5.1.2. Водная среда

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. м в год.

Кроме загрязнения водоемов различными вредными 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 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 45000 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. че­ловек. 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, места обитания которых загрязнены сточными водами.

Крупная вспышка гепатита была зарегистрирована в Нью-Де-ли (Индия) в 1956 г. В этом случае 50000 человек заболели из-за пользо­вания водопроводной водой, которая оказалась загрязненной канализа­ционными стоками.

В 1980 г. свыше 20000 жителей США были охвачены эпидемией за­болевания, называемого лямблиозом. Основные симптомы этой болезни -понос, рвота, потеря веса. Причиной лямблиоза оказался 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 хлорированные углеводоро­ды, являющиеся канцерогенными веществами, не образуются; 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 озон нестоек и 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 (ВПК) и показатель химической потребности в кислороде (ХПК).

Биохимическое потребление кислорода (БПК) - количество ки­слорода, которое необходимо для окисления бактериям и простейшим 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,, для внутренних водоемов рыбо-хозяйственного назначения (I и II категории) при 20° С не должна пре­вышать 3 мг O₂/dм³.

Биохимическое окисление разных химических соединений проис­ходит с различной скоростью:

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

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

• 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/dм³ 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° С. 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 O₂/dм³ в зависимости от соотношения интенсивности процессов его продуцирования и потребления. Весьма значительны изменения величин БПК₅ в зависимости от степени загрязненности водоемов (табл. 42).

42. Величины БПК₅ в водоемах с различной степенью загрязненности

Степень загрязнения (классы водоемов)	БПК5, мг O2/dм3
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	более 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:

• не более 3 мг O₂/dм³ для водоемов хозяйственно-питьевого во­допользования;

• не более 6 мг O₂/dм³ для водоемов хозяйственно-бытового и культурного водопользования;

• для морей (I и II категории рыбохозяйственного водопользова­ния) пятисуточная потребность в кислороде (БПК₅) при 20° С не должна превышать 2 мг O₂/dм³.

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 (табл. 43).

Для вычисления концентрации углерода, содержащегося в органи­ческих веществах, значение ХПК (мг O₂/dм³) умножается на 0,375 (коэф­фициент, равный отношению количества вещества эквивалента углерода к количеству вещества эквивалента кислорода).

Попадающие в природные водоемы органические соединения, фосфаты и нитраты служат источником питания для фотосинтезирующих водорослей, численность которых может достигать 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.

43. Величины ХПК в водоемах с различной степенью загрязненности

Степень загрязнения (классы водоемов)	ХПК, мг O2/dм3
Очень чистые	1
Чистые	2
Умеренно загрязненные	3
Загрязненные	4
Грязные	5-15
Очень грязные	>15

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. Этот способ обыч­но применяется 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 тетраэтил-свинца 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 метил-ртуть. 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 группы кишечной палочки, мутности воды и ее радиоактивности.

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 (табл. 44). 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.).

44. Классы качества вод в зависимости от значения индекса загрязнения воды

Степень загрязнения	Значения ИЗВ	Классы качества воды
Очень чистые	до 0,2	1
Чистые	0,2-1,0	2
Умеренно загрязненные	1,0-2,0	3
Загрязненные	2,0-4,0	4
Грязные	4,0-6,0	5
Очень грязные	6,0-10,0	6
Чрезвычайно грязные	более 10,0	7

Индекс сапробности отражает совокупность физиолого-биохи-мических 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 табл. 45 приведена классификация водных объек­тов по значению индекса сапробности S, которые также нормируются.

45. Классы качества вод в зависимости от индексов сапробности

Уровень загрязненности	Зоны	Индексы сапробности S	Классы качества вод
Очень чистые	ксеносапробная	до 0,50	1
Чистые	олигосапробная	0,50-1,50	2
Умеренно загрязненные	а-мезосапробная	1,51-2,50	3
Тяжело загрязненные	Ь-мезосапробная	2,51-3,50	4
Очень тяжело загрязненные	полисапробная	3,51-4,00	5
Очень грязные	полисапробная	более 4,00	6

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 (табл. 46).