Глава 2. Качество воды
2.1. Факторы, определяющие качество воды
Под качеством воды, с гигиенической точки зрения, понимается совокупность свойств, определяющих ее пригодность для удовлетворения хозяйственно-питьевых, бытовых и технических потребностей людей. Критерии оценки качества в своей основе опираются на свойства чистой природной воды. Исходя из этого, мы говорим, что доброкачественная вода должна быть бесцветной и прозрачной, не иметь посторонних запахов и привкусов, не содержать патогенных микроорганизмов и вредных для здоровья химических веществ.
На схеме 1 представлены основные факторы, влияющие на качество природной воды, и их связь между собой.
2.1.1. Органолептические свойства
Гигиеническая оценка качества воды, как правило, начинается с рассмотрения ее органолептических свойств, к каковым относятся температура, мутность (прозрачность), цветность, вкус (привкус) и запах. Эти показатели наиболее доступны, легко определяются в любых условиях и поэтому издавна используются людьми для суждения о доброкачественности воды. Строго говоря, в этом перечне к собственно органолептическим относятся лишь запах и привкус воды; остальные (температура, мутность, цветность) характеризуют ее физические свойства, дисперсный и отчасти химический состав. Но поскольку все они оцениваются и нормируются по интенсивности восприятия органами чувств человека, в международной практике принято объединять их в одну группу органолептических показателей.
Температура воды открытых водоемов обычно соответствует температуре воздуха, несколько отставая от нее. Подземные воды имеют, как правило, температуру тех слоев земли, в которых они залегают. Будучи плохим проводником тепла, земля нивелирует суточные, а в более глубоких слоях и годовые колебания температуры, приводя ее к средним величинам. Отсюда следует, что данные о температуре воды, полученные за длительный промежуток времени (порядка одного года), могут служить ценными показателями степени защищенности подземного источника воды от проникновения в него поверхностных вод, а с ними – и загрязнений.
Схема 1. Факторы, определяющие качество природной воды
В современных условиях вследствие сброса в поверхностные водоемы большого количества сточных вод промышленных предприятий, особенно тепловых и атомных электростанций, наблюдается устойчивое повышение естественной (свойственной данному времени года) температуры воды поверхностных источников. Подобный процесс рассматривается как тепловое загрязнение водоемов. Летом в них замедляется жизнь аэробных организмов из-за уменьшения растворимости кислорода и, стало быть, затрудняются процессы самоочищения. Не случайно действующее водно-санитарное законодательство ограничивает повышение температуры воды поверхностных источников. Согласно правилам охраны поверхностных вод от загрязнения, летняя температуры воды в результате спуска сточных вод не должна повышаться более чем на 3 °C по сравнению со среднемесячной температурой воды самого жаркого месяца года за последние 10 лет.
При оценке прямого теплового действия воды при ее потреблении следует иметь в виду, что наиболее приемлемой для питья считается вода с температурой 7–15 °C. Питье воды с температурой ниже 7 °C может вызвать значительное охлаждение слизистой глотки и пищевода и способствовать простудным заболеваниям. Вода с температурой 20 °C и выше теряет свое освежающее действие, воспринимается как невкусная, что особенно нежелательно при физической нагрузке в жаре. Такая вода даже при свободном и неограниченном питьевом режиме потребляется в меньшем количестве и способствует постепенному накоплению водного дефицита (непроизвольному обезвоживанию).
Мутность природных вод вызывается присутствием тонкодисперсных примесей, представленных нерастворимыми или коллоидными (неорганическими и органическими) веществами различного происхождения: песка, глины, железа, растительного или почвенного гумуса и др. Величина, обратная мутности, носит название прозрачностъ и характеризует способность воды пропускать видимый свет. Мутность определяют турбидиметрически (по ослаблению проходящего света) путем сравнения проб исследуемой воды со стандартными суспензиями. Результаты выражают в мг/дм3 (при использовании суспензии каолина) или в ЕМ/дм3 (единиц мутности) – при использовании суспензии формазина. Чистая природная вода имеет мутность не более 1,5 мг/дм3, или 2,6 ЕМ/дм3.
