Суммарный химический вынос подземными водами и его генетические составляющие по

С. Л. Шварцеву [57] с небольшими дополнениями

Зоны	Гидрогеологические структуры	I	II	III
	Север и центр Восточно-Сибирской и север Западно-Сибирской артезианских областей	1,9-18,8	9,6-17,0: 61,9-4,7: 18,3-8,5	0,08-0,21
	Центральные части Восточно-Европейской и Западно-Сибирской и юг Восточно-Сибирской артезианских областей	6,3-46,3	6,4-22,9: 58,4-67,3: 14,7-26,3	0,09-0,46
	Юг Восточно-Европейской и Западно-Сибирской артезианских областей	18,6-31,2	8,7-19,5: 23,6-51,6: 28,9-67,7	0,46– 1,86
	Гидрогеологические массивы горно-складчатых сооружений	30,4-37,9	14,7-24,9: 54,6-61,2: 16,0-30,7	0,10-0,48

 

Примечание: I- cуммарный химический вынос подземными водами, т/год (км²); II- соотношение между составляющими выноса: литогенными, биогенными и атмогенными (в %); III - Минерализация от-до, г/л.

Из рассмотрения таблицы можно сделать следующие выводы: наиболее весомый вклад в химический баланс подземных вод вносит гидрогенно-биогенная составляющия (до 2/3 химического выноса). Далее следует атмогенная составляющая – около 1/5 (она резко возрастает в аридной зоне – до 2/3). Литогенная составляющая находится на последнем месте и обычно редко превышает 1/10 от суммарного химического выноса. Выявленные закономерности в той или иной степени регулируются воздействием зональных географических, а также геохимических факторов.

Особое место в химическом балансе пресных вод, перемещении, аккумуляции и рассеивании вещества имеет углерод. Не всегда можно четко определить, дать количественную оценку фазам и формам его превращения. Наиболее активный и в основном замкнутый круговорот углерода происходит в растительном покрове и почвенно-приповерхностных отложениях. Об объеме фитомассы, участвующей в этом круговороте, дает представление таблица 14.

Таблица 14

Показатели биологической активности растительности [60]. (Фс – запас фитомассы современной растительности в т/га, Пс – конечная продукция современной растительности т/га в год, Мс – запас мортмассы современной растительности т/га)

Зоны	Гидрогеологические структуры	Фс	Пс	Мс
	Якутский артезианский бассейн		4.0
	Ангаро-Ленский артезианский бассейн		4.8
Средне-Обский артезианский бассейн		10.1
Московский артезианский бассейн		11.0
	Терско-Кумский артезианский бассейн		12.3
	Балтийский щит		4.2
Алтайская складчатая область		14.7
Камчатская складчатая область		7.6

 

Запасы живой фитомассы и мортмассы характеризуют углеродный потенциал территории. Максимальные запасы фитомассы (Фс) наблюдаются на юге лесной зоны. К северу этот показатель снижается с уменьшением суммы активных температур, в южном направлении падает с ростом сухости климата. Наибольшая годичная продуктивность фитомассы наблюдается в ландшафтах с травянистой растительностью (степи, луга). Она уменьшается в северном направлении и отражает температурный режим территории. Наибольшие запасы мортмассы накапливаются в торфяных болотах. В северных тундрах и в пустынях ее запасы минимальны. Таким образом, распределение фитомассы на земной поверхности и почвенном слое имеет сложный характер, но в значительной степени зависит от ландшафтно-климатических условий. В горных районах распределение фитомассы подчинено географической зональности и высотной поясности.

Роль фитомассы в формировании химического состава пресных вод верхних слоев зоны гипергенеза весьма велика. Во-первых, она обеспечивает накопление углерода и его соединений в подземных водах; во-вторых, благодаря ей активизируется участие биогенных веществ в геохимических процессах и образуются комплексные соединения с высокой миграционной способностью; в-третьих, она может эффективно защищать подземные воды от загрязнения. Все эти вопросы требуют особого рассмотрения, поэтому ограничимся оценкой поведения гидрокарбонатов в пресных водах как некоей интегральной функцией формирования их химического состава.

