Биогенные элементы сточных вод

Биогенными элементами (биогенами) традиционно считаются элементы, входящие, в значительных количествах, в состав живых организмов. Круг элементов, относимых  к  биогенным,  достаточно широк. Это - азот, фосфор,  сера, железо, кальций, магний, калий и др.

Вопросы контроля качества воды и экологической оценки водоемов внесли в понятие биогенных элементов более широкий смысл: к ним относят соединения (точнее, компоненты воды), которые, во-первых, являются продуктами жизнедеятельности различных организмов, и, во-вторых, являются «строительным материалом» для живых организмов. В первую очередь к  ним  относятся соединения  азота (нитраты, нитриты, органические  и  неорганические  аммонийные соединения), а также фосфора (ортофосфаты, полифосфаты, органические эфиры фосфорной  кислоты и др.). Соединения серы  интересуют в этой связи, в меньшей  степени, так как сульфаты мы рассматривали в аспекте компонента минерального состава воды, а сульфиды и гидросульфиты, если присутствуют в природных водах, то в очень малых концентрациях, и могут быть обнаружены по запаху.

Нитраты являются солями азотной кислоты и обычно присутствуют в воде. Нитрат-анион содержит атом азота в максимальной степени окисления «+5». Нитратобразующие (нитратфиксирующие) бактерии превращают нитриты (соли азотистой кислоты)  в  нитраты (соли азотной  кислоты) в аэробных условиях.  Под  влиянием солнечного излучения атмосферный азот (N2) превращается также преимущественно в нитраты посредством образования оксидов азота. Многие минеральные удобрения содержат нитраты, которые при избыточном или нерациональном внесении в почву приводят к загрязнению водоемов. Источниками загрязнения нитратами являются также поверхностные стоки с пастбищ, скотных дворов, молочных ферм и т.п.

Повышенное содержание  нитратов в воде может служить  индикатором загрязнения водоема в результате распространения фекальных либо химических загрязнений (сельскохозяйственных, промышленных). Богатые нитратными водами сточные канавы ухудшают качество воды в водоеме, стимулируя массовое развитие водной растительности (в первую очередь — сине-зеленых  водорослей)  и  ускоряя  эвтрофикацию  водоемов.  Концентрация нитрат иона в  питьевой воде не должна превышать 45 мг/л. Нитритами  называются  соли  азотистой  кислоты.  Нитрит-анионы  являются промежуточными продуктами биологического разложения азотсодержащих, органических соединений и содержат атомы азота в промежуточной степени окисления «+3». Нитрифицирующие бактерии превращают аммонийные соединения в нитриты в аэробных условиях. Некоторые виды бактерий в процессе своей жизнедеятельности также могут восстанавливать нитраты до нитритов, однако это происходит уже в анаэробных условиях. Нитриты  часто  используются в промышленности как ингибиторы коррозии, в пищевой промышленности - как консерванты. Благодаря способности превращаться в нитраты, нитриты, как правило, отсутствуют в поверхностных водах. Поэтому наличие в анализируемой воде повышенного содержания нитритов свидетельствует  о загрязнении  воды, причем  с учетом частично прошедшей трансформацию азотистых соединений из одних форм в другие. Содержание нитрит-иона  в питьевой воде не должно превышать 3 мг/л,  лимитирующий показатель вредности - санитарно-токсикологический. Нитраты и нитриты в воде могут быть природного и антропогенного происхождения. Соединения природного происхождения не достигают, как правило,  опасных для здоровья концентраций. Они  являются санитарными показателями, отражающими динамику  процессов  естественного  самоочищения  водных  объектов  от  органического природного  загрязнения.  Основным  источником  нитратов  антропогенного  происхождения являются минеральные азотные удобрения на всех этапах их жизненного цикла - от производства до  применения. Второй  по  важности  источник - жидкие  отходы промышленных животноводческих  комплексов. В  процессе  образования  жидких  отходов азот находится  в  составе органических  комплексов, но  при  вынужденном длительном хранении он минерализуется до нитратов, концентрации которых могут быть очень высокими.

