Исследование воздействия на здоровье человека и окружающую среду качества воды, поступающей в центральные системы водоснабжения

Введение. Обеспечение населения качественной питьевой водой представляет собой проблему планетарного масштаба. Данная проблема обусловлена комплексом факторов, ключевым из которых является доступ к источникам природной воды надлежащего качества. Однако ввиду глобального техногенного воздействия на окружающую среду следует отметить, что природных источников, вода из которых пригодна для питья без предварительной очистки, фактически не существует. Качественный и количественный состав воды в природных источниках питьевого водоснабжения выступает важным фактором, определяющим состояние окружающей среды и санитарно-эпидемиологическое благополучие населения. Согласно данным исследования специального комитета ООН, бремя болезней человека во многом определяется качеством воды, забираемой из природных источников для питьевых целей. С развитием городских территорий и промышленных агломераций возрастает техногенная нагрузка на водные объекты, что приводит к их загрязнению [1]. В связи с этим на первый план выходят технологии водоподготовки, выбор которых должен быть обоснован с учётом санитарно-гигиенических, экологических, технологических и экономических параметров.

Документы всемирной организации здравоохранения (ВОЗ) и национальные нормативные документы РФ устанавливают стандарты качества питьевой воды, направленные на обеспечение безопасности и сохранение здоровья человека. Согласно рекомендациям ВОЗ, качество водоподготовки оценивается по следующим группам факторов: микробиологическим, химическим, радиологическим и сенсорным (в российской терминологии — органолептическим). ВОЗ также подчеркивает значимость мониторинга и регулярной проверки качества воды на всех этапах цепочки поставок — от источника до конечного потребителя. Такой подход гарантирует своевременное выявление отклонений и принятие соответствующих мер, что способствует снижению рисков для здоровья населения и поддержанию общественного благополучия.

Недостаточный уровень водоподготовки влечет за собой возникновение и распространение инфекционных заболеваний (холера, дизентерия, брюшной тиф, гепатит А, полиомиелит) [2], смертность от которых в мире достигает 1,4 миллиона человек в год [3]. Длительное потребление питьевой воды, содержащей химические загрязняющие вещества в концентрациях, превышающих предельно допустимые (ПДК), приводит к развитию патологий органов пищеварения [4], мочевыделительной [5], эндокринной [6] и сердечно-сосудистой систем: нарушению работы сердечной мышцы [7], гипертонии и повышенному кровяному давлению [8], ишемической кардиомиопатии [9]. Кроме того, высокое содержание нитратов в воде приводит к возникновению рака желудка [10]. Присутствие тяжелых металлов вызывает неврологические заболевания у детей: свинец — поражение головного мозга и центральной нервной системы [11], ртуть — нарушение концентрации, потерю памяти, повреждение нервов [12] и рак кожи, отмечают отечественные [13] и зарубежные [14] исследователи. Повышенная жесткость воды способствует накоплению солей в организме человека, что вызывает заболевания суставов и мочекаменную болезнь [15].

В связи с этим совершенствование технологий водоподготовки и водоочистки, а также систем контроля параметров природной и питьевой воды приобретает первостепенное значение. Это требует обоснованного выбора данных технологий и определения совокупности параметров для их сравнительной оценки. Методические рекомендации МР 2.1.4.0289–22⁴ предлагают методику для оценки эффективности мероприятий, направленных на повышение качества питьевой воды в централизованных системах водоснабжения. Сравнительная оценка проводится по таким параметрам, как потенциальный риск для здоровья человека и эффективность водоподготовки.

Несмотря на наличие утвержденных методик оценки риска для здоровья населения от качества питьевой воды, большинство существующих исследований концентрируются на анализе отдельных загрязнителей или оценке эффективности конкретного этапа очистки. Комплексная сравнительная оценка различных технологий водоподготовки на основе показателя совокупного риска для здоровья человека в городе Пенза не проводилась. Такой фрагментарный подход не позволяет в полной мере установить, какая из комбинаций методов очистки является наиболее оптимальной для снижения общего количества болезней, связанного с потреблением воды из конкретного источника. Настоящее исследование направлено на заполнение этого пробела путем системного анализа и сопоставления альтернативных сценариев очистки воды для условий города Пензы.

Одним из природных источников воды для обеспечения центрального водоснабжения г. Пенза является Сурское водохранилище. Согласно данным санитарно-гигиенического мониторинга и классификации природных вод по физико-химическим показателям качества воды, Сурское водохранилище относится к первому классу поверхностных источников [16]. Существующий метод водоподготовки для данного источника включает в себя механическую очистку воды с последующей коагуляцией и флокуляцией, а также проведением обеззараживания методом хлорирования. Согласно данной системе отчистки происходит процеживание через фильтрационные решетки исходной природной воды и отстаивание ее в специальных отстойниках для удаления взвесей. После этого вводятся коагулянты, которые способствуют агрегации мелкодисперсных и коллоидных частиц в крупные хлопья, которые потом подвергаются фильтрации. Затем осуществляется обеззараживание воды методом хлорирования, для обеспечения ее бактериальной безопасности при поступлении в центральные системы водоснабжения.