В таблице 15 приведены сведения о химическом составе подземных вод основных типов ландшафтов, о которых шла речь в таблице 13.

Таблица 15

Формула химического состава подземных вод основных типов ландшафтов по материалам С. Л. Шварцева [57]

Ландшафт (см. табл. 1)	Формула химического состава	Среднее содержание HCO3, мг/л

 

Как видно из таблицы 15 химический состав подземных вод зоны гипергенеза в 1, 2 и 4 ландшафтных зонах весьма близок друг к другу. Этому не мешает даже увеличение минерализации подземных вод, которое происходит за счет гидрокарбонатов Ca и Mg. Это и понятно, поскольку формирование химического состава подземных вод в этих зонах определяет процессы углекислотного выщелачивания. Важно отметить, что интенсивность накопления фитомассы (таблица 14), рост активности биохимических и геохимических процессов в растительных и почвенно-покровных образованиях пространственно совпадают с увеличением концентрации гидрокарбонатов в подземных водах. Климатические условия (количество атмосферных осадков и близповерхностный температурный режим) на юге гумидного пояса и на севере аридного пояса благоприятствуют этим процессам. В собственно аридной обстановке минерализация подземных вод зоны гипергенеза быстро возрастает под влиянием испарительных процессов соленакопления, и потому в этих условиях встречаются не только пресные, но и соленые воды и даже рассолы.

Зона гипергенеза обычно ограничивается глубиной в несколько десятков метров. Здесь располагаются самые молодые воды с возрастом до первых десятков, сотен, реже больше, лет. С глубиной в химическом балансе пресных вод возрастает роль литогенной составляющей, соответственно, уменьшается значение атмогенной и биогенной.

В дополнение к сказанному следует отметить, что загрязнение подземных вод в каждой ландшафтно-климатической зоне имеет специфический характер, поскольку каждая из них характеризуется своим спектром загрязняющих веществ и различными условиями питания и формирования состава пресных вод. Ряды природных загрязнителей подземных вод таковы: в первой ландшафтно-климатической области (см. объяснение к таблице 12) – железо, алюминий; во второй области – железо, алюминий, марганец, бериллий; в третьей области – алюминий, бром, бор, барий, марганец, бериллий; в четвертой области – алюминий, железо, бериллий. Это далеко не полный перечень элементов, которые ухудшают качество подземных вод. К ним можно добавить ртуть, кремний, ванадий, титан и некоторые другие компоненты.

Наряду с зональными факторами действия микробиологических процессов нередко образуются и локальные участки их проявления. Они возникают в условиях загрязнения подземных вод органическими соединениями: проливы нефти и нефтепродуктов, бытовые свалки, торфонакопление, проникновение промышленных и коммунальных стоков. Устойчивое загрязнение грунтовых вод наблюдается на участках систематического внесения минеральных удобрений. В зависимости от вида загрязнения грунтовых вод в них появляется повышенное количество хлоридов, сульфатов, гидрокарбонатов, нитратов, органических кислот. Направленность таких изменений химического состава подземных вод контролируется соответствующим сообществом микроорганизмов. С этих позиций важно знать, по каким параметрам нормируется микробиологический состав питьевых вод.

При стандартном санитарно-бактериологическом анализе воды ее бактериологическое состояние оценивается по двум параметрам: общему количеству бактерий в воде и количеству бактерий группы кишечной палочки (см. главу 9). Таким образом устанавливается общее санитарное состояние воды и наличие в ней болезнетворных бактерий. На следующем этапе исследований устанавливается источник и вид бактериологического загрязнения. В главе 9 уже упоминалось о санитарно-бактериологических нормативах, предъявляемых к качеству питьевых вод, установленных СанПиНом в 2001 году [52]. Дадим некоторые пояснения.

Методика определения и идентификации отдельных групп болезнетворных бактерий, как правило, сложна, а сам анализ требует больших затрат времени.

Общее микробное число. Этот показатель характеризует общее число колонии бактерий. ПДК для него в последнем СанПиНе определена в 50. Превышение этой величины свидетельствует о микробиологической загрязненности воды и высокой вероятности присутствия в ней патогенных бактерий.

