Эколого-химическая безопасность питьевой воды промышленных городов России: состояние и перспективы Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

Химия растительного сырья. 1998. № 3. С. 75-81.

ЭКОЛОГО-ХИМИЧЕСКАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ ПИТЬЕВОЙ ВОДЫ ПРОМЫШЛЕННЫХ ГОРОДОВ РОССИИ:

СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ

© А. А. Ефремов

Красноярский государственный торгово-экономический институт, Красноярск (Россия)

E-mail: [email protected]

Анализируются возможные пути попадания загрязняющих веществ в открытые водоемы РФ. Приводятся данные по содержанию приоритетных органических токсикантов в питьевой воде г. Красноярска.

“Пользу воды мы понимаем, когда колодец пересыхает ”

Б. Франклин

шении, и каждая пятая проба не отвечала требованиям по химическим показателям. В 1991 г. из числа неудовлетворительных в гигиеническом отношении проб питьевой воды 10.4 % содержали химические вещества в количествах, опасных для здоровья, а 72.8 % были нестандартны по органолептическим показателям качества. В целом около 50 % населения России было вынуждено использовать для питья воду, не соответствующую в той или иной степени гигиеническим требованиям по ряду показателей [1]. При общем неблагоприятном состоянии качества питьевой воды в РФ наблюдаются резкие различия по отдельным регионам, что определяется, как правило, следующими основными факторами:

качеством воды используемых водоисточников применяемыми технологиями и режимами во-дообработки

санитарно-техническим состоянием водоразводящих сетей

уровнем лабораторного контроля за их качеством.

В настоящее время человечество столкнулось с проблемой получения воды, безопасной для здоровья. Проблема состоит не в общем количестве водных ресурсов - воды в мире сейчас столько же, сколько было миллион лет назад, а в том, что 97 % мировых запасов - это солёная вода, а из оставшихся 3 % пресной воды две трети находится в виде льда и одна треть интенсивно растворяет загрязнения, которые являются продуктом жизнедеятельности современной цивилизации.

К началу 90-х гг. на территории России насчитывалось около 60 тыс. централизованных водопроводов, 13 % из которых не отвечало необходимым санитарным требованиям из-за отсутствия зон санитарной охраны, требуемого комплекса очистных сооружений, обеззараживающих установок.

Согласно данным статистической отчётности, каждая восьмая из исследованных проб питьевой воды не отвечала гигиеническим требованиям по бактериологическим показателям, из них 45 % представляли опасность в эпидемическом отно-

При этом на первый приоритетный по значимости фактор наиболее существенное влияние оказывают природно-климатические условия

формирования водоисточников, уровень и характер антропотехногенного его загрязнения, способность к самоочищению от этих загрязнений.

Потребление воды в России в виде забора её из различных водоисточников стабилизировалось к началу 90-х гг. и составило 117 км3 в год (примерно 2.7 % от среднего многолетнего стока всех рек России). В 90-х гг. потребление воды несколько сократилось в связи с общим падением производства в стране, сокращением орошаемых площадей и поливных норм до уровня 105.1 км3 в 1993 г. и до 96.2 км3 в 1994 г.

Из 96.2 км3 использованных в 1994 г воды для нужд народного хозяйства использовано 77.1 км3, в том числе из поверхностных водных источников - 60.5 км3, из подземных - 11.4 км3, 5.2 км3 морской воды [2].

Таким образом, основная масса используемой в народном хозяйстве воды (78 %) забирается из открытых водоисточников - из рек России.

За последние полстолетия произошла заметная деградация природных вод России, обусловленная большим водозабором на отдельных реках и созданием гигантских водохранилищ Братское (объём 179 км3), Красноярское (73 км3), Усть-Илимское (60 км3), Куйбышевское (58 км3), Волгоградское (32 км3) и других. Водохранилища становятся своеобразными аккумуляторами загрязняющих веществ, поступающих в реку выше плотины, а затопленные почвы и растительность и леса создают дополнительные загрязнения за счёт их разложения (природно-фоновое содержание загрязняющих веществ).

Следующей и самой главной причиной деградации природных вод являюется их загрязнение в результате хозяйственной деятельности человека. Загрязнения поступают в природные воды, по

крайней мере, тремя путями:

♦ сброс сточных и ливневых вод с территории

городов.