Мерой прозрачности служит высота столба воды, через который можно различать на белой бумаге шрифт высотой 3,5 мм средней жирности или наблюдать опускаемую в водоем белую пластину определенных размеров (диск Секки). Прозрачность чистой воды составляет не менее 30 см. На практике для оценки качества питьевой воды величину прозрачности определяют в тех случаях, когда мутность превышает 3 мг/дм3; при меньшем ее значении для определения действительной прозрачности необходим слишком большой столб воды. Так, прозрачность воды озера Байкал (по диску Секки) при спокойной воде достигает 10 и более метров.
Мутность воды имеет большое значение при оценке ее качества. Известно, что мутная вода, помимо отрицательного, брезгливого к ней отношения, нередко имеет неприятный вкус и, что более важно, явно содержит посторонние вещества, свидетельствующие о неблагополучном санитарном состоянии водоисточника. Частицы мути, кроме того, сорбируют на своей поверхности различные микроорганизмы, в том числе и патогенные вирусы. Взвешенные вещества, содержащиеся в воде, затрудняют ее очистку, особенно обеззараживание, связывая (нейтрализуя) дезинфектанты и, таким образом, защищая бактерии и вирусы от действия обеззараживающих веществ. Не случайно, в соответствии с рекомендациями ВОЗ, одним из главных условий достижения необходимой степени обеззараживания воды является обеспечение минимально возможной ее мутности (не более 1 НЕФ).
В некоторых случаях прозрачная подземная вода, извлеченная на поверхность, через некоторое время мутнеет. Это происходит вследствие образования гидрата окиси железа или карбоната кальция из гидрокарбонатов:
В первом случае имеет место окисление растворенного в воде железа кислородом воздуха; во втором – отдача свободной углекислоты воздуху. Для здоровья такое помутнение не опасно.
Цветность – это показатель качества, характеризующий интенсивность окраски воды и обусловленный содержанием окрашенных химических соединений. Количественно цветность выражается в градусах платино-кобальтовой (хромово-кобальтовой) шкалы. Доброкачественная питьевая вода должна быть бесцветной, т. е. иметь не более 20° цветности.
Цветность природных вод обусловлена, главным образом, присутствием гумусовых веществ и соединений трехвалентного железа, которые окрашивают воду обычно в желтовато-бурый, а при большом их количестве даже в коричневый цвет. Зеленовато-голубую окраску придают воде соли закиси железа и свободная сера, образующаяся в результате окисления сероводорода (в Тбилиси – в банях, в Пятигорске – в санаториях); темный цвет – марганцовые соединения; красный оттенок – сульфобактерии. Сточные воды промышленных предприятий могут окрасить воду в любой цвет в зависимости от химической природы красителя.
Окраска воды, связанная с наличием гумусовых веществ и гидрата окиси железа, вреда для организма не представляет, тем не менее она нежелательна, так как, кроме неприятного эстетического чувства, нередко сопровождается ухудшением ее органолептических свойств. Высокая цветность воды в водоемах снижает содержание растворенного кислорода, который расходуется на окисление соединений железа и гумусовых соединений. Кроме того, гуминовые вещества являются предшественниками образования вредных побочных продуктов хлорирования воды (тригалометанов и других галогенорганических соединений), что рассматривается уже как существенный риск для здоровья.
Совершенно иное значение для оценки качества воды имеет окраска, обусловленная веществами, попавшими со сточными жидкостями. В этом случае она уже одна может дать основание к запрещению использования данной воды для удовлетворения физиолого-гигиенических и нередко хозяйственно-бытовых нужд.
Вкус, привкус и запах. Питьевая вода должна обладать приятным освежающим вкусом и не иметь запаха. Растворенные соли, органические вещества, газы, поступающие в воду с промышленными и хозяйственно-бытовыми стоками, а также вносимые в процессе ее обработки, могут придавать ей тот или иной привкус и запах. Так, например, ионы магния и бария придают воде горький вкус, ионы водорода – кислый, ионы большинства солей – соленый, гумусовые вещества – болотистые привкус и запах. Промышленные и хозяйственно-бытовые стоки нередко придают воде запах хлора, сероводорода, фенолов и хлорфенолов, нефтепродуктов и др.