Колиформные организмы. Это весьма надежный показатель степени загрязненности воды, и в питьевых водах он должен отсутствовать. Допускается лишь его случайное присутствие в 5 % годового ряда опробования на этот показатель.

Термотолерантные колиформные бактерии. Они способны поглощать лактозу при температуре 44-45 ^оС и легко обнаруживаются, что дает возможность эффективно определять степень очистки воды от фекальных бактерий.

Колифаги. Это разновидность вирусов, которые заражают бактериальную клетку, размножаются в ней и тем самым вызывают ее гибель. Они по своим свойствам похожи на кишечные вирусы - интеровирусы человека – и отличаются легкостью определения. Их размеры 20-30 нмкм. Они обладают высокой устойчивостью и функционируют при pH от 3 до 10 и быстро теряют свои болезнетворные свойства при температуре более 50 ^оС.

Сульфид-редуцирующие клостридии. Споры клостридии могут существовать в воде дольше, чем колиформные организмы. Их присутствие свидетельствует о недостаточной очищенности воды.

Лямбли. Это простейшие одноклеточные организмы. Они устойчивы к кислотам, щелочам и веществам, содержащим активный хлор. Их можно удалить только при кипячении более 20 минут.

При отборе проб воды на санитарно-гигиенический анализ соблюдаются строгие правила сохранения стерильности посуды, в которую отбирается проба воды, и недопущения контакта струи опробоваемого водопункта с посторонними предметами. Если проба отбирается из крана, то должен быть стерилизован и сам кран. А до момента отбора проб обеспечивается свободный слив воды из крана в течение 10 минут. При санитарно-бактериологическом опробовании любых водопунктов (источников, колодцев, скважин, водотоков и др.) должны соблюдаться стерильность посуды и соблюдение необходимых требований при водоотборе. Для отбора проб используются стерильные стеклянные емкости с широким горлышком, вместимостью не менее 0,3 л и плотнозакрывающимися пробками. Существуют определенные требования и к транспортировке отобранных проб (перевозка в контейнерах-холодильниках при 4-10 ^оС). А время, которое проходит от момента опробования до начала анализа пробы, не должно превышать 6 часов.

Выбор источника водоснабжения устанавливается на основе комплексной оценки санитарного состояния места заложения водозабора и прилегающей к нему территории. На основании изучения гидродинамических и гидрохимических условий эксплуатации водозабора дается прогноз изменения химического и бактериологического состава вод, которые подаются потребителю, определяется оптимальный режим его работы и рассчитываются границы санитарных зон.

Влияние теплового режима на формирование химического состава подземных вод.При повышении температуры среды обычно увеличивается растворимость химических соединений (а для карбонатов уменьшается). При понижении температуры химические реакции замедляются.

Температурное поле внешних оболочек Земли и температурный режим недр во многом определяют гидрогеологические особенности планеты, интенсивность и характер водообмена между и внутри земных оболочек. Среди всех источников энергии на Земле ведущая роль принадлежит солнечной радиации, мощность которой на несколько порядков превышает другие источники тепла. Среди эндогенных источников тепла Земли следует отметить: радиогенный (естественных радионуклидов), глубинный, мантийный, тектонических напряжений, а также приливного трения, космических лучей, антропогенного воздействия. Вместе с тем влияние солнечной радиации сказывается только на самой верхней части литосферы. Оно зависит от колебания суточных, годовых и многолетних температур. В связи с этим важное значение имеет установление глубины залегания слоя постоянных годовых температур (при условии, что это положение не искажается конвективным переносом тепла подземными водами). Этот слой называется нейтральным. В высоких широтах глубина его залегания колеблется в пределах 15–35 м. В условиях развития многолетней мерзлоты температура этого слоя может быть отрицательной. В средних широтах она может увеличиваться до 10–15 °С, а в тропической зоне – до 25 °С и более. Если выше нейтрального слоя температура пород и воды определяется экзогенными источниками тепла, то ниже его – эндогенными (преимущественно радиогенными и мантийными). Если радиогенная составляющая меняется в небольших пределах в зависимости от содержания в породах урана, тория и калия, то мантийный тепловой поток может меняться в десятки и сотни раз. В стабилизированных блоках континентальной земной коры мантийный тепловой поток дает примерно (2,5-3) ∙ 10^–2 Вт/м². В современных вулканических областях и активных рифтовых зонах он может возрастать до 100 ∙ 10^–2 Вт/м² и более. Важную роль в переносе тепла имеет конвективная составляющая, которая возникает при движении гидротерм, магмы и газа.

