Бурение скважин в Киеве и Киевской области      
Тел.: 093 597 31 10
От 140 грн/м. !

Вредные примеси в водах артезианских скважин

ПРИЧИНИ ЗБІЛЬШЕННЯ ВМІСТУ ЗАГАЛЬНОГО ЗАЛІЗА В ПІДЗЕМНИХ ВОДАХ ВОДОЗАБОРІВ МАЛОГО ПОЛІССЯ

 

О.Л. Шевченко1, О. О. Діхтярук1,  Д.В. Чарний2

 

1Київський національний університет імені Тараса Шевченка, м. Київ

2Інститут водних проблем і меліорації УААН, м. Київ

 

Шляхом аналізу хімічного складу підземних вод встановлено джерела найбільш вірогідного надходження заліза до водозаборів м. Шепетівка Хмельницької області, що дозволило з достатньою достовірністю визначити форми перебування заліза в підземних водах та запропонувати найбільш доцільні технології знезалізнення.

Централізоване водопостачання м. Шепетівка існує з 1932 року. До 2007 року водопостачання населення та підприємств м. Шепетівка відбувалось Шепетівським КПВКГ шляхом експлуатації водозаборів „Дубовий гай" та „Кам'янка". Водозабір "Кам’янка" знаходиться на відстані 8 км від міста, тому експлуатувати його стало нерентабельно. Водозабір „Дубовий гай" експлуатується більш ніж сімдесят років, тому планується його закриття. Сумарний максимальний водовідбір по даних водозаборах становив у 1995 році 4493,2 тис.м3/рік, та з часом він поступово знижувався і у 2008 р. досяг 1836,6 тис.м3/рік (5015,3 м3/добу). За розрахунками Шепетівського КПВКГ при цілодобовому водопостачанні потреба у воді складає 8109,6 м3/добу, а на перспективу 9000 м3/добу. За своєю потужністю введений у 2007 р. водозабір  "Лісова галявина" здатен задовольнити водопотреби міста, проте постала серйозна проблема із підвищеним вмістом загального заліза у підземних водах його 7 свердловин. Цей водозабір розташований в 1,2-2 км на захід від м. Шепетівка на лівому березі р. Гуска (басейн р. Горинь). Щорічний водовідбір на ньому нині складає 3225,8 тис. м3, на водозаборі "Дубовий Гай" – 517,1 тис. м3, на водозаборі "Камянка" – 0,29 тис. м3.

У двох із трьох експлуатаційних водозаборів (на водозаборі "Кам’янка" - 2,12 мг/дм3,"Лісова Галявина" - 2,98 мг/дм3) концентрації заліза суттєво перевищують ГДК  при нормі 0,2 мг/дм3 ( ДСанПіН 2.2.4-171-10, Додаток 2).

Означеними водозаборами спільно експлуатується водоносний горизонт у відкладах сеноманського ярусу верхньої крейди та водоносний горизонт у відкладах поліської серії середнього і верхнього рифею. Водовміщуючі відклади представлені, відповідно, піщано-кремневою сумішшю та пісковиками дрібнозернистими. У зв'язку із відсутністю водотривких прошарків між даними водоносними горизонтами вони утворюють єдиний водоносний комплекс потужністю близько 25 м. У покрівлі комплексу залягають суглинки та глини четвертинної системи, в підошві – відклади нижнього протерозою. Крім геологічної захищеності, основний водоносний комплекс здебільшого мав за природних умов і гідродинамічну захищеність: при тому, що покрівля водоносного комплексу залягає на глибині 9-17 м, величина напору у свердловинах становить 7-15 м. Статичні рівні встановлюються переважно на глибині 0,09-0,4 м від поверхні (свердловини №№ 1-3, 5) і лише в свердловинах № 4 – 1,09 м та №№ 6 і 7 – по 5 м. Під час експлуатації з дебітами 45-85 м3/год зниження рівня досягає 4,5-12,0 м, що обумовлює більшу вразливість підземних вод до перетікання ґрунтових. Глибина залягання дзеркала ґрунтових вод змінюється від кількох десятків сантиметрів в заплавах річок і болотах, до 3 метрів на терасах.

Мета роботи та шляхи вирішення проблеми. Методом аналізу хімічного складу підземних вод вирішено встановити джерела можливого надходження заліза до водозаборів. Ідентифікація джерел забруднення дозволяє з достатньою достовірністю уявити форми перебування заліза в підземних водах та пропонувати технологію очищення води з врахуванням можливих поступових змін складу води, обумовлених надходженням у водоносний комплекс поверхневих вод.

