Введение

Во всех крупных населенных пунктах подача питьевой воды потребителю осуществляется в основном централизованно. При этом эксплуатируемые водопроводные сети, как правило, находятся в ветхом состоянии, обусловленном превышением нормативных сроков службы. Подобная ситуация провоцирует развитие биокоррозии труб и способствует инфильтрации загрязняющих веществ из внешней среды. Кроме того, водопроводные трубы зачастую характеризуются небольшим диаметром, что влечет за собой значительные потери напора воды.

В Екатеринбурге к главным водоснабжающим объектам относятся Верхнемакаровское и Волчихинское водохранилища на реке Чусовой [1]. Процесс приведения характеристик воды в соответствие с санитарно-гигиеническими нормативами осуществляется в результате многоступенчатого процесса очистки на трех фильтровальных станциях города: Сортировочной, головных сооружений водопровода, Западной. Тем не менее качество питьевой воды в Екатеринбурге с каждым годом ухудшается. Последнее обусловлено не только малоэффективными очистными сооружениями, но и нарушением гигиенических требований к эксплуатации технических систем водоподготовки, а также высокой степенью износа водопроводных сетей, приводящего к вторичному загрязнению воды [2; 3]. На сегодняшний день основную часть (около 70%) водопроводной сети, обслуживаемой МУП «Водоканал», составляют чугунные трубы. Стальные трубы занимают значительно меньшую долю – 26%, а трубы из полимеров и других материалов используются в минимальном объеме (всего 4%). Длительный срок службы чугунных и стальных труб приводит к их внутреннему обрастанию микроорганизмами и коррозии [4]. Эти процессы ухудшают качество воды, загрязняя ее тяжелыми металлами и органическими соединениями, а также негативно влияют на ее органолептические свойства, такие как запах, вкус и прозрачность.

Цель работы заключалась в комплексной оценке качества водопроводной воды, поставляемой населению Екатеринбурга, а также в анализе функционирования системы централизованного водоснабжения города. Была определена задача картографической визуализации результатов анализа проб воды, взятых в разных районах города.

Материалы и методы исследований

Исследования были выполнены в учебно-исследовательской лаборатории химии и экологии Уральского государственного педагогического университета в рамках научно-исследовательского студенческого проекта «Экологический мониторинг».

Пробы водопроводной воды были отобраны в герметичные стеклянные емкости объемом 600 см3 и проанализированы по следующим показателям: жесткость, окисляемость, рН, содержание нитратов и тяжелых металлов (свинца и меди). Пункты отбора проб включали жилые дома, административные, медицинские и образовательные учреждения, находящиеся в разных районах города. Всего было проанализировано 52 пробы: Академический район – 3 пробы; Верх-Исетский – 3; Железнодорожный – 8; Кировский – 5, Ленинский – 4; Октябрьский – 3; Орджоникидзевский – 20; Чкаловский район – 6 проб. Эксперимент по определению качества воды проводился в период с 20.01.2024 г. по 30.06.2024 г.

При проведении исследования использовали следующие методы анализа: титриметрический (для определения жесткости и окисляемости) и потенциометрический (для определения рН, содержания нитратов, свинца и меди).

Результаты исследования и их обсуждение

Результаты проведенных исследований представлены в таблице 1.

Анализ данных, приведенных в таблице 1, свидетельствует, что жесткость, pH и концентрация меди в исследованных образцах воды находятся в пределах нормы. Однако в некоторых пробах зафиксировано превышение допустимых значений окисляемости, содержания свинца и нитратов.

Окисляемость представляет собой содержание легкоокисляющихся органических веществ естественного и антропогенного происхождения. К последним относятся продукты разложения различных отходов, содержащихся в коммунально-бытовых и промышленных сточных водах. Загрязнение питьевой воды из системы централизованного водоснабжения органическими соединениями может быть вызвано либо низкой эффективностью работы фильтровальной станции, либо высокой степенью изношенности водопроводных труб. Из таблицы 1 видно, что повышенной окисляемостью характеризуются семь проб, причем четыре из них отобраны в Орджоникидзевском районе.

Таблица 1

Значения показателей качества исследуемых проб воды

• «-» – показатель не определен;

• жирным шрифтом выделены значения, превышающие нормативные значения;

• сведения о материале труб отсутствуют.

Источник: составлено авторами на основании результатов исследования.

