nižších teplotách je účinek silnější, poněvadž se chlór ve vodě déle udrží, zatímco při vyšších teplotách se chlór rychle váže především na organické látky. 

Koncentrace 0,04-0,2 mg.l-1 aktivního chloru je při dlouhodobém působení toxická pro většinu ryb. Chlorovaná pitná voda obsahuje 0,05 až 0,3 mg.l-1 aktivního chloru.

Chlor - stanovení

Ke stanovení aktivního chlóru ve vodách se nejčastěji používají metody odměrné, spektrometrické a polarografické. V laboratořích se běžně používá spektrofotometrická metoda s o-tolidinem  nebo DPD (N,N-diethyl-1,4-fenylendiamin).

Metan

Metan neboli bahenní plyn vzniká ve vodách při rozkladu celulózy. Plyn je bez zápachu a jeho toxicita není výrazná. K nebezpečnému nahromadění metanu pro ryby ve vodě může dojít v zimě pod ledem. Jeho množství ve vodě může dosáhnout několika mg.l-1. Jedovatost metanu je nepřímá, vytlačuje z vody kyslík a tak může způsobit dušení ryb. Bubliny metanu uvolňující se ze dna a vystupující k hladině navíc strhávají i části sedimentu do pelagiálu, kde jsou tyto části oxidovány. Nejvíce metanu se vyskytuje ve vodách silně zarostlých, v bahnu mrtvých ramen řek, v tůních, malých mělkých rybnících a v odpadních vodách především z potravinářského průmyslu (cukrovary). 

Dokument byl vytvořen: 05. 07. 2020 01:44:19
Zdroj: http://web2.mendelu.cz/af_291_projekty2/vseo/