Питьевая вода и продукты питания, содержащие повышенное количество нитратов могут вызывать заболевания, и в первую очередь у младенцев (так называемая метгемоглобинемия). Вследствие этого расстройства ухудшается транспортировка кислорода с клетками крови и возникает синдром «голубого младенца» (гипоксия).

В  середине  текущего  столетия  в  США  были  описаны  два  смертельных  случая токсического  цианоза  среди  детей  раннего  возраста  в  результате  использования  для разведения  молочных  смесей  колодезной  воды,  содержащей  высокие  концентрации нитратов. Причиной смерти было накопление в крови метгемоглобина, неспособного к переносу кислорода из крови в ткани. В дальнейшем это заболевание получило название воднонитратной метгемоглобинемии. Название болезни не совсем точно отражает патогенетический механизм метгемоглобинообразования. Метгемоглобин образуется в результате  связывания  оксигемоглобина  не  с  нитратами,  а  с  нитритами,  образующимися за счет восстановления нитратов в кишечнике человека. Восстановительные процессы в кишечнике наблюдаются у людей, страдающих дисбактериозом, нарушениями ферментной активности кишечника.

Считается, что основным источником поступления нитратов в организм человека являются растительные продукты питания. Однако следует учитывать, что нитраты воды в 1,5 раза токсичнее нитратов, содержащихся в овощах. При повышенном содержании нитратов в воде ее роль в нагрузке организма нитратами является ведущей.

В  последние  два  десятилетия  большое  внимание  привлекает  проблема  канцерогенной опасности, связанной с присутствием в воде нитратов и нитритов. Сами эти соединения  канцерогенным действием, по-видимому, не  обладают, но в 1967 г. впервые экспериментально  доказана  возможность  образования  канцерогенных N-нитрозосоединений из нитрита натрия и вторичных легконитрозируемых аминов в желудочном соке человека. Многочисленные работы, опубликованные в последующем, не только  подтвердили  способность  нитритов  и  нитратов  участвовать  в  синтезе N-нитрозаминов, но и выявили их способность снижать резистентность организма к воздействию других бластомогенных и мутагенных агентов.

Канцерогенно-опасный уровень нитратов в воде пока не установлен, но специалисты ВОЗ считают, что признанный в мире норматив содержания нитратов в воде, безопасный  в  отношении  метгемоглобинемии (10 мг/л  по  азоту  или 45 мг/л по NOз-), не опасен и по признаку канцерогенности .

Соединения аммония содержат  атом азота в  минимальной степени окисления «+3». Катионы аммония являются продуктом микробиологического разложения белков животного и растительного происхождения. Образовавшийся таким образом аммоний вновь вовлекается в процесс синтеза белков, участвуя тем самым в биологическом круговороте веществ (цикле азота). По этой причине аммоний и его соединения в небольших концентрациях обычно присутствуют в природных водах.

Существуют два основных источника загрязнения окружающей среды аммонийными соединениями. Аммонийные  соединения в  больших количествах  входят в  состав  минеральных и органических удобрений, избыточное и неправильное применение которых приводит  к  соответствующему загрязнению водоемов.  Кроме того, аммонийные соединения в значительных  количествах присутствуют в нечистотах (фекалиях).  Не утилизированные должным образом нечистоты могут проникать в грунтовые воды или смываться поверхностными стоками в водоемы. Стоки с пастбищ и мест скопления скота, сточные воды от животноводческих комплексов,  а также бытовые и хозяйственно-фекальные стоки всегда содержат большие количества аммонийных соединений. Опасное загрязнение грунтовых вод хозяйственно-фекальными и бытовыми сточными  водами  происходит  при  разгерметизации  системы  канализации.  По  этим  причинам  повышенное  содержание  аммонийного азота в поверхностных водах обычно является признаком хозяйственно-фекальных загрязнений.

ПДК аммиака и ионов аммония в воде водоемов хозяйственно-бытового назначения составляет 2,6 мг/л (или 2,0 мг/л по аммонийному азоту). Лимитирующий показатель вредности  -  общесанитарный