В 1994 г. в поверхностные водные объекты России сброшено 60.2 км3 сточных вод, загрязнённые сточные воды составили при этом 41 % или 24.6 км3. По количеству сбрасываемых загрязнённых сточных вод "лидерами" являются Москва - 2367 км3, С.-Петербург - 1519 км3, Ангарск - 529 км3, Красноярск - 416 км3, Самара -408 км3 и Н. Новгород - 355 км3 [3].

Со сточными водами в водные объекты поступают сотни тысяч тонн загрязняющих веществ, основными из которых являются: нефтепродукты, взвешенные вещества, соединения фосфора, азота, фенол, СПАВ, соединения меди, железа, цинка и многие другие. Количества некоторых сбрасываемых загрязняющих веществ в открытые водоёмы России приведены в табл. 1;

♦ смыв удобрений и ядохимикатов с сельскохозяйственных территорий.

Точная величина этого смыва не поддаётся измерению, однако существующие оценки показывают, что с поверхности сельскохозяйственных полей смывается до 50 % применяемых удобрений и ядохимикатов;

♦ сухие и мокрые выпадения из атмосферы на поверхность водосборных бассейнов.

Вместе с аэрозолями и пылью, оседающими из атмосферы, в водоемы попадают тяжёлые металлы и органические соединения. Считается, что поступления тяжёлых металлов в водоёмы из атмосферы сравнялось, а в некоторых случаях и превосходит их поступление со сточными водами. Таким образом, к природно-фоновому содержанию загрязняющих веществ в поверхностных водных объектах добавляются сотни тысяч тонн загрязняющих веществ - продуктов хозяйственной деятельности человека.

Таблица 1

Сброс загрязняющих веществ в открытые водоёмы России в 1992-1994 гг. (тыс. т)

Загрязняющие вещества 1992 1993 1994

Нефтепродукты 39.4 19.9 14.4

Взвешенные вещества 1089.9 886.6 895.6

Фосфор общий 59.8 55.6 44.9

Азот аммонийный 187.0 160.9 129.3

Фенол 0.22 0.13 0.10

СПАВ 8.9 6.5 4.9

Соединения меди 0.9 0.8 0.3

Соединения железа 51.2 48.7 40.9

Соединения цинка 1.6 1.2 1.1

Углубленный анализ питьевой воды, прове- розии, соли, фенолы, нефтепродукты, пестициды и

дённый в ряде городов страны в соответствии с другие. Анализ состояния здоровья населения по-

рекомендациями ВОЗ, регламентирующими осу- зволил установить, что в ряде областей наблюда-

ществление контроля по 100 приоритетным ток- ется заметное возрастание числа заболеваний, свя-

сикантам, показал, что основными загрязнителями занных с неблагоприятным качеством питьевой

питьевой воды являются металлы, продукты кор- воды [1] (табл. 2).

Таблица 2

Выявленные заболевания, связанные с неблагоприятным качеством питьевой воды

Виды загрязнений Последствия для населения Районы, где выявлены заболевания

Бактерии и вирусы Острые кишечные инфекции, вирусный гепатит Северный, Северо-Западный, Восточносибирский, Дальневосточный

Хлорорганические углеводороды Отравления Уфа, Оренбург, Чапаевск (Самарская обл.), Тюмень

Хлориды и сульфаты Желудочно-кишечные и сердечно-сосудистые заболевания Поволжье

Азот- и хлорсодержащие соединения Хронические нефриты и гепатиты, токсикозы, врожденные аномалии Кемерово, Юрга

Нитриты Подавление кроветворной деятельности Липецк

Бор, бром Заболевания органов пищеварения у детей Шадринск (Курганская обл.)

Алюминий Угнетающее действие на центральную нервную и иммунную системы детей Пос. Малая Вишера (Новгородская обл.)

Вместе с тем существующие способы водопод-готовки питьевой воды на водозаборных станциях России, как правило, малоэффективны с точки зрения очистки её от вредных химикатов, а использование процесса хлорирования для её обеззараживания приводит к образованию целого набора летучих хлорпроизводных, среди которых необходимо отметить хлороформ, четырёххлористый углерод, хлорфенолы и другие. Значения ПДК для некоторых приоритетных токсикантов в питьевой воде для России, США и рекомендованные ВОЗ, приведены в табл. 3. Как видно из этих данных, для ряда приоритетных токсикантов значения ПДК не превышают нескольких мкг/л или 10-6-10-7 %. Обнаружение таких количеств органических веществ в воде и их количественное определение с хорошей точностью и воспроизводимостью является достаточно непростой задачей, что и объясняет отсутствие в ряде регионов надёжных данных по природно-фоновому содержанию органических токсикантов в питьевой воде.

