水质分析方法介绍

水质分析方法介绍◆前言水质不佳时会造成我们用水上的困扰，要判断出水质的好坏，需要经过相当多的分析项目，每种项目测定原理及方法也都相差甚大，由本章详细的介绍，可以帮助你了解到水质分析的重要性及学习到各种水质分析技术。详细分析方法可参考附录三。5.1浊度5.1.1概论当水中含有悬浮物质，就会造成混浊度，使光线通过时产生干扰。在水质上，我们可以浊度(turbidity)来表现水样得混浊程度。基本上，浊度是一个水样之光学性质，水样中有悬浮物质存在时，可散射光线，其散射强度与悬浮物质之量及性质有关。会造成混浊度的悬浮物质，种类相当多，诸如黏粒、坋粒(silt)、有机物、浮游生物、微生物等，其大小从小的胶状分子，(1~100奈米)到大而分散的悬浮物质不等。在静止状态下的水体，如湖泊或水泽，水中的浊度，多来自胶体粒子，但在流动状态下的水体，如河川，水中的浊度则主要来自较粗大的悬浮物质。在河川上游，降雨时，许多土壤因冲蚀作用而进入河川，土壤的矿物质部分及有机质部分均会导致水体中浊度的增加；河川中下游，常有工业废水及都市废水流入，废水中的各类有机物或无机污染质，亦均无可避免地会增加河川之浊度，尤其在有机物流入河川后，会促进细菌与其他微生物的生长，更增加了混浊度，此外，农田施肥后之排水或养猪废水流入河川中，会使河川中氮，磷成分增加，造成优氧化(eutrophication)，刺激藻类大量生长，其结果是水中浊度的增加。由上述可知，引起水中浊度增加的物质，本质上可分为无机物及有机物两大类，这种本质上的差异，将影响环境工程上净化程序是否合适，增加工程上的难度。5.1.25.1.2浊度在水质上的重要性在公共给水上，浊度是相当重要的指标，浊度高的水，在外观上即予人不洁净的感觉，在饮用时易受到排斥。另浊度高的水，在给水工程上亦发生困难，因会使过滤过程负荷增加，砂滤也无法达到效率，且增加清洗费用。此外，在公共用水进行消毒时，有些细菌或其他维生误会吸附着在造成浊度的颗粒上，而得以抗拒氯气或臭氧等消毒剂，物浊度高的水，消毒不易完全。5.2色度5.2.1概论自然界的金属离子(诸如铁及锰离子)、泥炭土、府植质、浮游生物、水草、微生物及工业废水等，常使水源带有颜色，水之色度(color)由于影响水资源之观瞻及利用，往往需要处理。当水样中含有悬浮固体物时，水之色度不仅来自水溶液中的物质，也会受悬浮固体物的影响。因此，我们可将色度分为真色(truecolor)与外观色(apparentcolor)。真色是将水样经离心或过滤的程序去除悬浮固体物所得的水样色度；外观色则是水样直接测得之色度，也称为视色。由于一般水源当pH值增加时，色度亦随之增加，可知pH值会影响水之色度，故水样检验色度时，应同时注名pH值。前所述及色度的来源，我们可将其分为天然及人为来源，天然的来源中，有机碎屑如树叶及木材萃取物、腐植质、木质素的衍生物等，常发生于地表水流经森林地或沼泽地区时所带出；铁及锰则源自矿物之溶解。人为来源较常源自工业废水，如染整工业、造纸工业及制革工业等废水，欲经济有效的去除水中色度，并不是简单的工作。5.2.25.2.2色度在公共用水上的应用公共用水如果色度很高，消费者必然质疑水质的纯净程度，即使水质无碍健康，亦不易受到相信。因此，各国饮用水均定有色度的标准，在净水工程上，水质工程师均相当重视色度之高低。部分水中造成色度之有机物质，在加氯消毒后，会形成含氯有机化合物，如三卤甲烷等，则是色度偏高水质可能衍生的问题。此外，工业用水诸如纺织染整用水，对色度的要求亦很高，以避免水中色度对产品质量造成影响。5.3硬度5.3.1概论水中之多价阳离子(multivalentcations)是导致水具有硬度的主要原因，多价阳离子中，尤以钙与镁离子两者为天然水中之阳离子，其余如Fe2+、Mn2+、Sr2+、Al3+等亦可能存在天然水中，但其相对含量低，常予以忽略不计。一般而言，含石灰岩地区及土壤表层较厚地区，雨水与岩石及土壤接触溶出较多的钙镁离子，故硬度较高。