Рис. 1. Пункты отбора проб водопроводной воды: а) в Орджоникидзевском районе; б) в Ленинском, Кировском, Чкаловском и Верх-Исетском районах (красными линиями обведены Чкаловский и Кировский районы с загрязненной водой). Пункты отбора проб воды неудовлетворительного качества по одному или нескольким показателям отмечены красными метками Источник: составлено авторами на основании результатов исследования

Превышение содержания нитратов обнаружено в двух пробах, отобранных в Чкаловском и Орджоникидзевском районах. Известно, что как в поверхностных, так и в грунтовых водах Свердловской области нитраты среди загрязнителей занимают ведущие позиции [5]. Характерной особенностью нитратов является их способность трансформироваться в организме человека в нитрозамины – канцерогенные соединения [6–8].

Один из пунктов отбора загрязненных нитратами проб находится в Орджоникидзевском районе, неподалеку от СНТ «Садовод»; второй пункт располагается в Чкаловском районе, между городскими парками завода РТИ, Камвольного комбината и Юго-Западным. Основная причина загрязнения воды нитратами – избыточное использование азотных удобрений. Проблемы с устаревшими водопроводными трубами, подверженными коррозии и, следовательно, частым авариям, способствуют попаданию нитратов в систему централизованного водоснабжения. При этом, согласно данным таблицы 1, свинец является самым распространенным загрязнителем, превышающим допустимые нормы в большинстве проб (13 случаев).

Свинцом загрязнены пять проб из Орджоникидзевского района, три – из Академического, три – из Железнодорожного и по одной из Чкаловского и Кировского районов. На рисунке 1 представлены пункты отбора проб с соответствующей оценкой качества воды в Орджоникидзевском районе (1а), Ленинском, Чкаловском и Кировском, Верх-Исетском районах (1б). Таким образом, свинец можно отнести к числу приоритетных загрязнителей в исследуемых пробах воды.

Основная причина появления свинца в питьевой воде – это разрушение старых водопроводных труб из-за коррозии. Однако возможно и непосредственное попадание соединений свинца в водопроводную сеть из окружающей среды в результате частых аварийных разрывов трубопровода [4; 9]. К основным источникам свинца относят отходы машиностроительных и металлургических предприятий, большая часть которых расположена в Орджоникидзевском районе. Кроме того, свинец в окружающую среду поступает с выхлопными газами автотранспорта и из отработанных автомобильных аккумуляторов.

Результаты, представленные в таблице 1, свидетельствуют о многократном (от 6 до 200 раз) превышении ПДК свинца в пробах воды из Орджоникидзевского района. Все пункты отбора проб в этом районе представляют собой здания старой (40–50 лет) жилой застройки, домовые водопроводные трубы в которых требуют срочной замены. На высокую степень коррозионного повреждения труб указывают постоянные аварии водопровода в этом районе, сопровождающиеся выходом воды на поверхность и затоплением улиц и придомовых территорий.

Проблеме загрязнения воды из разных источников свинцом и последствий его негативного влияния на организм человека посвящено немало работ [6; 10; 11]. Свинец, как и многие тяжелые металлы, взаимодействует с содержащимися в организме человека серосодержащими аминокислотами (цистеином, глутатионом, метионином и др.) с образованием труднорастворимых соединений. Дефицит указанных аминокислот, выполняющих функцию антиоксидантов в организме, неизбежно ведет к повышению концентрации свободных радикалов с последующим повреждением клеточных мембран и возникновением различных патологий [12]. Для свинца свойственно явление биоаккумуляции, что существенно усиливает его токсикологический эффект. Следовательно, при регулярном употреблении воды, содержащей десятки и даже сотни ПДК свинца, пропорционально возрастают и масштабы отрицательных последствий воздействия на организм человека.

Свинец, помимо разрушения антиоксидантов, обладает еще и канцерогенными свойствами [13; 14]. В этой связи были рассчитаны уровни индивидуального канцерогенного риска потребителей воды в соответствии с «Руководством по оценке риска для здоровья населения»[1]:

CR = I ∙ SF, (1)

где I – cреднесуточная доза при пероральном поступлении загрязнителя в организм человека с питьевой водой; SF – фактор канцерогенности.

, (2)

где Cw – концентрация загрязнителя в воде; V – объем потребляемой воды в сутки; EF – частота воздействия; продолжительность воздействия; BW – средняя масса тела; AT – средний период экспозиции. Расчеты приведены с учетом потребления воды взрослым человеком со средней массой тела 70 кг.

