Классы опасности загрязняющих воду веществ

Показателем качества воды, особенно природной, является содержание в ней различных форм азота, в первую очередь аммиака (ионов аммония). Образование аммиака связано с разложением белковых веществ, поэтому повышение концентрации аммиака (ионов аммония) наблюдается в период отмирания водных организмов, особенно в придонных слоях воды. Аммоний образуется также в результате анаэробных процессов восстановления нитратов и нитритов. В незагрязнённых водоёмах содержание NH₄⁺ и NO₂^- невелико, т. к. они интенсивно используются водорослями. Повышенные концентрации их в воде свидетельствуют о загрязнении, в частности, фекальном.

Фосфаты в природных водах образуются в результате минерализации органических веществ. Однако большой вклад в общее содержание фосфатов вносит поступление их с площади водосбора. Увеличение концентрации фосфатов в природных водах представляет опасность для существования водоёмов, так как в результате поступления фосфора резко возрастает эвтрофикация.

Нормируется также водородный показатель рН, который является мерой активности (в случае разбавленных растворов – концентрации) Н⁺ в растворе, количественно выражающей его кислотность или реакцию среды. Вычисляется как отрицательный десятичный логарифм концентрации водородных ионов, выраженной в молях на литр: рН = – lgН⁺. В питьевой воде 6,5 рН 8,5.

Важным показателем качества питьевой воды является содержание органических веществ. Они обладают свойством разлагаться, в связи с чем используют показатели, характеризующие способность воды окислять органические вещества. Общее количество содержащихся в воде органических и неорганических восстановителей характеризуется её окисляемостью. Определяют две группы веществ: легкоокисляемые и трудноокисляемые. К трудноокисляемым веществам относится, в частности, гумус, который придаёт природной воде желтоватую окраску и снижает её органолептические качества. В зависимости от метода определения различают несколько видов окисляемости воды: перманганатная, бихроматная, иодатная, цериевая. Наиболее полное окисление достигается при использовании бихромата калия; этот показатель – бихроматная окисляемость или химическое потребление кислорода (ХПК) – мера общей загрязнённости воды содержащимися в ней органическими и неорганическими восстановителями, реагирующими с сильным окислителем. ХПК питьевой воды не должно превышать15 мгО/дм³.

Количество биологически окисляемых органических веществ определяют по показателю биохимического потребления кислорода (БПК) – количество кислорода, необходимое для окисления находящихся в воде органических веществ микроорганизмами в аэробных условиях (за определённое время инкубации пробы). Биохимическое окисление различных веществ происходит с разной скоростью. К легкоокисляющимся, «биологически мягким» веществам относят формальдегид, низшие алифатические спирты, фенол и др. Медленно разрушаются «биологически жёсткие» вещества, такие как неионогенные ПАВ. БПК определяют по уменьшению количества кислорода в исследуемой воде за 5 суток (БПК₅) или за 20 суток (БПК₂₀ или БПК_полн) инкубации воды в закрытом сосуде и в темноте при температуре 20С.В природных водах и водоёмах, загрязнённых преимущественно хозяйственно-бытовыми сточными водами, БПК₅ составляет обычно около 70 % от БПК_полн. Для водоёмов хозяйственнопитьевого водопользования БПК₅ не должно превышать 3 мг/дм³ при 20°С. БПК₅ используется для оценки условий обитания гидробионтов; для характеристики сточных вод и контроля эффективности работы очистных сооружений; в качестве интегрального показателя загрязнённости воды. При БПК₅/ХПК  0,5 воды перенасыщены трудноокисляемыми соединениями.

Высокое содержание в воде органических и неорганических восстановителей снижает (иногда до нуля) содержание растворённого кислорода, вызывая замор рыбы и создавая анаэробные восстановительные условия (табл. 6).

Таблица 6

Содержание растворённого кислорода, величины ХПК и

БПК₅ в водоёмах с различной степенью загрязнённости

Органолептическне(воспринимаемые органами чувств) показателисвойств воды характеризуются:

ü интенсивностью изменения запаха, привкуса, цветности и мутности воды;

ü содержанием химических веществ, которые в наименьших концентрациях ухудшают органолептические свойства воды.

