Химический состав природной воды

Химический состав природных вод очень сложен. В них обнаруживается большинство известных химических элементов, исчисляемых долями граммов или целыми и даже десятками и сотнями граммов на литр воды. Некоторые из обнаруженных в воде элементов присутствуют в виде ионов или молекул, другие образуют сложные соединения, в том числе органические.

Степень и характер минерализации воды в той или иной местности отличается известным постоянством. Общее содержание растворенных в воде нелетучих минеральных и частично органических веществ характеризует величина сухого остатка (главным образом, совокупность хлоридов, сульфатов, карбонатов и бикарбонатов, щелочных и щелочноземельных металлов). Воды, содержащие повышенные количества минеральных солей могут приобретать неприятный соленый или горько-соленый вкус, поэтому уровень сухого остатка питьевых вод ограничивается санитарной практикой в силу его влияния на вкусовые свойства воды на уровне 1000 мг/л. Экспериментальные исследования показали, что оптимальной (по органолептическим свойствам) является питьевая вода, содержащая 200-400 мг солей в 1 литре. Воду с сухим остатком до 1000 мг/л называют пресной, свыше 1000 мг/л - минерализованной.

Изменения обычного уровня минерализации воды, не связанные с естественными причинами (весенние паводки), могут рассматриваться как показатель загрязнения воды посторонними веществами.

Хлориды в воде встречаются преимущественно в виде хлористого натрия и реже в виде других соединений (хлористый магний и др.). В природных водах хлориды появляются в результате вымывания их из земельных пород. Особенно много хлоридов содержится в местах с солончаковой почвой. Хлориды имеют значение как вещества, изменяющие вкус воды и влияющие на физиологические функции организма. Начиная с концентрации 500 мг/л, хлориды вызывают угнетение желудочной секреции, выражающееся в уменьшении кислотности и переваривающей силы желудочного сока. Наряду с этим, ускоряется эвакуация пищи из желудка. При концентрации более 1000 мг/л хлориды приводят к уменьшению диуреза, что может оказаться особенно вредным для людей, страдающих болезнями сердца и почек. В концентрациях более 350 мг/л хлориды придают воде солоноватый привкус.

Хлориды могут попадать в воды с фекалиями, мочой, кухонными отбросами, поэтому для источников местного водоснабжения, вода которых не подвергаются обеззараживанию, хлориды имеют значение как косвенный индикатор бытового загрязнения воды. При этом оценивается не столько концентрация хлоридов, сколько ее изменение во времени и на протяжении водоисточника, т.е. увеличение по сравнению с обычными, характерными для данной местности концентрациями. Совместное присутствие хлоридов и аммиака в сочетании с высокой окисляемостью и неблагоприятными бактериологическими показателями указывает на санитарное неблагополучие данного водоисточника.

Сульфаты в количествах, превышающих 500 мг/л, придают воде горьковато-солоноватый привкус, при концентрации 1000-1500 мг/л и выше угнетают желудочную секрецию, оказывают послабляющее действие на кишечник, вызывают отрицательное отношение людей к вкусовым качествам воды. Сульфаты могут быть показателем загрязнения поверхностных вод животными отбросами, так как составной частью белковых тел является сера, которая при разложении и последующем окислении превращается в соли серной кислоты.

Жесткость воды показывает концентрацию в ней катионов двухвалентных щелочноземельных металлов, прежде всего кальция и магния. Ионы Са(2+) и Мg(2+) могут быть связаны с различными анионами (HCO₃,SO₄,Cl,CO₃,HNO₃ и др.).

Гидрокарбонаты кальция и магния Са(НСО₃)₂, Мg(НСО₃)₂ и карбонаты СаСО₃, МgСО₃ определяют карбонатную жесткость. При нагревании воды нарушается карбонатное равновесие (уменьшается содержание СО₂), вследствие чего гидрокарбонаты переходят в карбонаты.

