Modalitati de definire a calitatii apei

Calitatea apei se poate defini ca un ansamblu conventional de caracteristici fizice, chimice, biologice si bacteriologice, exprimate valoric, care permit incadrarea probei intr-o anumita categorie , ea capatand astfel insusirea de a servi unui anumit scop . Pentru stabilirea calitatii apei, din multitudinea caracteristicilor fizice, chimice si biologice care pot fi stabilite prin analize de laborator se utilizeaza practic un numar limitat, considerate mai semnificative . Sistemul mondial de supraveghere a mediului inconjurator prevede urmarirea calitatii apelor prin trei categorii de parametri :

- parametri de baza : temperatura, pH, conductivitate, oxigen dizolvat, colibacili ;

- parametri indicatori ai poluarii persistente : cadmiu, mercur, compusi organo - halogenati si uleiuri minerale ;

- parametri optionali : carbon organic total ( COT ), consum biochimic de oxigen ( CBO) detergenti anionici, metale grele, arsen, bor, sodiu, cianuri , uleiuri totale, streptococi .

Pentru precizarea caracteristicilor de calitate a apei se utilizeaza urmatoarea terminologie :

- criterii de calitate a apei - totalitatea indicatorilor de calitate a apei care se utilizeaza pentru aprecierea acesteia in raport cu masura in care satisface un anumit domeniu de folosinta sau pe baza carora se poate elabora o decizie asupra gradului in care calitatea apei corespunde cu necesitatile de protectie a mediului inconjurator ;

- indicatori de calitate ai apei - reprezentati de caracteristici nominalizate pentru o determinare precisa a calitatii apelor ;

- parametri de calitate ai apei - sunt valori si exprimari numerice ale indicatorilor de calitate a unei ape ;

- valori standardizate ale calitatii apei - reprezinta valori ale indicatorilor de calitate a apelor care limiteaza un domeniu conventional de valori acceptabile pentru o anumita folosinta a apei .

Indicatori de calitate ai apei

Asa cum s-a aratat deja, pentru caracterizarea calitatii si gradului de poluare a unei ape se utilizeaza indicatorii de calitate. Acestia se pot clasifica dupa natura lor si dupa natura si efectele pe care le au asupra apei , dupa cum urmeaza:

A. Clasificare dupa natura indicatorilor de calitate:

- indicatori organoleptici ( gust, miros).

- indicatori fizici ( pH, conductivitate electrica, culoare, turbiditate).

- indicatori chimici- indicatori chimici toxici

- indicatori radioactivi

- indicatori bacteriologici

- indicatori biologici

B. Clasificare dupa natura si efectul pe care il au asupra apei:

- indicatori fizico-chimici generali:

- temperatura

- pH

- indicatorii regimului de oxigen

- oxigen dizolvat (OD)

- consumul biochimic de oxigen (CBO₅)

- consumul chimic de oxigen (CCO_Cr si CCO_Mn)

- indicatorii gradului de mineralizare

- reziduul fix

- cloruri, sulfati

- calciu, magneziu, sodiu, etc.

- indicatori fizico - chimici selectivi

- carbon organic total (COT)

- azot Kjeldhal si azot total, fosfati

- duritate, alcalinitate

- indicatori fizico - chimici specifici ( toxici):

- cianuri

- fenoli

- hidrocarburi aromatice mono si polinucleare

- detergenti

- metale grele ( mercur, cadmiu, plumb, zinc, cobalt, fier, etc.)

- pesticide

- arsen

- uraniu natural

- trihalometani

- indicatori radioactivi

- activitate globala α si β

- activitate specifica admisa a fiecarui radionuclid

- indicatori biologici care reflecta gradul de saprobitate a apei, prin analiza speciilor de organisme care populeaza mediul acvatic.

- indicatori bacteriologici care masoara nivelul de poluare bacteriana, in principal prin determinarea numarului de bacterii coliforme totale si de bacterii coliforme fecale.