Тепловое поле Земли, создаваемое мантийной и коровой составляющими, характеризуется определенными теплофизическими параметрами, среди которых наибольшие значения имеют: теплопроводность, удельная теплоемкость, температуро-проводность, плотность теплового потока, коэффициенты линейного и объемного теплового расширения. С помощью этих параметров устанавливается стабилизированный стационарный во времени тепловой поток литосферы. Ведущую роль в его образовании играет кондуктивный перенос энергии за счет молекулярной теплопроводности.

Вместе с тем на континентах и в вулканических впадинах существуют тектонически активные молодые структуры, в которых решающую роль в переносе тепла имеют конвективные процессы, возникающие при движении гидротерм, газов и магмы.

Тепловой режим недр в значительной степени определяется структурно-тектоническими условиями. Территория России характеризуется большим разнообразием слагающих ее геологических структур, которые имеют весьма различные теплофизические параметры и обладают специфическим тепловым режимом недр. По этим условиям на территории нашей страны выделяются четыре типа гидротермального режима недр: холодные, нормальные, интенсивно разогретые и горячие [44]. В первую группу блоков литосферы попадают древние кристаллические щиты (Балтийский, Украинский, Алданский, Анабарский и др.). Эти структуры в архее-протерозое не подверглись интенсивному тектономагматическому и тепловому воздействию. Для них, так же как и для большинства палеозойских структур, характерен нормальный или пониженный тепловой поток (40-50 мВт/м²) и низкие значения геотермического градиента (15-20 °С на 1000 м). Молодые платформенные и складчатые области, кайнозойские вулканические пояса и рифты характеризуются более мощными тепловыми потоками (50-60 мВт/м²) и геотермическими градиентами, равными 30 °С и более на 1000 м. Существенное накопление гидротермальной энергии происходит в структурах, выполненных мезозойско-кайнозойскими отложениями и представляющих собой артезианские бассейны. В них формируются гидротермальные резервуары с большими запасами тепла (Западно-Сибирский, Терско-Кумский, Кубанский артезианские бассейны и др.) [24].

По температуре в зависимости от возможности практического использования подземные воды делятся на такие категории: до 20 °С – для локального теплоснабжения с применением тепловых насосов; 20-60 °С – для теплоснабжения групповых потребителей с применением тепловых насосов; 60-90 °С – для теплоснабжения промышленной и жилой зоны с дополнительным подогревом или использованием низкотемпературных отопительных приборов; 90-130 °С – для промышленного и коммунального теплоснабжения; 130-150 °С – для отопления и теплоснабжения высокотемпературных процессов и для выработки электроэнергии с использованием низкокипящих теплоносителей; 150-200 °С – для выработки электроэнергии с прямым пароводяным циклом; 200-250 °С – для выработки электроэнергии.

Общие прогнозные ресурсы термальных подземных вод с температурой 40-200 °С для перспективных районов России (юг и Дальний Восток) при фонтанном способе эксплуатации оцениваются в 1360000 м³ в сутки, что соответствует тепловому потенциалу в 23300000 Гкал/год. При откачечном режиме можно получить больше – до 19 млн. м³ в сутки термальных вод. При использовании циркуляционных систем и обратной закачке отработанных термальных вод прогнозные ресурсы возрастают до 7 млрд м³ в сутки [37].

Разведкой освоена лишь небольшая часть прогнозных ресурсов термальных вод. На 1-е января 2007 года разведано 63 месторождения термальных вод с эксплуатационными запасами 303000 м³ в сутки. Кроме того, в Курило-Камчатском регионе изучено 6 месторождений пароводяной смеси с запасами 56000 тонн горячего пара в сутки. С помощью этого тепла можно получить примерно 200 мегаватт электроэнергии. В настоящее время в этом регионе функционируют 4 ГеоТЭС мощностью около 70 мегаватт. Самой мощной среди них является Мутновская ГеоТЭС мощностью порядка 63 мегаватт. Сейчас в мире функционирует несколько десятков ГеоТЭС общей мощностью 10000 мегаватт. Перспективы развития ГеоТЭС несомненны, поскольку они используют возобновляемые геотермальные ресурсы, дают сравнительно дешевую электроэнергию и решают многие экологические проблемы.

