Естественные показатели качества воды в классификациях природных вод
Вода, с которой мы ежедневно сталкиваемся, имеет свои природные характеристики, их изменение может вызвать нежелательные последствия для жизни и деятельности живых организмов. С точки зрения чистоты ее разделяют на два понятия: «вода чистая» и «вода условно чистая». Вода чистая — вода, не содержащая загрязнений. С санитарной точки зрения, вода чистая не вызывает у человека ухудшения здоровья. Вода чистая — нередко условное, субъективное понятие, поскольку вещества и микроорганизмы могут присутствовать в ней в концентрации, которая одними людьми воспринимается как недопустимая, другими — как вполне приемлемая. Верхним санитарным пределом, отличающим чистую воду от загрязненной, может служить такая концентрация загрязнений, к которой человеческий организм не способен адаптироваться.
Вода условно чистая — это, во-первых, вода, в которой загрязнение не превышает установленный предел или в которой с добавлением чистой воды концентрация загрязняющего вещества доведена до разрешаемого законодательством уровня; во-вторых, это сточные воды, спуск которых без очистки в данный водный объект не приводит к нарушению нормы качества воды в местах водопользования.
Наиболее жесткие требования к воде предъявляет водоснабжение. Для характеристики источника водоснабжения необходимо знать целый набор различных показателей, по которым судят о возможности использования воды для водоснабжения населения.
При отборе пробы воды на анализ следует указать: наименование источника, дату, место и глубину взятия пробы; кем взята проба; метеорологические условия — температуру воздуха, осадки в день взятия пробы и в каждый из 10 дней до взятия пробы; для открытых водоемов приводится сила и направление ветра, а также те условия, которые могут влиять на качество воды в водоисточнике; дата анализа, лаборатория, производящая анализ.
Анализ проб воды проводится по следующим характеристикам: температура воды, °С; запах — качественно, баллы; прозрачность, м; цветность, градусы; мутность и осадок с указанием их характера, мг/л; содержание взвешенных веществ, мг/л (определяется при прозрачности менее 10 см); активная реакция (pH); щелочность и общая жесткость, мг-экв/л; жесткость карбонатная, мг-экв/л; масса сухого остатка, мг/л; содержание (в мг/л): кальция (Са 2+), магния (Мд2+) , железа общего (Fe3+) и железа окисного (Fe2 О3), хлоридов (СГ), аммонийных солей (NH4), сульфатов (SO4)2" , нитритов (N02)4" и нитратов (N03)’; окисляемость (02), мг/л; содержание сероводорода (H2S), мг/л; общая численность бактерий в 1 мл воды (микробное число); численность кишечных палочек в 1 л воды (коли-индекс).
Состав природной воды довольно сложен и многообразен. Поэтому для использования воды, имеющей различные качественные показатели, разработаны специальные ГОСТы, в которых приведены требования потребителей к содержанию в воде тех или иных ингредиентов. Превышение этого содержания (от нормы) не позволяет использовать воду определенным категориям потребителей. Так, для питьевого водоснабжения эти требования следующие: содержание сухого остатка не должно превышать 1000 мг/л; содержание сульфатов — 500 мг/л; хлоридов — 350 мг/л; общая жесткость — 7 мг-экв/л; запах и привкус при температуре 20 °С — 2 балла; численность кишечных палочек в 1 л воды не должна быть более 10 000 и т. д. Кроме стандартов имеются еще специальные правила министерства здравоохранения.