Proprietatile generale ale apelor naturale

Proprietatile apelor naturale sunt determinate in principal de substantele solide, lichide si gazoase existente sub forma de materiale in suspensie sau dizolvate. Aceste substante, foarte numeroase, provin din interactiile complexe hidrosfera - atmosfera - litosfera - organisme vii. Astfel, intr-un studiu efectuat de echipa Cousteau (1991-1992) asupra calitatii apelor fluviului Dunarea, s-au pus in evidenta peste 800 de compusi organici si anorganici, dintre care peste 50% se regasesc in tesuturile vegetale si animale din mediul acvatic.

Exista mai multe criterii de clasificare a compusilor care definesc compozitia chimica a apelor naturale, dupa natura acestora, provenienta, efect toxic si metode de analiza, prezentate in tabelul 2.17.

Criterii de clasificare a compozitiei chimice a apelor naturale

Pornind de la aceasta clasificare in continuare se vor prezenta principalele proprietati organoleptice, fizice si chimice ale apelor naturale corelate cu compusii chimici care determina aceste proprietati si cu indicatorii de calitate ai apei specifici acestora.

Indicatori organoleptici

Culoarea reala a apelor se datoreaza substantelor dizolvate in apa si se determina in comparatie cu etaloane preparate in laborator. Culoarea apelor naturale si a celor poluate poate fi o culoare aparenta care se datoreaza suspensiilor solide usor de filtrat prin depunere si filtrare .

Mirosul apelor este clasificat in sase categorii, dupa intensitate: fara miros ; cu miros neperceptibil ; cu miros perceptibil unui specialist ; cu miros perceptibil unui consumator ; cu miros puternic si cu miros foarte puternic .

Gustul se clasifica utilizindu-se denumiri conventionale ,cum ar fi : Mb - ape cu gust mineral bicarbonato-sodic ; Mg - ape cu gust mineral magnezic ; Mm - ape cu gust mineral metalic ; Ms - ape cu gust mineral sarat ; Oh - ape cu gust organic hidrocarbonat ; Om - ape cu gust organic medical farmaceutic ; Op - ape cu gust organic pamantos ; Ov - ape cu gust organic vazos .

Indicatori fizici

- Turbiditatea se datoreaza particulelor solide sub forma de suspensii sau in stare coloidala. Intr-o definitie generala se considera ca suspensiile totale reprezinta ansamblul componentelor solide insolubile prezente intr-o cantitate determinata de apa si care se pot separa prin metode de laborator (filtrare,centrifugare,sedimentare).Se exprima gravimetric in mg/l sau volumetric in ml/l. Valoarea suspensiilor totale este deosebit de importanta pentru caracterizarea apelor naturale.In functie de dimensiuni si greutate specifica, particulele se separa sub forma de depuneri(sedimentabile) sau plutesc pe suprafata apei(plutitoare).

- Suspensiile gravimetrice reprezinta totalitatea materiilor solide insolubile, care pot sedimenta, in mod natural intr-o anumita perioada limitata de timp. Procentul pe care il reprezinta suspensiile gravimetrice din suspensiile totale este un indicator care conduce la dimensionarea si exploatarea desnisipatoarelor sau predecantoarelor, instalatii destinate retinerii acestora. Suspensiile si substantele coloidale din ape reprezinta totalitatea substantelor dispersate in apa, avand diametrul particulelor intre 1 si 10 μm. Caracterizate prin proprietati electrice de suprafata, prezinta un grad mare de stabilitate, care le face practic nesedimentabile in mod natural

Eliminarea substantelor coloidale din apa a impus tratarea chimica cu reactivi de destabilizare in vederea coagularii si precipitarii acestora.

Relatia dintre substantele in suspensie (proprietate gravimetrica) si turbiditate (proprietate optica) determina asa-numitul "coeficient de finete" al suspensiilor. Pentru aceeasi sursa de apa, coeficientul de finete variaza in limite bine determinate in cadrul unui ciclu hidrologic anual.