Растворимость карбонатов кальция и магния значительно меньше, чем гидрокарбонатов, поэтому при кипячении воды жесткость снижается. Жесткость воды, обусловленная гидрокарбонатами кальция и магния, называется карбонатной. Карбонатная жесткость нередко совпадает с устранимой жесткостью, но приравнивать их к друг другу нельзя. При большом количестве в воде гидрокарбоната магния разница между карбонатной и устранимой жесткостью бывает довольно значительной. С величиной устранимой жесткости практически совпадает щелочность воды, которая обусловлена содержанием в ней гидрокарбонатов щелочноземельных металлов (Са, Na, Мg, К,) и других солей слабых кислот. Щелочность воды имеет значение для процесса коагуляции воды при ее очистке. Разность между общей и устранимой жесткостью называется постоянной жесткостью, она связана с количеством кальция и магния, связанным с другими анионами кроме, гидрокарбонатов (Сl, SO₄, NO₃ и др.).

Жесткость воды является одним из существенных критериев качества питьевой воды. Жесткая вода нежелательна для хозяйственно-бытовых целей: в жесткой воде плохо развариваются овощи, мясо, портится внешний вид, вкус и качество чая, плохо мылится мыло, так как натрий в нем замещается кальцием и магнием воды, в результате чего образуется хлопьевидный осадок кальциевого и магниевого мыла. Жесткая вода может вызвать болезненное раздражение и сухость кожи; в нагревательных приборах в системах горячего водоснабжения жесткая вода образует нерастворимый осадок, затрудняющий их эксплуатацию.

Что касается влияния на здоровье, то высокую жесткость следует рассматривать как один из факторов, способствующих развитию уролитиаза, о чем сказана выше. В течение длительного времени обсуждается вопрос о влиянии жесткости на сердечно-сосудистую систему; имеются данные о более высокой смертности от сердечно-сосудистых заболеваний при использовании мягких питьевых вод. Однако эта гипотеза в ряде стран не нашла подтверждения.

Железо является неотъемлемой частью животного организма и используется для построения дыхательных ферментов (гемоглобина, каталазы и др.). Выделяется из организма железо через кишечник. Организм удовлетворяет свои потребности в железе в основном потребляя его с пищей, поэтому то количество его, которое поступает в организм с питьевой водой, не имеет существенного физиологического значения. Железо Fе(2+), Fе(3+) в разных концентрациях содержится во всех естественных водоисточниках. В больших концентрациях оно появляется в водоемах в результате поступления производственных сточных вод. При распределении воды по стальным (неоцинкованным) трубам содержание железа в ней увеличивается в результате коррозии. Токсическое действие железа на организм неизвестно. При длительном пероральном поступлении в организм даже больших доз (300 мг/кг и более) наблюдались лишь явления гастроэнтерита без признаков интоксикации. Поэтому присутствие железа в воде нежелательно по эстетическим и бытовым соображениям, так оно придает воде мутность, окраску, горьковатый металлический привкус. Кроме того, повышенные концентрации железа в воде способствуют развитию железобактерий, при отмирании которых внутри водопроводных труб накапливается плотный осадок, уменьшающий их диаметр. Установлено, что ухудшение прозрачности и цветности воды происходит под влиянием как закисных, так и окисных соединений железа, поскольку во всех случаях они вызывают образование гидроокиси железа. При уменьшении концентрации железа до 0,3 мг/л прозрачность и цветность воды находятся на уровне стандарта. Металлический привкус воды исчезает при концентрации железа 0,5 мг/л. Данные, полученные методом опроса населения, свидетельствует о том, что при значительно большем содержании железа (более 1,0 мг/л) вода может оказывать раздражающее действие на кожу человека, вызывая зуд и сухость.

Для приведения качества воды в соответствие с требованиями стандарта на водоочистных сооружениях применяются специальные методы улучшения качества воды. Для уменьшения в воде содержания сульфатов, хлоридов и других солей используется опреснение воды с последующим добавлением растворов солей. Опреснение осуществляется методами дистилляции, ионного обмена, электродиализа. В условиях местного водоснабжения используется метод вымораживания природным холодом и искусственным замораживанием.

Для обезжелезивания воды используются следующие методы: аэрация (окисление) и известкование с последующим удалением выпавшей гидроокиси железа путем отстаивания и фильтрации: а также используется коагуляция воды и катионирование.

Для умягчения воды (полного или частичного удаления из воды катионов Са(2+) и Мg(2+) используются реагентные методы, основанные на обработке воды веществами, образующими с ионами кальция и магния практически нерастворимые соединения, выпадающие в осадок (для этого используется добавление гашеной извести в сочетании с содой). Практическое применение получил также метод ионного обмена для умягчения воды с использованием ионообменных смол. Умягчение воды методом ионного обмена может быть осуществлено Nа-катионированием, Н-катионированием, параллельным или последовательным Н-Nа-катионированием.