Недостатками такого процесса отчистки воды, поступающей в центральные системы водоснабжения, являются:

• образование большого объема шлама, который требует утилизации и при хранении оказывает негативное влияние на окружающую среду;
• риск для здоровья населения остаточного содержания алюминия в воде при возможном нарушении дозирования, что влечет за собой нанесение вреда здоровью человека;
• риск для здоровья населения неполного устранения патогенных вирусов и бактерий, что также способствует ухудшению здоровья населения.

Современные технологии водоподготовки основаны на комплексном подходе, реализуемом через многоступенчатую схему, в которой различные методы очистки взаимно дополняют друг друга, компенсируя недостатки каждого отдельного способа. Одна из таких технологий включает стадию предподготовки, направленную на подготовку воды к последующей глубокой очистке; стадию основной обработки, на которой удаляются тонкодисперсные и растворенные загрязнители; стадию обеззараживания, обеспечивающую микробиологическую безопасность воды, поступающей в центральные сети. Предподготовка заключается в механической фильтрации поверхностных вод через барабанные решетки, агрегации мельчайших частиц в крупные хлопья с последующим осаждением и физическим отделением образовавшихся агломератов от очищаемой воды. На данной стадии достигается снижение мутности и цветности, а также удаление до 90 % взвешенных веществ и коллоидных примесей.

Основную очистку осуществляют методами ультрафильтрации и сорбции, удаляя патогенные микроорганизмы, органические соединения, побочные продукты дезинфекции и вещества, вызывающие неприятный привкус и запах.

На стадии обеззараживания вода сначала проходит через камеры с ультрафиолетовым излучением для разрушения ДНК и РНК микроорганизмов, затем в неё дозируется небольшое количество хлорамина для полной дезинфекции, эффект которой сохраняется на протяжении всей распределительной сети. В результате получается вода, безопасная по микробиологическим и химическим показателям, обладающая отличными органолептическими свойствами, подача которой в сеть обеспечивается с минимальными рисками для здоровья потребителей.

На рис. 1 приведены алгоритмы методов очистки воды, поступающей в центральные системы водоснабжения из Сурского водохранилища.

Для сравнения эффективности очистки представленных методов проведена оценка совокупного риска для здоровья населения и степени эффективности согласно МР 2.1.4.0289-22⁵. Для проведения исследования были выбраны контролируемые параметры, которые оказывают негативное влияние на здоровье человека и в анализируемом водном объекте находятся в превышении предельно допустимых значений (ПДЗ) согласно следующим нормативам ГОСТ⁶ и СанПиН⁷. Было проведено исследование проб воды до проведения очистки и после очистки по двум рассматриваемым методам.

Основная цель данного исследования — сравнительная оценка эффективности технологий водоподготовки питьевой воды централизованных систем водоснабжения по совокупному риску для здоровья человека.

Для достижения поставленной цели предполагается решение следующих задач:

• проведение анализа физико-химического и биологического состава воды из природных источников водоснабжения города Пензы с целью выявления наиболее значимых загрязнителей;
• расчет совокупного риска, формирующего бремя болезней, для различных сценариев водоподготовки;
• оценка степени эффективности очистки воды, поступающей в централизованные системы водоснабжения.

Новизна работы заключается в применении интегрального подхода, который позволяет не просто констатировать соответствие или несоответствие нормативам, а количественно оценить и сравнить конечный эффект от внедрения различных технологий с точки зрения предотвращения потенциального вреда для здоровья населения.

Материалы и методы. В ходе исследования был выполнен анализ научных публикаций, патентов и нормативных документов, содержащих информацию о составе, показателях и методах водоподготовки. Проведено математическое моделирование с последующей статистической обработкой его результатов. Изучено влияние состава питьевой воды на здоровье человека и качество окружающей среды.

Оценка состава питьевой воды осуществлялась по следующим группам показателей, регламентируемым российскими и международными нормативными документами: органолептическим, обобщенным, санитарно-микробиологическим, паразитологическим и санитарно-химическим.

В качестве критериев оценки качества питьевой воды использовались предельно допустимые значения (ПДЗ), которые установлены российскими нормативными документами. Исследование проводилось на базе Пензенского государственного университета.

