Файл: Проблемы охраны природных и использования сточных вод межведомственный сборник..pdf

П . В. О С Т А П Е Н Я , Л . Г. М И Х А Н Л И К

(ЦНИИ комплексного использования водных ресурсов)

ПРИРОДНЫЕ ФАКТОРЫ, ОБУСЛОВЛИВАЮЩИЕ ПОВЫШЕННОЕ СОДЕРЖАНИЕ

ЖЕЛЕЗА В ПОДЗЕМНЫХ ВОДАХ

y\yy/Vv^/V\y\AAAAAAAAAAAA/\AAAAAA/\AAA/VV\AAAAA/\/VV^'v\AAAAAAAAAAAAA/VVV\AAAA

Источником различных химических элементов, вхо­ дящих в состав подземных вод, в том числе и железа, яв­ ляются породы, с которыми контапктпрует вода при сво­ ем движении.

Со сменой геологических эпох менялись причины и условия выноса железа из пород в врду. Считается, что в давних геологических эпохах содержалось меньше кис­ лорода и больше углекислоты, что облегчало миграцию железа. Изменялось, также содержание соединений же­ леза в породах. В более древних отложениях находится обычно больше соединений железа, следовательно, и воды могли растворять большее количество этих соеди­ нений. Вероятно, что чем старше становилась Земля, тем меньше железа содержали воды. Подтверждением этого является то, что большинство известных место­ рождений железа сформировалось в давних геологиче­ ских эпохах (прокембрнй, кембрий, силур, карбон и юра) [1, 2]..

Вразных видах пород количество железа различно.

Впесчаных отложениях количество железа колеблется от следов до 10%, в глинисто-илистых отложениях его обычно больше, известняки содержат следы железа. Со­

держание железа в базальтах довольно значительно — 8,7%, кислые гранитные породы содержат его меньше — 2,4%, в гидросфере еще меньше — 5— 10-6% [9].

Многие специалисты считают, что количество Fe в осадочных песчано-илистых отложрниях зависит от зер­ нистости и возрастает по мере уменьшения грануляции зерен (пород).

Комбинированное воздействие на железосодержащие породы воды, углекислоты н кислорода приводит к раз­

40

железа.

Но обогащение воды железом (как и другими эле­ ментами) зависит не только от содержания его в поро­ дах, но и от способности к перемещению, миграции, за­ висящей как от условий среды, так п от физико-химиче­ ских констант нона [3]. Существуют внутренние и внешние факторы миграции, сочетание которых и опре­ деляет поведение химических элементов в природных во­ дах. Внутренние факторы — это валентность, ионные ра­ диусы, внешние — энергетика Земли, биогенные условия, климат.

Установлено, что чем больше валентность металлов, тем меньшими миграционными свойствами обладают их соединения, как правило, мало растворимые. В то же время одновалентные щелочные материалы образуют легко растворимые соединения, обладающие высокими миграционными способностями (NaCl, На2СОз и т. д.). Двухвалентные щелочноземельные элементы занимают промежуточную позицию. Труднее всего в раствор пере­ ходят четырехвалентные ионы (например, Si++++), кото­ рые переносятся механическим путем. Отсюда следует, что двухвалентные ионы железа обладают более высоки­ ми миграционными способностями по сравнению с трехвалентнымп.

Как правило, железо мигрирует в ионном виде, иног­ да в коллоидном. Большие концентрации железа часто являются следствием наличия гуминовых кислот в воде, но способность железа удерживаться в растворе резко падает в окислительной среде. Миграция железа в боль­ шой степени зависит от pH воды, гндрогеохпмических условий, важнейшими из которых являются петрографи­ ческий состав водовмещающнх пород, процессы окисле­ ния п восстановления минеральных и органических ве­ ществ, скорость протекания воды, а также химический и газовый состав воды. Наличие в воде растворенной угле­ кислоты приводит к связыванию железа.

Если углекислота находится в избытке, то образует­ ся бикарбонат железа Ее(НСОз)2 (наиболее распростра­ ненная форма железа в воде). Пирит FeS2 и пиротнны Fe„Sn+i при окислении их кислородом дают хорошо рас­ творимый сульфат железа FeS04.

