Влияние органических соединений, содержащихся в природных водах, на качество питьевой воды: На примере г. Иванова тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 03.00.16, кандидат химических наук Извекова, Татьяна Валерьевна

• Извекова, Татьяна Валерьевна
• кандидат химических наук
• 2003

Оглавление диссертации кандидат химических наук Извекова, Татьяна Валерьевна

Содержание.

Введение.

Глава 1 Литературный обзор.

§ 1-1 Санитарно-гигиенические характеристики органических загрязнителей питьевой воды.

§1.2 Источники образования хлорорганических соединений.

§ 1.3 Основные методы подготовки питьевой воды.

Глава 2. Методики и объект экспериментальных исследований.

§2.1 Физико-географическая характеристика района Уводьского водохранилища.

§ 2.2 ОНВС - 1 (м. Авдотьино).

§ 2.3 Методики определения концентраций органических и неорганических соединений.

§ 2.3.1 Взятие проб воды и подготовка к анализу.

§2.3.2 Инструментальные методы исследования ХОС.

§ 2.4 Определение летучих галогенорганических соединений в воде

§2.4.1 Определение хлороформа.

§ 2.4.2 Определение четырёххлористого углерода.

§2.4.3 Определение 1,2-дихлорэтана.

§ 2.4.4 Определение трихлорэтилена.

§ 2.5 Определение хлорорганических пестицидов (у-ГХЦГ, ДЦТ).

§2.5.1 Определение хлорфенолов (ХФ).

§ 2.6 Оценка качества и обработка результатов измерений.

§ 2.7 Определение обобщенных показателей качества воды.

Глава 3. Качество воды в Уводьском водохранилище.

§ 3.1 Основные показатели качества воды в Уводьском водохранилище.

§3.1.1 Влияние изменения рН.

§ 3.1.2 Соотношение взвешенных и растворенных веществ в водоеме.

§3.1.3 Растворенный кислород.

§3.1.4 Изменения БПК5, ХПК.

§ 3.2 Токсические вещества (фенол, нефтепродукты).

§3.2.1 Влияние атмосферных осадков.

§ 3.2.2 Основные источники и стоки углеводородов нефти и фенолов в Уводьском водохранилище.

§ 3.3 Хлорированные углеводороды в воде Уводьского водохранилища.

Глава 4 Взаимосвязь качества воды в источнике водоснабжения и питьевой воды.

§ 4.1 Качество питьевой воды г. Иванова.

§ 4.2 Влияние качества воды в источнике водоснабжения на питьевую воду.

§ 4.3 Качество пресных подземных вод.

Глава 5 Оценка влияния питьевой воды на здоровье населения.

§5.1 Сравнительная оценка риска здоровью населения.

§ 5.2 Оценка риска по сокращению ожидаемой продолжительности жизни. Расчет ущерба здоровью населения по статистической стоимости жизни.

§ 5.4 Обоснование необходимости реконструкции системы водоподготовки на ОНВС - 1.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Влияние органических соединений, содержащихся в природных водах, на качество питьевой воды: На примере г. Иванова»

Проблема содержания различных органических соединений в питьевой воде привлекает к себе внимание не только исследователей различных областей науки и специалистов водоподготовки, но и потребителей. Ц Содержание органических соединений в поверхностных водах колеблется в широких пределах и зависит от многих факторов, основным из которых является хозяйственная деятельность человека, в результате которой поверхностные стоки и атмосферные осадки загрязнены разнообразными веществами и соединениями, включая и органические. Определенную роль в загрязнении поверхностных природных вод играют сельскохозяйственные стоки, которые по масштабам локальных поступлений экотоксикантов уступают промстокам, но ввиду того, что они распространены практически повсеместно, сбрасывать их со счета не следует. С сельскохозяйственным загрязнением связывается ухудшение качества поверхностных вод малых рек, а также в определенной степени и подземных вод, связанных на уровне верхних водоносных горизонтов с естественными водотоками.

Сложность проблемы заключается в том, что набор органических загряз-^ нителеи, содержащихся в микроколичествах, как в поверхностных водах, так и питьевой воде очень широк и специфичен. Некоторые вещества, такие как пестициды, ПАУ, хлорорганические соединения (ХОС), включая диоксины, даже в микродозах чрезвычайно опасны для здоровья человека [1]. Одной из главных причин неудовлетворительного качества питьевой воды является повышенное содержание в ней именно хлорированных углеводородов. Это обуславливает их приоритетность наряду с другими опасными экотоксикантами и требует ответственного подхода при выборе технологии водоподготовки, мониторинга и контроля качества, как питьевой воды, так и водоисточника.