Некоторые органические вещества могут проявлять или заметно усиливать свой запах после хлорирования воды. Так, запах карболовой кислоты (фенола) исчезает при концентрации 18 мг/л, но после хлорирования воды образующиеся хлорфенольные соединения обнаруживаются в концентрации 0,005 мг/л, т. е. интенсивность запаха возрастает в 3600 раз. Аналогичное «провоцирование» запаха возникает при хлорировании воды, содержащей бензин, эфирные соединения. Данное обстоятельство нередко используется для обнаружения связи подземных вод с различными источниками загрязнений.
Вкус, привкус и запах воды определяются методом экспертных оценок по пятибалльной шкале (табл. 8). Определение вкуса проводится при температуре воды 20 °C, запаха – при 20° и 60 °C. При выдаче потребителю вкус, привкус и запах ее не должны быть выше двух баллов.
Таблица 8. Оценка вкуса, привкуса и запаха воды (по ГОСТ 3351–74)
Значение органолептических свойств воды трудно переоценить. Человек издавна научился определять доброкачественность воды по наиболее доступным и легко определяемым показателям – вкусу, запаху, мутности и цветности. Любое отклонение этих свойств от привычных и хорошо знакомых ощущений, свойственных чистой воде, вызывает защитную реакцию в виде отказа от использования сомнительной воды. И это имеет под собой прямую физико-химическую основу, ибо чистая природная вода не имеет посторонних запахов и привкусов, прозрачна и бесцветна. На этом основан один из принципов нормирования содержания химических веществ в воде – органолептический показатель вредности. Суть его заключается в том, что вещества, даже не относящиеся к группе токсичных (вредных), не должны значительно изменять вкус, запах, мутность и цветность воды.
2.1.2. Химический состав природной воды
Химический состав природной воды очень сложен, в ней обнаруживается более половины известных химических элементов таблицы Менделеева. К числу наиболее распространенных и важных в смысле влияния на качество природной воды ингредиентов следует отнести анионы – Cl1-, SO42-, НСO32-, СО32-, NO21-, NO31-, НРO31-, HS1-; катионы – Na1+, K1+, Ca2+, Mg2+, Mn7+, NH41+; плохо растворимые соединения алюминия и силиция (глины, пески); газы – O2, СO2, H2S, N2, CH4; органические соединения – гумусовые вещества, пептоны, аминокислоты, мочевина и другие продукты распада животных и растительных организмов; микроэлементы – йод, фтор, кобальт, свинец, мышьяк, цинк, селен, ртуть, хром и т. д.; радиоактивные вещества.
Сочетания и количественные соотношения перечисленных веществ в природной воде могут быть самыми разнообразными в зависимости от гидрогеологических условий местности, а также промышленной и хозяйственно-бытовой деятельности людей. Тем не менее всё их многообразие можно разделить на следующие основные группы: 1) вещества, указывающие на возможность загрязнения воды патогенными микроорганизмами; 2) вещества, имеющие положительное физиологическое значение; 3) вещества, обладающие токсическими свойствами; 4) вещества, влияющие на вкусовые и другие потребительские свойства воды. Такая классификация химических веществ природной воды, сформулированная на основе предложений начальника кафедры общей и военной гигиены Военно-медицинской академии профессора П. Е. Калмыкова (1948), открыла возможность для разработки единых норм химического состава, которым должна отвечать доброкачественная вода. Кроме того, эта классификация позволяет понять происхождение и гигиеническую значимость определяемых в воде веществ, что особенно важно при выборе источника водоснабжения.
Совершенно очевидно, что для гигиенической оценки качества воды основное значение имеют вещества, входящие в состав первой, второй и третьей групп. Они в первую очередь нуждаются в нормировании. Что касается четвертой группы, то содержание их в воде может быть самым различным, вплоть до пределов вкусовой ощутимости.
Рассмотрим более подробно вещества, составляющие перечисленные группы.
Показатели возможного загрязнения воды патогенными микроорганизмами
В эту группу включены наиболее важные в гигиеническом отношении вещества и показатели, характеризующие качество воды с эпидемиологической точки зрения. Сюда относятся соединения, содержащие азот, органические вещества, обусловливающие так называемую окисляемость воды, хлориды, фосфаты, растворенный кислород и биохимигеское потребление кислорода (ВПК), водородный показатель (рН).
