5.1. Раздельное нормирование качества воды

Как и для примесей в атмосферном воздухе, для веществ, загрязняющих воду, используется раздельное нормирование качества воды, хотя принцип разделения здесь иной и связан он с приоритетным назначением водного объекта, т.е. с категориями водопользования (см. схему категорий водопользования).

К качеству воды каждой категории водопользования предъявляются различные требования: в одних случаях более, в других – менее жесткие.

Например, присутствие хлорорганических ядохимикатов (ДДТ, гексахлоран) в хозяйственно-питьевых и культурно-бытовых водных объектах допускаются в весьма ограниченных количествах: концентрации соответственно 0,02 и 0,1 мг/л. В воде рыбохозяйственных водоемов присутствие этих веществ вообще не допускается (т.е. вещества не должны определяться существующими методами анализа), что объясняется закономерностью прогрессивного накопления токсикантов в пищевых цепях.

Некоторые вещества могут оказывать неблагоприятное воздействие на организм только при попадании внутрь, другие опасны, кроме того, и при контактном воздействии. Соответственно, присутствие первых ограничивает возможности для купания и умывания (санитарное ограничение), а вторых – лимитирует использование воды для питья и приготовления пищи (санитарно-токсикологические ограничения).

Некоторые вещества являются вредными в сравнительно высоких концентрациях именно при контактном воздействии или при воздействии на органы чувств, и поэтому их ПДК в водных объектах I категории имеют высокие значения с общесанитарной точки зрения. Однако в водных объектах II категории они оказываются токсичными для ихтиофауны (рыб), и здесь на первое место выдвигается их токсическое действие. Соответственно ПДК на эти вещества ужесточаются. Например, если в водных объектах I категории ПДК для аммиака (по азоту) составляет 2 мг/л, то для II категории – она в 40 раз ниже.

Есть вещества малоядовитые, но обладающие резким стойким запахом, например, нефтепродукты. В водных объектах I категории преимущественное значение имеет запах, и поэтому в основе ограничения – органолептические свойства воды, загрязненной этими продуктами (ПДК=0,3 мг/л). Однако ткани рыб, обитающих в водоемах рыбохозяйственного назначения, приобретают резкий запах, а, кроме того, нефть губительна для икры, личинок, молоди рыб. Поэтому в рыбохозяйственных водных объектах присутствие нефти лимитируется прежде всего по рыбохозяйственному показателю, и ПДК снижается до 0,05 мг/л.

Таким образом, для обеспечения чистоты водных объектов одновременно с ПДК используется другой ограничительный норматив:

лимитирующий показатель вредности (ЛПВ), не имеющий количественной характеристики, а отражающий приоритетность требований к качеству воды в тех случаях, когда водный объект имеет полифункциональное назначение.

Для вод хозяйственно-питьевого и культурно-бытового назначения для нормирования их качества устанавливаются ПДК_в вредных веществ с учетом трех показателей вредности: органолептического, общесанитарного, санитарно-токсикологического. Для вод рыбохозяйственного назначения (водопользования) ПДК_вр устанавливаются с учетом пяти показателей вредности: органолептического, общесанитарного, санитарно-токсикологического, токсикологического, рыбохозяйственного.

Органолептический показатель вредности характеризует способность вещества изменять органолептические свойства воды (запах, вкус, цвет).

Общесанитарный показатель определяет влияние вещества на процессы природного самоочищения вод за счет биохимических и химических реакций с участием природной микрофлоры.

Санитарно-токсикологический показатель характеризует вредное воздействие вещества на организм человека.

Токсикологический показатель вредности характеризует токсичность вещества для живых организмов, обитающих в водном объекте (планктон и др.)

Рыбохозяйственный показатель вредности характеризует влияние вещества на качество промысловых рыб.

Наименьшая из безвредных концентраций по трем (или пяти) показателям вредности принимается за ПДК с указанием ЛПВ.

Значения ПДК вредных веществ в водных объектах различны для разных категорий водопользования и их перечни также различны: для водных объектов I категории установлены ПДК для 1717 вредных веществ, второй категории – 952, причем лишь немногие из них повторяются в обоих перечнях.

Понятно, что различные вещества при одинаковом ЛПВ могут иметь различные значения ПДК.

Нормирование загрязняющих веществ в воде учитывает 3 главных критерии:

– влияние вещества на общий санитарный режим водного объекта;

– влияние на органолептические свойства воды;

– влияние на здоровье населения.

Первый критерий связан с влиянием загрязняющих веществ на процессы самоочищения воды от органических загрязнений в сточных водах. В первую очередь определяется, какое количество кислорода необходимо для окисления органики и развития водной микрофлоры. Критериальной характеристикой воды в этом случае является биохимическое потребление кислорода (БПК).

