2. Показатели качества воды и их определение. "Методическое пособие"

Нормативы качества воды различных источников — предельно-допустимые концентрации (ПДК), ориентировочно-допустимые уровни (ОДУ) и ориентировочно-безопасные уровни воздействия (ОБУВ) — содержатся в норматив­но-технической литературе, составляющей водно-санитарное законодательство.

По нормативам качества, определяющим наличие и допустимые концентрации примесей, воды различают:

• питьевую;
• природные воды (водоемы хозяйственно-питьевого, культурно-бытового и рыбо-хозяйственного назначения);
• сточные воды (нормативно-очищенные, стоки неизвестного происхождения, ливневые)

2.1. Температура

В условиях теплового загрязнения значительно изменяются кислородный режим и интенсивность процессов самоочищения водоема, изменяется интенсивность фотосинтеза и др. В результате этого нарушается, часто необратимо, природный баланс водоема, складываются особые экологические условия, негативно сказывающиеся на животном и растительном сообществе.

Специалисты установили: чтобы не допустить необратимых нарушений экологического равновесия, температу­ра воды в водоеме летом в результате спуска загрязненных (теплых) вод не должна повышаться более чем на 3 °С по сравнению со среднемесячной температурой самого жаркого года за последние 10 лет.

2.2. Органолептические показатели

Любое знакомство со свойствами воды начинается с определения органолептических показателей, т.е. таких, для определения которых мы пользуемся нашими органами чувств (зрением, обонянием, вкусом). Органолептическая оценка приносит много прямой и косвенной информации о составе воды. К органолептическим характеристи­кам относятся: мутность, цветность, запах, вкус, привкус.

• Цветность

Цветность — естественное свойство природной воды, обусловленное присутствием гуминовых веществ и ком­плексных соединений железа. Цветность воды может определяться свойствами и структурой дна водоема, харак­тером водной растительности, прилегающих к водоему почв, наличием в водосборном бассейне болот и торфяни­ков, и др.

Цветность — выражается в градусах платино-кобальтовой шкалы и определяется путем сравнения окраски ис­пытуемой воды с эталонами.

• Запах

Запах определяют при нормальной (20 °С) и при повышенной (60 °С) температуре воды.

Запах подразделяют на две группы:

1. естественного происхождения (от живущих и отмерших организмов, от влияния почв, водной растительности и т.п.);
2. искусственного происхождения. Такие запахи обычно значительно изменяются при обработке воды. Интенсивность запаха оценивают по 6-балльной шкале ГОСТ 3351-74*   — табл. 2.1.

Таблица 2.1. Характеристика вод по интенсивности запаха

Интенсивность запаха (баллы)	Характер проявления запаха	Описательные определения
0	Запаха нет	Отсутствие ощутимого запаха
1	Очень слабый	Запах, не замечаемый потребителем, но обнаруживаемый опытным исследователем
2	Слабый	Запах, не привлекающий внимания потребителя, но обнаруживаемый им, если указать на него
3	Заметный	Запах, легко обнаруживаемый и могущий дать повод относиться к воде с неодобрением
4	Отчетливый	Запах, обращающий на себя внимание и делающий воду неприятной для питья
5	Очень сильный	Запах сильный настолько, что делает воду непригодной для питья

Для питьевой воды допускается запах не более 2 баллов 

• Мутность и прозрачность

Мутность воды обусловлена содержанием взвешенных в воде мелкодисперсных примесей — нерастворимых или коллоидных частиц различного происхождения. В России мутность чаще всего измеряют в нефелометрических единицах мутности НЕФ (NTU) для небольших значений в пределах 0-40 НЕФ (NTU), например, для питьевой воды. В условиях большой мутности обычно применяется измерение единиц мутности по формазину (ЕМФ). Пределы из­мерений — 40-400 ЕМФ.