Соединения азота
Азот в воде может находиться в составе как органических, так и неорганических соединений. Органический азот представлен продуктами биодеградации (разложения) белков животного происхождения типа низших пептидов, аминокислот, мочевины и т. п. Кроме того, сюда относится азот, входящий в состав микроорганизмов, низших растений и неразложившихся остатков высших растений. В сумме они представляют так называемый альбуминоидный азот.
Из неорганических соединений азота в природной воде встречаются ионы аммония (NH4), азотистой (NO2) и азотной (NO3) кислот. Они появляются в воде главным образом в результате конечного распада веществ белкового происхождения, т. е. аминокислот, мочевины и т. п. Причем вначале образуется аммиак:
RCHNH2COOH + Н2O → RCHOHCOOH + NH3
Под действием ферментов нитрифицирующих бактерий (Nitrosomonas) в присутствии достаточного количества кислорода аммиак окисляется до азотистой кислоты:
NH3 + O2 → HNO2 + H2↑
Ферменты микробного семейства Nitrobacter окисляют азотистую кислоту до азотной:
2HNO2 + O2 → 2HNO3
Аммиак (ион аммония) является более доступным для определения и довольно хорошим индикатором недавнего загрязнения воды органическими веществами белковой природы. Основные источники его поступления в водные объекты – животноводческие фермы, хозяйственно-бытовые сточные воды, поверхностный сток с сельхозугодий при использовании удобрений, а также сточные воды пищевой, коксохимической, лесохимической промышленности. Однако в некоторых случаях заведомо чистая вода может содержать ион аммония в весьма значительных количествах. Это относится к водам глубокого грунтового происхождения и к воде, содержащей гумусовые вещества. В первом случае аммиак образуется за счет восстановления нитритов и нитратов сернистыми соединениями. Так, по результатам исследования воды примерно шестидесяти артезианских скважин Москвы, содержание аммиака в них колебалось от 0,01 до 0,75 мг/дм3. Появление аммиака в поверхностных водах, содержащих большое количество гумусовых веществ, обусловлено тем, что они являются довольно сильными восстановителями, способными переводить нитраты в аммиак. В доброкачественной воде других источников аммиак, как правило, отсутствует или содержится в ничтожно малых количествах (не более 0,2 мг/дм3), поэтому в каждом случае следует разобраться в причинах и источнике его происхождения.
Нитриты (ионы азотистой кислоты) имеют более важное значение, чем ион аммония, для определения загрязненности воды органическими отбросами животного происхождения. «Присутствие в воде для питья даже одной азотистой кислоты уже в высокой мере делает исследуемую воду подозрительной с точки зрения ее загрязненности и требует очень внимательного обследования источника», – подчеркивал профессор Г. В. Хлопин (1913). Свои выводы он подтвердил данными исследования загрязненной воды многих водоисточников, где, как правило, обнаруживалась азотистая кислота. Наиболее вероятным условием обнаружения нитрит-иона в воде является наличие интенсивного распада относительно нестойких (животного происхождения) органических веществ белковой природы, сопровождающегося выраженным процессом нитрификации. Этим, по-видимому, и следует объяснить большое санитарно-показательное значение нитритов.
Присутствие в природных водах нитратов (ионов азотной кислоты) связано с дальнейшей нитрификацией аммонийных ионов (см. выше), поступлением промышленных и хозяйственно-бытовых сточных вод, стоком с сельскохозяйственных угодий, на которых применяются азотные удобрения. Нитрат-ион как показатель загрязнения воды имеет меньшее значение. Обнаружение его при отсутствии аммиака и нитритов указывает на загрязнение воды в прошлом, а в грунтовых водах – на загрязнение почвы, через которую они проходили. Контроль содержания нитратов, особенно в грунтовых водах, в настоящее время обусловлен, главным образом, их возможным токсическим действием. Исходя из этого, данный ингредиент воды рассматривается в группе веществ, оказывающих токсическое действие на организм человека.
Органические вещества, содержащиеся в природных водах, подразделяются на аутохтонные, образующиеся в водоемах за счет жизнедеятельности водных организмов и растений и их распада, и гетерохтонные, поступающие извне с атмосферными осадками, хозяйственно-бытовыми и техническими сточными водами. Химический состав их весьма сложен и разнообразен. Что касается агрегатного состояния, то они могут находиться в виде истинных растворов, коллоидных взвесей и в виде суспензий.