- Temperatura apei variaza in functie de provenienta si de anotimp.

- Radioactivitatea este proprietatea apei de a emite radiatii permanente alfa , beta sau gama.

- Conductivitatea

Conductivitatea apelor constituie unul dintre indicatorii cei mai utilizati in aprecierea gradului de mineralizare a apelor cel putin din urmatoarele considerente:

- masuratorile de conductivitate (rezistivitate) a apei permit determinarea continutului total de saruri dizolvate in apa ;

- au avantajul diferentierii dintre saruri anorganice si organice (ponderal) pe baza mobilitatilor ionice specifice;

- Concentratia ionilor de hidrogen

pH-ul apelor naturale este cuprins intre 6,5 - 8 , abaterea de la aceste valori dand indicatii asupra poluarii cu compusi anorganici .

pH-ul si capacitatea de tamponare a acestuia constituie una din proprietatile esentiale ale apelor de suprafata si subterane, pe aceasta cale asigurandu-se un grad de suportabilitate natural fata de impactul cu acizi sau baze, sarurile de Na⁺, K⁺, Ca²⁺ si Mg²⁺ jucand un rol esential in acest sens. Concentratia ionilor de hidrogen din apa, reprezinta un factor important care determina capacitatea de reactivitate a apei, agresivitatea acesteia, capacitatea apei de a constitui medii pentru dezvoltarea diferitelor organisme etc.

Intre valoarea pH-ului apei si aciditatea sau alcalinitatea acesteia nu exista o identitate. Cresterea alcalinitatii sau aciditatii nu sunt insotite si de variatii corespunzatoare ale pH-ului, datorita capacitatii de tamponare de care dispun indeosebi apele naturale. Principalul sistem tampon al apelor naturale il reprezinta sistemul acid carbonic dizolvat/carbonati, pentru care pH-ul apei are valori cuprinse intre 6,5-8,5.

Indicatori chimici

A.     Indicatori ai regimului de oxigen

Oxigenul este un gaz solubil si se afla dizolvat in apa sub forma de molecule O₂, prezenta oxigenului in apa conditionand existenta marii majoritati a organismelor acvatice. Toate apele care se afla in contact cu aerul atmosferic contin oxigen dizolvat in timp ce apele subterane contin foarte putin oxigen. Solubilitatea oxigenului in apa depinde de presiunea atmosferica, temperatura aerului, temperatura si salinitatea apei.

Continutul in oxigen al apei raurilor este rezultatul urmatoarelor actiuni antagoniste:

- reabsorbtia oxigenului din atmosfera la suprafata apei prin difuzie lenta sau prin contact energic, interfata apa-aer prezintand o importanta deosebita in acest sens. Acest transfer este serios perturbat de prezenta poluantilor cum ar fi detergentii si hidrocarburile;

- fotosinteza, care poate asigura o importanta realimentare cu oxigen a apei, ajungandu-se la valori care pot depasi saturatia;

- consumul biochimic de oxigen pentru biodegradarea materiilor organice poluante.

Din aceasta clasa de indicatori fac parte oxigenul dizolvat (OD), consumul chimic de oxigen (CCO), consumul biochimic de oxigen (CBO) si carbonul organic total (COT).

Oxigenul dizolvat (OD) Cel mai important parametru de calitate al apei din rauri si lacuri este continutul de oxigen dizolvat, deoarece oxigenul are o importanta vitala pentru ecosistemele acvatice. Astfel, continutullacuri, in special in cele in care functioneaza crescatorii de peste, continutul de oxigen dizolvat trebuie sa fie de 8 - 15 mg/l.