Согласно МР 2.1.4.0289–22⁸, для оценки эффективности мероприятий по улучшению качества водоподготовки необходимо рассчитать средние значения по всем совокупностям фактических значений контролируемых параметров до () и после () водоподготовки:

(1)

(2)

где P_i,до, P_i,после — фактические значения контролируемых параметров до и после водоподготовки; n — количество отобранных проб.

Получив средние значения по всем совокупностям фактических значений контролируемых параметров до и после водоподготовки, определяли кратность превышения ПДЗ по формуле:

(3)

Разделив диапазон изменений значений в соответствии с таблицей 1 для каждого из рассчитанных по формуле (3) значений, определяли функцию принадлежности к диапазону μ(x):

(4)

После этого проводили оценку риска для здоровья населения по всем контролируемым параметрам, объединенным в группы (санитарно-химическим). По полученным оценкам для каждого контролируемого параметра рассчитывали весовой коэффициент, устанавливающий связь параметра и класса болезней, определяемого загрязняющими веществами, присутствующими в воде. На следующем этапе исследования, используя принцип Фишберна, определяли, как часто встречался каждый класс болезней при оценке величины риска для здоровья населения по весовым коэффициентам (W). При этом учитывали ранг риска здоровью (k) и ранг класса болезни по степени (l):

(5)

где k — ранг риска здоровью (таблица 1); l — ранг класса болезни по степени тяжести (приложение 2 к МР 2.1.4.0289-22 таблица П2⁹).

Далее для каждого i-го контролируемого показателя в каждой группе определяли весовые коэффициенты (G_i):

(6)

где m — количество всех рассматриваемых показателей в группе: для органолептических — 3, для обобщенных — 5, для санитарно-микробиологических и паразитологических — 6, для санитарно-химических — 9.

За этим последовал расчет совокупного вклада каждой из пяти групп контролируемых параметров (w_k) в общую величину риска для здоровья населения:

(7)

По формуле определяли риск для здоровья населения от воздействия каждой группы контролируемых параметров:

(8)

где R_g — риск для здоровья населения от воздействия каждой группы контролируемых параметров;  — среднее значение диапазона изменения величины риска для здоровья населения, возникающего в результате воздействия к k‑той группе контролируемых параметров.

Совокупный риск рассчитывали для всех контролируемых параметров для двух ситуаций — до и после водоподготовки:

(9)

где R — совокупный риск для здоровья населения; R_g — значение величины риска для здоровья населения для каждой группы контролируемых параметров; V_g — суммарный весовой коэффициент k‑той группы контролируемых параметров при определении совокупного риска для здоровья населения;  — средний весовой коэффициент k‑той группы контролируемых параметров при определении совокупного риска для здоровья населения (рис. 2).

При расчете эффективности снижения риска для здоровья населения в результате водоподготовки (Э) учитывали значение совокупных рисков до () и после () водоподготовки:

(10)

По полученному значению Э (%) определили качественное значение степени эффективности проведенных мероприятий (рис. 3).

Комплексная оценка эффективности мероприятий по повышению качества питьевой воды централизованных систем водоснабжения в проведенном исследовании проводилась с использованием программы, реализующий МР 2.1.4.0289–22¹⁰. Исходные данные приведены в таблице 2.

Результаты исследования. Результаты расчета параметров для оценки эффективности водоподготовки приведены в таблице 3. Рассмотрены три варианта: до проведения очистки, после очистки методом № 1, после очистки методом №2.

По данным таблицы 1 видно, что в исходной воде (до очистки) практически все контролируемые параметры превышают ПДЗ. Наибольший совокупный риск в этом случае формируют органолептические (0,42) и обобщенные показатели (0,31), что обусловлено значительным превышением нормативов по мутности, цветности, жесткости и сухому остатку. Санитарно-химические показатели также вносят существенный вклад (0,09) за счет повышенных концентраций меди, нитратов, нитритов и аммиака.

Полученные результаты демонстрируют разный уровень очистки двух рассматриваемых методов. На основании проведенных расчетов определена степень эффективности очистки по каждому методу (таблица 4).

Установлено, что применение метода очистки воды №1 показывает среднюю эффективность очистки, поскольку риск для здоровья населения снижается с 0,36 до 0,16. При этом в воде сохраняются физические тонкодисперсные примеси, химические загрязнители (нитраты, нитриты), ионы некоторых металлов (например, алюминия), побочные продукты обеззараживания (соединения хлора). Метод № 2 обеспечивает снижение совокупного риска до 0,007, что свидетельствует о высокой эффективности водоподготовки.

На рис. 4 наглядно представлена динамика риска для здоровья населения по каждой группе контролируемых параметров. На гистограмме продемонстрировано исключение риска для здоровья населения по органолептическим и санитарно-химическим показателям качества воды в результате применения метода очистки № 2.

На рис. 5, 6 приведено графическое представление результатов расчетов.