Температурное поле Земли регулирует формирование химического состава подземных вод. Оно определяет оптимальные границы растворимости и кристаллизации минеральных соединений, переход воды из одного фазового состояния в другое. Глубина залегания среднегодового слоя температур и его величина отражают в значительной мере влияние физико-географических условий, а также теплофизические свойства пород, залегающих выше этого слоя. Поэтому в зоне гипергенеза наблюдается площадная горизонтальная температурная зональность подземных вод, определяющаяся ландшафтно-климатическими условиями. С глубиной температура подземных вод возрастает, отражая влияние геологических факторов. При этом следует помнить об антиподальности влияния этих факторов.

Перспективы получения термальных вод имеются в основном на континентах. В.И. Вернадский [6] указывал на то, что эндогенное тепло, которое имеет преимущественно радиогенное происхождение, образуется на континентах, поскольку там имеется гранитный слой, который в океанической коре отсутствует. Поэтому континенты прогреты интенсивнее, чем Мировой океан. На дне океана на глубине 4-5 км температура воды составляет +2-1 °С, в то время как на континентах на тех же глубинах она значительно превышает 100 °С. Вместе с тем, в отдельных местах океанического дна наблюдаются температурные аномалии, выходы субаквальных гидротерм, с которыми связано образование залежей полиметаллических руд. Они образуются в разных геолого-структурных условиях – зонах рифтогенеза, субдукции, трансформных разломов и др.

Инфильтрационные и седиментационные воды, погружаясь в земные недра, участвуют в литогенных процессах. Их состав при этом изменяется, что фиксируется гидрогеохимической зональностью подземных вод. Пресные воды с глубиной сменяются солеными, а соленые воды – рассолами. Взаимодействие воды с вмещающими породами происходит при различных граничных условиях, определяемых значениями Т/Ж (взаимодействием породы и воды) под влиянием температурных условий и парциального давления CO₂ в течение геологического времени [34]. Формирование гидрохимических инверсионных зон обязано процессам прямой и обратной метаморфизации химического состава подземных вод, которые были рассмотрены в курсе «Общей гидрогеологии». Отметим, что важную роль при этом играют температурные условия.

Определенная специфика формирования химического состава подземных вод создается в условиях криогенеза. При переходе воды из одного фазового состояния в другое при ее замерзании и оттаивании возникает система вода ↔ лед ↔ новообразования. Понижение температуры ниже 0 °С приводит к образованию криопег (вод с отрицательной температурой). В разных диапазонах отрицательных температур они имеют специфический химический состав. Это связано с тем, что в начале промерзания кристаллизуются гидрокарбонаты, а затем сульфаты; при температурах ниже 20-30 °С – хлориды, а ниже 55 °С – бромиды. Это означает, что направленность изменений химического состава подземных вод при их криогенном или литогенном метаморфизме различается весьма существенно [1]. При оттаивании мерзлой толщи превращение солей в раствор происходит в обратном порядке: бромиды, хлориды, сульфаты и, в конце концов, карбонаты.

В областях современного вулканизма формируются гидротермы различного химического состава [29]. Непосредственно вблизи действующих вулканов образуются наиболее горячие гидротермы фумарольного и сольфатарного типов. Основу первого из них образует соляная кислота, а второго – серная. Широкое распространение в современных вулканических областях получили углекислые термы разнообразного химического состава. В газовой фазе термальных вод вулканогенов часто обнаруживаются в значительных количествах азот, метан, водород, сероводород и другие газы. Нередко эти воды обладают высокой токсичностью по содержанию ртути, бериллия, мышьяка, бора, тяжелых металлов и других элементов.

