Ка́чество воды́ – характеристика состава и свойств воды, определяющая пригодность её для конкретных видов водопользования (ГОСТ 17.1.1.01–77). Разные водопользователи предъявляют к качеству воды разные требования. Наиболее высоки требования к качеству воды при производстве медицинских препаратов и электронной техники; наименее чувствительна к качеству воды гидроэнергетика. Во всех этих случаях вода, по сути, является сырьём в производстве или рабочим телом.

Вода широко используется также населением в питьевых и бытовых целях, где требования к качеству регламентируются нормативами. Причём и здесь требования к качеству воды различаются, так что некоторые специалисты предлагают иметь в квартире три трубопровода: для питьевой, бытовой и горячей воды.

Следует также подчеркнуть, что вода не только сырьё и товар, но и среда обитания живых организмов в водных объектах и прибрежной зоне. Требования к качеству воды разных гидробионтов сильно различаются: известны виды рыб, которые могут обитать только в водах, насыщенных кислородом, с малым содержанием солей, органических веществ и отсутствием антропогенных загрязнений. Другие виды хорошо себя чувствуют в мутной и насыщенной органикой воде.

Помимо химического состава воды, важны и так называемые органолептические показатели, т. е. свойства, которые непосредственно влияют на органы чувств человека (обоняние, осязание, зрение): запаха и цвет воды, наличие или отсутствие радужных пятен, сора и пр.

Вследствие разнообразия потребителей невозможно сформулировать единые требования к качеству природных вод, тем более, что требования различных водопользователей к качеству воды часто противоречивы.

Как оценить качество воды для конкретных водопользователей? Определяются её химический состав и физические свойства: температура, запах, вкус, прозрачность, мутность, сухой остаток, растворённый кислород, необходимое количество кислорода для окисления органических веществ, реакция среды, содержание вредных веществ, а также содержание микроорганизмов.

Такие характеристики, как вкус, запах, цветность, мутность определяются экспертным путем. Мутность определяется наличием в воде минеральных и органических взвешенных частиц; они являются также «переносчиками» микроорганизмов и некоторых токсических веществ, например, нефтепродуктов, тяжёлых металлов, которые охотно сорбируются на взвесях.

Частицы взвешенных веществ с размерами более 10-4 мм задерживаются бумажными фильтрами, и по ним можно судить о загрязнении воды глиной, илом, песком. По сухому остатку определяют количество растворённых, коллоидных и взвешенных веществ в воде, используя для этого метод выпаривания и взвешивания. Вычитая из сухого осадка содержание взвесей, определенное фильтрованием, находят количество растворенных и коллоидных веществ в воде. Коллоиды – вещества, по размерам промежуточные между истинно растворёнными и грубодисперсными компонентами (взвесями) и имеющие размер от 1 до 100 нанометров (1 нм = 10-9 м). Коллоидные частицы не выпадают в осадок.

Важная характеристика качества воды в природных объектах – содержание растворённого кислорода, которое уменьшается с повышением температуры воды. В обитаемом водоёме концентрация растворённого кислорода в любое время года не должна быть меньше 4 мг/л, иначе происходит гибель некоторых живых организмов. Кислород в воде расходуется на обеспечение жизни гидробионтов, а также для разложения органических веществ.

В природных водах, даже самых чистых, всегда присутствуют органические вещества (ОВ). Измеряют либо суммарное содержание ОВ, либо индивидуальные вещества. Учитывая, что в настоящее время синтезировано несколько десятков миллионов разных веществ, причем подавляющее их количество – органические вещества, полный спектр ОВ в воде определяется редко. Это сложно и дорого. Наиболее распространенными показателями содержания ОВ в воде являются ХПК и БПК. Химическое потребление кислорода (ХПК) – количество кислорода, потребляемое при химическом окислении содержащихся в воде органических и неорганических веществ. Для окисления воды используют разные окислители. Бихроматом калия (K2Cr2O7) в крепком растворе серной кислоты (H2SO4) окисляется вся органика. Это бихроматная окисляемость (БО). Перманганатная окисляемость (ПО) производится раствором перманганата калия KMnO4 в сернокислой среде и характеризует легкоокисляемую часть органических веществ, т.е. БО всегда больше ПО.

Для природных вод содержание органики характеризуют также БПК – это показатель биохимической потребности в кислороде. Кислород затрачивается в результате жизнедеятельности аэробных микроорганизмов на окисление имеющегося в воде органического вещества. Процесс определения БПК длительный, поэтому, как правило, определяют не БПК – биологическую потребность в кислороде, а БПКt – биологическое потребление кислорода за t суток, обычно БПК5 – при окислении в течение 5 суток и БПК20 – при окислении в течение 20 суток. Величина БПК5 регламентируется в зависимости от категории водоёма: не более 3 мгO2/дм3 для водоёмов хозяйственно-питьевого водопользования и не более 6 мгO2/дм3 для водоёмов хозяйственно-бытового и культурного водопользования.

Реакция среды (рН) – показатель, связанный с концентрацией в воде водородных ионов. Он характеризует кислотность воды и имеет важное значение для химической трансформации веществ в воде. Особое значение рН имеет для биохимических реакций, протекающих в живых организмах. Для обеспечения жизнедеятельности микроорганизмов, осуществляющих биохимическую очистку воды, значение рН должно быть в интервале 6,5–7,5. Питьевая вода должна иметь значение pH от 6,5 до 9.

Бактериологические показатели характеризуют содержание в воде бактерий, в том числе патогенных. Микробное число – это число бактерий, содержащихся в 1 мл воды. Для водопроводной воды этот показатель не должен превышать 100.

В поверхностные водные объекты бактерии и микроорганизмы попадают вместе со сточными водами и дождевыми стоками с водосбора, помимо того, что многие виды входят в постоянный состав присущего каждой конкретной экосистеме сообщества организмов.

Бактерии разделяют на патогенные (болезнетворные) и сапрофитные, осуществляющие переработку отмерших растительных или животных организмов.

Косвенный показатель бактериологического загрязнения воды определяется по содержанию в ней бактерии эшерихия коли – кишечной палочки. Единица измерения – коли-титр или коли-индекс. Коли-индекс – показатель, обратный коли-титру, равен числу кишечных палочек, содержащихся в 1 л воды. Коли-индекс для питьевой воды – не более 3.

При анализе качества воды определяется содержание в ней вредных веществ в мг/л. Число методов анализа химических веществ в воде чрезвычайно велико. Это связано с тем, что вещества в природной воде – сложная химическая система. Во-первых, это многокомпонентная смесь, включающая минеральные и органически вещества; во-вторых, большинство компонентов содержится в малых и сверхмалых концентрациях; в-третьих, это система, содержащая живые организмы, которые в процессе жизнедеятельности влияют на качество воды.

Определённые при анализе концентрации веществ сравниваются с нормативами содержания вредных веществ в водных объектах – предельно допустимыми концентрациями (ПДК). ПДК устанавливаются исходя из того, что существует некое предельное значение вредного фактора, ниже которого использование воды безопасно.

Поскольку водные объекты могут использоваться в различных целях, то должно быть несколько систем ПДК, регламентирующих отдельные виды водопользования. Однако выполнить такую задачу в нашей стране удалось только для двух классов водных объектов:

  • для воды водных объектов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования – система ПДКв, а именно такие концентрации веществ в воде, которые не должны оказывать прямого или косвенного влияния на организм человека в течение всей его жизни и на здоровье последующих поколений, а также не должны ухудшать гигиенические условия водопользования, например при купании;
  • для воды водных объектов, используемых для рыбохозяйственных целей, – система ПДКвр, т.е. концентрации веществ в воде, которые не должны оказывать вредного воздействия на популяции рыб, в первую очередь промысловых.

Систему ПДК используют не только для нормирования качества воды в водных объектах, но и при регулировании водоотведения сточных вод, чтобы все компоненты состава воды не превышали ПДК. Технически можно обеспечить очистку любой воды от любых компонентов до любого уровня, однако эта очистка может быть чрезмерно дорогой.

В производстве и потреблении непрерывно растет разнообразие используемых веществ, соответственно сточные воды становятся всё более многокомпонентными. Очистка стоков, в том числе коммунальных, до уровня ПДК не под силу многим предприятиям. Нарушители платят за сброс загрязнённых стоков, однако до сих пор предприятиям выгоднее эти платежи, чем затраты на очистку воды до установленных нормативов, платежи за загрязнение при их нынешнем уровне не выполняют регулирующую функцию. Основной путь – совершенствовать основные технологии производства, и крайне желательно, чтобы у предприятий был экономический стимул для этого.

Поскольку в природные воды попадают недостаточно очищенные стоки, традиционные технологии водоподготовки для питьевых целей не справляются с очисткой до нормативного

ПДК не учитывают многообразие форм вредных веществ (растворённых, сорбированных, находящихся в комплексной форме и пр.). Разные формы веществ имеют разную токсичность, поэтому их валовое содержание в воде, которое обычно и определяется в лабораториях мониторинга, не даёт объективной картины экологической опасности. Очень существенный недостаток системы регулирования воздействий на водные объекты состоит в том, что ПДК не учитывают взаимного влияния разных веществ при их попадании в организм. Количество ПДК больше 1000: разработано 1073 ПДКвр и 1356 ПДКхоз-пит (ГН 2.1.5.1315–03). Определить в природной воде все нормируемые компоненты – задача чрезвычайно дорогая и во многом бесполезная, так как в конкретном водном объекте число компонентов, за которыми следует наблюдать, обычно всего несколько десятков.

