Изменение химического состава воды

      Сегодня проблему воды следует считать одной из важнейших проблем охраны окружающей среды, ибо вода это не только здоровье населения, но и жизнь животного и растительного мира.

Проблема состоит не только в уровне запаса вод в целом, но и так же в изменении химического  состава воды. Качество воды – характеристика состава и свойств воды, определяющая пригодность её для конкретных видов водопользования и водопотребления. В данной формулировке качество воды – это сугубо потребительская категория, и контролируется оно совокупностью химического и бактериологического состава и органолептическими показателями. 
Качество подземных вод из-за специфического их положения в окружающей среде главным образом определяется их химическим составом. Для подземных вод определение качества должно иметь глубокий и содержательный смысл, т.е.  характеризовать в историческом и современном временных масштабах процессы изменения химического состава подземных вод под влиянием природных и антропогенных факторов. В связи с тем, что подземные воды как компонент окружающей среды находятся в постоянном контакте с другими её компонентами (атмосферой, литосферой, биосферой и техносферой), то и качество их находится в прямой зависимости от сложных физико-химических процессов, возникающих в результате этих контактов.

Исключительно большое разнообразие качественного и количественного  химического состава природных  вод вынуждает искать пути их систематизации. Все разнообразие природных вод  можно разделить на следующие  основные группы: поверхностные, подземные, природные.

К поверхностным принадлежат воды открытых водоемов: океанов, морей, озер, рек, водохранилищ, каналов и пр. Их химический состав определяется геоморфологическими факторами (рельеф, формат почвенно-геологическими условиями), условиями питания, климатическими факторами, а также хозяйственной деятельностью человека.

К подземным водам относятся: грунтовые, межпластовые, артезианские, трещинные, карстовые. Состав подземных вод в основном определяется условиями их образования.

К природным водам относятся атмосферные осадки, выпадающие в виде дождя и снега. Эти воды наполняют запасы поверхностных и подземных вод, а также могут аккумулироваться в искусственных сборниках или естественных резервуарах, которые используются в качестве источников водоснабжения. Состав этих вод определяется чистотой атмосферы, количеством выпадающих осадков и условиями, сопутствующими их выпадению, гидрологическими свойствами грунтов бассейна сбора воды, и, наконец, способом ее сбора, накопления и хранения.

Классификаций вод по химическому  составу было предложено немало. Основной для систематизации в существующих классификациях являлись самые различные  признаки: величина минерализации, по газовому и солевому составу, воды с активными ионами, газовые воды, термальные воды.

 Химический состав подземных вод в основном обусловлен климатическими условиями района: химическим составом поверхностных вод, рельефом местности, составом пород, слагающих водоносный горизонт, и пород, подстилающих и покрывающих его, условиями питания, движения и дренирования водоносного горизонта, характером и степенью взаимосвязи водоносных горизонтов, санитарными условиями района, окружающего месторасположение скважины. Влияние перечисленных факторов на химический состав подземных вод в разных условиях неодинаково.

Поверхностные воды могут  изменять состав вод аллювиальных отложений, но не имеют значения для формирования состава грунтовых вод высоких    междуречных пространств.

   Рельеф поверхности земли оказывает большое влияние на химический состав подземных вод, особенно в зоне интенсивного водообмена, к которой в основном приурочены пресные воды. Рельеф земной поверхности определяет положение областей питания и районов дренирования подземных вод. Часто в районах дренирования наблюдается значительное повышение минерализации вод по сравнению с областями питания (например, в Самарской Луке и между Московским морем и Угличским водохранилищем на Волге или в долине среднего течения Камы, или, как указывает С. А. Шагоянц (1959), в краевой части Терско-Кумского артезианского бассейна, приуроченной к пониженному прибрежью Каспийского моря). В жарких и сухих областях среднеазиатских республик в пределах возвышенностей, где уровень грунтовых вод находится на значительной глубине, эти воды более пресные, чем в пониженных формах рельефа с близким залеганием водного зеркала, с которого происходит усиленное испарение.Состав водовмещающих пород тоже оказывает большое влияние на характер и степень минерализации подземных вод. Это влияние особенно сильно проявляется, когда сами породы или минеральные включения в них легко растворимы — например каменная и калийные соли, гипс, ангидрид, сульфиды и т. д.