Аномальная геотермическая обстановка складывается на участках глубоких тектонических зон, где возникают циркуляционные системы подземных вод. На океаническом дне они образуют субаквальные источники с температурой до 375 °С (черные «курильщики») и до 150 °С (белые «курильщики»). От черного дыма выпадают в осадок сульфиды металлов, а от белого – сульфаты, в частности, гипс. В Тихом и Атлантическом океанах установлено большое количество сульфидных залежей, которые свидетельствуют о деятельности древних и современных подводных гидротерм [10].

Антропогенное воздействие на температурный режим подземных вод становится все более ощутимым. Его можно рассматривать в глобальном, региональном или локальном масштабах, и везде мы найдем следы такого воздействия. Парниковый эффект, которым объясняется потепление климата, в значительной степени связан с техногенной деятельностью человека. Ее последствия проявляются в увеличении концентрации углекислого газа в атмосфере, повышении среднегодовой температуры воздуха на 0,6 °С за последние 100 лет, опустынивании земель Северной Африки, увеличении количества природных катастроф.

Потепление климата сказывается на ускорении таяния полярных льдов в Северном Ледовитом океане, сокращении объема льда в Антарктиде и Гренландии, сокращении ледяного покрова в высокогорных областях. Толщина снегового покрова на высоких и средних широтах за последние 40 лет сократилась на 10 %. Происходит деградация многолетней мерзлоты, за последние 100 лет она отступила от прежних границ на 100 км. При строительстве зданий и сооружений в условиях многолетней мерзлоты используется свайный фундамент, опирающийся на мерзлую толщу. При деградации мерзлоты здания могут лишиться надежной опоры, что приведет к катастрофическим последствиям.

Региональные изменения водного и теплового режима недр наблюдаются на территории крупных водохранилищ и мегаполисов. Строительство в долине реки Волги нескольких водохранилищ и зарегулирование стока привели к необратимым гидродинамическим и химическим последствиям. Если раньше вода от истока до Каспийского моря протекала примерно за 7-9 суток, то теперь, после образования водохранилищ, ей для этого требуется уже 3 года. Дно водохранилищ заросло техногенными отходами, а сама река стала сильно загрязненной. Огромные территории плодородных сельскохозяйственных земель оказались затопленными, а в прибрежных районах возник искусственный тепловой и химический режим подземных вод. Примерно такая же картина создалась на крупнейшем в мире Братском водохранилище в бассейне реки Ангара. Его параметры впечатляют: длина береговой линии – 6000 км, объем воды – 167,3 км³, подпор на створе плотины равен 105 метрам. В зону затопления попали плодородные земли и невырубленная тайга. Весьма обширной оказалась и зона подтопления – сотни квадратных километров. На территории заметно изменился тепловой и химический режим подземных вод. В районе города Братска другой стала «роза ветров», увеличилось количество выпадающих осадков и среднегодовая температура воздуха.

Региональное изменение теплового режима наблюдается на территории крупных промышленных регионов, в частности, мегаполисов, которые представляют собой своеобразные «острова тепла». Тепло на их территории распределено неравномерно, что приводит к созданию неравновесных гидрохимических систем. В одних случаях наблюдается ускорение, в других – замедление химических процессов. Изменение температурного режима подземных вод сопровождается разными видами загрязнения (химическим, радиоактивным и др.) На территории городских агломераций закладываются различные подземные коммуникации: водопроводная, тепловая, канализационная сеть, силовые кабели, различные подземные сооружения, метро, дренажные галереи, смотровые люки и т.п. Таким образом, на территории города образуется несколько ярусов загрязнения. В атмосфере постоянно существует воздушная «подушка» дыма, пыли, продуктов испарения, выхлопных и других газов и т.п. Над городами образуется мощное электромагнитное поле. Система отопления, которая принята в городах, отапливает не только помещения, но и улицы, поэтому среднегодовая температура городов на несколько градусов больше, чем окружающей местности. Как отмечают Н.М.Фролов и В.Н. Шкатункин, в Москве недра за последние полтора века теплели на 0,1 °С за 10 лет, а в очагах энергетического производства – до 0,4 °С в год. В 1975 году тепловая аномалия с температурой более 8 °С в Москве занимала площадь порядка 430 км². В настоящее время она значительно увеличилась.

