Качество питьевой воды

Все чаще в практике работы предприятий ВКХ для контроля качества питьевой воды или качества очистки сточных вод применяют методы биомониторинга, путем включения живого организма в качестве биосенсора в состав автоматических станций мониторинга физико-химических характеристик качества природных и очищенных сточных вод.

В отличии от традиционных методов использование системы биологического мониторинга дает представление о качестве воды в целом.

На Государственном  унитарном предприятии «Водоканал Санкт-Петербурга» раки «работают» с декабря 2005 года. Вода из Невы, прежде чем попасть на очистные сооружения и стать водопроводной, контролируется, помимо лабораторий, и такими «сотрудниками». Системы биомониторинга качества воды есть на всех водопроводных станциях города и ближайших пригородов. 
Технологам необходимо знать, не поступает ли на очистные сооружения вода, загрязненная такими токсическими веществами и в таких концентрациях, которые не могут быть удалены из воды с помощью имеющихся технологий и оборудования. Существующие физико-химические методы анализа по экономическим причинам могут обеспечивать контроль только ограниченного числа загрязняющих воду веществ и требуют времени, а технологам важно получить сигнал о поступлении на водозабор подобной воды как можно раньше. Оперативно, в реальном времени, «сообщить» об опасности могут только живые водные организмы, в частности, раки, которые очень чувствительны к загрязнениям среды их обитания.

К панцирю рака, сидящего в аквариуме, приклеивается  волоконно-оптический датчик, который  позволяет незаметно для животного  в течение длительного времени  регистрировать его сердцебиение. На экран компьютера диспетчера смены  непрерывно выводятся уже обработанные результаты показателей сердечного ритма и стресс-индекса раков в виде системы «светофор»: красный, желтый или зеленый световые сигналы. Нормальный сердечный ритм ничем не обеспокоенного рака (соответствующий зеленому сигналу), колеблется, в зависимости от температуры воды от 30 до 60 ударов в минуту, а стресс-индекс обычно близок к нулю. В случае опасности частота сердечных сокращений резко повышается не менее чем на 50%, а стресс-индекс возрастает до нескольких тысяч. При попадании в воду токсичных веществ раки реагируют в течение 1,5-2 минут (это время с учетом обработки данных). Их кардиоритм учащается, приборы дают сигнал тревоги (красный сигнал на мониторе диспетчера смены), по которому автоматически отбираются пробы воды для последующего подробного лабораторного анализа воды химическими и биологическими методами, и оповещаются все службы водопроводной станции. К счастью, за все время работы раков в Водоканале нештатных ситуаций не возникало, а столь «высокие стрессовые показатели» специалисты Санкт-Петербургского научно-исследовательского центра экологической безопасности Российской академии наук, разработавшие этот метод биомониторинга качества воды, получают только при еженедельных профилактических тест-обследованиях раков.

Кроме станции  биомониторинга, на Главной водопроводной станции Водоканала г. Санкт-Петербурга есть еще и ферма, основная задача которой – разведение своих, адаптированных к производственному шуму и людям раков. Так животные с рождения привыкают к общению с людьми, природным колебаниям качества невской воды, шуму насосов станции. Раки реагируют и на раздражители, не связанные с загрязнением воды – например на шум включаемого оборудования. Чтобы отсечь ложные срабатывания системы (ложные с точки зрения токсикологичекской опасности воды), ученые создали специальную аналитическую станцию, которая измеряет ряд характеристик воды - щелочность, температуру, мутность, а также снабжена датчиками шума и вибрации. Если аппаратура зарегистрирует вибрацию, то сигнал опасности в диспетчерскую не поступит, потому что датчики фиксируют момент, когда учащение сердцебиения рака совпадает с шумовым эффектом, и отсекают его, как не связанного с токсикологической опасностью. На службу в Водоканал принимают самых обычных раков. Это достаточно хорошо изученные животные с точки зрения физиологии и токсикологии. Однако для того, чтобы попасть на службу в Водоканал, раки проходят тщательное биохимическое и физиологическое обследование здоровья. Работают только самцы в возрасте 3-5 лет, по два рака в «смену» (для получения более точных показаний), три дня через шесть. Срок их службы составляет примерно год. Дело в том, что по своей физиологии раки должны зимовать, впадая в этот холодный период в состояние «спячки», а лишение их того, что придумано природой, естественно, ослабляет животное. А к дежурству допускаются только здоровые особи в хорошем функциональном состоянии.