4l

Величину миграции элементов в воде можно прибли­ женно охарактеризовать с помощью коэффициента вод­ ной миграции Г91

,т х- 100

железо. Однако деятельность бактерий и растений мож­ но наблюдать лишь исключительно в почвах, следова­ тельно, на глубоко залегающие подземные воды это влияет мало.

Почвообразовательный процесс, особенно в подзоли­ стой и болотной зоне, является одним из мощных фак­ торов трансформации и перемещения железа в окисли­ тельной зоне земной коры. Грунтовые воды выносят значительные количества железа далеко за пределы поч­ венной толщи. Главным фактором этих перемещений яв­ ляется специфическое для почвенного процесса участие

щими компонентами гумуса. Будучи коллоидами, они образуют высокоднсперсные золи, стоящие на грани между истинными и коллоидными растворами, обладают защитным действием н несут отрицательный заряд.

Взаимодействие гидроокиси железа с органическими кислотами представляет довольно сложный процесс, так как здесь возможно действительное растворение же­ леза в кислоте с образованием простых и комплексных солей, а также пептнзация [5, 6]. Комплексные формы железа являются наиболее устойчивыми против коагу­ лирующего влияния электролитов и гидролизующего действия реакции среды. Ряд исследователе'!! показыва­ ют, что золи гидрата окиси железа, не защищенные ор-

42

ганпческнми веществами, оказываются недостаточно устойчивыми: они легко адсорбируются дисперсной мас­ сой почвенной толщи или коагулируют в ней, в то время как в присутствии органических веществ устойчивость их повышается.

Все сказанное выше относится и к подземным водам БССР, являющимся основным источником хозяйственнопитьевого, а иногда и промышленного водоснабжения. Железпстость подземных вод республики является ос­ новным их недостатком. Число скважин с повышенным содержанием железа в воде составляет более одной тре­ ти от общего числа эксплуатируемых буровых колодцев. В некоторых районах Полесья до 80—90% эксплуати­ руемых скважин дают воду с повышенным содержанием

глубоких горизонтов, так и поступлением из вод, обога­ щенных органикой, в которых большая его часть нахо­ дится в виде сложных гумусовых комплексов [7], что существенно затрудняет очистку воды.

Чаще всего железо присутствует в виде бикарбоната. Такая вода сразу же по выходе из скважины бесцветна, при стоянии в ней появляется опалесценция, затем при­ нимает желтовато-бурый цвет, а после более или менее продолжительного отстаивания в ней образуется осадок гидроокиси железа.

Обширный материал, собранный Белорусским науч­ но-исследовательским санитарно-гигиеническим инсти­ тутом и нами, подкрепленный гидрогеологическими дан­ ными, позволяет выявить наиболее характерные особен­ ности подземных вод Белоруссии, имеющих повышенное содержание железа.

Воды большинства артскважин имеют реакцию, близкую к нейтральной, значительные отклонения от pH 7 встречаются редко. Подземные воды характеризу­ ются отсутствием кислорода, наличием значительных количеств свободной углекислоты, содержание которой нередко превышает 50 мг/л; иногда в водах артскважин железу сопутствует сероводород в концентрациях 1 — 2 мг/л. Часто в подземных водах обнаруживают кремнекнслоту, содержание которой в большинстве случаев не превышает 10— 15 мг/л.

43

Особенностью Белоруссии является, наличие заболо­ ченных территории, которые чаще всего встречаются в Полесье. Наиболее широко здесь используются для водоснабжения населенных пунктов водоносные гори­ зонты четвертичных отложений, мощность которых • до­ стигает 60—80 м. Водоносные горизонты моренных от­ ложений, служащие для целей водоснабжения, залегают

вПолесье на весьма различных глубинах — от 40 до

300 м.

Для гидрогеологии Полесья характерна взаимосвязь между отдельными водоносными горизонтами, что обу­ словлено отсутствием на значительных пространствах водоупорных перекрытий [8]. .

Втолще четвертичных отложений часто встречаются органические остатки в виде прослоек торфа (погребен­ ные торфяники). «Как наземные, так п погребенные ор­ ганические остатки вносят существенные изменения в состав подземных вод Полесья, определяя характер и направленность биохимических процессов, участвующих

вформировании химического состава воды» [8].