Каждый вид водопользователей предъявляет определенные требования к качеству воды, которые учитывают не только природные показатели, но и возможное влияние сточных вод. Поэтому, говоря о требованиях к качеству воды, нельзя забывать о влиянии на природные показатели загрязненных стоков. В результате появляются новые требования к качеству воды в питьевом водоснабжении:
— количество растворенного кислорода не должно быть меньше 4 мг/л в любой период года;
— биохимическая потребность в кислороде — БПК (количество кислорода, потребляемое на биохимическое окисление органического вещества) — при 20 °С не должна превышать 3 и 6 мг/л для водоемов и водотоков соответственно;
— содержание взвешенных веществ не может увеличиваться более чем на 0,25 и 0,75 мг/л соответственно для водоемов и водотоков;
— вода не должна иметь запахов и привкусов интенсивностью свыше 2 баллов;
— кислотность воды должна находиться в пределах 6,5 < pH < 8,5;
— окраска не должна обнаруживаться в столбике воды высотой 20 и 10 см соответственно для водоемов и водотоков;
— не допускается содержание ядовитых веществ в концентрациях, могущих оказать вредное воздействие на людей и животных;
— на поверхности водоема не должно быть плавающих примесей;
— не допускается наличие возбудителей заболеваний;
— повышение температуры в водоеме или водотоке допускается не более чем на 3 °С;
— содержание минерального осадка не должно превышать 1000 мг/л, в том числе хлоридов 350 мг/л и сульфатов 500 мг/л.
Для водоснабжения используются не только поверхностные, но и подземные воды. Однако эти воды могут быть сильно минерализованными, с повышенной жесткостью или содержать большее количество железа.
Качественная оценка подземных вод как питьевых определяется степенью их минерализации. Пригодными для питья считаются пресные воды, в которых содержится до 1 г/л различных солей, а в некоторых случаях и слабосолоноватые, содержащие солей 1-3 г/л.
Природные воды, имеющие большое число показателей качества, могут быть классифицированы по различным признакам, что позволяет использовать их разным потребителям.
Так, О. А. Алекин природные воды подразделяет (классифицирует) по следующим признакам:
— по содержанию солей (г/л): пресные < 1; солоноватые 1-3; соленые 3-10;
— по степени минерализации (мг/л): очень малая < 100; малая 100-200; средняя 200-500; повышенная 500-1000; высокая > 1000;
— по значению pH: щелочные 11-14; слабощелочные 8-10; нейтральные 7; слабокислые 4-6; кислые 1-3;
— по общей жесткости (мг-экв/л): очень мягкие <1,5; мягкие 1,5-3; умеренно жесткие 3-6; жесткие 6-9; очень жесткие > 9;
— по степени бактериальной загрязненности (коли-индексу): сильно загрязненные >10 ООО; загрязненные > 1000; слабо загрязненные > 100; удовлетворительные >10; хорошие < 3.
Для питьевого и хозяйственного использования вод разработана более детальная классификация, учитывающая степень бактериальной загрязненности воды (табл. 5.1).
Таблица 5.1
|
Санитарное состояние природных вод хозяйственно-питьевого водоснабжения
|
Последняя классификация (по степени бактериальной загрязненности) требует пояснений, поскольку гидрологи практически с ней не сталкиваются. Еще в 1892 г. известный бактериолог Роберт Кох сделал открытие — если в 1 мл воды находится не более 100 ‘безвредных бактерий, то она не опасна. Но при увеличении этого числа надо объявлять тревогу. Он предложил критерий оценки качества воды, которым и пользуются до настоящего времени. О качестве воды в бактериальном отношении судят по количеству кишечных палочек в определенном объеме воды. Кишечная палочка — это микроб, который постоянно обитает в кишечнике человека и животных, не является возбудителем какого-либо заболевания и безвреден. Но она свидетельствует о загрязненности воды и возможности заражения ее болезнетворными бактериями. Чем больше их в воде, тем больше вероятность присутствия болезнетворных микробов. В настоящее время показателем бактериального загрязнения воды служат понятия «коли-титр» или «коли — индекс». Коли-титр показывает, какой объем воды в кубических сантиметрах приходится на одну кишечную палочку, а коли-индекс — численность кишечных палочек в 1 см3 воды, т. е. величина, обратная коли-титру. Безупречная в бактериальном отношении вода должна иметь коли-титр не менее 300.
На основе классификации О. А. Алекина в ГОСТе 17403-72 по степени минерализации (г/дм3) различают следующие воды: пресные < 1; солоноватые 1-25; соленые 25-50; рассолы > 50.
Минерализация речных вод определяется главным образом составом почво-грунтов бассейна, но иногда и антропогенными факторами. В целом минерализация увеличивается с севера на юг по мере возрастания сухости климата.