Обсуждение. Проведенное исследование наглядно демонстрирует существенные различия в эффективности двух рассмотренных подходов к водоочистке Сурского водохранилища. Анализ данных, представленных в таблице 2 и на рис. 4, показывает, что исходная вода по многим ключевым параметрам (запах, цветность, мутность, жесткость, аммиак, нитраты и др.) не соответствует санитарным нормативам, что подтверждает высокий исходный совокупный риск для здоровья населения (таблица 3).

Существующая технология № 1, основанная на коагуляции и хлорировании, действительно приводит большинство параметров в рамки предельно допустимых значений. Однако её эффективность можно охарактеризовать как недостаточную. По ряду критически важных показателей, таких как нитриты (3,0 мг/л при ПДЗ 3 мг/л) и железо (0,3 мг/л при ПДЗ 0,3 мг/л), водоподготовка происходит лишь до верхней границы норматива. Это не создает необходимого «запаса прочности» и оставляет систему уязвимой при сезонных ухудшениях качества исходной воды. Как следствие, после применения технологии № 1 сохраняется значительный остаточный риск по группам обобщенных (0,21) и санитарно-химических (0,03) показателей (рис. 5), что связано с неполным удалением тонкодисперсных примесей, растворенных химических веществ и образованием побочных продуктов хлорирования.

В свою очередь, предложенный многоступенчатый способ № 2 демонстрирует кардинально более высокий уровень водоподготовки. Он не просто приводит параметры в соответствие с ПДЗ, а значительно снижает их концентрацию. Например, мутность уменьшается до 0,5 ЕМФ (при норме 2,6), концентрация сульфатов — до 250 мг/л (при норме 500), а аммоний-иона — до 1,1 мг/л (при норме 2). Такая глубокая очистка является прямым следствием технологических особенностей данного подхода: ультрафильтрация и сорбция эффективно удаляют как взвешенные частицы, так и растворенные органические и химические соединения, а двухстадийное обеззараживание (УФ-излучение + хлорамин) обеспечивает полную микробиологическую безопасность при минимизации побочных продуктов.

Ключевым результатом является динамика снижения совокупного риска, представленная на рис. 5. Способ № 2 полностью (до нуля) устраняет риски, связанные с органолептическими, санитарно-микробиологическими и санитарно-химическими показателями. Общий совокупный риск снижается до пренебрежимо малого значения 0,007. Это свидетельствует о том, что данная технология позволяет получать питьевую воду не только формально безопасную, но и качественно лучшую, с превосходными органолептическими свойствами, что повышает надежность и безопасность всей системы централизованного водоснабжения.

Заключение. В рамках данного исследования была успешно решена поставленная цель — проведена сравнительная оценка эффективности двух технологий водоподготовки питьевой воды на основе показателя совокупного риска для здоровья человека.

В ходе работы были выполнены следующие задачи:

• проведен анализ состава воды из Сурского водохранилища, который выявил превышение ПДЗ по ряду органолептических, обобщенных и санитарно-химических параметров, что обуславливает высокий исходный совокупный риск для здоровья населения, рассчитанный на уровне 0,36;
• выполнен расчет совокупного риска для трех сценариев: до водоподготовки, после применения существующей технологии № 1 и после применения предложенной технологии № 2;
• проведена оценка эффективности, которая показала, что существующая технология № 1 обладает средней степенью результативности (55 %), в то время как предложенная технология № 2 — очень высокой (82 %).

Проведенное исследование доказало, что существующая технология водоподготовки, основанная на коагуляции и хлорировании, является недостаточно эффективной. Она снижает совокупный риск лишь до 0,16, оставляя остаточные риски по обобщенным и санитарно-химическим показателям и не создавая необходимого запаса надежности, поскольку концентрации некоторых загрязнителей остаются на верхней границе нормативов.

В то же время наглядно продемонстрировано, что предложенный многоступенчатый способ № 2, включающий ультрафильтрацию, сорбцию и двухстадийное обеззараживание, позволяет достичь кардинально более высокого уровня водоочистки. Данная технология снижает совокупный риск до пренебрежимо малого значения 0,007, полностью устраняя риски по органолептическим, санитарно-микробиологическим и санитарно-химическим показателям.

Таким образом, работа показывает, что применение современных многоступенчатых технологий водоподготовки позволяет не просто формально соблюдать нормативы, а получать питьевую воду значительно более высокого качества. Это обеспечивает создание «запаса прочности» системы водоснабжения при сезонных и аварийных ухудшениях качества исходной воды. Полученные результаты могут быть использованы в качестве научного обоснования для принятия решений о модернизации действующих станций водоподготовки и внедрения наилучших доступных технологий для обеспечения населения качественной и безопасной питьевой водой.