Consumul biochimic de oxigen (CBO) reprezinta cantitatea de oxigen, in mg/l, necesara pentru oxidarea substantelor organice din ape, cu ajutorul bacteriilor. Mineralizarea biologica a substantelor organice este un proces complex, care in apele bogate in oxigen se produce in doua trepte. In prima treapta se oxideaza in special carbonul din substratul organic (faza de carbon ), iar in a doua faza se oxideaza azotul (faza de nitrificare). Din determinarile de laborator s-a tras concluzia ca este suficient sa se determine consumul de oxigen dupa cinci zile de incubare a probelor (CBO₅).

Consumul chimic de oxigen (CCO) Deoarece CBO₅ necesita un timp de cinci zile pentru determinare, pentru a depasi acest neajuns se utilizeaza metode de oxidare chimica diferentiate dupa natura oxidantului si a modului de reactie. Se cunosc doua tipuri de indicatori:

- CCO_Mn care reprezinta consumul chimic de oxigen prin oxidare cu KMnO₄ in mediu de H₂SO₄. Acest indicator se coreleaza cel mai bine cu CBO₅, cu observatia ca sunt oxidate in plus si cca 30-35% din substantele organice nebiodegradabile.

- CCO_Cr care reprezinta consumul chimic de oxigen prin oxidare cu K₂Cr₂O₇ in mediu acid. Acest indicator determina in general 60-70% din substantele organice, inclusiv cele nebiodegradabile.

Prin aceste metode, prezentate anterior nu se pot determina substantele organice volatile.

Carbonul organic total (COT) reprezinta cantitatea de carbon legat in materii organice si corespunde cantitatii de dioxid de carbon obtinut prin oxidarea totala a acestei materii organice . Se utilizeaza pentru determinarea unor compusi organici aromatici, a caror randament de oxidare nu depaseste 60% cu metodele prezentate anterior. Pentru determinarea acestora se utilizeaza oxidarea catalitica la temperaturi ridicate (800-1100⁰C).

B.     Saruri dizolvate

In apele naturale se afla, in mod obisnuit, cationii si anionii prezentati in tabelul 2.18., ioni de care depind cele mai importante calitati ale apei. In majoritatea cazurilor, sarurile aflate in apele naturale sunt formate din urmatorii cationi Ca²⁺, Mg²⁺, Na⁺, K⁺ si anioni HCO₃^-, SO₄^2-, Cl^-. Ceilalti ioni se afla, in mod obisnuit, in cantitati nesemnificative, desi cateodata influenteaza esential asupra proprietatilor apei.

Clorurile pot fi prezente in apa intr-o concentratie mare, datorita solubilitatii lor ridicate; astfel, solubilitatea clorurii de sodiu sau a celei de calciu la temperatura de 25 C este in jur de 26%, respectiv de 46%.

Principalii ioni din apele naturale

In esenta, se poate spune ca apele naturale contin elemente fundamentale si elemente caracteristice, dintre care 6 elemente fundamentale sunt cele care apartin tuturor apelor naturale, respectiv molecula de H₂CO₃ si ionii de HCO₃^-, CO₃^2-, H⁺, OH^-, Ca²⁺, iar dintre elementele caracteristice se pot cita ionii de SO₄^2-, Cl^-, Mg²⁺, Na⁺, K⁺ etc.. Aceste elemente pot fi prezente sau nu in apele naturale, intr-o concentratie mai mare sau mai mica, conferind apei un anumit caracter.

C. Reziduul fix reprezinta totalitatea substantelor dizolvate in apa, stabile dupa evaporare la 105⁰C, marea majoritate a acestora fiind de natura anorganica. Valoarea reziduului fix in diferite ape naturale variaza in functie de caracteristicile rocilor cu care apele vin in contact. Informativ se dau in continuare, cateva valori ale reziduului fix al diferitelor categorii de ape:

Ape de suprafata 100 - 250 mg/l;

Ape din panza freatica 200 - 350 mg/l;

Ape din panza de mare adancime 100 - 300 mg/l;

Ape de mare 20000 - 22000 mg/l;

Ape din regiuni saraturoase 1100 - 5000 mg/l;

Ape de ploaie 10 - 20 mg/l;

Ape minerale potabile 1000 - 3000 mg/l.