Приемлемость риска (СR) оценивали по критериям, приведенным в [15]:

1) CR ≤ 1∙10–6 – риск соответствует одному случаю заболевания или смерти на миллион экспонированных лиц и считается пренебрежимо малым;

2) 1∙10–6 ≤ CR ≤ 1∙10–4 – имеет место предельно допустимый риск, требующий регулярного контроля качества объектов окружающей среды;

3) 1∙10–4 < CR ≤ 1∙10–3 – риск становится недопустимым или неприемлемым; при этом требуется проведение мероприятий по улучшению экологической ситуации;

4) CR > 1∙10–3 – необходимы экстренные меры по оздоровлению окружающей среды с целью снижения риска.

Как следует из таблицы 2, максимальные (недопустимые) канцерогенные риски соответствуют наиболее загрязненным пробам питьевой воды из Орджоникидзевского района (СR > 1∙10–3). Канцерогенные риски, рассчитанные для других проб, можно оценить как предельно допустимые. Для детей, с учетом их меньшей средней массы тела и меньшим времени экспозиции, среднесуточная доза свинца при пероральном поступлении существенно возрастает, следовательно, значения канцерогенного риска будут значительно выше.

Вызывает вопрос низкий уровень качества питьевой воды в Академическом районе, строительство которого началось в 2006 году и продолжается до сих пор. Здания, сооружения, инфраструктура, все коммуникации, а значит, и водопроводные сети здесь сооружены недавно. Тем не менее все пробы воды, отобранные в Академическом, содержат свинец от 1,3 до 2 ПДК. Для сравнения: в пробах воды, отобранных в Ленинском и Верх-Исетском районах, измеренные показатели качества находятся в пределах, допустимых санитарно-гигиеническими нормативами (рис. 1б). Полученные данные свидетельствуют о критической экологической ситуации с питьевой водой в Орджоникидзевском районе, что обусловлено значительным превышением норм по окисляемости, нитратам и свинцу (рис. 2).

С целью визуализации результатов проведенных исследований была разработана интерактивная информационная карта качества питьевой воды в городе Екатеринбурге.

Данные, приведенные на рисунке 3, представляющем карту экологического благополучия города по результатам анализа водопроводной воды, свидетельствуют о несоответствии нормативам качества более 30% исследуемых проб по одному или двум из определяемых показателей. Вторичное загрязнение воды может быть вызвано различными факторами: коррозионные процессы в трубопроводах, попадание экотоксикантов через уплотнения, колебание давления и перераспределение потоков воды в водопроводной сети, существование тупиковых участков водопровода и др. [16]. В дополнение к указанным причинам поступления загрязнителей в водопроводную сеть следует отметить и периодические сбои в работе устаревших технических систем водоподготовки.

Таблица 2

Уровни индивидуального канцерогенного риска здоровью потребителей от питьевой воды, загрязненной свинцом

Источник: составлено авторами на основании результатов исследования.

Рис. 2. Количество загрязненных проб водопроводной воды по районам города Источник: составлено авторами на основании результатов исследования

Рис. 3. Результаты анализа исследуемых проб водопроводной воды Примечание: пункты отбора проб воды неудовлетворительного качества по одному или нескольким показателям отмечены красными метками Составлено по: URL: https://водоканалекб.рф/media-center/novosti/speczialisty-vodokanala-prezentovali-interaktivnuyu-kartu-perekladki-setej-po-rajonam-ekaterinburga/

Одним из путей решения проблемы вторичного загрязнения водопроводной воды является замена изношенных участков водопроводных сетей. В МУП «Водоканал» разработан и с 2024 года реализуется план ремонта и замены водопроводных труб. На интерактивной карте, составленной сотрудниками «Водоканала», отмечены наиболее аварийные участки трубопровода, подлежащие ремонту. В большинстве случаев на отмеченных участках отобранные для анализа пробы воды не соответствуют стандартам качества.

Выводы

Таким образом, анализ питьевой воды из системы централизованного водоснабжения Екатеринбурга выявил ряд проблем. В частности, в нескольких районах зафиксировано превышение нормативных показателей по окисляемости (в Орджоникидзевском, Чкаловском, Железнодорожном, Кировском районах), содержанию свинца (Орджоникидзевском, Кировском, Чкаловском, Железнодорожном, Академическом районах) и нитратов (загрязнение в Чкаловском и Орджоникидзевском районах), что свидетельствует о неудовлетворительном качестве воды. Обнаружено, что доля загрязненных проб составила 34%.

К основным причинам неудовлетворительного качества питьевой воды относятся высокая степень изношенности трубопровода, вызывающей его коррозию и частые аварийные разрывы, колебание давления и перераспределение потоков воды в водопроводной сети. Решение указанной экологической проблемы, заключающейся в ремонте и замене водопроводных труб, реализуется МУП «Водоканал» в Екатеринбурге.