С 1993 по 1996 г. включительно проведён эко-лого-химический мониторинг питьевой воды шести водозаборов г. Красноярска в весенний, летний, осенний и зимний периоды по следующим приоритетным органическим токсикантам: фенолу, крезолу, хлороформу, СС14, трихлорэтилену, мо-нохлорфенолу, дихлорфенолу, трихлорфенолу и

пентахлорфенолу. Методы определения указанных токсикантов, положенные в основу международных стандартов ИСО 10301 и ИСО 8165, имеют ряд существенных недостатков, основными из которых являются: низкая точность и воспроизводимость, высокое значение нижних пределов их обнаружения [3]. В данной работе использованы собственные унифицированные методики определения фенольных и хлорсодержащих токсикантов, которые исключают недостатки ИСО 10301 и ИСО 8165. Концентрирование хлороформа, СС14 и трихлорэтилена осуществлялось током азота из пробы воды 1.0 л в 25 мл пиридина с газохроматографическим разделением образующихся аддуктов с пиридином и детектированием электроннозахватным детектором [6]. Концентрирование фенольных соединений проводили с использованием концентрационных патронов с активированным углем марки БАУ, их десорбцией 20 мл диэтилового эфира, бромирование фенольных соединений бромид-броматной смесью с последующим газо-хроматографическим разделением и детектированием электроннозахватным детектором [7]. Нижний предел обнаружения указанных соединений данными методами составил 0.01 ПДК, а степень извлечения и относительные погрешности определений приведены в табл. 4.

Таблица 3

Нормативы России [4], США и рекомендации ВОЗ [5] на содержание некоторых приоритетных

органических токсикантов в питьевой воде

Вещество ПДК, мкг/л Россия Максимальный уровень, мкг/л

США ВОЗ

бензол 500 5 10

гексахлорбензол 50 - 0.01

хлороформ 60 100 30

ССІ4 6 5 3

трихлорэтилен 60 5 30

фенол 1 - -

трихлорфенол 4 - 10

пентахлорфенол 10 220 10

Таблица 4

Степень извлечения и относительные погрешности газо-хроматографического определения

органических токсикантов в воде

Исходная концентрация, мкг/л Найдено, мкг/л из 5 определений Степень извлечения, % Относительная погрешность, %

хлороформ 6.00 5.37 89.5 1.97

СС14 6.00 5.42 90.3 4.12

трихлорэтилен 7.00 6.48 92.6 4.46

фенол 1.00 0.97 97.0 8.19

хлороформ 180.0 170.1 94.5 1.86

СС14 180.0 169.1 93.9 2.28

трихлорэтилен 21 0.0 205.1 97.7 0.96

фенол 30.9 28.0 90.6 4.07

Полученные результаты показывают, что питьевая вода водозаборов г. Красноярска содержит наряду с фенолом крезол и гидрохинон, причём содержание фенола зачастую превышает значение ПДК (табл. 5). Среди хлорпроизводных в питьевой воде содержатся хлороформ и трихлорфенол, причём содержание хлороформа достигает нескольких ПДК. Образование монохлорфенола, дихлор-фенола, пентахлорфенола и СС14 при хлорировании питьевой воды не наблюдалось.

Выявлены сезонные колебания в содержании органических токсикантов в питьевой воде. Наибольшее содержание указанных токсикантов характерно для весеннего периода, когда токсиканты, накопленные за зиму, вместе с талыми водами попадают в открытые водоисточники. В этот период содержание фенола и хлороформа достигает 5-7 ПДК. В остальное время года содержание фенола достигает 2-3 ПДК, хлороформа - до 1.4 ПДК.

Несколько слов необходимо сказать об обеззараживании питьевой воды с использованием жидкого хлора. Основной отличительной особенностью хлора является его способность консервировать обработанную воду в течение довольно продолжительных промежутков времени, а относительная доступность и дешевизна обусловили широкое использование метода хлорирования уже с

начала нашего века.