Большинство исследователей давно пришли к выводу, что для определения конкретных причин и источников образования хлорсодержащих углеводородов, необходимо знание состава органических соединений, содержащихся в природных водах, использующихся в качестве источника водоснабжения. Поэтому, в качестве объекта исследования было выбрано Уводьское водохранилище, являющееся главным источником водоснабжения города Иванова (80 % от общего объема водопотребления), а также питьевой воды после процесса во-доподготовки.

Для большинства ХОС предельно допустимые концентрации (ПДК) установлены на уровне микрограммов на литр и даже меньше, что и вызывает определенные затруднения при выборе методов их контроля [2]. Повышенные концентрации такого рода соединений в питьевой воде чрезвычайно опасны для потребителей. Тетрахлорид углерода, хлороформ и трихлорэтилен подозреваются в канцерогенном действии, а повышенное содержание таких соединений в воде, а, следовательно, и в организме человека, вызывает разрушение печени и почек [1].

Таким образом, изучение причин появления хлорированных углеводородов в питьевой воде в зависимости от источника водоснабжения, определение их концентраций и разработка рекомендаций по снижению риска возникновения канцерогенных и не канцерогенных эффектов у потребителей питьевой воды является актуальным. Именно это и было основной целью данного исследования.

1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

§ 1.1. Санитарно-гигиенические характеристики органических загрязнителей питьевой воды

По данным Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ), из 750 идентифицированных химических загрязнителей питьевой воды 600 - это органические соединения, которые сгруппированы следующим образом [3]:

- природные органические вещества, включающие гуминовые соединения, микробные экссуданты и другие растворённые в воде продукты жизнедеятельности животных и растений;

- синтетические загрязнения, включающие пестициды, диоксины и другие вещества, производимые промышленностью;

- соединения, добавляемые или образующиеся в процессе обработки воды, в частном случае - хлорировании.

Названные группы логично обозначают и пути попадания органических загрязнителей в питьевую воду. В этой же работе отмечено [4], что и эти 600 веществ представляют лишь небольшую часть общего органического материала, присутствующего в питьевой воде. Действительно, прогресс, достигнутый в совершенствовании аналитических методов, позволил в последнее время идентифицировать и занести в память компьютеров около 300 органических соединений, обнаруженных в подземных, поверхностных водах и питьевой воде [5].

На рис. 1 изображены некоторые пути поступления и возможные превращения загрязнителей в поверхностных водах. Загрязнение подземных источников водоснабжения происходит в основном через почву. Так, накопление в почве целенаправленно внесённых хлорорганических пестицидов приводит к постепенному проникновению их в грунтовые воды подземных питьевых источников. По данным работы [6], треть артезианских скважин предназначенных для питьевого водоснабжения, только в США было закрыто по этой причине. Наиболее часто в подземных водах обнаруживаются хлорорганические соединения. По общепринятой международной терминологии они называются DNAPL (dense non-aqueous phase liquids), т.е. тяжелые неводные жидкости (ТНВЖ). Неводность означает, что они образуют отдельную жидкую фазу в воде подобно нефтяным углеводородам. В отличие от углеводородов нефти они плотнее воды. Эти вещества называют также плотными несмешивающимися с водой жидкостями. В то же время их растворимость вполне достаточна, чтобы вызвать загрязнение подземных вод. Попав в подземные воды, ХОС могут сохраняться там десятилетиями и даже столетиями. Они с большим трудом удаляются из водоносных горизонтов и поэтому представляют собой долговременный источник загрязнения подземных вод и окружающей среды в целом.