На многих водозаборах, водохранилищах России наблюдается тревожная тенденция  в изменении химического состава подземных вод. В процессе длительной эксплуатации водозаборов (более 30 лет) происходит постепенное увеличение концентрации сульфатов (с 10-20 до 100-300 мг/л), минерализации (с 0,2-0,3 до 0,7-0,9 г/л) и жесткости (с 4-7 ммоль/л до 8-15 ммоль/л). Такое изменение химического состава подземных вод отмечается на водозаборах, каптирующих пресные подземные воды меридионально вытянутых ограниченных карбонатных структур, которые протянулись на многие сотни километров по границе Горноскладчатого Урала и Западно-Сибирской низменности. Значительные ресурсы подземных вод, формирующиеся в данных карбонатных структурах, многие годы активно используются для водоснабжения городов Урала. Дальнейшая трансформация химического состава может привести к невозможности использования водозаборов по назначению. Причиной описанного выше ухудшения качества подземных вод является активизация в результате водоотбора процессов окисления пирита и сернокислотного выщелачивания.

К настоящему времени сложились  следующие представления об этом процессе. Полосы карбонатных пород  разбиты на отдельные разобщенные  в гидродинамическом плане блоки. Площадь блоков составляет первые десятки  квадратных километров. Плановая ограниченность данных гидрогеологических структур приводит к образованию в результате водоотбора глубокой депрессии. В сформировавшейся таким образом зоне аэрации оказываются  мезокайнозойские осадочные породы, слагающие верхний этаж месторождений, которые изначально содержат рассеянный пирит, образовавшийся в результате деятельности сульфатредуцирующих  бактерий. Смена восстановительных  условий на окислительные приводит к окислению сульфидных минералов. В результате образуются кислые сульфатные воды. При взаимодействии их с карбонатами  кальция и магния происходит нейтрализация  кислотности, а за счет поступления  в раствор ионов кальция и  магния наблюдается рост жесткости  и минерализации.

Основные компоненты состава  подземных вод :

Подземные воды представляют собой сложную многокомпонентную систему, включающую целый комплекс неорганических и органических соединений, газов и живого вещества.

Неорганические  вещества — макро- и микрокомпоненты. В зависимости от концентрации неорганических веществ в подземных водах выделяют макрокомпоненты (десятки и сотни мг/л) и микрокомпоненты (менее 1 мг/л). Макрокомпоненты определяют химический тип воды и, как следствие, ее основные потребительские свойства. Концентрации и возможность накопления в подземных водах макрокомпонентов определяются геолого-гидрогеологическими условиями данного района и во многом зависят от минерального состава водовмещающих пород. К микрокомпонентам можно отнести все другие элементы. В настоящее время в воде их обнаружено более 80.

   Исходя из исследований  ученых, стало понятно, что не любая пресная подземная вода может использоваться для питьевого водоснабжения, так как содержание многих микрокомпонентов в естественных условиях может превышать установленные ПДК (предельно допустимые концентрации). Отдельной группой среди неорганических веществ следует выделить радиоактивные элементы. Концентрации радиоактивных элементов измеряются не в весовых единицах на объем, а в количестве распадов изотопа за секунду в единице объема.  Один распад в секунду в радиологии получил название беккерель (Бк). Таким образом, концентрации радиоактивных элементов в воде измеряются в беккерелях на литр. Наиболее распространенными естественными радиоактивными изотопами в природных водах являются изотопы калия с атомным весом 40 (40К), радия (226Ra),  радона (222Rn), урана (238U). Как правило, их суммарная концентрация не превышает 10 Бк/л, однако в местах, где в геологическом разрезе встречаются радиоактивные минералы, концентрация естественных радиоэлементов в воде может достигать тысячи и более Бк/л.

 Органические вещества. Пресные подземные воды всегда содержат то или иное количество органического вещества. В естественных условиях их содержание, как правило, уменьшается с глубиной. Состав органических веществ довольно сложен и может быть представлен всеми классами органических соединений. Наиболее распространены высокомолекулярные кислоты (например, гуминовые кислоты и фульвокислоты). Они постоянно присутствуют в грунтовых водах в количестве от одного до нескольких мг/л. В последние годы в подземных водах обнаружен целый ряд аминокислот, являющихся структурными элементами белков. Кроме того, в пресных подземных водах нефтегазоносных провинций, как правило, присутствуют нафтеновые кислоты и различные углеводородные соединения.