C.     Indicatori biogeni

Compusi ai azotului. Amoniacul, nitritii si nitratii constituie etape importante ale prezentei azotului in ciclul sau biogeochimic din natura si implicit din apa .Azotul este unul dintre elementele principale pentru sustinerea vietii, intervenind in diferite faze de existenta a plantelor si animalelor. Formele sub care apar compusii azotului in apa sunt azot molecular (N₂), azot legat in diferite combinatii organice (azot organic), amoniac (NH₃), azotiti (NO₂^-) si azotati (NO₃^-). Amoniacul constituie o faza intermediara in ciclul biogeochimic al azotului. Azotul amoniacal decelat in cursurile de apa poate proveni dintr-un mare numar de surse:

- din ploaie si zapada, care pot contine urme de amoniac ce variaza intre 0,1 - 2,0 mg/l;

- in apele de profunzime, curate din punct de vedere biologic si organic, amoniacul poate apare prin reducerea nitritilor de catre bacteriile autotrofe sau de catre ioni ferosi continuti;

- in apele de suprafata apar cantitati mari de azot amoniacal prin degradarea proteinelor si materiilor organice azotoase din deseurile vegetale si animale continute in sol. Aceasta cantitate de azot amoniacal este in cea mai mare parte complexata de elementele aflate in sol si numai o mica cantitate ajunge in rauri.

- un numar mare de industrii (industria chimica, cocserie, fabrici de gheata, industria textila etc.) sunt la originea alimentarii cu azot amoniacal a cursurilor de apa.

Prezenta amoniacului in apele de alimentare este limitata de normele recomandate de Organizatia Mondiala a Sanatatii, la cantitati foarte mici (sub 0,05 mg/l) datorita efectelor nocive pe care le poate avea asupra consumatorilor.

Nitritii constituie o etapa importanta in metabolismul compusilor azotului, ei intervenind in ciclul biogeochimic al azotului ca faza intermediara intre amoniac si nitrati. Prezenta lor se datoreste fie oxidarii bacteriene a amoniacului, fie reducerii nitratilor. Nitratii constituie stadiul final de oxidare a azotului organic.

Azotul din nitrati, la fel ca si cel din nitriti sau amoniac, constituie un element nutritiv pentru plante si, alaturi de fosfor, este folosit la cultura intensiva in agricultura. Prezenta nitratilor in apele naturale se poate explica prin contactul apei cu solul bazinului hidrografic.

Compusi ai fosforului Continutul de fosfati in apele naturale este relativ redus (0,5-5 mg/l). Daca apele strabat terenuri bogate in humus in care fosfatul este legat in compusi organici, acestea se imbogatesc in fosfati. De asemenea, o pondere importanta revine poluarii difuze din agricultura datorata administrarii de ingrasaminte pe baza de azot si fosfor. Fosfatul monocalcic poate proveni in apa mai ales prin mineralizarea resturilor vegetale sau animale. Fosfatul monocalcic este solubil in apa si reprezinta o forma de fosfor asimilabil. Concentratii mai mari de 0,5 mg/l P exprimat in PO₄^3- in apele de suprafata determina eutrofizarea progresiva a lacurilor, prin favorizarea dezvoltarii algelor. Continuturi mai mari de fosfati in apele subterane sau de suprafata pot sa constituie un indiciu asupra poluarii de origine animala, mai ales daca se coreleaza cu dezvoltarea faunei microbiene. Fosforul sub forma de combinatii, poate fi prezent in apele de suprafata, fie dizolvat, fie in suspensii sau sedimente.

E. Indicatori ai capacitatii de tamponare ai apei

Aciditatea apei se datoreste prezentei in ape a dioxidului de carbon liber, a acizilor minerali si a sarurilor de acizi tari sau baze slabe, sarurile de fier si de aluminiu, provenite de la exploatarile miniere sau din apele uzate industriale intrand in aceasta din urma categorie.