Следует добавить, что процессы самоочищения в водоемах, кроме окисления органических примесей, включают также: коагуляцию взвешенных частиц, окисление минеральных примесей растворенным в воде кислородом, нейтрализацию кислот и оснований, гидролиз солей тяжелых металлов с образованием нерастворимых гидроксидов и выделением их из воды.

Пороговые значения второго критерия устанавливаются на группах людей – добровольцев, отобранных по способности к восприятию запахов. Порог запахового ощущения для самых чувствительных индивидуумов принимается в качестве ПДК_в для данного вещества.

Более сложно исследовать влияние вредных веществ на здоровье людей. Для этого проводятся санитарно-токсикологические исследования с целью установления максимальной недействующей дозы (концентрации) вещества (МНД или МНК).

Минимальная концентрация, которая вызывает незначительные, но достоверные изменения в организме или в водной среде (по любому показателю вредности), считается пороговой (минимально действующей). Наибольшая концентрация, которая еще не вызывает никаких изменений, считается МНК.

Эксперименты осуществляются на крысах, морских свинках или других теплокровных животных, причем диапазон исследуемых концентраций вредных веществ довольно широк: они различаются в 5…10 раз, а опыт длится в течение 6 месяцев и более. Для того чтобы выявить так называемые минимальные эффекты, используют метод условных рефлексов, т.е. реакции тест-объектов на присутствие в воде загрязняющих веществ. При этом наблюдаются большие различия в чувствительности у разных видов тест-организмов, 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 расчетах ПДК. При наличии кумулятивных свойств вносят поправку на степень кумуляции.

Вещества в водном объекте претерпевают различные превращения, включаясь в круговорот веществ и энергии, поэтому ПДК принимают с запасом прочности, для чего вводят коэффициент безопасности.

Сравнительно недавно в практику контроля рыбохозяйственных водоемов введены нормативные требования по биотестовым показателям. Согласно этим требованиям вода контрольного створа (природная вода) не должна оказывать на тест-организмы (дафнии) хронического токсического действия, а сами сточные воды не должны быть остротоксичными.

Эксперимент длится 5 суток при температуре воды 17–20⁰С.

Критерием токсичности водной среды служит состояние (поведение) дафний либо их выживаемость, которую оценивают по условной шкале в баллах:

1 балл – вода крайне остро токсичная (100% дафний погибает в течение 1 суток либо за меньший отрезок времени);

2 балла – вода остро токсичная (100% дафний гибнет в течение 5 суток);

3 балла – вода токсичная(70% дафний гибнет в течение 5 суток);

4 балла – вода мало токсичная(за 5 суток гибнет не более 30% дафний);

5 баллов – вода условно нетоксичная(выживает 100% дафний и все они по внешнему виду и поведению не отличаются от контрольных особей).

Принадлежность того или иного химического соединения к определенной группе по ЛПВ необходимо учитывать для соблюдения требований «Правил об оценке качества воды», исходя из суммарного содержания всех веществ одного и того же ЛПВ. Это требование записывается в следующем виде:

,

где С_i – средняя концентрация (мг/л) одного вещества, принадлежащего к рассматриваемой группе ЛПВ;

ПДК_i– предельно допустимая концентрация того же вещества, мг/л;

n – общее количество веществ данной группы ЛПВ, находящихся в воде исследуемого водного объекта.

Поэтому при наличии в воде нескольких веществ одной и той же группы по ЛПВ отсутствие загрязнения определяется приведенным выше условием.

Таким образом, химический состав воды может характеризоваться значительным числом показателей, определяющих качество воды применительно к рассматриваемому виду водопользования.

Репрезентативные показатели. В условиях интенсивного антропогенного воздействия разнообразие состава промышленных сточных вод, сбрасываемых в водотоки и водоемы, затрудняет получение полной и надежной информации об уровне загрязненности последних.

В связи с этим при использовании гидрохимического материала для интегральной оценки большое значение приобретает выделение ограниченного числа репрезентативных показателей (представительных, показательных), с помощью которых можно получить достаточно объективную характеристику качества воды, имеющую генетическую связь с источником загрязнения.

Интегральная оценка загрязненности предусматривает использование гидрохимических показателей, характеризующих присутствие веществ как неорганического, так и органического характера. В последнем случае репрезентативные групповые показатели характеризуют соответствующие группы органических химических веществ (одного или нескольких классов), превалирующих в химическом составе сточных вод рассматриваемых производств вместе с тем специфичных для фонового загрязнения водных объектов и наиболее токсичных для установленных категорий водопользования.

Наряду с установлением таких лимитирующих веществ, представляет интерес выделение репрезентативных показателей, помогающих выявлять загрязнение, обусловленное сбросом конкретных видов сточных вод (по их происхождению). Особенно важно это при расчетах и прогнозах уровня загрязнения водных объектов с использованием расчетных методов и математических моделей.