 Микроорганизмы. Из микроорганизмов наибольшее значение в пресных подземных водах имеют бактерии, также встречаются микроскопические водоросли, простейшие и вирусы. Различают аэробные и анаэробные бактерии. Первым для развития требуется кислород, вторые существуют при его отсутствии, восстанавливая сульфаты, нитраты и другие кислородсодержащие вещества. В пресных подземных водах зоны активного водообмена развиваются гнилостные, сапрофитные, денитрифицирующие и клетчатковые бактерии. Общее число бактерий можетдостигать миллиона на 1 мл воды, микроскопических водорослей — тысяч на один литр, простейших — сотен и тысяч на один литр. Число бактерий в воде зависит, главным образом, от наличия в ней питательных веществ. Болезнетворные бактерии, для развития которых нужен живой белок, сохраняются в подземных водах, как правило, не более 400 суток.

Газы. Основными газами, растворенными в пресных подземных водах, являются кислород, азот, углекислый газ и сероводород. В незначительных количествах встречаются и все остальные газы. По генетическим признакам выделяют газы воздушного происхождения, биохимические и газы ядерных превращений. Наиболее негативное влияние на потребительские

свойства воды оказывает  наличие в ней сероводорода. Это связано не только с органолептическими показателями.

     Практически все подземные воды по своему генезису относятся к инфильтрационным, т.е. образовавшимся в результате инфильтрации атмосферных осадков. Рассмотрим миграцию вещества в подземных водах. Подземные воды представляют собой сложную подвижную среду. Миграция вещества происходит преимущественно вследствие конвекции, т.е. перемещения вещества вместе с водной фазой. При очень малых скоростях потока возрастает роль диффузии — миграции вещества благодаря наличию градиентов концентрации.  Помимо дисперсии, миграция вещества в подземных водах сопровождается химическими, биохимическими и физико- химическими процессами, направленными на приведение в равновесное состояние системы вода - порода.

   В случае попадания  в подземные воды загрязняющих веществ совокупность перечисленных выше процессов обобщается понятием самоочищение. Самоочищение подземных вод от неорганических веществ происходит, как правило, вследствие осаждения компонентов раствора на геохимических барьерах. Понятие о геохимических барьерах было сформулировано А.И.Перельманом.

Геохимический барьер — это зона, в которой на коротком расстоянии происходит резкая смена гидрогеохимических условий миграции химических элементов, что вызывает осаждение этих элементов в твердую фазу. Геохимические барьеры возникают не только на границе разных фаз, но и в однородной среде, например, при изменении Eh — pH условий подземных вод или концентраций отдельных компонентов раствора. Основными геохимическими барьерами, приводящими к самоочищению пресных подземных вод, являются окислительный (кислородный), восстановительный, щелочной (гидролитический и карбонатный), сульфидный, кислый, сорбционный гидроксидный и сорбционный глинистый. Окислительный барьер заключается в окислении более растворимых восстановленных соединений в менее растворимые окисленные. Например, способность околонейтральных и особенно щелочных подземных вод осаждать элементы — гидролизаты с минимальным ПР гидроксидов (Mn, Fe, Al). В результате таких процессов даже на участках загрязнения данными элементами подземные воды могут сохранять свой первоначальный состав.

Восстановительный барьер характеризуется преобразованием более растворимых окисленных форм элементов с переменной валентностью в менее растворимые — восстановленные.

Щелочной гидролитический  барьер возникает при увеличении рН среды.

Важной характеристикой  процессов самоочищения является скорость их протекания. Скорость химических реакций уменьшается при понижении температуры.

     В связи с глобальным загрязнением поверхностных вод централизованное водоснабжение все в большей степени ориентируется на подземные воды. Однако в условиях растущей техногенной нагрузки на окружающую среду и подземные воды подвергаются загрязнению. Техногенные компоненты обнаруживаются уже не только в верхних, слабо защищенных, водоносных горизонтах, но и в глубоких артезианских резервуарах. Загрязнение подземных вод влечет за собой целый ряд экологических и социальных последствий. Требует серьезного внимания распространение загрязняющих компонентов из подземных вод по пищевым цепям. В этом случае токсические элементы попадают в организм человека не только с питьевой водой, но и через растительную и животную пищу. Даже если население не пьет загрязненную воду, а только использует ее для приготовления пищи, водопоя скота и полива растений, это может отразиться на здоровье не только нынешнего, но и последующих поколений. Своевременный, оперативный и качественный контроль за химическим составом воды, используемой для хозяйственно-бытовых целей, является одним из условий улучшения состояния здоровья населения. Проблема качества подземных вод в настоящее время превратилась в одну из самых актуальных проблем человечества.