Цветные металлы в сточных водах

Говоря о повышенной концентрации в воде металлов, как правило, подразумевают ее загрязнение тяжелыми металлами (Cad, Pb, Zn, Cr, Ni, Co, Hg и др.). Тяжелые металлы,  попадая  в  воду,  могут  существовать  в  виде  растворимых  токсичных  солей  и  комплексных соединений (иногда очень устойчивых), коллоидных частиц, осадков (свободных металлов, оксидов, гидроксидов и др.).

Главными источниками загрязнения воды тяжелыми металлами  являются  гальванические  производства,  предприятия  горнорудной,  черной  и цветной  металлургии,  машиностроительные  заводы  и  др.  Тяжелые  металлы  в  водоеме вызывают  целый  ряд  негативных  последствий: попадая  в  пищевые  цепи  и  нарушая  элементный состав биологических тканей, они оказывают тем самым прямое или косвенное токсическое воздействие на водные организмы. Тяжелые металлы с водой и по пищевым цепям попадают в организм человека.  Тяжелые металлы по характеру биологического воздействия можно подразделить на токсиканты и микроэлементы, имеющие принципиально различный характер влияния на живые организмы.

Токсиканты оказывают отрицательное воздействие на организмы при любой концентрации, в то время как микроэлементы имеют область недостаточности, вызывающей  отрицательный  эффект (менее C1), и область  необходимых для  жизни концентраций, при превышении которых снова возникает отрицательный эффект (более С2). Типичными токсикантами являются кадмий, свинец, ртуть; микроэлементами — марганец, медь, кобальт.

Ниже будут  представлены  краткие сведения о физиологической функции  некоторых металлов, их токсикологические характеристики, источники поступления в организм человека и водоемы, гигиенические нормативы и показатели вредности.

Цинк. Уровни цинка в поверхностных и грунтовых водах обычно не превышают 0,01 и 0,05 мг/л  соответственно,  однако  концентрация  в  водопроводной  воде  может достигать 2 мг/л за счет вымывания цинка из водопроводных труб. ПДК цинка  Zn2+ в питьевой воде 5 мг/л, показатель вредности органолептический. Цинк  является  незаменимым  микроэлементом,  поскольку  входит  в  состав  жизненно необходимых ферментов и витаминов. Цинк  содержится в крови (0,5-0,6), мягких тканях (0,7-5,4), костях (10-18), волосах (16-22 мг %), (единица измерения малых концентраций, 1 мг %=10 в минус 3 степени) т.е., в основном, в костях и волосах. Цинк находится в организме в динамическом равновесии, которое сдвигается в условиях повышенных  концентраций его в окружающей  среде. Отрицательное  воздействие соединений  цинка может выражаться в ослаблении  организма,  повышенной  заболеваемости,  астмоподобных  явлениях  и  др.  При нормировании цинка в питьевой воде, учтена его способность изменять органолептические свойства воды — металлический привкус не ощущается при концентрации цинка 5,0  мг/л  и  ниже.  Для  специалистов  пищевой  промышленности  проблема  содержания цинка в питьевой воде мало актуальна, поскольку важнее проблема миграции цинка из технологического оборудования в резко кислую среду (маринады, напитки и пр.).

Кадмий. Соединения кадмия очень ядовиты. Действуют на многие системы организма — органы дыхания  и  желудочно-кишечный  тракт, центральную и  периферическую  нервные  системы.  Механизм  действия  соединений  кадмия  заключается в угнетении активности ряда  ферментов, нарушении фосфорно-кальциевого обмена,  нарушении метаболизма микроэлементов (Zn, Сu, Mn, Se). ПДК  кадмия  в  воде  водоемов  составляет 0,001 мг/л,  лимитирующий  показатель вредности — санитарно-токсикологический. В  природных  средах  он  встречается,  как правило,  в  невысоких  концентрациях,  не  вызывающих  биологических  эффектов.  В нормальных  геохимических условиях  содержание  кадмия в  природных  водах  не превышает 0,05 - 1 мкг/л,  однако  в  кадмиевых  геохимических  провинциях  достигает 10 мкг/л. Источником более высоких концентраций (несколько десятков микрограммов на 1 л) кадмия в воде водоемов служат неочищенные стоки промышленных предприятий. За рубежом применение металлических труб и резервуаров с гальваническим покрытием и некачественных пластмассовых труб для подачи и хранения воды  в ряде случаев сопровождалось  повышением  уровня  кадмия  в  воде  до 0,2 - 4 мг/л (ПДК  кадмия  в питьевой воде — 0,001 мг/л, показатель вредности санитарно-токсикологический).  В водоемах кадмий сорбируется взвешенными частицами и с ними оседает на дно. При повышении рН воды кадмий снова переходит в воду.

Опасность  загрязнения  окружающей  среды  и  пищевых  продуктов  кадмием  возникла лишь с конца XIX в., когда начался техногенный процесс концентрации кадмия в окружающей среде, особенно проявившийся во второй половине XX в. в связи с развитием  электронной  промышленности  и  производства  люминофоров.  Кадмий  используется в атомной  и ракетной технике, производстве  щелочных аккумуляторов, входит в состав  полимеров (в  качестве  стабилизатора), специальных сплавов и антикоррозионных покрытий, применяемых в пищевой  промышленности и водопроводной практике.