Рис. 1. Схема миграции ХОС в непроточном водоеме [5, 6]

В руководстве ВОЗ [4] отмечено, что рекомендуемые величины имеют тенденцию к погрешности в сторону излишней осторожности, что связано с недостаточностью данных и неопределённостями при их интерпретации. Таким образом, рекомендуемые величины допустимых концентраций свидетельствуют о переносимых концентрациях, но не служат регламентирующими цифрами, определяющими качество воды. Так, Агентством по охране окружающей среды США, для содержания хлороформа в питьевой воде была предложена в качестве норматива величина не 30, а 100 мкг/л. Норматив для трихлорэтилена имеет в 5 раз более низкое значение по сравнению с рекомендованным ВОЗ, а для 1,.2дихлорэтана - в 2 раза. В тоже время принятые в США нормативы для четырех-хлористого углерода в 2 раза, а для 1,1-Дихлорэтилена в 23 раза превышают рекомендованные ВОЗ [7]. Такой подход представляется правомерным и с точки зрения экспертов ВОЗ, подчеркивающих, что предлагаемые ими величины носят лишь рекомендательный характер.

Таблица 1.1

Рекомендуемые величины допустимых концентраций загрязняющих воду ХОС, влияющих на здоровье.

Загрязняющее вещество Рекомендуемая допустимая концентрация, мкг/л

Хлороформ 30

1,2 - Дихлорэтан 10

1,1- Дихлорэтилен 0,3

Пентахлорфенол 10

2,4,6 - Трихлорфенол 10

Линдан 3

Гексахлорбензол 0,01

В табл. 1.1 представлены рекомендуемые концентрации загрязнителей в воде установленные на основании токсикологических данных и данных о кан-церогенности с учётом средней массы тела человека (70 кг) и среднесуточного потребления воды (2 л) [4].

Допустимое содержание хлорорганических соединений (ХОС) в природной и питьевой воде по данным Минздрава РФ и их токсикологическая характеристика сведена в табл. 1.2.

Среди многих органических загрязнителей питьевой воды внимание гигиенистов особенно привлекают те соединения, которые являются канцерогенными. Это в основном антропогенные загрязнители, а именно: хлорированные алифатические и ароматические углеводороды, полициклические ароматические углеводороды, пестициды, диоксины. При этом следует отметить, что химические загрязнители в воде способны претерпевать под воздействием комплекса физико-химических и биологических факторов, различные химические превращения, приводящие как к полному их распаду, так и к частичной трансформации. Результатом этих процессов может быть не только снижение неблагоприятного действия органических загрязнителей на качество воды, но порой и его усиление. Например, более токсичные продукты могут появляться при распаде и трансформации некоторых пестицидов (хлорофоса, малатиона, 2,4-Д), полихлорированных бифенилов, фенолов и других соединений [1, 17].

Таблица 1.2.

Допустимые концентрации и токсикологическая характеристика некоторых

Соединение ПДК, мкг/л Класс опасности Характер воздействия на организм человека [9-13]

Питьевая вода[8] Природные воды (р.х.) ОДУ*

Показатель вредности ***

1 2 3 4 5

Хлороформ 200/30** 5/60 2 с.-т. Наркотик, действующий токсически на обмен веществ и внутренние органы (особенно на печень). Вызывает канцерогенный и мутагенный эффекты, раздражает слизистые оболочки.

Тетрахлорид углерода 6/3** отс / 6 2 с.-т. Наркотик. Поражает ЦНС, печень, почки. Обладает местным раздражающим действием. Вызывает мутагенные, канцерогенные эффекты. Высококумулятивное соединение.

1,2-дихлорэтаь 20/10** 100/20 2 с.-т. Политропный яд. Поражает кор-ково-подкорковые отделы головного мозга. Наркотик. Вызывает дистрофические изменения печени, почках и нарушает функции сердечно-сосудистой и дыхательной систем. Оказывает раздражающее действие. Канцероген.

1,1,2,2-тетрахлорэтан 200 отс / 200 4 орг. Наркотик. Повреждает паренхиматозные органы. Обладает раздражающим действием.

Грихлорэтилеь 70/3** 10/60 2 с.-т. Наркотик, обладает нейротокси-ческим и кардиотоксическим действием. Канцероген.

Пентахлорфе-нол 10** отс /10 2 с.-т. Обладает высокой липофильно-стью, накапливаясь в жировых отложениях и очень медленно выводится из организма

Тетрахлорэ-тилен 2/1** отс / 20 2 с.-т. Действует сходно с трихлорэти-леном, угнетает центральную и периферическую нервные системы. Снотворный эффект сильнее, чем у ССЦ. Поражает печень и почки. Обладает раздражающим действием.

Продолжение табл. 1.2.

1 2 3 4 5

2-хлорфенол 1 отс / 1 4 орг. Обладают умеренными кумулятивными свойствами. Нарушают функцию почек и печени.