Выбор гидрохимических показателей, репрезентативных для оценки изменения качества воды под влиянием антропогенных факторов, является одним из сложных методических вопросов. При его решениях необходимо учитывать различие между двумя основными типами загрязнения водных объектов:

1. загрязнение вызвано сосредоточенными сбросами сточных вод;

2. нарушение естественного качества вод в результате влияния мелких притоков загрязненных вод или выпадения загрязняющих веществ из атмосферы и вымывания их из различных слоев почвенно-грунтовой толщи водосбора.

В первом случаедля выбора репрезентативных показателей необходимо располагать данными о составе сточных вод, поступающих в водный объект.

Проработки по выбору репрезентативных показателей, выполненные на примере сточных вод ряда отраслей промышленности, показывают возможность реализации такого подхода.

Например, для сточных вод целлюлозно-бумажной промышленности можно выделить в качестве специфических ингредиентов (показателей) лигнин(в форме сульфатного лигнина или лигносульфонатов) и группу сернистых органических соединений (диметилсульфид, метилмеркаптан и др.). Остальные компоненты не являются достаточно специфическими и в больших концентрациях могут поступать с хозяйственно-бытовыми и другими видами сточных вод. Наряду с этим определенное значение в качестве индикационного признака могут иметь соотношения между значениями некоторых групповых показателей, например между перманганатной окисляемостью и ХПК, между БПК и ХПК. Указанные соотношения для сточных вод разных типов колеблются в достаточно определенных интервалах, что позволяет их использовать в качестве характерных коэффициентов. Аналогичный подход к выявлению репрезентативных показателей применим и к другим видам сточных вод. Так, специфичным компонентом сточных вод коксохимпроизводства является фенол и его гомологи, а бытовых – СПАВ.

Общие принципы выбора репрезентативных показателей, основанные на учете состава сточных вод и трансформации загрязняющих веществ, можно сформировать следующим образом.

Выбираемые из объема гидрохимичекой информации ингредиенты (показатели) должны отличаться:

– специфичностью относительно состава сточных вод, преобладающих в общем стоке сброса;

– максимальным превышениемсодержания над уровнем ПДК;

– наименьшей скоростью трансформациипосле выброса в водный объект;

– наибольшим превышением над ПДК среди веществ, лимитируемых по общесанитарному показателю вредности.

Последнее обосновывается тем, что присутствие в воде веществ этой группы подавляет процессы самоочищения водного объекта.

Во втором случае, когда нарушение естественного качества воды не связано с сосредоточенными выпусками сточных вод, а представляют собой результат влияния многочисленных мелких притоков загрязненных водных масс или вымывания загрязняющих веществ из различных слоев почвы водоемов, возникает задача оценкифоновойнагрузки водного объекта загрязняющими веществами.

Выбор гидрохимических показателей, репрезентативных для оценки фонового состояния воды, должен базироваться на данных натурных гидрохимических наблюдений, проводимых на участках рек выше городов или местных сосредоточенных выпусков сточных вод, и учитывать наличие нормативных критериев качества воды, установленных для различных видов водопользования.

В перечень необходимых определений включаются следующие гидрохимические показатели, обычно достаточно чутко реагирующие на фоновое загрязнение:

1. биохроматная окисляемость, характеризующая общее содержание растворенных органических веществ по химическому потреблению кислорода (ХПК);

2. перманганатная окисляемость, характеризующая количество растворенных легкоокисляющихся органических веществ;

3. БПК, позволяющее оценивать общее содержание органических соединений, которые поддаются биохимическому окислению;

4. растворенный в воде кислород;

5. поверхностно-активные вещества (ПАВ);

6. ионы аммония;

7. фенолы,

8. нефтепродукты;

9. общая минерализация.

По данным о лимитирующих и репрезентативных показателях, входящих в состав режимных сетевых гидрохимических наблюдений, можно получить такие важнейшие количественные характеристики степени загрязненности рек, как продолжительность периодов стока загрязненных (или чистых) речных вод и их объемы – в долях от годового стока или непосредственно в м³/год.

Наличие сведений о расходах и составе сточных вод позволяет дополнительно рассчитать ряд интегральных показателей, характеризующих общую нагрузку реки загрязняющими веществами.

К категории наиболее часто используемых интегральных показателей для оценки качества воды водных объектов относится гидрохимический индекс загрязнения воды (ИЗВ), который рассчитывают по шести-семи показателям; часть из них (концентрация растворенного кислорода, величина рН, БПК) является обязательной:

, ( 5.1)

где С_і – концентрация компонента;

ПДК_і – установленная величина для соответствующего типа водного объекта;

N– число показателей, используемых для расчета индекса.

В зависимости от величины ИЗВ участки водных объектов подразделяют по качеству воды на 7 классов: от очень чистых ( ИЗВ – до 0,2) до чрезвычайно грязных (ИЗВ–более 10). Индекс загрязнения используют для оценки изменения качества вод во времени, по течению, в зонах влияния крупных источников загрязнения.