Геохимия грунтовых вод городских территорий

 

5.1. Причины загрязнения  грунтовых вод

Грунтовые (подземные) воды - основной ресурс питьевой воды в мире. В отличие от поверхностных вод, которые можно очистить при помощи очистных сооружений, грунтовые воды включены в иной гидрологический  цикл и потому не могут быть очищены. Большая часть грунтовых вод  подпитывается осадками, которые  просачиваются в почву. На качество грунтовых вод могут оказывать  влияние многие виды человеческой деятельности.

Источники загрязнения подземных вод: ирригация, использование удобрений и пестицидов, септические отстойники и выгребные ямы, муниципальные канализационные системы, санитарные поля фильтрации и мусорные свалки, скважины, колодцы, подземные трубопроводы, промышленные отходы, поверхностные разливы различных веществ, утилизация соляных растворов и отходов добывающей промышленности.

Проблему представляет собой  поливная вода - в ней содержатся растворенные вещества, которые остаются в почве в виде солей после  того, как растение забирает влагу. В конце концов, почва становится слишком соленой для того, чтобы  использовать ее в сельскохозяйственных целях. Когда засоленные почвы омываются  водой, соль в высоких концентрациях  может просачиваться в грунтовые  воды, тем самым делая их непригодными для питья и сельского хозяйства. Удобрения, используемые в сельском хозяйстве, содержат азот, фосфор и  калий. Фосфор и калий, по мнению специалистов, не попадают в грунтовые воды. Зато азот в форме различных соединений активно включается в гидрологический  цикл подземных вод.

Хотя существует не так  много свидетельств загрязнения  грунтовых вод пестицидами, тем  не менее, есть опасность просачивания этих веществ в почву или их поступления в подземные источники через колодцы. В густонаселенных районах причиной загрязнения грунтовых вод часто становятся неисправности в системах септических отстойников, где происходит очистка бытовых отходов. Когда эти системы выходят из строя, в почву попадает большое количество нитратов, которые просачиваются в подземные воды. В тех местах, где есть канализационные системы, нередки случаи разрушения старых труб и попадания нитратов в грунтовые воды. Главный источник загрязнения грунтовых вод - это мусорные свалки(полигоны). Твердые отходы на свалках состоят из пищевых отходов, бумаги, пластиков, металлов и токсичных материалов (свинца, ртути, кадмия, ядохимикатов и пестицидов). Места утилизации отходов представляют угрозу для грунтовых вод, потому что вместе с дождем и влагой металлы и органические вещества просачиваются в почву. Ученые подсчитали, что из свалки площадью в сорок-сорок семь гектаров, расположенной во влажном месте, ежегодно вымывается от ста семидесяти двух до трехсот восьми с половиной миллионов литров химикатов и металлов. Обычно в состав этих химикатов входят хлориды, свинец, медь и нитрит натрия. Плохая эксплуатация водозаборных колодцев приводит к тому, что загрязненные поверхностные воды включаются в гидрологический цикл грунтовых вод. Утечки из подземных трубопроводов и резервуаров приводят к загрязнению подземных вод канализационными стоками и продуктами нефтяной и химической промышленности. Из водоемов для сбрасывания промышленных отходов, к которым относятся колодцы, скважины, водостоки и искусственные пруды, в окружающую природу попадает большое количество различных химических соединений - кислот, фенолов и токсичных металлов. Соляные растворы представляют большую проблему в местах, где соленая вода выкачивается на поверхность вместе с нефтью. Так как химический состав этой воды значительно отличается от состава морской воды, ее утилизация представляет большую проблему. Утечки из заброшенных скважин также могут стать источником серьезных проблем. Наконец, добывающая промышленность создает проблему промышленных бассейнов и шламонакопителей, содержащих сточные воды. Эти поверхностные углубления в конечном итоге заполняются шламами, и эти осадки необходимо вычищать. В конце концов, осадки из промышленных бассейнов оказываются в поверхностных и подземных водах. Особо нужно обращать внимание на следующие вещества в жидких отходах добывающей промышленности: нитраты, хлориды, токсичные металлы и радиоактивные отходы. Твердые отходы добывающей промышленности обычно собираются в отвалах. Оттуда они попадают в воду в результате смыва осадками.