Разнообразие форм существования органических веществ в воде чрезвычайно затрудняет их раздельное определение. Поэтому в настоящее время об их суммарном содержании судят по разнице массы сухого остатка до и после прокаливания или, чаще всего, по количеству миллиграммов кислорода, затраченного на окисление органических веществ в 1 дм3 воды. Эту величину назвали окисляемостью воды. Существует несколько видов окисляемости в зависимости от применяемого окислителя: перманганатная, бихроматная, йодатная. Чем сильнее окислитель, тем более полным будет результат. Так, при окислении бихроматом калия окисляется до 90–95 % имеющихся органических соединений, а при использовании для этих целей марганцевокислого калия – только 40–45 %. Поэтому бихроматную окисляемость отличают от перманганатной и называют химическим потреблением кислорода (ХПК). Для бытовых сточных вод можно ориентировочно принять, что 1 мг загрязняющего органического вещества соответствует 1,2 мг/дм3 ХПК. Перманганатная окисляемость, как менее сильная, «отвечает» лишь за 25 % органики по сравнению с данными ХПК (по требуемому расходу кислорода).
Количество органических веществ в природных водах может быть самое различное. Подземные воды обычно содержат их мало (десятые и сотые доли миллиграмма на 1 дм3), воды открытых водоемов – больше. В гигиенической практике для оценки качества воды хозяйственно-питьевого назначения преимущественно используется перманганатная окисляемость, тогда как бихроматная окисляемость (ХПК) применяется для контроля состава и степени очистки сточных вод. Перманганатная окисляемость грунтовых вод достигает 2–3 мг/дм3, воды поверхностных источников – 6–8 мг/дм3 кислорода.
Гигиеническое значение органических веществ зависит от их происхождения. Та часть из них, которая образуется за счет биологических процессов в самой воде, для оценки качества воды обычно большого значения не имеет. И наоборот, вещества, поступающие в воду с хозяйственно-бытовыми и производственными стоками, имеют огромное значение, так как указывают на опасность заражения воды патогенными микроорганизмами или токсическими веществами. Установлению природы органических веществ помогают осмотр водоисточника на месте и показатель цветности воды. Обнаружение высокой окисляемости при малой цветности, особенно в грунтовой воде, как правило, свидетельствует о попадании в нее органических веществ животного происхождения или промышленных стоков. Сочетание высокой окисляемости с большой цветностью воды лесисто-болотистого происхождения чаще всего связано с наличием в ней веществ растительного происхождения типа гумусовых соединений.
В настоящее время все большее распространение получает оценка органической загрязненности воды по содержанию растворенного органического углерода. Так, директива Совета Европы 98/83/ЕС включает определение общего органического углерода (ТОС) в состав показателей, применяемых для мониторинга качества питьевой воды. В России как нормативный показатель он используется пока только в целях нормирования качества бутилированной воды: для воды первой категории – не более 10 мг/л, для воды высшей категории – 5 мг/л, однако в научной практике он применяется достаточно широко.
Растворенный кислород. Источником растворенного кислорода в природных водах являются атмосфера и жизнедеятельность водных хлорофиллоносных организмов. Подземные воды часто не содержат кислорода вовсе. Степень насыщения кислородом поверхностных вод подвержена заметным колебаниям. При слабом развитии биологических и биохимических процессов она соответствует растворимости кислорода при температуре и давлении на момент исследования: 6–8 мг/л летом и 8–12 мг/л зимой.
Потребителями кислорода в природной воде являются в основном органические вещества животного происхождения, распадающиеся до простых соединений, а также некоторые микроорганизмы. Отсюда следует, что количество кислорода в воде может служить косвенным показателем степени ее загрязнения. Вода считается чистой, если в ней содержится 80–90 % кислорода от максимально возможного насыщения при данной температуре, сомнительного качества – 50–75 % и загрязненной – при наличии кислорода менее 50 % от максимального. Согласно санитарным правилам и нормам, содержание кислорода в воде в любой период года должно быть не менее 4 мг/л в пробе, отобранной до 12 ч дня.
Конец ознакомительного фрагмента.