5.3.2硬度测定的重要性水中硬度之高低，对工业用水之管理相当重要，这是因为大部分均有冷却水及锅炉系统，若不予以注意控制硬度，除会降低机械效率，增加操作成本外，尚有造成锅炉发生爆炸之危险，故工业用水中硬度之监控处理相当重要，而需经测定硬度，表5.1为水质依硬度之分类表。表5.1水质上依硬度之分类表程度硬度Meq/Lmg/LasCaCO3软(soft)150中度(moderatelyhard)1~350~150硬(hard)3~6150~300甚硬(veryhard)63005.4导电度5.4.1概论导电度(electricalconductivity,E.C)是量测水样导电能力之强弱，为将电流通过1平方公分断面积，长1之液柱时电阻(resistance)之倒数，单位为毫姆欧/公分或微姆欧/公分表示。导电度的大小与水中解离之离子含量之多寡以及温度有关。一般物质在水中解离产生电流，阳离子跑向阴极，阴离子跑向阳极，大多数的无机酸、碱以及盐类均是很好的导电体，但是某些有机分子如蔗糖及苯在水中不易解离，导电度相当小。导电度之测定，可以用标准导电度溶液先行调整导电度计再行测定，有些导电度计可测定导电度范围很小，或者即使很广，其灵敏度很差，只适合用于海水或半咸水，有些又只适合于淡水，因此宜备有至少两部导电度计，一部测定咸水，一部测定淡水用。新鲜的蒸馏水其导电度约在0.5~2微姆欧/公分，经过一段时间后会增加，增加的原因为空气中之二氧化碳或氨等跑进去之缘故，美国饮用水其导电度在50~1500微姆欧/公分之间，台湾的湖泊水为100~400微姆欧/公分左右，工厂废水导电度一般较高，往往超过10,000微姆欧/公分。5.4.2导电度的重要性由于导电度之测定相当简便，导电度计亦方便携带至现场使用，在环境监测上，水之导电度常被用来评估水体是否遭受污染的指标，用途相当广泛。尤其因为海水及淡水之导电度差距非常大，在海岸地区监测是否有海水入侵现象时，导电度更属不可或缺之指标之一。灌溉水质量之等级，导电度为重要之评估标准之一，依美国盐性研究所之分级，将水导电度分为六级，自C–1至C–2，灌溉水之导电度可由0~250微姆欧/公分的C–1级至6,000微姆欧/公分的C–6级，盐分越多愈不适合灌溉，台湾省灌溉水质标准亦有导电度小于750微姆欧/公分支限值，亦即C–2级以内者，才符合灌溉水标准。5.55.5固体物5.5.1概论除了纯水外，一般天然水体之水或废水均含有固形物(soildmatter)。在水质名词中，总固体物(totalsolid,T.S.)是指将水样蒸发后，其残留物质再某一温度之下干燥所得者。总固体物包括两部分，若将水分先经过一个过滤设备，则存留在过滤设备上之固形物，经一定温度干燥所得之部分称为总悬浮固体物，而其滤液经一定温度干燥后所得之部分称为总溶解固体物。过滤器形式、滤纸孔隙大小、孔隙率、面积及厚度均会影响过滤结果，不仅如此，水样的物理性质、固形物之粒径大小定为2.0微米，水样留存在此空隙大小滤纸之固形物经特定条件测出之部分称为悬浮固体，5.5.2固体物测定的重要性水中悬浮固体物的测定，在污水分析上相当重要，在事业放流水排放标准中，对各行业之放流水中悬浮固体物含量，均有详细的规定，这是因为在污染程度之分析上，它具有指标的作用。而在一般污水处理单元设计上，污水中固体物亦为移除之重点，故固体物测定可用于评估处理方法之效率。水中溶解固体物含量，是饮用水水其标准中之重要项问之一，在台湾省自来水水质标准中，订有500毫克/升之限值，故在饮用水之处理程序中为考虑之指针之一。此外，沈降性固体物之测定为污泥性质之重要项目，对污泥之处理方法有重要的参考价值。5.6氢离子浓度指数(pH值)5.6.1概论1887年瑞典科学家Arrhenius提出游离理论，认为水溶液中会产生氢离子(H+)者为酸，而会产生氢氧离子(OH-)者为碱。依其理论，强酸与强碱在水溶液中之解离相当大，弱酸与强碱的解离度则相当小。