Запах (в том числе появляющийся при хлорировании), привкус, цветность определяют по специальным шкалам и выражают в баллах. Для питьевой воды эти показатели не должны ощущаться.

Мутность, вызванную присутствием тонкодисперсных (коллоидных) примесей, определяют качественно и количественно. Качественное определение проводят описательно: слабая опалесценция, опалесценция, слабая, замет-

ная и сильная муть. Количественно мутность воды определяют турбидиметрически (по ослаблению проходящего через пробу света) путём сравнения пробы исследуемой воды со стандартными суспензиями. Для питьевой воды мутность не должна превышать 1,5 мг/дм³ по каолину (к примеру, мутность воды в реке Дон достигает 50 мг/дм³, в реке Сырдарья – 1500 мг/дм³).

Прозрачность (или светопропускание) природных вод обусловлена их цветом и мутностью, т. е. содержанием в них различных окрашенных и взвешенных органических и минеральных веществ. Воду в зависимости от степени прозрачности условно подразделяют на прозрачную, слабоопалесцирующую, опалесцирующую, слегка мутную, мутную, сильно мутную. Мерой прозрачности служит высота столба воды, при которой можно наблюдать опускаемую в водоём белую пластину определённых размеров (диск Секки) или различать на белой бумаге шрифт определённого размера и типа (как правило, шрифт средней жирности высотой 3,5 мм). Результаты выражаются в сантиметрах с указанием способа измерения.

В число органолептических показателей, которые нормируются, входят концентрации: хлоридов, сульфатов, железа, марганца, меди, цинка, фосфатов, фенолов, нефтепродуктов, свободного и связанного хлора, озона, а также показатели жёсткости и сухого остатка. Вода не должна содержать различаемых невооружённым глазом водных организмов и иметь на поверхности плёнку.

Сера присутствует в природной воде главным образом в виде сульфатов и сероводорода. Сероводород образуется в придонных слоях воды при слабом перемешивании и дефиците кислорода. Процесс происходит при интенсивном бактериальном разложении и биохимическом окислении органических автохтонных веществ, а также при распаде органических веществ, поступающих со сточными водами. Концентрация сульфатов в питьевой воде не должна превышать 500 мг/дм³, сероводорода содержаться не должно. Содержание хлоридов в воде для питьевого и хозяйственно-бытового водоснабжения не должно быть более 350 мг/дм³.

Концентрация железа в природной воде зависит от геолого-гидрологических условий бассейна, а также гидрохимического режима водного объекта (рН, содержания растворённого кислорода, углекислоты, сероводорода, веществ-комплексообразователей и т. д.). Повышенный по сравнению с фоновым уровень железа указывает на загрязнение водного объекта сточными водами.

Концентрация железа в питьевой воде не должна превышать 0,3 мг/дм³.

Жёсткость воды – совокупность свойств, обусловленных содержанием в воде главным образом растворённых солей кальция и магния. Суммарное содержание этих солей называют общей жёсткостью. Общая жёсткость подразделяется на карбонатную, обусловленную концентрацией гидрокарбонатов (и карбонатов при pH 8,3) кальция и магния, и некарбонатную – концентрацию сульфатов, хлоридов, нитратов кальция и магния. Поскольку при кипячении воды гидрокарбонаты переходят в карбонаты, выпадающие в осадок, карбонатную жёсткость называют временной или устранимой. Остающаяся после кипячения жёсткость называется постоянной. Общая жёсткость природных вод колеблется в очень широких пределах: от 0,1–0,2 до десятков и сотен мг-экв/дм³. Вода с жёсткостью менее 4 мг-экв/дм³ считается мягкой, от 4 до 8 мг-экв/дм³ – средней жёсткости, от 8 до 12 мг-экв/дм³ – жёсткой и выше 12 мг-экв/дм³ – очень жёсткой. Высокая жёсткость ухудшает органолептические свойства воды, придавая ей горьковатый вкус и оказывает негативное действие на органы пищеварения. Особо строгие требования предъявляются к технической воде (из-за образования накипи). Величина общей жёсткости в питьевой воде не должна превышать 7 (в отдельных случаях 10) мг-экв/дм³.