Тепловые процессы способствуют изменению гидрогеохимической обстановки, усиливают деятельность микроорганизмов, способствующих образованию нитратных и аммонийных вод, метана и сероводорода. На участках подтопления заметно сокращаются зоны аэрации и кислородных вод. И, наоборот, при дренировании водоносных систем происходит увеличение зоны аэрации, подтягивание соленых вод с глубины. Соответственно изменяется и тепловое поле. Эти процессы происходят на участках водозаборов, осушения горных выработок, скважин, эксплуатирующих месторождения нефти и газа, закачки промстоков в водоносные системы.

На участках энергоемких производств создаются локальные тепловые аномалии. Такие явления наблюдаются вблизи электростанций, сталеплавильных и медеплавильных комбинатов. В этих местах грунтовые воды становятся не только теплыми, но и горячими. Сброс отработанных горячих вод в речную сеть и водоемы создают участки теплового и, возможно, других видов загрязнения (химического, радиоактивного и др.)

Техногенное производство энергии становится сопоставимым с природным. Человечество получает или преобразует энергию в количестве 10⁹ квт, а природные энергетические процессы оцениваются в 10¹³ квт. Дальнейший нерегулируемый рост энергетического производства может привести к возникновению теплового барьера. В этом случае природные механизмы тепло- и водообмена не смогут справиться с последствиями техногенного загрязнения окружающей среды и восстановить нормальные условия функционирования биосферы во всем ее разнообразии и активной жизнедеятельности.

Нормальная температура среды обитания человека колеблется в пределах от 0 до +30 °С (среднегодовая температура атмосферы в настоящее время составляет 14 °С). Диапазон наиболее приемлемых для человека среднесуточных температур воздуха оценивается от –10 до +40 °С. В течение суток температура воздуха может подскакивать до + 55 и понижаться до –83 °С, то есть амплитуда колебаний температур на земном шаре может достигать 138 °С. Это означает, что волны холодного и горячего воздуха, которые возникают в отдельные периоды в различных регионах мира, могут нанести непоправимый ущерб биосфере. Если парниковый нагрев атмосферы достигнет теплового барьера, это может иметь глобальные экологические последствия.

Методы водоочистки и водоподготовки.Питьевая вода, которая используется для целей централизованного водоснабжения, должна соответствовать требованиям ГОСТа и последнего СанПиНа. К воде, идущей на технологические нужды предприятий или для особых производственных целей, устанавливаются ведомственные нормативы. Для того чтобы вода соответствовала требованиям, предъявляемым к ней существующими питьевыми и технологическими стандартами, проводятся соответствующие мероприятия по улучшению качества воды или водоподготовки.

Для улучшения качества воды проводятся следующие мероприятия: осветление и удаление взвешенных веществ; обесцвечивание и удаление веществ, придающих воде цвет; обеззараживание и уничтожение болезнетворных бактерий; опреснение и удаление избыточного количества солей; умягчение и уменьшение жесткости путем частичного удаления солей кальция и магния; обезжелезивание (частичное или полное освобождение воды от соединений железа); деманганация (удаление из воды избыточного количества соединений марганца); обесфторивание (удаление соединений фтора); фторирование (добавление в воду фтора); иодирование (добавление в воду йода); удаление из воды растворенных газов (H₂S, CO₂, CH₄ и др); дезактивация (удаление из воды радиоактивных веществ).

Среди химических и физико-химических методов очистки вод и водоподготовки следует назвать: метод очистки с помощью дистилляции и замораживания; методы отстаивания, коагуляции, озонирования, аэрации; метод сорбции, использующий активированный уголь, торф, целлюлозу, иониты, цеолиты, кварцевый песок, альбитофиры, горельник и др.; методы электродиализа и омагничивания воды, фильтрования различными способами, в том числе обратного осмоса; метод каталитического осаждения примеси. Цена и условия применения перечисленных методов улучшения качества воды колеблются в очень широких пределах в зависимости от состава исходной воды и требований к качеству конечного продукта.