В  Японии, в бассейне р. Джинцу, в начале 80-х годов наблюдались массовые поражения населения кадмием (болезнь итай-итай), связанные с использованием сточных вод, содержащих  кадмий,  для  полива  рисовых  чеков.  Содержание  кадмия  в  рисе,  потреблявшемся заболевшими, достигало 600—1000 мкг/кг. Токсичность низких доз кадмия, поступающих с водой (порядка десятков микрограммов на 1 л), проявляется в тяжелом поражении почек и связанной с этим гипертонической болезнью. Имеются указания о гонадотоксическом действии кадмия.

Никель. В природных водах никель содержится в концентрациях порядка сотых и тысячных долей миллиграмма на 1 л.  Его концентрация  повышается в районах месторождения никелевых  руд  и достигает единиц миллиграмма на 1 л.  Возможно  поступление никеля  со  сточными водами  металлургической, металлообрабатывающей и химической промышленности, концентрация никеля в которых составляет 0,01-74 мг/л.  Сульфат, хлорид и нитрат никеля хорошо растворяются в воде. В программе Глобального экологического мониторинга, принятой ООН в 1980 г., никель упомянут как один из наиболее опасных загрязнителей окружающей среды. В последнюю четверть XX в. резко возрос выброс никеля в атмосферу, связанный в основном с сжиганием каменного угля. На протяжении года в биологическую миграцию вовлекаются сотни тысяч тонн никеля. Это приводит к повышению его концентрации в воде источников водоснабжения,  что  влечет  за  собой  необходимость  контроля  его  содержания  в  питьевой  воде.

ПДК Ni в  питьевой  воде  составляет 0.1 мг/л,  показатель  вредности  санитарно-токсикологический. Жизненная необходимость (эссенциальность) никеля была показана в 70-х годах, однако  никельдефицитные патологические состояния у  человека  не  описаны. При  избыточном  поступлении  никеля  в  организм человека,  нарушаются  тонкие  биохимические процессы на клеточном и субклеточном уровнях. При длительном контакте с аэрозолями никеля у рабочих развивается рак легкого и желудка; при поступлении никеля через желудочно-кишечный тракт канцерогенный эффект не описан. Загрязнения пищевых продуктов никелем в результате миграции из никелированного  оборудования  или  посуды  практически  не  наблюдается.  Поэтому  повышенная концентрация никеля возможна лишь в пищевых продуктах, загрязненных богатой никелем питьевой или оросительной водой.

Ртуть. Ртуть относится к ультрамикроэлементам и постоянно присутствует в организме, поступая с пищей и водой. Ртуть не выполняет никакой физиологической функциив организме человека. Она высокотоксична и кумулятивна. Ртуть широко распространена во всех элементах окружающей среды в силу высокой летучести  паров  металла,  но  гигиеническое значение  имеют  локальные  очаги антропогенного загрязнения, к сожалению, встречающиеся часто как на городских территориях, так и в сельской местности.Источники антропогенного загрязнения окружающей среды ртутью — ТЭЦ, заводы цветных  металлов,  целлюлозобумажные,  цементные.  Имеет значение  поступление ртути, связанное с применением ртутьсодержащих сельскохозяйственных фунгицидов.Из атмосферного воздуха пары и аэрозоли соединений ртути попадают в водные объекты в  результате  седиментации  и  с  осадками. Например,  дождевая  вода в  Швеции содержит ртути примерно 300 мг/л.

В незагрязненных водных объектах концентрация ртути колеблется от 0,01 до 0,5 мкг/л, в реках, загрязненных сточными  водами, она может  составлять сотни  и тысячи микрограммов  на 1 л.  ПДК  ртути  в  питьевой  воде  составляет 0,0005 мг/л,  лимитирующий показатель вредности — санитарно-токсикологический. В обычных условиях с питьевой водой поступает не более 15 % поглощенной организмом ртути. В основе патогенеза  хронической  ртутной интоксикации  малыми  дозами лежит высокое сродство ртути с сульфгидрильными группами многих ферментов. Неорганические  соединения  ртути,  в  первую  очередь  катионы Hg реагируют  с SH-группами белков («тиоловые  яды»), а  также с карбоксильными  и  аминными  группами тканевых белков, образуя прочные комплексные соединения — металлопротеиды. В результате возникают  глубокие нарушения функций центральной нервной  системы, особенно высших ее отделов. Для неорганических соединений  ртути характерны  поражения  почек и печени.

Из органических соединений ртути наибольшее значение играет метилртуть, которая хорошо растворима в липидных тканях и быстро проникает в жизненно важные органы, и в том числе в мозг. В результате возникают изменения в вегетативной нервной системе, периферических нервных  образованиях, в  сердце,  сосудах,  кроветворных  органах, печени  и др., нарушения  в  иммунобиологическом  состоянии  организма.  Соединения  ртути  обладают также эмбриотоксическим действием (приводят к поражению плода у беременных).

Неорганическая ртуть в природных водах способна к метилированию. Необходимо  отметить,  что  патогенез  и  клинические  проявления  интоксикации  органическими соединениями ртути принципиально отличаются от интоксикации неорганической ртутью. В силу этого гигиенические нормативы для неорганической ртути и ее алкилпроизводных  различны, что  необходимо учитывать  при  организации лабораторного  контроля качества воды. Считается, что в источнике водоснабжения, загрязненном неорганическими соединениями ртути, метилированная в результате естественных процессов (более токсичная) ртуть составляет 0,1 % общего загрязнения. Из этого следует, что вода,  содержащая  неорганическую  ртуть  на  уровне  гигиенического  норматива,  будет безопасна и в отношении алкилртути. Неорганические соединения ртути задерживаются при коагуляции и отстаивании на сооружениях водопровода