Позднее была предложена и более детальная классификация природных вод по водородному показателю (pH), который определяет степень кислотности или щелочности воды: сильнокислые < 3,0; кислые 3,0-5,0; слабокислые 5,0-6,5; нейтральные 6,5-7,5; слабощелочные 7,5-8,5; щелочные 8,5-9,5; сильнощелочные > 9,5.
Большинство поверхностных вод суши имеет нейтральную или слабокислую реакцию (pH 6,0-8,0). Болотные воды обладают кислой реакцией, в дистрофных озерах pH = 4-6, а в евтрофных — pH = 7-10. При pH > 5,5 в пресных водоемах начинается видовое разнообразие гидробионтов, получают развитие грибы.
Цветность воды зависит от содержания в воде органических и неорганических веществ и определяется в градусах путем сравнения с платиново-кобальтовой шкалой. Чистая вода в малом слое бесцветна, при большом слое имеет голубоватый оттенок. Наличие примесей придает воде специфический оттенок: соли железа — красноватый (ржавый), песок и глина — желтый, гумусовые вещества — от желтоватого до коричневого. Цветность природных вод изменяется от единиц до тысячи градусов. Чем интенсивнее окрашена вода, тем отрицательнее ее цветность влияет на органолептические свойства воды и водные экосистемы в результате снижения концентрации растворенного кислорода. Предельно допустимое значение цветности воды, используемой для питьевых целей, составляет 35°.
Запах и вкус воды определяются составом и концентрацией примесей и газов. Запахи могут быть естественного и искусственного происхождения. Классификация воды по интенсивности запаха и привкусу воды приведена в табл. 5.2.
Вкус воды всецело зависит от растворенных в ней веществ и их концентрации. В табл. 5.3 приведены предельные концентрации солей, вызывающих различные вкусовые ощущения.
|
Шкала интенсивности запаха и привкуса дитьевой воды
|
|
Таблица 5.3 |
|
Предельная концентрация солей, вызывающих вкусовые ощущения
|
Нередко неприятный привкус и запах воды объясняются присутствием в ней продуктов разложения растительных и животных организмов.
Прозрачность воды — это важный экологический показатель, с которым связана интенсивность фотосинтеза, т. е. проникновение в глубину воды света. В природных водах прозрачность определяется по опускаемому в воду белому диску.
О количестве органических веществ в воде обычно судят по биохимическому потреблению кислорода за 5 и 20 суток (БПК5 и БПК2о) и по перманганатной и бихроматной окисляемости. Показатели БПК5 и БПК20 дают представление об органических веществах животного происхождения и используются при оценке состава хозяйственно-бытовых сточных вод. Бихроматная окисляе — мость, или химическое потребление кислорода (ХПК), характеризует содержание органических веществ, а перманганатная окис — ляемость — в основном легкоокисляющихся. Как правило, БПК20 отождествляется с полным БПК (БПК20 ~ БПКп0ЯН).
По содержанию органических веществ (мг/дм3), характеризуемому перманганатной окисляемостью, природные воды классифицируются следующим образом (О. А. Алекин): очень малое < 2; малое 2-5; среднее 5-10; повышенное 10-20; высокое 20-30; очень высокое >30.
Лучшей интегральной оценкой качества поверхностных вод служат комплексные классификации с учетом ряда компонентов. В частности, такая система оценки качества воды приведена в табл. 5.4.