Мутность воды обусловливает и некоторые другие характеристики воды, такие как:

• наличие осадка, который может отсутствовать, быть незначительным, заметным, большим, очень большим;
• взвешенные вещества или грубодисперсные примеси

Наряду с мутностью, особенно в случаях, когда вода имеет незначительные окраску и мутность, и их опреде­ление затруднительно, пользуются показателем «прозрачность». Мера прозрачности — высота столба воды, при которой можно наблюдать опускаемую в воду белую пластину определенных размеров (диск Секки) или разли­чать на белой бумаге шрифт определенного размера и типа (шрифт Снеллена). Результаты выражаются в санти­метрах (табл. 2.2.).

Таблица 2.2. Характеристика вод по прозрачности

Прозрачность	Единица измерения, см
Прозрачная	Более 30
Маломутная	Более 25 до 30
Средней мутности	Более 20 до 25
Мутная	Более 10 до 20
Очень мутная	Менее 10

• Вкус и привкус

Различают 4 основных вкуса: соленый, кислый, горький, сладкий. Остальные вкусовые ощущения считаются привкусами (солоноватый, горьковатый, металлический, хлорный и т.п.).

Интенсивность вкуса и привкуса оценивают по 6-балльной шкале ГОСТ 3351-74* — табл. 2.3.

Таблица 2.3. Характеристика вод по интенсивности вкуса

Оценка вкуса и привкуса (баллы)	Интенсивность вкуса и привкуса	Характер проявления вкуса и привкуса
0	Нет	Вкус и привкус не ощущаются
1	Очень слабая	Вкус и привкус сразу не ощущаются потребителем, но обнаруживаются при тщательном тестировании
2	Слабая	Вкус и привкус замечаются, если обратить на это внимание
3	Заметная	Вкус и привкус легко замечаются и вызывают неодобрительный отзыв о воде
4	Отчетливая	Вкус и привкус обращают на себя внимание и заставляют воздержаться от питья
5	Очень сильная	Вкус и привкус настолько сильны, что делают воду непригодной к употреблению

2.3. Водородный показатель (рН)

Величина рН воды — один из важнейших показателей качества вод для определение стабильности воды, ее накипеобразующих и коррозионных свойств, прогнозирования химических и биологических процессов, происходя­щих в природных водах.

Вода хотя и весьма незначительно диссоциирует на ионы водорода Н⁺ и гидроксида ОН^— по уравнению:

Н₂О = Н⁺ + ОН^—

Произведение концентраций этих ионов, являющееся при данной температуре постоянной величиной, называ­ется ионным произведением воды — К_w.

К_w = (Н⁺) (ОН^— ) = 10^-14

Увеличение концентрации водородных ионов вызывает соответствующее уменьшение гидроксид-ионов и нао­борот.

Для нейтральной среды [Н⁺]=[ОН^—]= VI0^-14 = 10^-7 моль/л.

Для оценки кислотности и щелочности среды удобно пользоваться не концентрацией водородных ионов, а во­дородным показателем рН. Он равен десятичному логарифму концентраций водородных ионов, взятому с обрат­ным знаком.

pН = -lg[Н⁺]

Если в воде растворено какое-либо вещество, которое само источник ионов Н⁺ и ОН^— (н-р: кислоты НСl, Н₂S0₄, НNO₃ и др.; щелочи: NaОН, КаОН, Са(ОН)₂ и др.), то концентрация ионов Н⁺ и ОН^— не будут равны, но их про­изведение К_w будет постоянно.

Измерение рН при контроле качества природной и питьевой воды проводится практически повсеместно.

2.4. Общая жесткость

Жесткость воды обусловливается наличием в воде ионов кальция (Са²⁺), магния (Мg²⁺), стронция (Sr²⁺), бария (Ва²⁺), железа (Fе³⁺), марганца (Мn²⁺). В поверхностных и грунтовых природных водах из перечисленных катионов в заметных концентрациях присутствуют практически исключительно кальций и магний. Поэтому под жесткостью по­нимают сумму количеств ионов кальция и магния — общая жесткость, складывающаяся из значений карбонатной (временной, устраняемой кипячением) и некарбонатной (постоянной) жесткости.

