Водная среда

i Одна из серьезнейших проблем – загрязнение рек и грунтовых вод. Потребность в чистой питьевой воде в России удовлетворяется всего на 50%, так как более 20% воды - не соответствует гигиеническим нормативам.

& Мировое суммарное потребление воды в течение прошлого столетия увеличилось примерно в 10 раз. В настоящее время 62,5% воды потребляется сельским хозяйством, 24,7% - промышленностью, 12,8% - городским хозяйством. Продолжающееся существенное загрязнение Мирового океана, принимающего в себя все поверхностные воды Земли, происходит из-за сброса в него сточных вод, объем которых составляет более 700 млрд. м³ в год.

Кроме загрязнения водоемов вредными различными веществами, поступающими в них со сточными водами, происходит так называемое «тепловое загрязнение» водоемов, вызываемое сбросом в них теплой воды. Основным источником такой воды являются тепловые электростанции, в частности атомные. Они забирают воду из водоемов для охлаждения конденсаторов и потом сбрасывают ее обратно с более высокой температурой. Само по себе это не производит прямого загрязнения воды, но оказывает неблагоприятное косвенное влияние: повышение температуры воды в водоеме интенсифицирует биологические процессы - приводит к «цветению» воды, уменьшению растворимости в ней газов, в том числе кислорода, изменению физических и химических свойств.

& Осознание того, что вода может способствовать распространению болезней, впервые появилось у древних греков. Гиппократ советовал кипятить или фильтровать загрязненную воду, прежде чем пить ее.

Брюшной тиф и азиатская холера - два заболевания, которые распространяются вследствие загрязнения воды сточными водами. Эти болезни поражают пищеварительный тракт человека.

В прошлом брюшной тиф распространялся главным образом через загрязненную воду; в настоящее время - через продукты питания, которые загрязняются в процессе их производства скрытыми бациллоносителями.

Холера распространяется, в основном, через воду и пищевые продукты, приготовленные с использованием загрязненной воды.

Однако, брюшной тиф и холера - не единственные бактериальные заболевания, передающиеся через загрязненную воду. Паратиф, дизентерия и другие бактериальные заболевания, связанные с расстройством желудочно-кишечного тракта, также могут распространяться с водой.

& Авария водопроводной системы в Детройте (шт. Мичиган) в 1926 г. привела к эпидемии бактериальной дизентерии, поразившей 45 000 человек.

Специфическая форма дизентерии - амебная, вызывается одноклеточными простейшими, живущими в воде. Эта болезнь сопровождается сильным поносом, вызывающим резкую слабость.

& Первая вспышка такого заболевания зарегистрирована в 1933 г. в Чикаго. Основными жертвами оказались посетители Всемирной выставки, жившие в отелях, в которых канализационные трубы текли и сточные воды попадали в водопроводные магистрали.

Еще одно заболевание, связанное с употреблением загрязненной воды, - это дракункулез, вызываемый решитой - червем, длина которого может достигать 1 м. Личинки этого червя попадают в воду с экскрементами больных людей и затем проглатываются с загрязненной водой. В организме человека личинки превращаются во взрослых червей и поселяются под кожей, особенно в области стопы. Ежегодно этой болезнью, превращающей человека в калеку, заражается от 10 до 48 млн. людей. Болезнь чаще встречается в Индии, на Среднем Востоке и на северо-востоке Южной Америки.

Как полагают, свыше 200 млн. человек, то есть около 5% населения земного шара, заражены шистосомозом (бильгарциозом). Причиной этого заболевания является шистосола - червь-паразит, который обитает в венах инфицированных людей, вызывая заболевания печени и мочевых путей.

Личинки червя проникают через кожу человека при поверхностном контакте с загрязненной водой. Это может происходить при купании, мытье или просто при вхождении в воду.

Загрязненная вода может стать также источником вирусных заболеваний - полиомиелита, гепатита, различных респираторных заболеваний. Источником гепатитов являются также устрицы или другие съедобные моллюски, место обитания которых загрязнены сточными водами.

& Крупная вспышка гепатита была зарегистрирована в Нью-Дели (Индия) в 1956 г. В этом случае 50 000 человек заболели из-за пользования водопроводной водой, которая оказалась загрязненной канализационными стоками.