|
Таблица 5.4 Экологические классы качества поверхностных вод суши
|
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
|
Перманганатная окисляемость, мг/дм3 |
5 |
10 |
20 |
30 |
40 |
40 |
|
Бихроматная окисляемость, мг/дм3 |
15 |
25 |
50 |
70 |
100 |
100 |
|
бпк5 |
2 |
4 |
8 |
15 |
25 |
25 |
|
Органический углерод, мг/дм3 |
3 |
5 |
8 |
12 |
20 |
20 |
|
Экстрагируемые вещества, мг/дм3 |
0,2 |
0,5 |
1,0 |
3,0 |
5,0 |
5,0 |
|
Органический азот, мг/дм3 |
0,5 |
1,0 |
2,0 |
5,0 |
10,0 |
10,0 |
|
Ртуть, мкг/дм3 |
0,1 |
0,2 |
0,5 |
1 |
5 |
5 |
|
Кадмий, мкг/дм3 |
3 |
5 |
10 |
20 |
30 |
30 |
|
Свинец, мкг/дм3 |
10 |
20 |
50 |
100 |
200 |
200 |
|
Мышьяк, мкг/дм3 |
10 |
20 |
50 |
150 |
200 |
200 |
|
Медь, мкг/дм3 |
20 |
50 |
100 |
200 |
500 |
500 |
|
Хром общий, мкг/дм3 |
0 |
20 |
20 |
50 |
100 |
100 |
|
Кобальт, мкг/дм3 |
10 |
20 |
50 |
100 |
500 |
500 |
|
Цинк, мкг/дм3 |
0,2 |
1,0 |
2,0 |
5,0 |
10,0 |
10,0 |
|
Цианиды, мг/дм3 |
0, |
0,0 |
0,5 |
1,0 |
2,0 |
2,0 |
|
Свободный хлор, мг/дм3 |
0,0 |
0,0 |
0,0 |
0,05 |
0,1 |
0,1 |
|
Анионоактивные детергенты, мг/дм3 |
0,002 |
0,5 |
1,0 |
2,0 |
3,0 |
3,0 |
|
Фенолы летучие, мг/дм3 |
0,002 |
0,01 |
0,005 |
0,1 |
1,0 |
1,0 |
|
Нефтепродукты, мг/дм3 |
0,0 |
0,05 |
0,1 |
0,3 |
1,0 |
1,0 |
|
Коли-индекс, ед./дм3 |
103 |
104 |
10s |
А о а |
106 |
>10б |
|
Общее число микроорганизмов, ед./дм3 |
5-Ю5 |
106 |
3-Ю6 |
5-Ю6 |
ю7 |
107 |
Помимо этой экологической классификации, учитывающей 36 показателей, при оценке состояния пресноводных экосистем используется «Классификация качества воды водоемов и водотоков по гидробиологическим и микробиологическим показателям». В ней также выделено шесть классов: очень чистые (I класс), чистые (П класс), умеренно загрязненные (Ш класс), загрязненные (IV класс), грязные (V класс) и очень грязные (VI класс). Но определение класса чистоты производится всего по шести показателям, разделенным на две группы: гидробиологические и микробиологические.
К гидробиологическим показателям относятся фитопланктон, зоопланктон, перифитон и зообентос, которые оцениваются по индексу сопробности, отношению общей численности олигохет к общей численности донных организмов и по биотическому индексу.
Микробиологические показатели оцениваются по общей численности бактерий, численности сапрофитных бактерий и их соотношению.
В 1994 г. в России было обследовано 185 водотоков и водоемов, которые классифицировались по указанной системе. Из этого числа водных объектов в состоянии экологического благополучия находились лишь 12 %, в состоянии экологического регресса — 33 %, а остальные 55 % — в состоянии антропогенного экологического напряжения с элементами экологического регресса. В 1995 г. аналогично было обследовано 149 водных объектов, в которых экологическое состояние распределилось так: 12, 36 и 52 % соответственно в том же порядке.
Под состоянием антропогенного экологического напряжения понимают небольшие антропогенные нагрузки, стимулирующие увеличение видового разнообразия и интенсивности метаболизма биоценозов.
Состояние антропогенного экологического регресса характеризуется уменьшением видового разнообразия, пространственновременной гетерогенности, упрощением межвидовых отношений в трофической сети, значительным увеличением интенсивности метаболизма биоценозов.
Самое худшее состояние — это состояние антропогенного метаболического регресса вследствие тяжелого загрязнения. При этом снижается активность биоценозов до полной их деградации.
Комплексная оценка состояния пресноводных экосистем Q учетом экологических модификаций классификаторов позволяет точнее охарактеризовать состояние водных экосистем.
Таким образом, рассмотренные классификации дают возможность оценить водные объекты по их природным экологическим показателям качества. Отклонения реальных качественных показателей водного объекта от принятых при экологической оценке позволяет судить об экологическом состоянии естественных поверхностных вод.