Вместе с тем исследования, проведённые современными физико-химическими методами в США, Великобритании, Германии, Швеции [8 - 9] подтверждают образование токсичных хлорпроиз-водных при обработке хлором природных и сточных вод, содержащих органические вещества природного (гуминовые и фульвокислоты) и промышленного происхождения (ароматические и алифатические углеводороды, дифенилы, нафталин, пестициды и другие). Особо опасными веществами, образующимися при обработке воды активным хлором, являются:

хлороформ, обладающий канцерогенной активностью,

дихлорбромметан, хлоридбромметан, триб-ромметан, обладающие мутагенными свойствами, 2.4.6-трихлорфенол, 2-хлорфенол, дихлораце-тонитрил, хлорпиридин, полихлорированные бифенилы - иммунотоксичны и канцерогенны.

Содержание этих токсичных и канцерогенных соединений в воде увеличивается при повышении дозы хлора, рН и температуры воды, увеличении цветности, окисляемости и продолжительности контакта хлора с обрабатываемой водой.

Таблица 5

Содержание некоторых приоритетных органических токсикантов в питьевой воде г. Красноярска в сентябре 1995 г.

Шифр пробы Фенол, мкг/л Крезол, мкг/л Г идрохинон, мкг/л Трихлорфенол, мкг/л Хлороформ, мкг/л

проба 1 2.36 1.00 12.0 х 50.3

проба 2 2.20 1.20 10.6 - 46.2

проба 3 4.00 0.80 - - 56.0

проба 4 3.60 1.00 - - 60.0

проба 5 2.60 2.13 12.3 0.30 62.4

проба 6 2.80 3.00 15.4 0.60 56.0

проба 7 4.16 2.17 10.0 - 44.6

проба 8 4.10 2.00 8.1 - 54.3

проба 9 5.16 0.60 10.3 - 39.5

проба 10 4.82 0.50 10.0 - 43.3

проба 11 3.17 2.12 8.9 - 44.6

проба 12 3.00 2.00 12.1 - 48.6

х - не обнаружено (концентрация менее 0.01 мкг/д).

Значения ПДК: фенол - 1.0 мкг/л, крезол - 4.0 мкг/л, гидрохинон - 200.0 мкг/л, трихлорфенол - 4.0 мкг/л, хлороформ - 60 мкг/л.

В связи с этим для исключения вероятности образования вышеуказанных хлорпроизводных необходимо либо тщательно очищать питьевую воду от органических примесей до процесса хлорирования, либо отказываться от процесса хлорирования с использованием процессов озонирования и УФ-облучения.

Экспериментальные данные, полученные при написании данной работы, показывают, что очистку питьевой воды от фенола, крезола, гидрохинона, хлорфенолов, хлороформа, четырёххлористого углерода и трихлорэтилена можно с успехом осуществлять с использованием активированного угля различных марок в проточных условиях. Показано, что степень очистки воды по указанным веществам может достигать 90-98 % при их содержании 1 -20 ПДК.

Улучшение качества питьевой воды промышленных городов России и г. Красноярска, в частности, должно быть связано с резких сокращением сбрасываемых загрязненных сточных вод, с более углубленной водоподготовкой с возможно полным извлечением органических токсикантов активированным углем и заменой процесса хлориро-

вания более экологически безвредным и процессами УФ-облучение с озонированием или обязательное озонирование перед обработкой хлором.

Литература

1. Рахманин Ю.А., Монисов А.А., Ческис А.Б., Скворцов Л.С., Маслюков А.П. // Стандарты и качество. 1995. № 11. С. 6.

2. Проблемы окружающей среды и природных ресурсов. 1995. № 9. С. 65.

3. Фомин Г.С. Вода. Контроль химической, бактериальной и радиационной безопасности по международным стандартам. М., 1995.

4. САНПиН № 4630-88. М., 1988.

5. Saure J.M. J. AWWA. 1988. № 1. P. 53.

6. Ефремов А.А., Рубайло А.И. Аналитика Сибири и Дальнего Востока: Мат. V конференции. Новосибирск, 1996. С. 74.

7. Ефремов А.А.. ЖАХ. 1997. № 6. С. 1-4.

8. Babcock David B., Singer Philip C. J. AWWA. 1979. № 3. P. 149-152.

9. Jan J., Tratnik M. Bull. Environ. Coutam. and Toxicol. 1988. № 6. P. 809-814.

Поступило в редакцию 28.07.98