В 1980 г. свыше 20 000 жителей США были охвачены эпидемией заболевания, называемого лямблиозом. Основные симптомы этой болезни - понос, рвота, потеря веса. Причиной лямблиоза является присутствовавший в воде малоизвестный паразит человека Giardia lamblia. Инкубационный период после заражения может длиться от 1 до 8 недель, а продолжительность самого заболевания составляет от 1 до 3 месяцев. Наличие инкубационного периода объясняется тем, что популяция паразита должна достичь численности, при которой у заразившегося начинают проявляться симптомы заболевания. При этом, если хлорирование воды, содержащей паразиты, продолжается меньше установленного времени и при несоответствующей температуре, то лямблии не разрушаются. Кроме того, для обеззараживания такой воды хлор необходимо добавлять в избытке по сравнению с уровнем, при котором погибают все микроорганизмы. Это приводит к появлению «свободного» хлора в растворе.

Одной из альтернатив процессу хлорирования воды является ее обеззараживание при помощи озона. Процесс озонирования, как и процесс хлорирования, осуществляется путем контакта воды с газом. Озон - сильный окислитель, разрушающий бактерии и вирусы. В отличие от хлорирования, при котором хлор может соединяться с углеводородами, содержащимися в воде, при озонировании хлорированных углеводородов, являющихся канцерогенными веществами, не образуется; напротив, озон может разрушать присутствующие в воде углеводороды путем их окисления. Более того, озон эффективно обесцвечивает воду и не создает в ней постороннего привкуса и запаха. Однако, озонирование не находит широкого применения из-за того, что в воде не остается свободного озона, который дезинфицировал бы воду в случае ее возможного повторного загрязнения болезнетворными микробами.

Для оценки уровня загрязнения воды органическими веществами применяют два показателя: показатель биохимического потребления кислорода (БПК) и показатель химической потребности в кислороде (ХПК).

☞ Биохимическое потребление кислорода (БПК) - количество кислорода, которое необходимо для окисления бактериями и простейшими в 1 л загрязненной воды, выражается в мг/л. Величина БПК - важный показатель загрязнения воды органическими веществами, поскольку он показывает, какое предельное количество кислорода может быть удалено из воды за счет биологического окисления отходов. Полная биологическая потребность в кислороде БПК_п для внутренних водоемов рыбохозяйственного назначения (I и II категории) при 20^оС не должна превышать 3 мг O₂/дм³.

Биохимическое окисление разных химических соединений происходит с различной скоростью:

Ø к легкоокисляющимся («биологически мягким») веществам относят формальдегид, низшие алифатические спирты, фенол, фурфурол и др.;

Ø среднее положение занимают крезолы, нафтолы, ксиленолы, резорцин, пирокатехин, анионоактивные ПАВ и др.;

Ø медленно разрушаются «биологически жесткие» вещества, такие как гидрохинон, сульфонол, неионогенные ПАВ и др.

Если БПК определено за более короткий период времени (5 или 10 суток), это отмечается дополнительным индексом, соответственно БПК₅ или БПК₁₀. В поверхностных водах величины БПК₅ изменяются обычно в пределах 0,5–4 мг O₂/дм³ и подвержены сезонным и суточным колебаниям. Сезонные колебания зависят в основном от изменения температуры и от исходной концентрации растворенного кислорода. Влияние температуры сказывается через ее воздействие на скорость процесса потребления, которая увеличивается в 2–3 раза при повышении температуры на 10^oC. Влияние начальной концентрации кислорода на процесс биохимического потребления кислорода связано с тем, что значительная часть микроорганизмов имеет свой кислородный оптимум для развития в целом и для физиологической и биохимической активности.

Суточные колебания величин БПК₅ также зависят от исходной концентрации растворенного кислорода, которая может в течение суток изменяться на 2,5 мг О₂/дм³ в зависимости от соотношения интенсивности процессов его продуцирования и потребления. Весьма значительны изменения величин БПК₅ в зависимости от степени загрязненности водоемов (таблица 4).

Таблица 4 - Величины БПК₅ в водоемах с различной степенью загрязненности

Степень загрязнения (классы водоемов	БПК5, мг O2/дм^3
Очень чистые	0,5 – 1,0
Чистые	1,1 – 1,9
Умеренно загрязненные	2,0 – 2,9
Загрязненные	3,0 – 3,9
Грязные	4,0 – 10,0
Очень грязные	10,0

Для водоемов, загрязненных преимущественно хозяйственно-бытовыми сточными водами, БПК₅ составляет обычно около 70% БПК_п. В зависимости от категории водоема величина БПК₅ регламентируется следующим образом:

Ø не более 3 мг O₂/дм³ для водоемов хозяйственно-питьевого водопользования;

Ø не более 6 мг O₂/дм³ для водоемов хозяйственно-бытового и культурного водопользования;

Ø для морей (I и II категории рыбохозяйственного водопользования) пятисуточная потребность в кислороде (БПК₅) при 20^оС не должна превышать 2 мг O₂/дм³.