Результати досліджень. За хімічним складом води водоносного комплексу гідрокарбонатні магнієво-кальцієві. Загальна мінералізація становить 0,6-0,78 г/дм3. Загальна жорсткість перевищує допустимі норми (7,0 мг-екв/дм3, ДСанПіН 2.2.4-171-10) і змінюється від 7,7 до 10 мг-екв/дм3. Зміни жорсткості в даному діапазоні погоджено з санітарними службам. За фізичними властивостями та вмістом заліза вода також не відповідає ГДК (вміст загального заліза 1,7-3,92 мг/дм3, що вище граничних концентрацій у 8,5-19,6 рази). Вода що видобувається проходить водопідготовку, в процесі якої проводиться знезалізнення та очищення до питної якості. Щорічно на знезалізнення витрачається 95 922,84 грн. (враховуючи амортизацію, кошти на сировину та обладнання).

Техногенні джерела забруднення підземних вод відсутні. Рівень води в річці Гуска, найближчій до найбільш потужного водозабору "Лісова Галявина" коливається в залежності від кількості опадів і не залежить від роботи водозабору, тобто зв'язок між експлуатаційним водоносним комплексом та річкою відсутній. Досліджуючи тенденцію посезонного коливання концентрації заліза було встановлено, що найбільших  значень концентрація набуває у весняний період - 3,63 мг/дм3, що звичайно співпадає з періодом максимального інфільтраційного живлення, найменших в осінній - 2,7 мг/дм3. Однак, при порівнянні динаміки змін концентрації заліза з кількістю опадів за останні 11 років, ніяких закономірностей не було встановлено.

У відкритих водних джерелах залізо може утримуватися у вигляді органічних сполук, частіше за все колоїдних. Прикладом органічного сполучення заліза є гуміново-кисле залізо, яке нерідко присутнє в болотах та річках, які вони живлять. Води, які вміщують гуміново-кисле залізо, зазвичай відрізняються підвищеною кольоровістю. Водозабори "Кам"янка" та "Лісова галявина" знаходяться на невеликій відстані від боліт (близько 100 м). Колірність вод коливається від 8,6 до 45,45 град. при нормі 20 град. Можна зробити висновок про декілька шляхів потрапляння розчинних органічних комплексів заліза у водоносний горизонт: 1) одним із джерел живлення експлуатаційного водоносного комплексу може бути перетікання вод із нижчезалягаючого горизонту у відкладах нижнього протерозою, останній має більш значне поширення по площі і місцями меншу глибину залягання, а також живиться поверхневими водами та опадами, що свідчить про можливий гідродинамічний зв'язок з болотами; 2) можлива присутність фаціальних вікон у водоносному комплексі, через які відбувається інфільтрація болотних вод; 3) дані болота живляться певною мірою за рахунок підземних вод, що не виключає можливу циркуляцію деякої кількості болотних вод у водоносний комплекс.

Використовуючи гідрогіхічний метод дослідження можна зробити певні висновки, що підтверджують справедливість першої теорії. Найближче до поверхні залягають суглинки: на водозаборі «Кам’янка» їх потужність складає 3,5 м, а на водозаборі «Лісова Галявина» від 8 до 12 м.

В останньому випадку їх потужності достатньо, щоб сорбувати залізо з інфільтраційних вод (тобто низхідне потрапляння заліза у водоносний горизонт в значній кількості виключається). Простежується обернена залежність між захищеністю водоносних горизонтів (комплексний показник, що враховує потужність суглинків у покрівлі і відстань до найближчих боліт) та вмістом легкоокиснюваної органічної речовини (перманганатна окиснюваність, ПО). Збільшення захищеності підземних вод обумовлює відновні умови, за яких ПО води мінімальна. Також для відновних умов характерні більш низькі концентрації сульфатів (сульфатами збагачені ґрунтові води поліських торфовищ [1], а також вони є ознакою окиснення сульфідів, що містяться в кристалічних породах нижньопротерозойської товщі). Наявність відновних умов та утрудненість інфільтраційного живлення остаточно підтверджується присутністю аміаку та відсутністю нітратів і нітрит-іонів у підземних водах основних водозаборів. Наявність кремнію у водовміщуючих відкладах сеноманського ярусу сприяє зменшенню органічної речовини за рахунок сорбції, про що свідчать також малі концентрації хлоридів (табл.1) та невисокі – натрію (до 16 мг-екв.%/дм3). Слід зауважити, що ґрунтові води мають гідрокарбонатний натрієво-кальцієвий склад, мінералізацію до 0,5 г/дм3, помірну жорсткість.

Таблиця 1. Результати хімічного аналізу і властивостей підземних вод з водозаборів

 

Показник

Камянка

Лісова Галявина

Дубовий гай

Залізничний водозабір

Держ-стандарт

Кольоровість в град.

