Глава 13. Микробиологическое и тепловое загрязнение подземных вод. Методы водоочистки.

Микробиологическое загрязнение подземных вод. Микроорганизмы подразделяются на следующие группы: бактерии, актиномицеты (переходные формы от бактерий к грибам), грибы, микроводоросли, вирусы, дрожжи. Наибольшее влияние на состав и свойства подземных вод оказывают бактерии. Среди них выделяются такие группы как аэробные, факультативные и анаэробные. Для жизнедеятельности аэробных бактерий требуется свободный кислород в воде. При его недостатке или отсутствии аэробные бактерии погибают. Факультативные бактерии могут функционировать при малом количестве кислорода в воде. Свободный кислород для анаэробных бактерий токсичен. Они усваивают связанный кислород из следующих соединений: CO₂ и . Среди бактерий, участвующих в окислительных процессах, получили распространение аммонифицирующие, нитрифицирующие, тионовые, водородокисляющие, метанокисляющие, окисляющие нефть и нефтепродукты. А в восстановительных процессах принимают участие такие бактерии как денитрифицирующие, водородредуцирующие, метанобразующие и сульфатвосстанавливающие. Информацию по микроорганизмам собирают по следующим направлениям: тип бактерий, число колоний в одном кубическом сантиметре, условия деятельности бактерий, среда функционирования, минерализация и температура воды. Благоприятными факторами для функционирования бактерий являются: наличие пищи (органика и биогенные вещества); низкая минерализация и определенный химический состав воды; оптимальная температура (0-60 ^oС), хотя некоторые представители микроорганизмов могут существовать при отрицательных температурах и при более 100 ^oС. Продолжительность жизни микроорганизмов обычно ограничивается 30-400 сутками и возрастает при увеличении населенности бактерий в единице объема вещества.

Микроорганизмы активно участвуют в химическом преобразовании геологической среды, в которой они функционируют. С их помощью создается малый биогеохимический круговорот вещества, происходит разрушение и трансформация минералов, образование новых минералов, гумификация и консервация органики, изменение порового пространства, газогенерация, преобразование химического состава газов и подземных вод.

Участие микроорганизмов в разрушении и трансформации минералов. Микроорганизмы способны разрушать главные породообразующие минералы: силикаты, алюмосиликаты и карбонаты. В этих процессах участвуют не только бактерии, но и грибы, микроводоросли и дрожжи. Продуктами их деятельности являются органические кислоты, щелочи, окислители. Разложение сульфидов дает свободную серную кислоту. Процессы нитрификации способствуют образованию свободной азотной кислоты. Органические кислоты реагируют с определенными химическими элементами, входящими в состав минералов, способствуют их разрушению и образованию в растворе комплексных соединений. Сероводород, образующийся при процессах брожения, разлагает алюмосиликаты и растворяет трехвалентное железо. Вынос вещества при микробиологическом выветривании оказывается в два-три раза большим, чем при тех же процессах без участия микроорганизмов. Микробиологическое выветривание карбонатных пород приводит к образованию карста.

Весьма широкое распространение получили микробиологические процессы, приводящие к трансформации минералов и новообразованиям. Чаще всего они связаны с накоплением кальцита и карбонатов, сульфидов, глинозема, бокситов, серы, гипсов, соединений железа и других минеральных образований. Особенно глубоко микроорганизмы преобразуют органическое вещество. С их помощью проходят процессы их гумификации и консервации. Сотни лет необходимы для образования почвенного покрова, разложения органических остатков и их гумификации. При неполном разложении органического вещества в восстановительных условиях и кислой среде происходит образование торфа и углей. Таким образом природа обеспечивает консервацию солнечной энергии, которая была получена растительностью для ее превращения в полезное ископаемое.

Участие микроорганизмов в разрушении строительных материалов и бытовых отходов. Микроорганизмы создают условия для биоагрессивности, биокоррозии и электрохимического растворения строительных материалов, в том числе металлоконструкций, и бытовых отходов. Процессам разрушения подвержены кирпич, бетон, камень, металлы, древесина, пластмасса. Отдельные группы бактерий используются для подземного выщелачивания руд и получения металлоносных растворов из рудных отвалов. Широко используются микроорганизмы для очистки подземных вод от разного вида загрязнения, в частности, нефтяного.

На территории городских поселений почвенно-покровные отложения и грунтовые воды содержат большое количество микроорганизмов. Они активно участвуют в разрушении строительных материалов, используемых для сооружения фундамента, стен и подземных покрытий. Нитрифицирующие тионовые бактерии создают кислую среду. В результате их деятельности появляются свободные серная и азотная кислоты. В анаэробной среде эти процессы способствуют деятельности сульфатредуцирующих и аммонифицирующих форм бактерий. В результате биокоррозии строительные материалы разрушаются и приобретают вторичную пористость, теряют монолитность и прочность.

Свалки представляют собой весьма благоприятную среду для жизнедеятельности микроорганизмов. В этих местах обычно захораниваются пищевые отходы, древесина, целлюлоза, бумага, ткани, различные предметы быта и прочие материалы. Большинство из них довольно легко трансформируется и образует очаги загрязнения подземных вод. Растекание загрязненных вод может захватывать площади во много раз превышающие площади свалок.

Роль микроорганизмов в формировании химического состава подземных вод. Как указывалось выше, функционирование микроорганизмов зависит от минерализации, состава и температуры подземных вод и питательной среды. Состав последней весьма разнообразен. Он определяется присутствием в ней таких компонентов и соединений, как кислород, углерод, азот, водород, сера, железо, фосфор, калий, кальций, магний, натрий и других элементов.

Для того чтобы понять роль биохимических процессов в формировании химического состава подземных вод, следует оценить долю их участия в общем химическом балансе этих вод. Она складывается из трех составляющих: атмохимической (приносом вещества атмосферными водами); биогидрогеохимической (аккумуляцией вещества в пласте в результате биогенных (микробиологических) процессов; литогенной (выщелачиванием водовмещающих пород). Количественную оценку этих процессов для зоны гипергенеза, характеризующуюся условиями активного водообмена и преимущественным развитием пресных вод, дал С.Л. Шварцев [57]. В таблице 13 представлена количественная характеристика генетических составляющих химического выноса вещества подземными водами для некоторых ландшафтно-климатических зон. Типовые условия формирования пресных вод могут быть охарактеризованы соответственно четырьмя ландшафтно-климатическими зонами: тундры и северной тайги (условие многолетней мерзлоты), ландшафтов с умеренно влажным климатом, ландшафтов с аридным климатом и горных ландшафтов (с проявлениями высотной поясности). Для упрощения описания присваиваем этих зонам, соответственно, № 1, 2, 3, 4 и рассмотрим, какие процессы обуславливают подземный химический сток.

Таблица 13