В санитарно-химическом анализе воды большую роль играет определение солей аммиака, азотистой и азотной кислот (нитритов и нитратов), являющихся косвенным показателем загрязнения воды органическими веществами животного происхождения.

Органические вещества животной природы, поступающие в водоисточники, подвергаются распаду, происходит минерализация их за счет населяющих воду микроорганизмов. Этот процесс протекает более интенсивно в теплое время года и при наличии в воде растворенного кислорода. Минерализация азотсодержащих органических веществ идет в две фазы. В первую фазу, носящую название аммонификации, белки и мочевина распадаются до аммиака и его солей. Распад белков протекает под влиянием анаэробов (B.putrificus, B.sporogenes и др.), факультативных анаэробов (B.micoides и др.), аэробов (B.mesentericus, B.subtilis и др.). Аммонификация мочевины осуществляется уробактериями и др. микробами. Поскольку аммиак является начальным продуктом разложения, то его присутствие говорит о свежем органическом загрязнении водоисточника.

Во второй фазе минерализации - нитрификации - аммиак и его соли окисляются до нитритов (с помощью B.nitrosomonas), а они в свою очередь окисляются до нитратов (с помощью B.nitrobakter). Для превращения аммонийных солей в нитриты требуется некоторое время признаком недавнего загрязнения воды органическими веществами. Нитраты - конечный продукт минерализации органических веществ, следовательно их присутствие является показателем давнего загрязнения водоисточника.

Азотсодержащие вещества позволяют констатировать не только наличие загрязнения воды, но и судить о давности загрязнения. Так, если обнаруженный в воде аммиак при повторных анализах больше не встречается, то можно сделать вывод, что вода была загрязнена случайно и более не загрязняется. Если же вместе с аммиаком в воде обнаруживаются нитриты, то это указывает на то, что имеет место систематическое загрязнение воды с недавнего времени. А если в воде обнаруживается аммиак, нитриты и нитраты, то это указывает на крайнее неблагополучие водоисточника, так как свидетельствует о давнем и постоянном загрязнении водоисточника.

Если же в воде обнаруживаются нитраты, а аммиак и нитриты отсутствуют, то это указывает на то, что завершились процессы минерализации органических веществ, и следовательно, загрязнение ликвидировано.

Следует учитывать, однако, что загрязнение воды органическими веществами животного происхождения не является единственной причиной появления в воде азотсодержащих веществ. В чистых глубоко залегающих водах кислород может совершенно отсутствовать, чем создаются условия для восстановления нитратов минерального происхождения в нитриты и аммиак. В этом случае повышенные концентрации солевого аммиака и нитритов в глубоких межпластовых водах не являются показателем загрязнения. Другие показатели загрязнения воды при этом будут отсутствовать.

В воде открытых водоемов аммонийные соли, нитриты и нитраты могут быть растительного происхождения, являясь продуктами распада органических веществ водной растительности. Азотсодержащие вещества могут попадать в водоисточники с промышленными сточными водами, а также со стоками с территорий, обильно удобряемых азотсодержащими соединениями.

Таким образом, для правильной гигиенической оценки наличия азотсодержащих веществ в воде необходимо установить причину их появления в воде. О загрязнении органическими веществами животного происхождения можно с уверенностью говорить лишь в том случае, если параллельно с минеральными азотсодержащими соединениями в воде обнаруживаются и другие показатели загрязнения: химические (высокая окисляемость) и микробиологическое (низкий коли-титр, высокий коли-индекс). В водопроводной воде, подвергающейся обеззараживанию, аммонийные соли и нитриты как косвенные показатели эпидемиологического неблагополучия воды теряют свое значение. Однако, в обеззараживаемой хлором водопроводной воде нежелательно содержание аммонийных солей более 0,5 мг/л, т.к. из-за образования менее активных веществ - хлораминов, расход хлора для обеззараживания увеличивается в 2-4 раза.