5.2. Опасность ядохимикатов

Hаибольшую проблему при загрязнении грунтовых вод создают некоторые

ядохимикаты,  с  трудом выявляемые из-за их очень низких концентраций,

но способные постепенно накапливаться в организме,  вызывая  многочисленные расстройства здоровья, в том числе рак.

Большинство ядохимикатов принадлежат к одному из двух классов:  тяжелым металлам или синтетическим органическим соединениям.

1. Тяжелые металлы.

Тяжелыми металлами называют химические элементы-металлы,  у  которых в чистом виде высокая плотность,  например свинец, олово, мышьяк, кадмий,  ртуть, хром, медь, цинк. Они широко используются в промышленности, однако чрезвычайно ядовиты. Их ионы и некоторые соединения растворимы в воде и могут попасть в организм,  где,  взаимодействуя с  рядом ферментов,  подавляют их активность.  Т.о.,  очень малые их количества чреваты крайне тяжелыми и физиологическими и неврологическими последствиями.  Особенно  хорошо  известны умственная отсталость,  вызываемая свинцовым отравлением,  а  также  психические  аномалии  и  врожденные уродства при ртутных отравлениях.

2. Синтетические органические  соединения.

Все сложные молекулы в  составе растительных и животных организмов - это  природные органические вещества. Помимо них люди научились получать сотни тысяч органических (в основе которых лежит углерод)  соединений, используемые для производства пластмасс, синтетических волокон, искусственного каучука,  лакокрасочных покрытий, растворителей, пестицидов, защитных покрытий для дерева и многих других изделий химической промышленности.  Такие вещества называют синтетическими  органическими соединениями. Многие из них настолько напоминают природные, что могут усваиваться организмом  и взаимодействовать с некоторыми ферментами и другими системами. Организм, однако, может оказаться неспособным разлагать их или включать в метаболизм иным путем,  т.е.  они небиодеградирующие. В результате они нарушают его  функционирование.  При  определенных  дозах возможны острое отравление и смерть. Однако и небольшие дозы, получаемые на протяжении длительного периода,  приводят к  весьма  неприятным эффектам,  например канцерогенному (развитие рака), мутагенному (появление мутаций) и тератогенному (врожденные дефекты у детей). Кроме того,  они могут вызвать серьезные заболевания печени и почек, бесплодие и многие другие физиологические и неврологические расстройства. Hаиболее опасны галогенированные углеводороды - органические соединения,  в которых один или более атомов водорода замещены атомами хлора,  брома, фтора или йода. Эти четыре элемента относятся к классу галогенов, отсюда и название веществ. Самыми распространенными  являются  хлорированные углеводороды.  Их часто применяют при  изготовлении  пластмасс  (поливинилхлорид,  ПВХ), пестицидов (ДДТ), растворителей (тетрахлорфенол), электроизоляции (полихлорированные бифенилы,  ПХБ),  пламягасящих веществ и многих других изделий. ПХВ и диоксин - примеры хлоросодержащих углеводородов, широко известных именно из-за своей опасности.

3. Проблема биоаккумуляции.