35

30

7,14

7,14

20

Мутність, мг/дм3

1,4

2,6

0

0

1,5

Сухий залишок,    мг/дм3

448,8

411,2

652,8

790,8

1000

Окиснюваність 

мг О2/дм3

7,7

1,16

3,35

2,2

4,0

Аміак мг/дм3

0,45

0,21

0

0,35

2

Нітрити, мг/дм3

0

0

0

0

3,3

Нітрати, мг/дм3

0

0

64,6

0,71

45

Залізо, мг/дм3

2,12

2,98

0,025

0,012

0,2

Хлориди, мг/дм3

40,7

7,35

73,5

19,6

350

Лужність,

мг-екв/дм3

4,5

7,8

7,1

6,25

не нормується

Загальна жорсткість,

мг-екв/дм3

6,7

7,7

10,8

7,3

7,0

Сульфати,    мг/дм3

45,6

12

103,2

117,6

500

Кальцій,

  мг-екв/дм3

5,7

6,1

9,1

5,8

Контролю-ється жорсткістю

Магній, мг-екв/дм3

1,0

1,6

1,7

1,5

 - “ -

рН

7,3

7,15

7,0

7,5

6,0-9,0

 

Тому більш обґрунтованим можна вважати сценарій надходження заліза за рахунок висхідного перетікання та бічного притоку від областей живлення експлуатаційного комплексу та нижчезалягаючого водоносного горизонту у нижньопротерозойських відкладах під час експлуатації водозаборів. Порівнюючи річні витрати та дебіти свердловин із вмістом заліза у воді, можна зробити висновок про існування близької до прямої залежності вмісту загального заліза від потужності водозабору (табл. 2).

Проте, очевидно, що залежність могла б бути більш стрункою, якби на всіх водозаборах джерела надходження заліза були ідентичні та знаходились на однаковій відстані від свердловин.

Підвищений вміст сульфатів поряд із максимальною окиснюваністю вод на водозаборі «Кам’янка» може свідчити про переважання бічного притоку забруднених залізом вод з боку болотних масивів. Це підтверджується і порівняно невисокою лужністю води. За таких гідрохімічних умов переважаючими формами заліза є сульфати та органічні комплекси із фульвокислотами або більш складні органо-мінеральні колоїдні комплекси.

 

Таблиця 2. Залежність між добовими витратами (м3) та концентраціями заліза (мг/дм3) в підземних водах водозаборів м. Шепетівка.

 

Показник

Водозабори

Лісова Галявина

Камянка

Дубовий Гай

Залізничний

Витрата, м3/добу

350

14,5

120

160

Вміст заліза у воді, мг/дм3

2,98

2,12

0,025

0,015

 

 

Для водозабору «Лісова Галявина» характерне переважання перетікання підземних вод нижньопротерозойських відкладів через зону каолінів та оксидів заліза, приурочену до площинної кори вивітрювання гранітів. Це підтверджується близьким хімічним складом підземних вод обох горизонтів:  гідрокарбонатним кальцієво-магнієвим нижньопротерозойського горизонту і гідрокарбонатним кальцієво-магнієвим або магнієво-кальцієвим – у відкладах поліської серії. Безперечно, за таких гідрохімічних умов залізо перебуватиме в розчині переважно у вигляді бікарбонатів - Fe(HCO3)2 [2], і в меншій мірі – в сульфатній формі, що характерно для відновних умов, про які свідчить підвищена лужність (7,8 мг-екв/дм3) та відсутність нітратів.

Найбільш чітка обернена залежність простежується між вмістом заліза у воді та аніонів хлору.

Обернена залежність вмісту заліза від вмісту сульфатів свідчить на користь висновку, що переважає водообмін залізовміщуючих вод саме у відновних умовах.

Очевидно, що ідентифіковані гідрохімічним методом джерела надходження розчиненого заліза до водозаборів не дають підстав для обґрунтування інших заходів щодо мінімізації його вмісту у підземних водах, крім їх очищення методом окиснення шляхом спрощеної аерації повітрям. При цьому відбувається окиснення розчинного двовалентного заліза Fe2+ до  тривалентного Fe3+, яке утворює нерозчинні, великі полімолекулярні колоїди  гідроксиду заліза Fe(ОН)3:

Fe2+ ® Fe3+ + е-                                            (1)

2О + Fe2+ ® Fe3+ + е- +3Н+                      (2)

За присутності у воді кисню відбувається наступна реакція:

4Fe2+ + 8HCO3- + O2 + 2H2O = 4Fe(OH)3¯ + 8CO2­      (3)

Такий процес з задовільною для виробничих потреб швидкістю утворення колоїдів Fe(ОН)3, що вилучаються з води, можливий за наступного складу води:

Ø рН - не менше 6,4;

Ø лужність не менше - 1,35 мг-екв / дм3;

Ø вміст вуглекислоти - до 100 мг / дм3;

Ø вміст сірководню - до 10 мг / дм3;

Ø перманганатна окиснюваність - не більше 8,5 мг О2 / дм3.