2,4-дихлорфенол 2 отс /2 4 орг.

2,4,6-три-хлорфенол 4/10** отс /4 4 орг.

Гамма ГХЦГ 2 / отс** отс /4 1 с.-т. Высокотоксичный нейротроп-ный яд, обладающий эмбрио-токсическим и раздражающим действием. Поражает кроветворную систему. Вызывает канцерогенные и мутагенные эффекты.

ДДТ 2 / отс* * отс /100 2 с.-т. - ориентировочно-допустимые уровни содержания вредных веществ в воде водоемов хозяйственно-питьевого водопользования [14]. - "ориентирующие" нормативы, установленные в соответствии с рекомендациями ВОЗ

15] и Директивой 80/778 ЕС по качеству питьевой воды ЕС [16]. - лимитирующий признак вредности вещества, по которому установлен норматив:

- с.-т. — санитарно-токсикологический показатель вредности; орг. - органолептический показатель вредности.

Наиболее распространенными механизмами разрушения ХОС в окружающей среде можно считать фотохимические реакции и, главным образом, процессы метаболического распада с участием микроорганизмов. Фотохимическое разложение ХОС в молекулах, которых содержатся ароматические кольца и ненасыщенные химические связи, происходит в результате поглощения солнечной энергии в ультрафиолетовой и видимой областях спектра. Однако, не все вещества склонны к фотохимическому взаимодействию, например линдан (у-ГХЦГ) при УФ-облучении лишь изомеризуется в а-ГХЦГ. Схема предполагаемого механизма фотохимического превращения ДДТ показана рис.2а [17].

Скорость фотохимического распада, а также состав конечных продуктов этой реакции зависят от среды, в которой происходит данный процесс. Лабораторные исследования [18] показали, что после облучения УФ-излучением (А. = 254 нм) в течение 48 ч до 80 % ДДТ разлагается, а среди продуктов найдены ДДЭ (основное количество), ДЦД и кетоны. Дальнейшие эксперименты показали, что ДДД очень устойчив по отношению к УФ-излучению, а ДДЭ постепенно превращается в целый ряд соединений, среди которых обнаружены ПХБ. Метаболизм ХОС микроорганизмами, основанный на использовании ими органического углерода в качестве пищи, практически всегда катализируется биологическими ферментами.

С^ С С.

С1—С-С1 а

С1— с— С1

ДДЕ сг! а-чОъсчОъо—

Днхлорбензофенон

С1— С — С1 I н ддд а) б)

Рис. 2. Схема предполагаемого механизма фотохимического (а), метаболического (б) превращения ДДТ.

В результате довольно сложных последовательно идущих химических реакций образуются различные метаболиты, которые могут оказаться либо безвредными веществами, либо более опасными для живых организмов, чем их предшественники. Распространенная схема метаболического превращения ДДТ, которая в принципе верна и для других ХОС, приведена на рис. 26 [19].

Необходимость введения в каждой стране стандартов контроля содержания неорганических и органических загрязнителей в питьевой воде часто определяется особенностями землепользования в водном бассейне, характером водоисточника (поверхностные и подземные воды) и наличием в них токсичных соединений промышленного происхождения. Поэтому, необходимо принимать во внимание целый ряд различных местных географических, социально-экономических, промышленных факторов, а также факторов связанных с питанием населения. Всё это может обуславливать значительное отклонение национальных стандартов от рекомендуемых ВОЗ величин концентраций различных токсикантов.

Заключение диссертации по теме «Экология», Извекова, Татьяна Валерьевна

Основные результаты и выводы

1. Установлено, что изменение содержания органических соединений в Уводь-ском водохранилище во времени имеет тенденцию к уменьшению, хотя концентрации нефтепродуктов и летучих фенолов по-прежнему значительно выше нормируемых величин до 42 и 4 ПДКр.х. соответственно.

2. Показано, что уменьшение содержания органических соединений в результате процесса разбавления на последовательно расположенных станциях («Рожново», «Микшино», «Иванково») не происходит. Явление разбавления характерно только для фенолов, а для нефтепродуктов, хлороформа и трихло-рэтилена отмечается явный рост концентраций, что связано с дополнительными источниками поступления (диффузия из иловых вод, поверхностный сток).