Возникает задача: дать оценку качества воды, не прибегая к столь сложным и дорогим процедурам, а используя индикаторы качества воды.

В ряду индикаторных характеристик используют дескрипторы, которые определяют качество воды через совокупность измеренных параметров компонентного состояния; наиболее типичный способ их вычисления – это усреднение специального вида.

К одним из наиболее часто используемых дескрипторов относится индекс загрязнения воды ИЗВ (гидрохимический) и индекс сапробности S (гидробиологический).

Индекс загрязнения воды (ИЗВ) определяется как сумма отношений Сi/ПДКi, где Ci– концентрации веществ, наиболее характерных для данного водного объекта; ПДКi– ПДК этих веществ.

В зависимости от величины ИЗВ водные объекты подразделяют на классы: очень чистые (ИЗВ < 0,2), чистые (0,2 < ИЗВ < 1,0), умеренно загрязнённые (1,0 < ИЗВ < 2,0), загрязнённые (2,0 < ИЗВ < 4,0), грязные (4,0 < ИЗВ < 6,0), очень грязные (6,0 < ИЗВ < 10,0), чрезвычайно грязные (ИЗВ > 10,0).

Используются и другие дескрипторы, например, комбинаторный индекс загрязнённости, основанный на повторяемости случаев превышения ПДК.

Показатель ИЗВ удобен при отслеживании динамики изменения загрязнённости качества воды, однако может привести к ошибочным оценкам, например при оценке качества многих рек, мало подверженных антропогенным воздействиям, но по природным особенностям содержащих много органических веществ и некоторых металлов (например, железа и марганца). Например, р. Пра, левый приток р. Оки, протекающая по территории двух Национальных парков – «Мещёра» и «Мещёрский», относится, по данным Росгидромета к чрезвычайно грязным (ИЗВ=22,2; 7 класс загрязнения): сток реки формируется на болотистом водосборе, поэтому в воде содержится много органических веществ природного происхождения.

При оценке качества воды иногда используется более широкий спектр веществ. Наиболее полной является классификация качества воды, разработанная в 1980-е гг. в ряде восточноевропейских государств, в которой выделено 6 классов качества вод: I – вода очень чистая; II – чистая; III – очень незначительно загрязнённая; IV – незначительно загрязнённая; V – сильно загрязнённая; VI – очень сильно загрязнённая.

При использовании этой классификации требуется наличие данных регулярных наблюдений по 43 показателям. Учитываются основные группы загрязняющих веществ, характерных для большинства антропогенно нагруженных водных объектов. Однако и эта система имеет те же недостатки, что и ПДК.

Экологическое состояние водного объекта нельзя оценить только на основании гидрохимических показателей; наиболее часто для этого применяется так называемый индекс сапробности Sводного объекта, который рассчитывают, исходя из индивидуальных характеристик различных водных сообществ (фитопланктона, перифитона и др.), обитающих в водоёмах.

При этом учитывается способность конкретного вида, обнаруженного в водном объекте, обитать в воде с тем или иным содержанием органических веществ. Индекс S характеризует трофический статус водоёма, т. е. насыщенность его организмами, образующими цепочки питания. В соответствии с численным значением индекса S нормируется качество воды. Выделяют следующие классы качества воды: очень чистые (ксеносапробные), чистые (олигосапробные), умеренно загрязнённые (a-мезосапробные), тяжело загрязнённые (b-мезосапробные), очень тяжело загрязнённые (полисапробные), очень грязные (гиперсапробные).

Однако и индекс сапробности не является универсальным, так как характеризует только уровень эвтрофирования водного объекта, т. е. насыщенность его органическим веществом, и не касается безопасности для организмов воды водного объекта. Кроме того, индекс сапробности не позволяет найти в воде конкретные компоненты, которые ухудшают её качество.

Для оценки загрязнённости воды токсичными веществами используется метод биотестирования, основанный на реакциях определенных организмов, культивируемых в стандартных условиях и помещаемых в конкретную пробу воды.

Таким образом, не существует единой универсальной системы оценки качества воды.

Но проблема качества – не только и не столько в трудностях его количественной оценки. Проблема в необходимости непрерывного улучшения качества воды загрязнённых водных объектов путём снижения антропогенной нагрузки и их приближения к естественному состоянию.

Важным принципом современной экологической парадигмы является следующее утверждение: невозможно достичь улучшения «общественного здоровья людей» без общего улучшения экологического состояния окружающей природной среды в целом и водных объектов в частности.

Е.В. Веницианов