Величина жесткости воды может варьироваться в широких пределах в зависимости от типа пород и почв, слагающих бассейн водосбора, а также от сезона года, погодных условий. Общая жесткость воды в озерах и реках тун­дры, например, составляет 0,1-0,2 ммоль/л, а в морях, океанах, подземных водах достигает 80-100 ммоль/л и даже больше (н-р: Мертвое море).

• При жесткости до 4 ммоль/л вода считается мягкой;
• от 4 до 8 ммоль/л — средней жесткости;
• от 8 до 12 ммоль/л – жесткой;
• более 12 ммоль/л — очень жесткой

Допустимая величина общей жесткости для питьевой воды из источников централизованного водоснабжения составляет 7 ммоль/л 

2.5. Щелочность и кислотность

Щелочность природных вод в силу их контакта с атмосферным воздухом и известняками, обусловлена, глав­ным образом, содержанием в них гидрокарбонатов и карбонатов, которые вносят значительный вклад в минерали­зацию воды. Их содержание в воде обусловлено процессами растворения углекислого газа, взаимодействия воды с находящимися в прилегающих грунтах известняками и протекающими в воде жизненными процессами дыхания всех водных организмов.

Щелочность пробы воды измеряется в ммоль/л и определяется количеством сильной кислоты (обычно исполь­зуют соляную кислоту), израсходованной на нейтрализацию раствора.

Естественная кислотность воды обусловлена содержанием слабых органических кислот природного происхождения (например, гуминовых кислот). Кислотность воды определяют в основном при анализе сточных и технологических вод.

2.6. Сульфаты

Сульфаты в питьевой воде не оказывают токсического эффекта для человека, однако, ухудшают вкус воды: ощущение вкуса сульфатов возникает при их концентрации 250-400 мг/л. Сульфаты могут вызывать отложение ос­адков в трубопроводах при смешении двух вод с разным минеральным составом, например, сульфатных и кальци­евых (в осадок выпадает СаS0₄).

ПДК для питьевой воды по сульфатам — 500 мг/л 

2.7. Хлориды

Хлориды присутствуют практически во всех пресных поверхностных и грунтовых водах. Если в воде присутству­ет хлорид натрия, она имеет соленый вкус уже при концентрациях 250 мг/л; в случае хлоридов кальция и магния соленость воды возникает при концентрациях свыше 1000 мг/л.

ПДК для питьевой воды по хлоридам 350 мг/л.

Высокие концентрации хлоридов в питьевой воде не оказывают токсических эффектов на людей, хотя соленые воды очень коррозионно активны, пагубно влияют на рост растений, вызывают засоление почв.

2.8. Биохимическое потребление кислорода (БПК)

БПК — показатель качества воды, характеризующий суммарное содержание в воде органических веществ. При­родными источниками органических веществ являются разрушающиеся останки организмов растительного и жи­вотного происхождения, как живших в воде, так и попавших в водоем с листвы, по воздуху, с берегов и т.п. Кроме природных, существуют также техногенные источники органических веществ.

В естественных условиях находящиеся в воде органические вещества разрушаются бактериями с образованием двуокиси углерода. При этом на окисление потребляется растворенный в воде кислород. Таким образом, в процес­се биохимического окисления органических веществ в воде происходит уменьшение концентрации кислорода, и эта убыль косвенно является мерой содержания в воде органических веществ.

Величина БПК увеличивается со временем, достигая некоторого максимального значения — БПК_полн. Обычно опреде­ляют БПК за 5 суток инкубации (БПК₅). Динамика биохимического потребления кислорода при окислении органи­ческих веществ в воде приведена на рисунке 1.

Рис. 1. Динамика биохимического потребления кислорода:

• а — легкоокисляющиеся («биологически мягкие») вещества — сахара, формальдегид, спирты, фенолы и т.п.;
• b — нормально окисляющиеся вещества — нафтолы, крезолы, анионогенные ПАВ, сульфанол и т.п.;
• с — тяжело окисляющиеся («биологически жесткие») вещества — неионогенные ПАВ, гидрохинон и т.п.