Таким умовам відповідає склад підземних вод діючих водозаборів м. Шепетівка.

Зараз знезалізнення на водозаборі «Лісова Галявина» виконується за допомогою 5 цеолітних фільтрів методом "Сухої фільтрації" та 3 пінополістирольних установок з модифікованим фільтруючим завантаженням на базі пінополістиролу типу NOVA Dipol Chemical International марок EPS D 733A, D 833 A, D 833 B, D 933 A. Це забезпечує можливість усунення підвищених концентрацій заліза з підземних вод на вході до даного водозабору.

В той же час існує постійна загроза підвищення вмісту органічних сполук болотного походження для водозабору «Кам’янка». У такому випадку це може спричиняти утворення залізо-органічних лігандів [3, 4]:

nFe3++ HL1 + HL2 → [ Fe L1L2]+n, О, -n  + H+                     (4)

де [Fe L1L2]+n,О,-nстійкі фульватні та гуматні комплекси заліза; *L- органічні або неорганічні ліганди, НL -  органічні кислоти, наприклад двохосновні.

Висока вірогідність утворення сполук заліза з гуміновими речовинами:

Fe2+ + 2RCOOH→ R-C(O)-O-Fe-O-C(O)-R + Н+,           (5)

де RCOOH – молекула гумінової кислоти;  R-C(O)-O-Fe-O-C(O)-R – залізо-гумусова сполука.

Органічні форми заліза дуже важко вилучити, оскільки вони знаходяться у розчинній або в мікроколоїдній формі, що не видаляються фільтруванням на прояснювальних фільтрах.

nFe3++ 3xL+ 3mOH- →{m[Fe(OH)3]nFe3+ 3(n-x)L-}3xL       (6)

У таких випадках прийнято застосовувати сильні окисники (О3, Н2О2, КMnО4, НСlО, Cl2), які здатні зруйнувати залізоорганичні комплекси та спричинити утворення нерозчинних сполук заліза. Для існуючих очисних Шепетівського водоканалу це призведе до неможливості знезалізнення такого типу вод існуючими технологіями. Тому закриття водозабору «Кам’янка» є доцільним, як за економічними, так і технологічними оцінками.

Висновок. Таким чином, зростання обсягів водовідбору та об’єктивні геолого-гідрогеологічні чинники обумовлюють стрімке зростання вмісту заліза у водах господарсько-питного призначення основних водозаборів м. Шепетівка. Постійний моніторинг хімічного складу підземних вод і співставлення його результатів по різних свердловинах та в часі дозволяє коригувати технологію водоочищення підземних вод, вибирати найбільш оптимальні, уніфіковані варіанти.

Література:

1. Шевченко А.Л. Связь изменения объемной активности радиоактивных стронция и цезия и концентраций стабильных макрокомпонентов в грунтовых водах осушаемых участков вблизи Ровенской и Хмельницкой АЭС. //Экологические аспекты загрязнения окружающей среды: Тезисы докл. междунар. науч.-практ. конф. (Киев, 26-28.ІІІ. 1996). -К.1996. Ч.1, – С.169.

2. Шевченко О.Л., Кондратюк Є.І., Гудзенко В.В., Заверталюк Т.Ю. Методи досліджень мінеральних підземних вод. Навч. посібник. - К.: ВПЦ «Київський університет», 2011. – 239 с.

3. Квартенко О.М. Багатопроцесорна технологія кондиціонування підземних вод, що містять комплексні залізоорганічні та азот-амонійні сполуки // Проблеми водопостачання, водовідведення та гідравліки: науково-технічний збірник. Випуск 14 К.: КНУБА, 2010. 42-55 с.

4. Чарний Д.В. Обгрунтування доцільності застосування біологічних ситем очищення  підземних вод україни - напрямки розвитку//Меліорація і водне господарство Випуск 99 Київ Аграрна наука 2011. 312-324 с.

Версия для печати
Все права защищены. Полное или частичное копирование материалов запрещено, при согласованном использовании материалов необходима ссылка на ресурс. 
ВебСтолица.РУ: создай свой бесплатный сайт!  | Пожаловаться  
Движок: Amiro CMS