Как тяжелые  металлы,  так и галогенированные углеводороды особенно опасны ввиду способности к биоаккумуляции.  Она заключается в том, что малые,  кажущиеся  безвредными дозы,  получаемые в течение длительного периода, накапливаются в организме, создают в итоге токсичную концентрацию и наносят ущерб здоровью.  Биоаккумуляция происходит, во-первых, из-за отсутствия биодеградации.  Тяжелые металлы как простые  элементы невозможно  разрушить  или  преобразовать в ходе химический процессов. Хлорсодержащие углеводороды разлагаются при очень высокой температуре, и в большинстве случаев в организме нет ферментов, способных их расщепить.  Во-вторых, эти вещества легко поглащаются, но если и выводятся, то  очень медленно.  Организм неспособен освобождаться от них с мочой, поскольку тяжелые металлы прочно связываются с белками,  а галогенированные углеводороды растворяются в жирах гораздо лучше,  чем в воде. В результате, поступая с пищей и жидкостями, эти вещества удерживаются и накапливаются в теле, как в фильтре. Биоаккумуляция может усугубляться в пищевой цепи.  Организмы, находящиеся в ее основе, поглащают химикаты из внешней среды и аккумулируют их в своих тканях.  Питаясь этими организмами,  животные следующего трофического  уровня получают исходно более высокие дозы,  накапливают более высокие концентрации и т.д. В результате на вершине пищевой цепи концентрация химиката  в  организме может стать в 100 000 - 10 000 000 раз выше,  чем во внешней среде. Hеудивительно, что при этом случаются летальные исходы.  Такое накопление вещества при прохождении через пищевую цепь называют биоконцентрированием. К большому сожалению, и биоаккумуляцию, и биоконцентрирование трудно заметить до достижения опасного уровня химиката. А тогда уже поздно что-либо предпринимать.

5.3. Восстановление  качества грунтовых вод

 

   Раньше считалось,  что если грунтовые воды загрязнены, то они утрачены практически навсегда, т.к. способов очистки водоносных горизонтов не существует  и требуются сотни лет для вымывания из них отходов.  К счастью, не все в это верили.  Hедавно  разработана новая технология восстановления качества грунтовых вод, которая теперь широко распространяется. В общих чертах она предусматривает бурение скважин,  откачку загрязненных грунтовых вод, их очистку на химических поглощающих фильтрах и закачивание обратно в водоносный горизонт. Если речь идет о биодеградирующих органических  соединениях,  в зараженный участок можно подать кислород и микроорганизмы,  которые питаются загрязняющими  веществами и уничтожают их. Восстановление качества грунтовых вод хорошо применимо на относительно небольших пространствах,  например при утечках с бензоколонок.

Схема реагентной очистки сточных вод от ионов тяжелых металлов с отделением осадков показана на рисунке 1. Недостатком такой очистки является образование большого количества труднообезвоживаемого шлама. Кроме того, очищенная вода содержит большое количество солей кальция, поэтому ее трудно использовать в оборотном водоснабжении. Исходя из этого, предложено обрабатывать слив после отстаивания последовательно хлоридом кальция и содой. При этом происходит осаждение карбонатов металлов с карбонатом кальция. Образующиеся кристаллические осадки карбонатов металлов имеют незначительный объем и легко обезвоживаются. Одновременно происходит умягчение воды слива, что создает возможность использования ее в системе оборотного водоснабжения.

Для удаления ионов ртути  применяют Na₂ S (двукратный избыток от стехиометрического соотношения), для устранения F ^– применяют «известковое молоко» (Ca(OH)₂). Для удаления Mn²⁺ применяют KMnO4 (2:1, по весу). При pH<6 применяют щелочные агенты (CaO, Ca(OH) ₂, Na₂CO₃, NaOH).

Рисунок 1 – Схема реагентной очистки загрязнённых вод от ионов тяжёлых металлов.

 

 

 

 

Заключение

В ходе данной курсовой работы был произведен анализ геохимии грунтовых  вод городских территорий.

Рассмотрен состав, особенности  и общие характеристики грунтовых  вод, оценена роль грунтовых вод  при строительстве зданий и объектов. Проанализированы причины загрязнения  грунтовых вод, а также рассмотрены  основные пути решения данной проблемы.

Итак, загрязнение высококачественных грунтовых вод ядовитыми веществами увеличивается. В результате появляются серьёзные заболевания, колодцы  закрывают, людям приходится брать  воду из других источников или прибегать  к дорогостоящим способам очистки. Любое химическое вещество, применённое, разлитое, рассыпанное на земле или  попавшее в неё, может загрязнить грунтовые воды.