☞ Химическое потребление кислорода (ХПК) выражает более полную количественную оценку содержания органических веществ в воде. В программах мониторинга ХПК используется в качестве меры содержания органического вещества в пробе, которое подвержено окислению сильным химическим окислителем.

Чем больше загрязненность воды органическими веществами, тем меньше содержание растворенного кислорода, что приводит к ухудшению условий развития живых организмов рек и водоемов. ХПК применяют для характеристики состояния водотоков и водоемов, поступления бытовых и промышленных сточных вод (в том числе, и степени их очистки), а также поверхностного стока (таблица 5).

Таблица 5 - Величины ХПК в водоемах с различной степенью загрязненности

Степень загрязнения (классы водоемов)	ХПК, мг О2/дм^3
Очень чистые
Чистые
Умеренно загрязненные
Загрязненные
Грязные	5 - 15
Очень грязные	> 15

Для вычисления концентрации углерода, содержащегося в органических веществах, значение ХПК (мг О₂/дм³) умножается на 0,375 (коэффициент, равный отношению количества вещества эквивалента углерода к количеству вещества эквивалента кислорода).

i Попадающие в природные водоемы, органические соединения, фосфаты и нитраты служат источником питания для фотосинтезирующих водорослей, численность которых может достигает катастрофических размеров. Этот процесс называется эвтрофизацией. В ночное время, когда водоросли в эвтрофных водоемах поглощают кислород при дыхании, его уровень в воде может упасть ниже значения, необходимого для других водных организмов. Уже эвтрофированные озера могут восстанавливаться, если поступление фосфатов и нитратов в них прекращается.

Помимо органических веществ воду загрязняют и неорганические соединения, в частности ртуть, кадмий, мышьяк, свинец и нитраты.

Естественного появления кадмия в воде в заметных количествах практически неизвестно. Предполагается, что широкое использование на тепловых электростанциях нефти вместо каменного угля увеличивает содержание в воздухе кадмия, мышьяка и свинца. Из воздуха эти загрязнения вымываются дождями и попадают в природные воды. Помимо роста концентраций в воздухе и в воде, имеются данные о том, что кадмий и свинец, содержащиеся в канализационных сбросах или фосфорных удобрениях, способны повысить содержание этих элементов в пищевых продуктах.

Кадмий можно удалить путем умягчения воды, обычно применяемого при обработке питьевой воды. Для питьевой воды установлена ПДК кадмия равная 0,001 мг/л.

Большая часть мышьяка (80%) имеет своим источником пестициды и дефолианты, применяемые в сельском хозяйстве. Поскольку мышьяк содержится также в дыме при сжигании угля, поверхностные воды вблизи предприятий, использующих его в качестве топлива, или сельскохозяйственные поля могут загрязняться мышьяком.

Свинец выделяемый при сгорании бензина с добавкой тетраэтилсвинца в двигателях внутреннего сгорания является распространенным загрязнителем воздуха, откуда он также вымывается дождями и попадает в поверхностные воды.

Железо и марганец могут загрязнять источники питьевой воды. В большинстве случаев высокие концентрации этих металлов - это результат дренирования шахт и отвода из них воды.

Особую опасность представляют нитраты. Вода, содержащая более 10 мг/л нитратов, считается непригодной для питья, так как она токсична особенно для грудных детей. У некоторых детей в желудке не выделяется достаточное количество кислоты, чтобы предотвратить развитие бактерий, преобразующих нитраты в высокотоксичные нитриты.

В последнее время установлено, что нитраты в питьевой воде могут оказаться вредными также для подростков и взрослых людей, так как в желудке возможно образование нитрозосоединений.

Не менее серьезную опасность как источник загрязнения воды представляет собой ртуть, преобразующаяся в водной среде в метилртуть. Ртуть можно назвать постоянным загрязнителем в том смысле, что, однажды попав в окружающую среду, она в процессе своего круговорота переходит из воздуха в воду, в водные организмы, в пищу людей, и эти циклы представляются бесконечными. Должно пройти много лет, прежде чем ртуть, попавшая в донные осадки озер и морей, покроется настолько толстым слоем ила, что станет безопасной.