Для получения  более точной реакции на изменения  качества воды наряду с раками работают рыбки. Видеокамера постоянно фиксирует  их движение. Если рыбкам станет плохо, они перестанут двигаться и всплывут вверх брюшком или опустятся  на дно. А если в это время забеспокоятся  и раки, то специалисты начнут действовать. Такое дублирование только на пользу человеку.

Ученые говорят, что неплохо бы доукомплектовать существующие станции биомониторинга системой «маслс-монитор» (от английского mussel – двустворчатый морской моллюск мидия). Речные двустворчатые моллюски – тоже очень хорошие индикаторы качества воды, в которой они живут, и моментально реагируют на изменения окружающей их водной среды. В неблагоприятных условиях кроме увеличения кардиоритма они захлопывают створки своих раковин.

Журнале «Водоснабжение и санитарная техника» №7-2 от 2007 года вышла статья «Опыт эксплуатации систем биомониторинга качества воды в Санкт-Петербурге» авторами которой выступили Ф. В. Кармазинов (ГУП «Водоканал Санкт-Петербурга», д-р техн. наук, генеральный директор), А. К. Кинебас (ГУП «Водоканал Санкт-Петербурга», первый заместитель генерального директора по производству), А. В. Бекренев (ГУП «Водоканал Санкт-Петербурга», главный специалист), Э. К. Сулейманова (ГУП «Водоканал Санкт-Петербурга», директор Департамента производственного контроля), С. В. Холодкевич и А. В. Иванов (Научно-исследовательский центр экологической безопасности РАН, Санкт-Петербург). В которой был обобщен опыт эксплуатации станций биомониторинга качества воды, установленных на водозаборных сооружениях водопроводных станций Санкт-Петербурга. Определены направления совершенствования технических устройств, позволяющих повысить надежность работы станций биомониторинга. Показано, что использование семиканального фотоплетизмографа практически исключит возможность ложного срабатывания системы биомониторинга качества воды за счет индивидуальных особенностей проявления активности тест-животных в течение суток.

В феврале 2010 года была представлена новая система  контроля качества воды МГУП «Мосводоканал». Внедряемый здесь метод биомониторинга основан на изменении частоты сердечного ритма у пресноводных моллюсков (устриц) при появлении в воде загрязнений, представляющих опасность для живых существ, в том числе и для человека. К каждому моллюску максимально близко от сердца прикрепляется оптосенсор, содержащий в одном корпусе светоизлучающий и светочувствительный диоды. Кардиограмма передается на монитор компьютера. Моллюски живут в нормальных условиях около 15 лет, поэтому срок службы организмов довольно большой.

В Мосводоканале сообщили, что технология использования моллюсков была разработана специалистами компании совместно с МГУ и Институтом проблем эволюции РАН им. Северцова и уже рекомендована для применения на водозаборах Москвы.

Еще одним примером использования оперативного и долгосрочного  мониторинга – станция биологического мониторинга Лобит на границе Германии и Нидерландов. Для оперативного слежения за качеством воды на станции организована система биосигнализаторов с участием рыб и водяных рачков.

Рыбы помещаются в специальный прозрачный контейнер, снабженный системой датчиков, через  который прямотоком проходит вода из реки. Система слежения работает круглосуточно  и полностью автоматизирована. В  норме рыбы располагаются посередине потока против течения. В случае изменения  качества воды по одному или нескольким параметрам в сторону ухудшения  рыбы мгновенно реагируют изменением поведения (замирают, оседают на дно, всплывают). Датчики отправляют зафиксированные  изменения в поведении на компьютер  для анализа. Одновременно происходит отбор проб воды для химического  анализа. В случае резкого изменения  качества воды (сброс в реку токсичных  веществ или промышленных отходов  в высоких концентрациях) возможно автоматическое отключение подачи воды потребителям до выяснения причин такого изменения.

Аналогичная система  работает на станции с использованием водяных рачков. Инфракрасные датчики  фиксируют количество перемещений  дафний за промежуток времени. В случае изменения качества воды эта величина меняется. Рачки более чувствительны  к изменению состава воды, по сравнению  с рыбами, но и продолжительность  их жизни намного меньше, что связано  с необходимостью регулярно заменять рачков.

Для долгосрочного  слежения за качеством воды на станции  используют искусственные субстраты  с водорослями и донными животными. Один раз в месяц субстраты  извлекаются и проводится анализ результатов с помощью биотических индексов, которые учитывают качественный и количественный состав населения субстратов.

Система биологического мониторинга с использованием биосигнализаторов и искусственных субстратов на практике доказала свою необходимость, оправдывает затраченные на ее организацию средства и в настоящее время широко используется в процессах водоснабжения и водоотведения.