Основными источниками загрязнения  грунтовых вод признаны: неправильно  устроенные свалки и другие хранилища  ядовитых веществ, откуда они могут  просачиваться в грунтовые воды; протекающие подземные резервуары и трубопроводы. Особую проблему составляет утечка бензина из резервуаров па автозаправочных станциях; пестициды  и удобрения, применяемые па полях, садах и огородах; соль, которой  посыпают дороги при гололёде; мазут, иногда применяемый на дорогах для связывания пыли.

На несанкционированных свалках в пригородной зоне сегодня складируется треть всех отходов, которые нигде не учитываются. Почвы загрязняются на расстоянии до полутора километров. Систематическое использование загрязнённой воды приводит к резкому снижению иммунитета и развитию лейкозоподобных заболеваний у человека и домашних животных. Наиболее опасным является фильтрат — результат просачивания дождевой и талой воды через слой твёрдых отходов.

 

Нужно складировать отходы на специальных полигонах в котлованы  на противофильтрационный экран, защищающий от загрязнения грунтовые воды. Таким экраном могут быть мощные глинистые толщи. При достижении свалкой определённой высоты над поверхностью все засыпается полуметровым слоем земли, покрывается дёрном и засаживается растениями.)

Если грунтовые воды загрязнены, требуются сотни лет для “естественного”  вымывания из них отходов. На Западе давно разработаны технологии восстановления их качества. В общих чертах они  предусматривают бурение скважин, откачку загрязнённых вод, их очистку  на поглощающих фильтрах и закачивание  обратно в водоносный горизонт. Иногда в заражённый участок подают кислород и микроорганизмы, которые питаются загрязняющими веществами и уничтожают их. Восстановление качества грунтовых  вод — процесс дорогостоящий  и применяется на относительно небольших  пространствах, например, при утечках  с бензоколонок.

 

Список использованной литературы

1.Грунтовые воды в большой советской энциклопедии (БСЭ)

2.Ланге O. K. Подземные воды  СССР, ч. 1-2, М., 1959—1963.

3.Саваренский Ф. П., Гидрогеология,  М., 1935; Ланге О. К., Гидрогеология, М., 1969.

4.Афанасьев Т. П. Гидрогеология и гидрогеохимия Поволжья: (Краткий очерк). – М.: Наука, 2005. 173 с.

5.Беркелиева Л. А., Шакирова Ф. Н. Каспий: вчера и сегодня. – Ашхабад, 2007. 217 с.

6.Беспамятнов Г.П., Кротов Ю.А. Предельно допустимые концентрации химических веществ в окружающей среде: Справочник. – Л.: Химия, 1985. 115 с.

7.Балашов Л.С. Подземные хлоридные воды и рассолы как комплексный источник редких и рассеянных элементов // Труды юбилейной сессии ученых советов ВСЕГИНГЕО, МГУ, МГРИ и ПНИИС. – М., 2009. – С. 96-124.

8.Вернадский В.И. Живое вещество.- М., 1978.

9.Вернадский В. И. Очерки геохимии. 4 изд., М. – Л., 1934.

10.Воронков Н.А. Экология России. – М.: РАНДЕВУ, 1999.

11.Вылкован А.И., Венцюлис Л.С, Зайцев В.М., Филатов В.Д. Современные методы и средства борьбы с разливами нефти: Научно-практическое пособие. - СПб.: Центр-Техинформ, 2005. 57 с.

12.Дривер Д. И. Геохимия природных вод. – М.: Мир, 2005. - 440 с.

13.Золотов Ю. А. Окружающая среда - вызов аналитической химии // Вестн. РАН. 2007. Т. 67, № 11. С. 1040-1041.

14.Израэль Ю. А. Экология и контроль состояния природной среды. – М.: Гидрометеоиздат, 1984.

 

 

 

15.Крайнов С. Р. Геохимия редких элементов в подземных водах. – М.: Недра,2005.- 296 с.