Особенностью биохимического окисления органических веществ в воде является сопутствующий ему процесс нитрификации (окисление азотсодержащих соединений нитрофицирующими бактериями), искажающий характер потребления кислорода.

2.9. Растворенный кислород

Поступление кислорода в водоем происходит путем растворения его при контакте с воздухом (абсорбции), а также в результате фотосинтеза водными растениями, т.е. в результате физико-химических и биохимических про­цессов. Содержание растворенного кислорода (РК) зависит от температуры, атмосферного давления, степени турбулизации воды, минерализации воды др. В поверхностных водах содержание растворенного кислорода может ко­лебаться от 0 до 14 мг/л и подвержено значительным сезонным и суточным колебаниям. ПДК растворенного в во­де кислорода для рыбохозяйственных водоемов — 6 мг/л (для ценных пород рыбы), 4 мг/л (для остальных пород).

2.10. Биогенные элементы

Вопросы контроля качества воды внесли в понятие биогенных элементов широкий смысл: к ним относят соеди­нения (точнее, компоненты воды), которые, во-первых, являются продуктами жизнедеятельности различных орга­низмов; во-вторых, являются «строительным материалом» для живых организмов. В первую очередь к ним отно­сятся соединения азота (нитраты, нитриты, органические и неорганические аммонийные соединения), фосфора (ортофосфаты, полифосфаты, органические эфиры фосфорной кислоты и др.). Соединения серы интересны в этой связи, в меньшей степени, так как сульфаты уже рассматривали в аспекте компонента минерального состава воды, а сульфиды и гидросульфиты, если присутствуют в природных водах, то в очень малых концентрациях, и мо­гут быть обнаружены по запаху.

• Нитраты и нитриты

Нитраты являются солями азотной кислоты. Повышенное содержание нитратов в воде может служить индика­тором загрязнения водоема в результате распространения фекальных либо химических загрязнений (сельско­хозяйственных, промышленных). Питьевая вода и продукты питания, содержащие повышенное количество нитра­тов, могут вызывать заболевания, и в первую очередь у младенцев (так называемая метгемоглобинемия). Вместе с тем, растения не так чувствительны к увеличению содержания в воде азота, как фосфора.

Нитритами называются соли азотистой кислоты. Нитрит-анионы являются промежуточными продуктами биоло­гического разложения азотсодержащих органических соединений. Благодаря способности превращаться в нитра­ты, нитриты, как правило, отсутствуют в поверхностных водах.

• Фосфаты и общий фосфор

Фосфор является необходимым элементом для жизни, однако его избыток приводит к ускоренной эвтрофикации водоемов. Большие количества фосфора могут попадать в водоемы в результате естественных и антропогенных процессов — поверхностной эрозии почв, неправильного или избыточного применения минеральных удобрений и др.

• Аммоний

Катионы аммония являются продуктом микробиологического разложения белков животного и растительного происхождения. Образовавшийся таким образом аммоний вновь вовлекается в процесс синтеза белков. По этой причине аммоний и его соединения в небольших концентрациях обычно присутствуют в природных водах.

Аммонийные соединения в больших количествах входят в состав минеральных и органических удобрений, кро­ме того, аммонийные соединения в значительных количествах присутствуют в нечистотах (фекалиях). По этим при­чинам повышенное содержание аммонийного азота в поверхностных водах обычно является признаком хозяй­ственно-фекальных загрязнений.

• Фтор (фториды)

Фтор в виде фторидов может содержаться в природных и грунтовых водах. Избыток фтора в организме вызы­вают разрушение зубной эмали, осаждает кальций, что приводит к нарушениям кальциевого и фосфорного обме­на. По этим причинам определение фтора в питьевой воде, а также грунтовых водах (например, воде колодцев и артезианских скважин) и воде водоемов хозяйственно-питьевого назначения, является очень важным.

2.11. Металлы

Железо общее

Железо — один из самых распространенных элементов в природе. Его содержание в земной коре составляет около 4,7 % по массе, поэтому железо, с точки зрения его распространенности в природе, принято называть мак­роэлементом.