当水分子解离时，会生成部分的氢氧离子，其反应式如下：H2OH+(aq)+OH-(aq)当加酸入水中时，由于H+浓度大增，为了维持Kw为定值，OH-浓度就减少；相反的，加碱于水中时，则OH-浓度大增，H+浓度及减少。不管水中H+及OH-浓度如何变化，其H+和OH-浓度的乘积Kw恒为常数，室温时为1.0×10-14。为了避免使用冗长的指数，来表示氢离子的浓度，1909年瑞典化学家Soreson氏建议以负对数值来取代莫耳浓度，日后广被采用，即所谓的pH值，有时径称「氢离子浓度指数」，以下式表现之：pH=-log[H+]或pH=log1/[H+]同法可用pOH=-log[OH-]，pKw=-logKw等。pH值的范围，一般在0到14之间，纯水为中性，其pH值为7.0，当溶液为酸性时，[H+]10-7M，pH值将小于7，即pH值越小酸性越强，反之，溶液为碱性时，[H+]10-7M，pH值大于7，即pH值越大碱性越强。天然水之pH值受碳酸盐系统(carbonatesystem)影响很大，以降雨为例，由于雨水吸收空气中的二氧化碳，形成碳酸，使其在正常情形下pH常低于5.65左右，若再受工业污染物之影响，则可能成为酸雨，pH值甚至可低至2.0。5.6.25.6.2pH值测定的重要性大部分的水生生物，均对水环境中pH值范围相当敏感，因此，基于维护生态平衡的考虑，事业放流水之排放，均需控制其pH值，以防止对水生生物的冲击。在环境工程上，不论是给水或污水之处理，pH值的控制均相当重要，这是因为pH的高低，对于沉淀、化学混凝、消毒、氧化还原及水质软化……等处理程序均有影响。此外，再利用微生物处理废水时，pH值必须控制在有用的微生物有利的范围内。5.7溶氧5.7.1概论自然界的水，由于与大气接触，或多或少溶解氧气，这些氧气称为水中溶氧(dissolvedoxygen,DO)。水体中溶氧浓度经常受到系统中生物，物理及化学程序之影响，随之改变。由于几乎所有的生物，均仰赖溶氧的维持代谢程序，并产生能量来生长与再生细胞，水中溶氧浓度与水生生物相当重要。氧在水中溶解度不大，在20oC及1大气压时约30毫升/升溶解度与温度及大气中氧之分压而改变，溶解度随温度及大气中氧之分压而改变，遵循亨利定律(HenryLaw)，如下式所示：[O2]=Kh×Po2式中[O2]为水溶液氧气之平衡，Po2为氧气之分压，Kh则为亨利常数，其值随温度而异，当温度高时，Kh值较低，温度低时，Kh值较高。因此，在夏季时温度偏高时，水中溶氧值偏高，水中溶氧值偏低，再冬季时，水中之溶氧值就会偏高。有些鱼类只能生长在水中溶氧较高高冷山区，当改变环境制温热之平地，就会因缺乏溶氧而死亡。水中盐分含量亦会影响氧之溶解度，一般盐分愈高，则溶氧量愈低。以20oC之纯水为例，其饱和溶氧量为9.07毫克/升，但20oC之海水，饱和溶氧量只有7.33毫克/升。5.7.2溶氧测定在水质测定的重要性在各种不同水体，溶氧含量常是水质优劣之重要指标。以河川为例，溶氧含量在未受污染区段通常很高，甚至可达饱溶氧量，但在遭受有机物污染时，水中微生物繁殖，会消耗氧气，溶氧值即降低，严重时甚至接近0毫克/升，溶氧小于2.0毫克/升之河川水，属戊类水质，甚至不适于灌溉用水之用途。在评估河川水质污染情形时，溶氧测定可谓是不可或缺之工作。在废水处理程序中，往往需利用好氧性微生物来分解废水中之有机污染质，这时水中溶氧的控制就显得很重要，为了维持适量的氧气，不致因太多而浪费，太少而处理效果不佳，经常性的溶氧测定是无可避免的。工业用水中，蒸气锅炉之用水是相当讲究水中溶氧之去除的，因氧气会使得高温下之锅炉钢管发生腐蚀的问题，故加入除氧剂以去除溶氧，此时溶氧之测定有其必要，管理人员可由溶氧之数据控制除氧剂的用量，以达最佳操作。5.8氯盐5.8.1概论氯离子(Cl-)是水及废水中主要的阴离子之一，他在不同的水中有不同的浓度范围。一般在山区及河川上游的地表水中，氯盐(chloride)之含