3. Впервые из уравнения баланса установлены основные источники и стоки углеводородов нефти и фенола в водохранилище, а именно:

• основными источниками поступления углеводородов нефти в Уводьское водохранилище является канал Волга-Уводь и сток реки Уводь (примерно по 50 %), атмосферные выпадения и талые воды не оказывают большого влияния на содержание нефтепродуктов в воде водохранилища;

• для фенолов основными источниками являются все рассматриваемые каналы поступления: канал Волга-Уводь — 36 %, дождевой сток — 26 %, сток р. Уводь — 23 %, талые воды -15%;

• определены основные каналы выведения: для фенолов - гидродинамический вынос (~ 50 %); для нефтепродуктов - гидродинамический вынос, испарение и биохимическая трансформация — 34, 30, 29 % соответственно.

4. Показано, что концентрации ХОС в питьевой воде взаимосвязаны как с процессами внутри водоема, так и с процессом обеззараживания воды — хлорированием.

5. Суммарное содержания хлорорганических соединений (в пересчете на СГ) после хлорирования воды из Уводьского водохранилища в среднем увеличивается в 7 раз, а при хлорировании воды из подземного источника (Горинский водозабор) только в 1,3 раза.

6. Установлена корреляция между содержанием хлорфенолов и взвешенных органических веществ в воде Уводьского водохранилища и концентраций 2,4-дихлорфенола и 2,4,6-трихлорфенола после хлорирования питьевой воды.

7. Современное состояние потребляемой населением г. Иванова питьевой воды, приводит к ухудшению его здоровья и как следствие сокращению продолжительности жизни (мужчины — 5 лет, женщины - 8 лет, 2001 г.). Величина финансовых потерь оценивается 0,3 млрд. €/год, а, исходя из статистической стоимости жизни, в 0,96 млрд. €/год.

8. Показано, что хлорфенолы в воде Уводьского водохранилища находятся преимущественно в составе взвешенного вещества, поэтому рекомендовано для снижения их концентрации в питьевой воде улучшить процесс её фильтрования, а так же осуществлять водозабор с контролируемой глубины, особенно в весенне-летний период.

9. Выявлено, что основной вклад в значение величины экологического риска вносят ХОС, поэтому рекомендовано заменить первую ступень хлорирования (ОНВС-1) на озонирование.

Список литературы диссертационного исследования кандидат химических наук Извекова, Татьяна Валерьевна, 2003 год

1. Кузубова Л.И., Морозов C.B. Органические загрязнители питьевой воды: Аналит. Обзор / ГПНТБ СО РАН, НИОХ СО РАН. Новосибирск, 1993. -167 с.

2. Исаева Л.К. Контроль химических и биологических параметров окружающей среды. СПб.: "Эколого-аналитический информационный центр »Союз»", 1998.-869 с.

3. Randtke S.J. Organic contaminant removal by coagulation and related process combinations // JAWWA. 1988. - Vol. 80, № 5. - P. 40 - 56.

4. Руководство по контролю качества питьевой воды. Т.1. Рекомендации, ВОЗ. -Женева, 1986.- 125 с.

5. Warthington P. Organic micropollutants in the aqueous environment // Proc. 5 Int. Conf. "Chem. Prot. Environ." 1985. Leaven 9-13 Sept. 1985. Amsterdam, 1986.

6. Юданова Л.А. Пестициды в окружающей среде. Новосибирск: ГПНТБ СО АН СССР, 1989.-140 с.

7. Эльпинер Л.И., Васильев B.C. Проблемы питьевого водоснабжения в США. -М., 1984.

8. СанПиН 2.1.2.1074-01. Санитарные правила и нормы "Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения. Контроль качества.", утвержденные Госкомсан-эпиднадзором России. М., 2000 г.

9. Вредные вещества в промышленности. 4.1.Изд. 6-е, испр. Л., Изд-во "Химия", 1971 г., 832 с.

10. Канцерогенные вещества: Справочник/Пер. с англ./ Под ред. B.C. Турусова. М., 1987, 333 с.

11. Вредные химические вещества. Углеводороды. Галогенпроизводные углеводородов. Справ, изд./ Под ред. В.А. Филова- Л.: Химия, 1989.-732 с.

12. Г. Фелленберг Загрязнение природной среды. Введение в экологическую химию; Пер. с нем. М.: Мир, 1997. - 232 с.