В природной воде железо содержится в виде соединений, в которых железо может быть двухвалентным или трехвалентным. В свою очередь, соединения железа могут образовывать истинные или коллоидные растворы. На воздухе железо двухвалентное быстро окисляется до железа трехвалентного, растворы которого имеют бурую окраску.

Таким образом, поскольку соединения железа в воде могут существовать в различных формах, точные резуль­таты могут быть получены только при определении суммарного железа во всех его формах, так называемого «об­щего железа», хотя иногда возникает необходимость определить железо в его индивидуальных формах.

ПДК общего железа в питьевой воде составляет 0,3 мг/л 

Тяжелые металлы

Говоря о повышенной концентрации в воде металлов, как правило, подразумевают ее загрязнение тяжелыми металлами. Понятие «тяжелые металлы» не относится к строго определенным. Н.Ф. Реймерс относит к тяжелым металлы с плотностью более 8 г/см³, выделяя при этом подгруппу благородных металлов. Таким образом, к соб­ственно «тяжелым» отнесены медь, никель, кадмий, кобальт, висмут, ртуть, свинец.

Медь содержится в организме человека, главным образом, в виде комплексных органических соединений и играет важную роль в процессах кроветворения. Отравление соединениями меди могут приводить к расстройствам нервной системы, нарушению функций печени и почек и др.

Цинк входит с состав некоторых ферментов. Отрицательное воздействие соединений цинка может выражаться в ослаблении организма, повышенной заболеваемости, астмоподобных явлениях и др.

Кадмий Соединения кадмия очень ядовиты. Действуют на многие системы организма — органы дыхания и желудочно-кишечный тракт, центральную и периферическую нервные системы.

Ртуть относится к ультрамикроэлементам и постоянно присутствует в организме, поступая с пищей. Со­единения ртути вызывают глубокие нарушения функций центральной нервной системы, сердца, сосудов, наруше­ния в иммунобиологическом состоянии организма и другие.

Свинец Соединения свинца — яды, действующие на все живое, но вызывающие изменения особенно в нервной системе, крови и сосудах. Для всех соединений свинца характерно кумулятивное действие.

2.12. Интегральная и комплексная оценка качества воды

Каждый из показателей качества воды в отдельности, хотя и несет информацию о качестве воды, все же не мо­жет служить мерой качества воды, т.к. не позволяет судить о значениях других показателей. Вместе с тем, резуль­татом оценки качества воды должны быть некоторые интегральные показатели, которые охватывали бы основные показатели качества воды (либо те из них, по которым зафиксировано неблагополучие).

В простейшем случае, при наличии результатов по нескольким оцениваемым показателям, может быть рассчи­тана сумма приведенных концентраций компонентов, т.е. отношение их фактических концентраций к ПДК. Крите­рием качества воды при использовании правила интеграции является выполнение неравенства:

где Cфi и ПДКi  — фактическая концентрация в воде и ПДК для i-го компонента.

При наличии результатов анализов по достаточному количеству показателей можно определять классы качества воды, которые являются интегральной характеристикой загрязненности поверхностных вод. Классы качества опре­деляются по гидрохимическому индексу загрязнения воды (ИЗВ):

где Ci— фактическая средняя концентрация i-й примеси за контролируемый период, мг/л;

ПДКi — предел допускаемой концентрации i-й примеси, мг/л;

N — количество примесей;

должны анализироваться не менее 7 примесей, которые в данном водоисточнике счита­ются наиболее значимыми по санитарно-токсикологическому признаку.

В числе 7 показателей обязательно нужно указывать: значения растворенного кислорода, рН и БПК₅.

Таблица 2.4. Оценка качества воды по ИЗВ

ИЗВ	Класс качества воды	Характеристика воды
Менее 0,2	I	Очень чистая
Более 0,2 до 1,0	II	Чистая
Более 1,0 до 2,0	III	Умеренно загрязненная
Более 2,0 до 4,0	IV	Загрязненная
Более 4,0 до 6,0	V	Грязная
Более 6,0 до 10,0	VI	Очень грязная
Более 10,0	VII	Чрезвычайно грязная

---