Органические остатки широко представлены п в дру­ гих районах Белоруссии, однако там влияние их на химизм подземных вод в силу выраженной разобщенно­ сти водоносных горизонтов ограничено. В Полесье, где все подземные воды (исключая минерализованные воды девонских отложений) составляют единый водоносный комплекс, влияние этих органических отложений просле­ живается почти повсеместно.

По своему типу воды всех горизонтов в Полесье от­ носятся к гпдрокарбонатно-кальцпевым средней мине­ рализации. Характерным почти для всех вод Полесья является наличие солей аммония, отсутствие нитритов п нитратов, повышенная окпсляемость, небольшое коли­ чество сульфатов либо полное их отсутствие. Особое место-здесь занимают соединения железа, концентрация которого в водах некоторых буровых скважин достигает

2$—30 мг/л и более.

Ведущая роль в накоплении в воде растворимых форм железа,' восстановлении сульфатов, нитритов, а также в обогащении воды метаном, сероводородом,'соля­ ми аммония принадлежит органическим веществам. Ре­ дукционное направление биохимических процессов опре: деляется анаэробными условйями.

44

Роль органического вещества в обогащении подзем­ ных вод железом прослеживается не только в районах Полесья и Полоцкой впадины, но и на всей территории БССР. Так, воды, залегающие в четвертичных отложе­ ниях, на которых сказывается влияние торфяников, час­

в Лепельском районе, торф был вскрыт па глубине 108— 109 м. Здесь обращает на себя внимание высокое содер­ жание солей аммония — до 2,8 мг/л. Количество железа здесь меньше, чем в районах, расположенных к югу и западу от Минска. В Т. п. Чашники была вскрыта вода, содержащая 14 мг/л железа, 8,8 мг/л NH4 и насыщенная метаном.

В третичных отложениях подобные воды встречают­

=0,4 мг/л.

Вмеловых отложениях воды, связанные с органиче­ скими веществами, встречаются в Гомельской и частич­

но в Минской областях. В Гомельской области в воде с глубины 65 м найдено 3,6 мг/л железа. В Пуховпчском районе Минской области на глубине 81 м имеется вода, содержащая 3,8 мг/л железа п 6 мг/л NH4 (торф вскрыт на глубине 70 м).

Воды девона, на которых прослеживается влияние погребенных п наземных торфяников, встречены там, где четвертичные отложения непосредственно налегают на девонские известняки. Подобные воды были вскрыты в районе Орши (Fe — до 8 мг/л, NH4 — 1,5 мг/л) и в Могилевской области.

Помимо природных процессов, направленных к обо­ гащению подземных вод железом, из года в год возрас­ тает роль антропогенных факторов, действующих в этом же направлении.

45

Усиленный отбор воды из отдельных горизонтов при­ водит к нарушению гидростатического и гидрохимиче­ ского равновесия в них. Нарушение такого равновесия в первую очередь изменяет содержание одного из наибо­ лее динамичных компонентов воды, каким является же­ лезо. Последнее всегда увеличивается в воде горизонтов, интенсивно эксплуатируемых, даже и в тех случаях, когда из зоны аэрации подсасываются воды, свободные от железа, но содержащие большое количество органи­ ческих веществ. Весьма ярким примером этого может служить увеличение железа в водоносных горизонтах меловой толщи в районе г. Гомеля, где за 30 лет наблю­ дений его количество возросло от 0,12 до 3 мг/л, а в рай­ оне г. Солпгорска за шесть лет — от 0,08 до 5 мг/л.

Усиление интенсивности восстановительных процес­ сов за счет поступления органических веществ из верх­ них горизонтов наряду с увеличением количества раст­ воримых форм железа в воде приводит к существенным изменениям в соотношениях других минеральных ком­ понентов воды (увеличение щелочности, жесткости, по­ явление сероводорода).

Все это имеет значение при выборе метода обезжелезнвання воды, когда, помимо содержания железа, необ­ ходимо учитывать наличие органических веществ, серо­ водорода СОо, важно знать величины щелочности, pH и окислительно-восстановительного потенциала. Только комплексное рассмотрение всех этих факторов позволя­ ет сделать правильный выбор метода очистки воды от железа.

и условиях миграции веществ в почвенном профиле. «Почвоведение»

и органо-минеральные коллоиды в почве. Доклады советских почво

46