Из-за токсичности и тенденции накапливаться в живых организмах, предельная концентрация ртути в питьевой воде установлена на уровне 0,0005 мг/л.

Безопасность питьевой воды гарантируется национальными стандартами, в которых устанавливаются максимально допустимые уровни неорганических и органических веществ, бактерий кишечной группы, мутности воды и ее радиоактивности.

i К категории наиболее часто используемых показателей для оценки качества водных объектов относят гидрохимический индекс загрязнения воды ИЗВ и гидробиологический индекс сапробности S.

В зависимости от величины ИЗВ участки водных объектов подразделяют на классы (таблица 6). Индексы загрязнения воды сравнивают для водных объектов одной биогеохимической провинции и сходного типа, для одного и того же водотока (по течению, во времени, и т. д.).

Таблица 6 - Классы качества вод в зависимости от значения индекса загрязнения воды

Степень загрязнения	Значения ИЗВ	Классы качества воды
Очень чистые	до 0,2
Чистые	0,2 – 1,0
Умеренно загрязненные	1,0 – 2,0
Загрязненные	2,0 – 4,0
Грязные	4,0 – 6,0
Очень грязные	6,0 – 10,0
Чрезвычайно грязные	более 10,0

Индекс сапробности отражает совокупность физиолого-биохимических свойств, обусловливающих способность организмов обитать в воде с тем или иным содержанием органических веществ. Каждому виду исследуемых организмов присвоено некоторое условное численное значение индивидуального индекса сапробности. Для статистической достоверности результатов необходимо, чтобы в пробе содержалось не менее двенадцати индикаторных организмов с общим числом особей в поле наблюдения не менее тридцати. В таблице 7 приведена классификация водных объектов по значению индекса сапробности S, которые также нормируются.

Таблица 7 - Классы качества вод в зависимости от индексов сапробности

Уровень загрязненности	Зоны	Индексы сапробности S	Классы качества вод
Очень чистые	ксеносапробная	до 0,50
Чистые	олигосапробная	0,50–1,50
Умеренно загрязненные	a-мезосапробная	1,51–2,50
Тяжело загрязненные	b-мезосапробная	2,51–3,50
Очень тяжело загрязненные	полисапробная	3,51–4,00
Очень грязные	полисапробная	более 4,00

Индекс загрязнения воды и индекс сапробности следует отнести к интегральным характеристикам состояния. Уровень загрязненности и класс качества водных объектов иногда устанавливают в зависимости от микробиологических показателей (таблица 8).

Таблица 8 – Классы качества воды по микробиологическим показателям

Уровень загрязненности и класс качества вод	Микробиологические показатели
Общее число бактерий, 10^6 клеток/мл	Число сапрофитных бактерий, 1000 клеток/мл	Отношение общего числа бактерий к числу сапрофитных бактерий
Очень чистые, I	<0,5	<0,5	<1000
Чистые, II	0,5–1,0	0,5–5,0	>1000
Умеренно загрязненные, III	1,1–1,3	5,1–10,0	1000–100
Загрязненные, IV	3,1–5,0	10,1–50,0	<100
Грязные, V	5,1–10,0	50,1–100,0	<100
Очень грязные, VI	>10,0	>1000	<100

В настоящее время в рамках проекта ООН создана глобальная система мониторинга окружающей среды (ГСМОС), частью которой является программа, посвященная водным проблемам – ГСМОС (Вода) – с центром в аннаде. В программе ГСМОС (Вода) активное участие принимают 4 специализированных учреждения ООН: Комитет ООН по окружающей среде (ЮНЕП), Всемирная организация здравоохранения (ВОЗ), Всемирная метеорологическая организация (ВМО) и Организация Объединенных Наций по вопросам образования, науки и культуры (ЮНЕСКО).

Задачами программы ГСМОС (Вода) является следующее:

Ø мониторинг распространения и трансформации загрязняющих веществ в водной среде;

Ø оповещение о серьезном нарушении состояния водных объектов;

Ø напоминание правительствам о необходимости принятия мероприятий по охране, восстановлению и улучшению окружающей среды.

В этой программе активное участие принимает также и наша страна.

Дата добавления: 2014-01-07