К общим и суммарным показателям качества воды относятся минерализация, электропроводность, температура, содержание взвешенных веществ (грубодисперсных примесей). Минерализация – это суммарное содержание всех найденных при химическом анализе воды минеральных веществ; обычно выражается в мг/дм³ (до 1000 мг/дм³) и ⁰/₀₀ (промилле или тысячная доля при минерализации более 1000 мг/дм³). Минерализация природных вод, определяющая их удельную электропроводность, изменяется в широких пределах. В зависимости от степени минерализации (в г/дм³) воды делятся: на пресные (с содержанием солей < 1); солоноватые (1–10); солёные (10–50) и рассолы (> 50). В свою очередь пресные воды подразделяются на воды с малой минерализацией (до 200 мг/дм³ – ультрапресные); средней минерализацией (200–500 мг/дм³ – пресные) и воды с относительно повышенной минерализацией (500– 1000 мг/дм³). По преобладающему аниону все воды делятся на гидрокарбонатные, сульфатные и хлоридные. Многие производства, сельское хозяйство, предприятия питьевого водоснабжения предъявляют определённые требования к минерализации, т. к. воды, содержащие большое количество солей, отрицательно влияют на растительные и животные организмы, технологию производства и качество продукции, вызывают образование накипи на стенках котлов, коррозию, засоление почв. Суммарная минерализация питьевой воды не должна превышать 1000 мг/дм³ (в отдельных случаях до 1500 мг/ дм³).

При интерпретации результатов мониторинга состояния водной среды важно знать, к какому типу водных объектов отнесены река, озеро или водохранилище и использовать для оценки ситуации соответствующие нормативы.

Предельно допустимая концентрация в воде водоёма хозяйственнопитьевого и культурно-бытового водопользования (ПДК_в) – это концентрация вредного вещества в воде, которая не должна оказывать прямого или косвенного влияния на организм человека в течение всей его жизни и на здоровье последующих поколений и не должна ухудшать гигиенические условия водопользования.

Предельно допустимая концентрация в воде водоёма, используемого для рыбохозяйственных целей (ПДК_вр, ПДК_р.х., ПДК_р/х)– это концентрация вредного вещества в воде, которая не должна оказывать вредного влияния на популяции рыб, в первую очередь промысловых (табл. 7).

Таблица 7

Примерное соотношение величин ПДК_в и ПДК_вр

ПДК химических веществ для рыбохозяйственных водоёмов, в отличие от гигиенического нормирования, устанавливают в ходе экспериментов на водных организмах с помощью приёмов и методов водной токсикологии. Один из главных методических приёмов, используемый при разработке ПДК_вр – биотестирование токсичности –эксперимент, в ходе которого определяют параметры токсичности; максимально недействующую концентрацию (МНК), летальные (ЛК₁₀₀, ЛК₅₀ и др.) концентрации и т. д. Для этого тест-организмы подвергают воздействию серии последовательных концентраций исследуемого вещества и регистрируют реакцию в каждой серии. Минимальная концентрация, которая вызывает незначительные, но достоверные изменения в организме или в водной среде (по любому показателю вредности), считаетсяпороговой (минимально действующей). Наибольшая концентрация, которая ещё не вызывает изменений, считаетсяподпороговой (максимально недействующей, МНК).

Биологическое действие любого фактора подчиняется принципу пороговости, ниже которого эффекты воздействия не обнаруживаются. Ключевым моментом нормирования является нахождение порогов вредного и безвредного действия токсических веществ по лимитирующему показателю/признаку вредности (ЛПВ). ЛПВ для водоёмов питьевого и культурно-бытового назначения характеризуется наименьшей пороговой и подпороговой концентрациями по влиянию на здоровье человека (санитарно-токсикологический показатель), на органолептические свойства воды, на общесанитарное состояние водного объекта. Для рыбохозяйственных водоёмов используют ещё два вида ЛПВ: токсикологический и рыбохозяйственный. Именно ЛПВ определяет, каким будет наиболее вероятное негативное влияние химического вещества на водный объект. Таким образом, при рыбохозяйственном нормировании приняты следующие показатели (признаки) вредности:

ü общесанитарный показатель вредности – включает изменение трофии водоёма, снижение концентрации растворённого кислорода, изменение солёности, температуры воды, механическое загрязнение твёрдыми и жидкими веществами;

ü токсикологический показатель вредности – включает проявления прямого токсического действия на водные организмы: нарушение функций дыхания, питания, размножения, функции нервной системы, фотосинтеза водных растений и водорослей, обжигающее действие (нарушение покровов тела, целостности мембран и т. д.);

ü рыбохозяйственный показатель вредности – это порча вкусовых качеств рыбы и других промысловых видов, накопление в них токсичных веществ, опасных для человека и домашних животных, накопление возбудителей заболеваний.