Aciditatea totala a unei ape exprima atat aciditatea datorata acizilor minerali, cat si cea datorata dioxidului de carbon liber, in timp ce aciditatea minerala exprima numai aciditatea datorata acizilor minerali.

Diferentierea aciditatii totale de aciditatea minerala se poate face, fie prin utilizarea schimbatorilor de ioni, fie prin titrarea cu NaOH 0,1 N pana la puncte de echivalenta diferite si anume pana la pH = 4,5 pentru titrarea acidului mineral si pH = 8,3 pentru titrarea aciditatii totale.

Alcalinitatea apei este conditionata de prezenta ionilor dicarbonat, carbonat, hidroxid si, mai rar, borat, silicat si fosfat. Din punct de vedere valoric, alcalinitatea este concentratia echivalenta a bazei titrabile si se masoara la anumite puncte de echivalenta date de solutii indicator. Utilizarea fenolftaleinei duce la determinarea alcalinitatii (p) a apei datorata hidroxidului si carbonatului, iar utilizarea indicatorului metiloranj duce la determinarea alcalinitatii (m), datorata dicarbonatului.

Valoarea alcalinitatii (p) si (m) indica raportul existent intre ionii de carbonat, dicarbonat si hidroxid in cadrul alcalinitatii totale, relatiile dintre ele fiind prezentate in tabel.

Calculul relatiilor de alcalinitate

Duritatea apei a fost inclusa la capacitatea de tamponare a apei datorita ponderii carbonatilor de calciu si magneziu in apele naturale. Se deosebesc urmatoarele tipuri de duritate:

- duritatea totala reprezinta totalitatea sarurilor de Ca²⁺ si Mg²⁺ prezente in apa;

- duritatea temporara reprezinta continutul ionilor de Ca²⁺ si Mg²⁺ legati de anionul HCO^-₃, care prin fierberea apei se poate inlatura deoarece dicarbonatii se descompun in CO₂ si in carbonati care precipita;

- duritatea permanenta reprezinta diferenta dintre duritatea totala si duritatea temporara, fiind atribuita ionilor de Ca²⁺ si Mg²⁺ legati de anionii Cl^-, SO₄^2- si NO₃^-.Acest tip de duritate ramane in mod permanent in apa, chiar dupa fierbere.

F.Indicatori biologici si bacteriologici

Analiza hidrobiologica consta in inventarierea microscopica a fito si zooplanctonului, organisme din masa apei, precum si analiza organismelor bentonice (situate pe fundul apei) si a perifitonului (organisme fixate pe diferite suporturi), din probele de apa prelevate in sectiunea de control.

Stabilirea gradului de curatenie, sau poluare a unui rau sau lac se face prin compararea organismelor existente cu tabele standard cuprinzand grupe faunistice si numar de unitati sistematice de organisme indicatoare de apa curata sau murdara.

Calitatea apei si modificarile datorate diverselor forme de poluare influenteaza compozitia biocenozelor acvatice (tip si numar de organisme), iar acestea pot reprezenta un mijloc de a diagnostica calitatea apei.

Analiza bacteriologica. Apa destinata utilizarii de catre om trebuie sa fie cat mai putin contaminata de bacterii sau virusi patogeni, aceasta regula fiind foarte stricta daca apa este destinata consumului potabil sau este folosita in industria alimentara; in acest caz, ea trebuie sa fie complet lipsita de germeni patogeni.

Pe de alta parte, cantitatea mare de apa folosita in mod centralizat de populatie prezinta pericolul ca in conditiile poluarii, apa sa constituie un factor important de imbolnavire. Bolile raspandite prin apa pot cuprinde, in general, un numar mare de persoane, imbracand caracterul unor boli cu extindere in masa.

In analiza bacteriologica a apei au fost adoptati ca indicatori bacteriologici numarul total de germeni si determinarea bacilului coli.