Современные технологии очистки воды начинаются с физико-биохимического воздействия на подземные воды в условиях их залегания в пласте или в скважине. В этих случаях применяется специфическая бактериологическая обработка подземных вод, аэрирование (закачка воздуха или кислорода) в скважине или пласте, а также кавитационный, электрокоагуляционный, электроимпульсный (электроразрядный) методы.

Приведем в качестве примера результаты обезжелезивания и деманганации подземных вод на Тунгусском месторождении вблизи г. Хабаровска (Приамурье) [35]. Продуктивный горизонт залегает в неоген-четвертичных отложениях до глубины 50-60 метров. По классификации С.Р. Крайнова опробуемые воды относятся к четвертому типу – бескислородных, бессульфидных, нейтральных (см. главу 10). Их минерализация равна 0,12-0,15 г/л. Состав гидрокарбонатный магниево-кальциевый, pH 6,0-6,3, Eh –53-+57 мв. Содержание двухвалентного железа 19-20 мг/л, а двухвалентного марганца – 0,9-1,2 мг/л. Вокруг эксплуатационной скважины на расстоянии 15 метров было пробурено 9 эжекторных скважин, в которые проводилось нагнетание кислорода. Нормативные концентрации железа (0,3 мг/л) и марганца (0,1 мг/л) были достигнуты за полмесяца эксплуатации скважины. pH остался на уровне 6,3, а Eh увеличился до +200-300 мв. В результате эксплуатации водозабора вокруг него создался окислительный барьер, главными компонентами которого стали железо и марганец-окисляющие бактерии. Нагнетание кислорода может приводить к образованию вторичных минералов кальматирующих водопроводящую зону.

Потребление подземных вод в мире непрерывно растет. В настоящее время оно приблизилось к цифре 200000 м³/с, что соответствует примерно 6000 км³/год. Во многих случаях подземные воды чище поверхностных, однако, их качество нередко требует улучшения. Остановимся несколько подробнее на некоторых методах водоочистки, которые были упомянуты выше.

Озонирование воды широко внедряется для очистки питьевой воды и некоторых стоков. Главное его достоинство заключается в высоком окислительном потенциале озона, что позволяет окислять широкий спектр веществ. В этот спектр, в частности, входит и железо.

Электроразрядная обработка воды. При использовании этого метода дается электрический разряд с заданными параметрами непосредственно в водовоздушном потоке. При этом возникает воздействие нескольких факторов: ультрафиолетового излучения, озона, импульсного электрического поля, а также различных активных частиц (атомарного кислорода, радикала и др.).

Радиолиз. В этом случае вода обрабатывается пучком электронов. Главными окислителями, образующимися при этом, являются озон, радикал, а главным восстановителем – водород.

Адвантированные (продвинутые) технологии. Их применение предполагает одновременное использование нескольких видов воздействия на воды, например, в таком сочетании: ультразвук, ультрафиолетовое облучение и природные окислители. Одновременное применение нескольких методов очистки дает больший эффект, чем их последовательное использование. Возможны и другие комбинации методов очистки воды от загрязнителей. Это зависит от состава воды, вида загрязнителя и требований, предъявляемых к качеству воды.

Магнитная обработка воды. Использование этого метода дает хороший эффект для борьбы с проявлениями накипеобразования и коррозии в теплопередающих устройствах и для устранения соленакопления на стенках нефтедобывающих скважин.

Мембранные технологии. Существуют два способа мембранной очистки воды – ультрафильтрации и обратного осмоса. С помощью ультрафильтрации удаляют микроорганизмы, коллоидные частицы и органические соединения. Система обратного осмоса обладает высокой селективной способностью задерживать различные примеси, в том числе соединения железа, тяжелых металлов, органические вещества, растворенные ионы, бактерии и вирусы. Они успешно задерживают гуминовые соединения, которые придают воде цветность и неприятный вкус. Для более глубокой очистки воды от примесей используют двухступеньчатый обратный осмос, позволяющий получить дистиллированную воду с малыми эксплуатационными затратами. Таким образом можно избавиться от всех присутствующих в воде загрязнений. Полупроницаемые мембраны, которые используются в этом случае, пропускают через свои микропоры молекулы, соизмеримые с молекулами воды.

Очистка воды от радиоактивных веществ. При испол

⇐ Предыдущая12131415161718192021Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: