Окисляемость, или химическое потребление кислорода (ХПК) — Петин А.Н. и др. Анализ и оценка качества поверхностных вод

Нитриты

Нитриты представляют собой промежуточную ступень в цепи бактериальных процессов окисления аммония до нитратов (нитрификация — только в аэробных условиях) и, напротив, восстановления нитратов до азота и аммиака (денитрофикация — при недостатке кислорода). Подобные окислительно-восстановительные реакции характерны для станций аэрации, систем водоснабжения и собственно природных вод. Кроме того, нитриты используются в качестве ингибиторов коррозии в процессах водоподготовки технологической воды и поэтому могут попасть и в системы хозяйственно-питьевого водоснабжения.

Широко известно также применение нитритов для консервирования пищевых продуктов. В поверхностных водах нитриты находятся в растворенном виде. В кислых водах могут присутствовать небольшие концентрации азотистой кислоты (HNO2) (не диссоциированной на ионы).

Повышенное содержание нитритов указывает на усиление процессов разложения органических веществ в условиях более медленного окисления NO2— в NO3—, что указывает на загрязнение водного объекта, т.е. является важным санитарным показателем [14]. Концентрация нитритов в поверхностных водах составляет сотые (иногда даже тысячные) доли милиграмма в 1 дм3; в подземных водах концентрация нитритов обычно выше, особенно в верхних водоносных горизонтах (сотые, десятые доли милиграмма в 1 дм3). Сезонные колебания нитритов характеризуются отсутствием их зимой и появлением весной при разложении неживого органического вещества. Наибольшая концентрация нитритов наблюдается в конце лета, их присутствие связано с активностью фитопланктона (установлена способность диатомовых и зеленых водорослей восстанавливать нитраты до нитритов). Осенью содержание нитритов уменьшается. Одной из особенностью распределения нитритов по глубине водного объекта являются хорошо выраженные максимумы, обычно вблизи нижней границы термоклина и в гиполимнионе, где концентрация кислорода снижается наиболее резко [31]. Предельно допустимая концентрация нитритов в воде водоемов (ПДКв) установлена в размере 3,3 мг/дм3 в виде иона NO2— или 1 мг/дм3 в пересчете на азот нитритов. Показатель вредности — санитарно-токсикологический. В соответствии с требованиями глобальной системы мониторинга состояния окружающей среды (ГСМОС/GEMS) нитрит- и нитрат-ионы входят в программы обязательных наблюдений за составом питьевой воды и являются важными показателями степени загрязнения и трофического статуса природных водоемов.

Натрий (Na )

Натрий (Na) участвует в образовании желудочного сока, регулирует выделение почками многих продуктов обмена веществ, активирует ряд ферментов слюнных желез и поджелудочной железы, а также более чем на 30% обеспечивает щелочные резервы плазмы крови. Кроме того, ионы натрия способствуют набуханию коллоидов тканей, что задерживает воду в организме.

Согласно СанПиН 2.1.4.1074-01 (Питьевая вода.) ПДК натрия составляет 200 мг/л.

Марганец (мn, суммарно)

В природные воды марганец поступает в результате выщелачивания железомарганцевых руд и других минералов, содержащих марганец (пиролюзит, псиломелан, браунит, манганит, черная охра). Значительные количества марганца поступают в окружающую среду в результате разложения водных животных и растительных организмов, особенно сине-зеленых диатомовых водорослей и высших водных растений.
Соединения марганца выносятся в водоемы со сточными водами марганцевых обогатительных фабрик, металлургических заводов, предприятий химической промышленности и др. Роль марганца в жизни высших растений и водорослей весьма важна. Марганец способствует утилизации углекислого газа растениями, повышая эффективность фотосинтеза, участвует в процессе восстановления нитратов и ассимиляции азота растениями.

Согласно СанПиН 2.1.4.1074-01 (Питьевая вода.) ПДК марганца составляет 0,1 мг/л. Избыток марганца способствует частому развитию пневмоний, оказывает нейротоксическое действие (снижается проводимость нервного импульса, как следствие повышается утомляемость, сонливость, снижается быстрота реакции, работоспособность, появляются головокружение, депрессивные, подавленные состояния). В тяжелых случаях может возникать так называемый марганцевый паркинсонизм. Особенно опасны отравления марганцем у детей и эмбрионов (когда женщина беременна) — приводит к идиотии. Из 100 детей, матери которых во время беременности подверглись отравлению марганцем, 96-98 рождаются идиотами. Однако в разумных дозах марганец полезен. Марганец (Mn) принимает участие в некоторых окислительно-восстановительных процессах, входя в состав ферментов (пероксида и аминофенолоксидазы) в качестве активного центра: активно влияет на обмен белков, углеводов и жиров. В присутствии Mn организм полнее использует жиры, усиливает действие инсулина, способствует поддержанию определенного уровня холестерина в крови.

Фториды, фосфаты

Фториды — это химические соединения фтора с другими элементами. Основным источником фтора являются соли в питьевой воде и пище. Попадая в организм, они с кровью распространяются ко всем органам.

В отличие от загрязнения по железу, мутности или жесткости, превышение ПДК по фторидам невозможно ощутить визуально. Фториды в воде не оставят следы накипи на чайнике, также вы не увидите рыжих разводов на сантехнике. Тем не менее, избыток фторидов в воде несёт существенную опасность для здоровья человека. Высокое содержание фтора в воде возникает при контакте вод с почвой, богатой фтористыми соединениями или образуется после сброса промышленных вод с наличием фтора. У людей, употребляющих сильно загрязненную фтором воду, возникает флюороз — поражение зубов. Также обилие фторидов приводит к нарушению процессов окостенения скелета. Предельно допустимое содержание фтора — 1,5 мг/л. В противном случае его количество в воде следует лимитировать.

Важным источником ионов фтора в природных водах служат продукты разрушения горных пород, в состав которых входит апатит Ca₅(PO₄)₃F, турмалин, фосфорит, флюорит. Например, за счет присутствия флюорита в породах каменноугольных отложений Подмосковной впадины, концентрация ионов фтора в подземной воде некоторых районов Подмосковья обнаруживается до 3 мг/л.
В отличие от других галогенов (Cl, Br, I) фтор характеризуется чрезвычайно низкой растворимостью своих кальциевых солей, поэтому содержание фтора в подземных водах лимитируется содержанием кальция. Вследствие высокой растворимости NaF переход фтора из пород в подземные воды и его содержание зависят от соотношения Na/Ca – чем больше это соотношение, тем больше фтора может содержаться в этих водах. В морской воде фтора содержится около 1 мг/л. В некоторых источниках (Аахен) его концентрация равна 31,8 мг/л.

Фтор может добавляться в питьевую воду в целях профилактики заболеваний кариесом. Однако, избыточные количества фтора оказывают вредное воздействие на человека, вызывает разрушение зубной эмали. Кроме того, избыток фтора в организме осаждает кальций, что приводит к нарушениям кальциевого и фосфорного обмена.

Согласно СанПиН 2.1.4.1074-01 (Питьевая вода.) ПДК фторидов составляет 1,5 мг/л.

Фосфатами называется класс солей, полученный в результате химической реакции фосфорной кислоты с другими элементами таблицы Менделеева. Назвать фосфор вредным для здоровья выглядит абсолютно абсурдно. Он является необходимым всему живому на земле, в том числе и людям, как необходимый элемент жизнедеятельности организма. Проблему опасности представляет собой чрезмерное и неправильное потребление соединений фосфатов. Это неизменные элементы, входящие в состав большинства видов бытовой химии, удобрений.

Ртуть (нg, суммарно)

Ртуть относится к ультрамикроэлементам и постоянно присутствует в организме, поступая с пищей. Неорганические соединения ртути (в первую очередь катионы Hg ) реагируют с SH–группами белков, а также с карбоксильными и аминными группами тканевых белков, образуя прочные комплексные соединения – металлопротеиды. В результате возникают глубокие нарушения функций центральной нервной системы, особенно высших ее отделов. Из органических соединений ртути наибольшее значение играет метилртуть, которая хорошо растворима в липидных тканях и быстро проникает в жизненно важные органы, и в том числе в мозг.

В результате возникают изменения в вегетативной нервной системе, периферических нервных образованиях, в сердце, сосудах, кроветворных органах, печени, нарушения в иммунобиологическом состоянии организма. Соединения ртути обладают также эмбриотоксическим действиям (приводят к нарушению плода у беременных). ПДК – 0,0005 мг/л. Лимитирующий показатель вредности санитарно- токсикологический.

Согласно СанПиН 2.1.4.1074-01 (Питьевая вода.) ПДК ртути составляет 0,0005 мг/л.

Хлориды, сульфаты

Хлориды присутствуют практически во всех пресных поверхностных и грунтовых водах, а также в питьевой воде в виде солей металлов. Если в воде присутствует хлорид натрия, она имеет соленый вкус уже при концентрациях свыше 250 мг/л; в случае хлоридов кальция и магния соленость воды возникает при концентрациях свыше 1000 мг/л. Именно по органолептическому показателю – вкусу установлена ПДК для питьевой воды по хлоридам (350 мг/л), лимитирующим показателем вредности является органолептический.

Большие количества хлоридов могут образовываться в промышленных процессах концентрирования растворов, ионного обмена, высоливания и т.д., образуя сточные воды с высоким содержанием хлорид-аниона.

Высокие концентрации хлоридов в питьевой воде не оказывают токсического воздействия на человека, хотя соленые воды очень коррозионно активны по отношению к металлам, пагубно влияют на рост растений, вызывают засоление почв.

Сульфаты, как и хлориды, влияют на органолептические свойства воды. Они придают ей горький вкус. Пороговые концентрации по влиянию на вкус воды составляют для натрия, кальция и магния сульфата соответственно 500, 900 и 600 мг/л. Горький вкус становится ощутимым для большинства потребителей, если содержание сульфатов в воде превышает 500 мг/л. Кроме того, сульфаты в количестве 1—2 г оказывают слабительное действие. Также влияет вода, если содержит 700 мг/л магния сульфата. Однако со временем организм человека адаптируется к таким и даже более высоким концентрациям сульфатов в воде.

Чтобы питьевая вода не имела соленого или горького вкуса интенсивностью более 2 баллов, концентрация хлоридов не должна превышать 350 мг/л, а сульфатов — 500 мг/л, что и отражено в государственном стандарте на питьевую водопроводную воду. Кроме того, сульфаты и хлориды в питьевой водопроводной воде всегда содержатся одновременно. Поэтому они оказывают комбинированное воздействие на вкусовые рецепторы, результатом которого является усиление вкусовых ощущений. И если в отдельности хлориды в концентрации 350, а сульфаты —500 мг/л не ухудшают органолептических свойств воды, то присутствуя одновременно они придают ей ощутимый вкус интенсивностью свыше 2 баллов. Чтобы при этих условиях потребители не ощущали вкус, т. е., чтобы он не превышал 2 баллов, необходимо, чтобы сумма концентраций хлоридов и сульфатов, выраженная в долях от пороговых каждого вещества в отдельности, не превышала 1.

Сульфиды и сероводород

Встречаются в основном в подземных источниках воды, образуясь в результате процессов восстановления и разложения некоторых минеральных солей (гипса, серного колчедана др.). В поверхностных водах сероводород почти не встречается, т.к. легко окисляется. Появление его в поверхностных источниках может быть следствием протекания гнилостных процессов или сброса неочищенных сточных вод. Наличие в воде сероводорода придает ей неприятный запах, интенсифицирует процесс коррозии трубопроводов и вызывает их зарастание вследствие развития серобактерий.

Согласно СанПиН 2.1.4.1074-01 (Питьевая вода.) ПДК сероводорода составляет 0,003 мг/л.

Кремний

Кремний является постоянным компонентом химического состава природных вод. Кремний в природе представлен в виде кислородосодержащих силикатов: от простого кварца (SiO₂) до сложных соединений, содержащих щелочные и щёлочноземельные металлы: полевой шпат (K₂О×AI₂О₃×6SiO₂), каолин (AI₂О₃×2SiО₂×2H₂O).

Этому способствует в отличие от других компонентов повсеместная распространенность соединений кремния в горных породах, и только малая растворимость последних объясняет малое содержание кремния в воде. Главным источником соединений кремния в природных водах являются процессы химического выветривания и растворения кремнийсодержащих минералов, например алюмосиликатов:

KMg₃AlSi₃O₁₀(OH)₂ 7H₂CO₃ ½H₂O → K 3Mg² 7HCO_3-^— 2H₄SiO₄ ½Al₂Si₂O₅(OH)₄.

Значительные количества кремния поступают в природные воды в процессе отмирания наземных и водных растительных организмов, с атмосферными осадками, а также со сточными водами предприятий, производящих керамические, цементные, стекольные изделия, силикатные краски, вяжущие материалы, кремнийорганический каучук и т.д. Формы соединений, в которых находится кремний в растворе, весьма многообразны и меняются в зависимости от минерализации, состава воды и значений рН. Часть кремния находится в истинно растворенном состоянии в виде кремниевой кислоты и поликремниевых кислот:

H₄SiO₄ ↔ H H₃SiO₄^—.

Поликремниевые кислоты имеют переменный состав типа mSiO₂•nH₂O,

где m и n — целые числа.

Кроме того, кремний содержится в природных водах в виде коллоидов типа xSiO₂•yH₂O.
Сравнительно малое содержание кремния в поверхностных водах, указывает на наличие в воде процессов, уменьшающих его концентрацию. К ним надо отнести потребление кремния водными организмами, многие из которых, например диатомовые водоросли, строят свой скелет из кремния. Кроме того, кремниевая кислота как более слабая вытесняется из раствора угольной кислотой:

Na₄SiO₄  4CO₂  4H₂O = H₄SiO₄  4NaHCO₃.

Неустойчивости кремния в растворе способствует и склонность кремниевой кислоты при определенных условиях переходить в гель. Режим кремния в поверхностных водах до некоторой степени сходен с режимом соединений азота и фосфора, однако кремний никогда не лимитирует развитие растительности. Согласно СанПиН 2.1.4.1074-01 (Питьевая вода.) ПДК кремния равна 10 мг/л. Концентрация кремния в речных водах колеблется обычно от 1 до 20 мг/л; в подземных водах его концентрация может возрастать до 20..30 мг/л, а в горячих термальных водах содержание кремния может достигать сотен миллиграммов в 1 л.

Общая щёлочность

Общая щёлочность – это общее число находящихся в воде гидроксильных ионов (ОН-) и анионов слабых кислот. То есть карбонатов, гидрокарбонатов, боратов, сульфитов, гидросульфитов, сульфидов, гидросульфидов, анионов гуминовых кислот, фосфатов. В процессе их гидролиза, образуются сильные гидроксильные ионы.

Как правило, в природных водоёмах, из-за контакта с атмосферам воздухом, известняками, а так же из-за дыхательной деятельности всех водных организмов, преобладают карбонаты и гидрокарбонаты. Они вносят существенный вклад в общий уровень минерализации воды. Иногда, при рН>8.5 возникает гидратная щёлочность.

Щёлочность пробы воды измеряется в ммоль/л и определяется величиной сильной кислоты (обычно используют соляную кислоту), израсходованной для нейтрализации 1 дм³ жидкости. В естественной среде кислотность воды, как правило, в пределах нормы и образуется из-за находящихся в ней слабых органических кислот. Параметры кислотности воды вычисляют для очистки химических стоков и подготовки воды, используемой в производстве, животноводстве и сельском хозяйстве.

Калий (к )

Калий необходим для нормальной жизнедеятельности организма, т.к. является компонентом калий-натриевого насоса. Калий-натриевый насос — это структура на мембране каждой клетки, благодаря которой в клетку проникают вещества из межклеточной жидкости, а из клетки выводятся продукты ее жизнедеятельности. Кроме того, особенно важен калий для сердечно-сосудистой деятельности, т.к. он нормализует давление крови и работу сердца.

Содержание Калия не нормируется.

Радон

Воды с высоким содержанием радона встречаются, как правило, в местах омывания пород кристаллического происхождения с высоким уровнем трещиноватости или в местах омывания песков, в которых ранее происходило отложение радия.

Разовый риск от употребления воды, содержащей невысокую активность радона минимален. Но длительное употребление — может привести к проблемам со здоровьем.

Радон является продуктом процесса полураспада радия. При этом следует помнить, что в той или иной мере все породы содержат радий, как правило в микроскопически малых количествах. Однако не редки места с повышенным его содержанием, а значит требуется водоочистка от радона. Известно то, что высокое содержание радона обусловлено тем, что продуктов распада появляется в разы больше, чем самого радия. Соотношения радона к радию может быть в десятки и сотни раз больше.

Удельная суммарная альфа и бета – активность

Поток положительно заряженных тяжелых альфа-частиц -ядер гелия, состоящих из двух протонов и двух нейтронов. Воздействие радионуклидов на организм изнутри опасно генетическими изменениями, риском возникновения рака. В результате воздействия ионизирующего излучения, в организме протекает цепочка обратимых и необратимых изменений. Первый этап, запускающий многочисленные последствия — ионизация, приводящая к разрушению молекул вещества, образованию свободных радикалов и мощных окислителей высокой химической активности. Свободные радикалы и окислители, в свою очередь, инициируют целый шквал химических реакций с молекулами белка, изменяя биохимические процессы в организме. Поэтому содержание радионуклидов жестко нормируется в продуктах питания, воде и воздухе. Исследование природной радиоактивности воды предполагает исследование удельной активности радона, радия-226, радия-228 и урана (суммы активности природной смеси изотопов) в соответствии с требованиями норм радиационной безопасности. Внедрение подобных методов исследований на питьевую воду отразило мировую тенденцию -применение упрощенных исследований на первом шаге определения радиационного качества воды- определение суммарной α- и суммарной β-активности воды. Целью такого подхода является экономия средств и ресурсов, необходимые при массовых исследованиях. Развернутые (понуклидные) исследования проводятся только в случае, если результаты упрощенных исследований не удовлетворяют установленным критериям: 0,1 Бк/л для суммарной α-активности воды и 1,0 Бк/л для суммарной β-активности.

Кадмий (cd, суммарно)

Соединения кадмия очень ядовиты. Действуют на многие системы организма – органы дыхания и желудочно–кишечный тракт, центральную и периферическую нервные системы. Механизм действия соединений кадмия заключается в угнетении активности ряда ферментов, нарушении фосфорно–кальциевого обмена, нарушении метаболизма микроэлементов (Zn, Cu, Fe, Mn, Se).

Согласно СанПиН 2.1.4.1074-01 (Питьевая вода.) ПДК кадмия составляет 0,001 мг/л, лимитирующий показатель вредности – санитарно-токсикологический.

Микроорганизмы и паразиты

В природных водах присутствуют и размножаются микроорганизмы, водоросли, ракообразные, рыбы, земноводные, в толще воды развиваются личинки комара, на поверхности воды живут водомерки. Многие из этих организмов, называемых гидробионтами, являются опасными для здоровья и жизни человека, например, огромные морские хищники — акулы — или небольшие хищные рыбы пираньи.
Но и небольшие микроорганизмы — микробы — могут нанести непоправимый вред здоровью человека.

В воде могут присутствовать также микроскопические личинки паразитов, амебные цисты, бактерии в споровой форме и другие патогенные формы. Основным источником патогенных организмов, распространяемых водой, являются фекалии человека и теплокровных животных, а также фекально-бытовые сточные воды. Фекальные загрязнения воды ухудшают ее качество, а патогенные микроорганизмы, попадающие в воду с выделениями теплокровных животных и человека, могут явиться причиной заболеваемости кишечными инфекциями.
Среди патогенных микроорганизмов чаще других об¬наруживаются в загрязненных водах сальмонеллы, шигеллы, пастереллы, вибрионы, микобактерии, энтеровирусы человека, амебные цисты, личинки нематод, энтеропатогенные Е.Соli и др.

Бактерии — одноклеточные микроорганизмы, способные к самовоспроизводству. Они подразделяются на две большие подгруппы: аэробные (потребляющие в процессе жизнедеятельности кислород) и анаэробные (не потребляющие кислород). Бактерии могут существовать в широком диапазоне условий окружающей среды. Некоторые, например, pseudomonada, могут процветать в среде с очень низким уровнем питательных веществ.

Эти бактерии являются производителями слизи: главной проблемы для систем подготовки воды. Другие жестко прикрепляются к поверхности, выделяют студенистое вещество. Оно служит защитой бактерий от химических дезинфицирующих средств.
Этот агломерат бактерий и защищающего их студенистого вещества иногда называют биопленкой. Концентрация бактерий в воде обычно выражается в терминах колониеобразующих единиц (cfu) на миллилитр (ml). Колониеобразующая единица — это жизнеспособная бактерия, которая, воспроизводясь, может сформировать целую колонию, если она инкубируется в питательной среде.

Общее микробное число (ОМЧ) – это количественный показатель, отражающий общее содержание мезофильных аэробных и факультативно анаэробных микроорганизмов в 1 мл исследуемой воды. Данный тест имеет невысокую ценность как индикатор присутствия патогенных микроорганизмов, тем не менее, ОМЧ-37°С является важным интегральным санитарным показателем, который позволяет оценить общую микробную обсемененность водного объекта. Показатель ОМЧ широко используется для оперативного контроля систем водоподготовки и дезинфекции. Для этой цели диагностически более значимыми являются не абсолютные значения показателя, а их динамика в отдельных точках отбора воды. Кроме того, соотношение значений показателя ОМЧ, определенных при температурах 22 и 37°С, позволяет оценить активность и состояние процессов самоочищения природных водоемов.

Окб, ткб

Содержание ОКБ в воде является индикатором качества питьевой воды. ОКБ — это международная квалификация, и они входят в большую группу БГКП (бактерии группы кишечных палочек).

Содержание ТКБ характеризует степень фекального загрязнения воды водных объектов и косвенно определяет эпидемическую опасность в отношении возбудителей кишечных инфекций.

ОКБ и ТКБ могуг явиться причиной инфекционного заболевания, вызываемого кишечными палочками, характеризующиеся преимущественным поражением желудочно-кишечного тракта с развитием интоксикации и диарейного синдрома, реже — генерализацией патологического процесса.

Вирусы — внеклеточная форма жизни, состоящая из РНК или ДНК в протеиновой оболочке. Размножается только после проникновения в живую клетку, имеет очень маленькие размеры от 15 до 350 нанометров.