В воде местных источников водоснабжения, согласно предложенным ориентировочным гигиеническим нормам, азота аммонийных солей допускается до 0,1 мг/л, азота нитритов - до 0,002 мг/л. Если эти вещества минерального или растительного происхождения, то они теряют значение как показатели загрязнения и допускается более высокое их содержание в воде.

Самостоятельный интерес представляют нитраты, так как в высоких концентрациях они вызывают метгемоглобинемию. По современной теории нитраты в кишечнике человека восстанавливаются в нитриты под влиянием обитающих в нем бактерий. Всасывание нитритов ведет к образованию метгемоглобина. Таким образом в основе заболевания лежит та или иная степень кислородного голодания, симптомы которого проявляются в первую очередь у детей, особенно грудного возраста, которые болеют преимущественно при искусственном вскармливании (разведение сухих молочных смесей водой, содержащей нитраты) или при употреблении этой воды для питья. Дети старшего возраста и взрослые менее подвержены этому заболеванию, так как у них сильнее выражены компенсаторные механизмы. Концентрация нитратов на уровне 45 мг/л (в пересчете на NO₃) является безопасной и принята в качестве ПДК в питьевой воде. Высокие концентрации нитратов встречаются в основном в подземных водах, являясь следствием постоянного загрязнения воды (особенно грунтовых вод), или минерального происхождения в связи с геохимическими особенностями водовмещающих пород. В воде открытых водоемов концентрация нитратов, как правило, не бывает высокой, так как они потребляются водной растительностью. Исключением могут быть лишь случаи массивного загрязнения водоемов сточными водами, содержащими нитраты.

Нитриты, являясь нестойкими соединениями, не накапливаются в воде в токсических концентрациях, поэтому не имеют значения в качестве метгемоглобинобразующего вещества.

Одной из важнейших причин кариеса зубов считается недостаток фтора в питьевой воде и как следствие - недостаток его в организме. Наблюдается прямая зависимость между содержанием фтора в питьевой воде и заболеваемостью кариесом зубов. Фтор вместе с кальцием и фосфором обеспечивает твердость и крепость костей и зубов.

Действие фтора осуществляется гематогенным путем после всасывания в желудочно-кишечном тракте. С одной стороны фтор стимулирует процессы минерализации зуба, с другой, откладываясь в виде фторапатита, изменяет структуру твердых тканей зуба, усиливая их резистентность к химическим и биологическим кариесогенным факторам, действующим в полости рта.

В поверхностных водоисточниках преобладает концентрация фтор-иона до 0,5 мг/л, а вода этих водоисточников используется для большинства средних и крупных городов. Оптимальной считается концентрация фтора в питьевой воде от 0,7 до 1,2 мг/л. Низкие концентрации фтора увеличивают заболеваемость кариесом. Избыток фтора (выше 1,5 мг/л) приводит к флюорозу, отражается на репродуктивном здоровье, особенно мальчиков. Имеется достоверная зависимость частоты болезней органов дыхания и высоких концентраций фтора.

При содержании фтора ниже 0,5 мг/л питьевую водопроводную воду рекомендуется фторировать, что снижает заболеваемость кариесом зубов на 65-70 %. Следует помнить, что усвоение фтора из воды на 20% лучше, чем из продуктов, это требует осторожного отношения к фторированию воды. При осуществлении фторирования воды, содержание в ней фтора должно быть в пределах 70-80 % от допустимых максимальных уровней применительно к каждому климатическому району. При избыточном содержании фтора в воде должно осуществляться дефторирование.

Кроме типичных для состава природных вод химических элементов и солей в питьевой воде могут присутствовать химические вещества и соединения, попадающие в водоемы с промышленными и сельскохозяйственными стоками, а также остаточные количества веществ, добавляемых в воду при ее обработке на водоочистных сооружениях. Для них установлены ПДК, которые представлены в СанПиНах. Одним из таких элементов является остаточный активный хлор, добавляемый при обеззараживании воды. Для достижения эффекта обеззараживания хлорсодержащие препараты добавляют в количествах, которые через 30 минут контакта воды с хлором (достаточного для уничтожения вегетативных форм микроорганизмов) создадут некоторый избыток его в воде (остаточное количество) в пределах от 0,3 до 0,5 мг/л. Большие количества придадут воде неприятный запах, особенно при наличии в воде фенолов и образование галогенизированных углеводородов, обладающих канцерогенным действием.