Многие параметры, которые в водоёмах питьевого и культурно-бытового назначения относятся к общесанитарным, в рыбохозяйственных водоёмах являются токсикологическими (цинк) или рыбохозяйственными (фенолы).

Опыты по установлению ПДК рыбохозяйственных водоёмов проводят с водными организмами, представляющими основные трофические звенья водной экосистемы: с рыбами, кормовыми беспозвоночными, водорослями.

У разных видов тест-организмов наблюдаются большие различия в чувствительности. Поэтому выявляют самое слабое звено среди всех использованных организмов и устанавливают МНК по тому или иному ЛПВ. Если вещество не обладает кумулятивным эффектом, эту концентрацию принимают за основу в расчётах ПДК. При наличии кумулятивных свойств вносят поправку на кумуляцию.

Один из наиболее информативных показателей, определяющих возможность существования гидробионтов в водоёме, – концентрация растворённого кислорода. Необходимо, чтобы вода была насыщена кислородом на 75 %. Разность между величиной полного насыщения и действительным содержанием кислорода называется дефицитом кислорода. Дефицит кислорода чаще наблюдается в водных объектах с высокими концентрациями органических веществ и в эвтрофированных водоёмах, содержащих большое количество биогенных и гумусовых веществ (табл. 5). Для рыбохозяйственных водоёмов концентрация растворённого кислорода не должна быть ниже 4 мг/дм³ в зимний период (при ледоставе) и 6 мг/дм³ – в летний.

Нормативы ПДК лежат в основе регулирования сбросов в водные объекты промышленных и хозяйственно-бытовых сточных вод.

Однако существующая в РФ система единых национальных нормативов ПДК уже давно подвергается справедливой критике, т. к. экологические нормативы не могут быть едиными для всех типов экосистем и для разных климатогеографических условий. В некоторых регионах страны природный фон концентраций ряда химических веществ, например металлов, весьма высок и превышает ПДК в несколько раз (в Республике Коми фоновые концентрации железа и марганца в речной воде могут превышать ПДК_вр в десятки раз). Поэтому экстраполяция рыбохозяйственных ПДК на все регионы представляется несостоятельной, и необходим биогеохимический подход к лимитированию техногенных воздействий на водные экосистемы. По-видимому, ПДК_вр должны разрабатываться для отдельных регионов с использованием генотипически адаптированных тест-организмов из популяций этих регионов.

В гидрохимической практике используется и метод интегральной оценки качества воды, по совокупности находящихся в ней загрязняющих веществ и частоты их обнаружения. В этом методе для каждого ингредиента на основе фактических концентраций рассчитывают:

ü Ki = Ci/ПДКi – балл кратности превышения ПДК_вр;

ü Hi = N_ПДКi/Ni – балл повторяемости случаев превышения;

ü Bi = Ki·Hi – общий оценочный балл,

где Сi – концентрация в воде i-го ингредиента; ПДКi – предельно допустимая концентрация i-го ингредиента для водоёмов рыбохозяйственного назначения; N_ПДКi – число случаев превышения ПДК по i-му ингредиенту; Ni – общее число измерений i-го ингредиента.

Ингредиенты, для которых величина общего оценочного балла больше или равна 11, выделяются каклимитирующие показатели загрязнённости (ЛПЗ).

Комбинаторный индекс загрязнённости рассчитывается как сумма общих оценочных баллов всех учитываемых ингредиентов. По величине комбинаторного индекса загрязнённости устанавливается класс загрязнённости воды.

Также оценка качества воды и сравнение современного состояния водного объекта с установленными в прошлые годы характеристиками проводятся на основании индекса загрязнения воды по гидрохимическим показателям (ИЗВ) (табл. 8).

Таблица 8