Распространенные загрязнители воды в действующих водозаборах

Качество воды в действующих водозаборах чаще всего ухуд­шается вследствие загрязнения бактериями и вирусами, нефтепро­дуктами, азотсодержащими веществами, сельскохозяйственными ядохимикатами, неорганическими и органическими компонентами промышленных сточных вод, а также неорганическими компонен­тами, характерными для минерализованных природных вод. Сте­пень ухудшения качества воды зависит от интенсивности источни­ков загрязнения, размещения их относительно водозабора и осо­бенностей процесса миграции тех или иных веществ в водоносном горизонте. Неблагоприятные последствия загрязнения воды в зна­чительной мере определяются величиной превышения концентра­ции загрязнителя над ПДК и наличием эффективных способов лик­видации загрязнения и очистки подземных вод.

Нефтепродукты и нефть

Загрязнение подземных вод и водозаборов нефтью и нефтепро­дуктами встречается часто и представляет значительную опасность в связи с большой распространенностью потенциальных источни­ков этого вида загрязнения — территорий предприятий по перера­ботке и хранению нефти, участков нефтедобычи и трасс нефтепро­водов, где утечки и разливы нефти и нефтепродуктов наиболее ве­роятны. Так, в Великобритании из зафиксированных в 1977 — 1978 гг. 989 случаев загрязнения подземных вод на долю нефте­продуктов приходится 381 случай.

В наибольшей степени подвержены загрязнению грунтовые во­ды; появление нефтепродуктов в заметных концентрациях в водо­заборных скважинах, использующих глубокозалегающие напорные воды, встречается реже и обычно является результатом наруше­ния целостности эксплуатационных, разведочных и наблюдатель­ных скважин на газонефтяных месторождениях. Основную часть нефти (90 — 95%) составляют разнообразные углеводороды, а в со­став примесей входят сера, азот и металлы. Плотность нефти и многих нефтепродуктов меньше плотности воды, лишь некоторые сорта мазута и углеводородов имеют более высокую плотность. Вязкость нефти и величина капиллярного натяжения также отли­чаются от соответствующих показателей воды, что определяет не­которые особенности распространения этих веществ в зоне аэра­ции и в верхнем водоносном горизонте. Нефть и большинство неф­тепродуктов с водой не смешиваются, растворимость их относи­тельно невелика. Например, для жидких парафинов и нафтеновых углеводородов она составляет 40 — 150 мг/дм³, что все же во много раз превышает ПДК. Растворимость ароматических углеводородов еще выше и достигает 500 (толуол) и даже 1800 (бензол) мг/дм³. При малом количестве разлившихся нефтепродуктов они оста­ются в зоне аэрации, обволакивая поверхность зерен и трещин в породе, а если достигают капиллярной каймы, то распространя­ются на некоторое расстояние и в горизонтальном направлении. При этом загрязнение грунтовых вод растворимыми углеводорода­ми происходит в результате промывания пород зоны аэрации атмо­сферными осадками. Сезонные колебания поверхности грунтовых вод несколько изменяют высотное положение нефтепродуктов, со­средоточенных в капиллярной кайме, что увеличивает размеры за­грязненной части пород зоны аэрации. Движение нефтепродуктов через зону аэрации сопровождается их частичным расслоением, адсорбцией в породах, биохимическим распадом и испарением. При большом количестве разлившихся нефтепродуктов в процессе вер­тикальной инфильтрации они заполняют всю зону аэрации, капил­лярную кайму и расплываются на поверхности грунтовых вод в виде слоя той или иной толщины. Колебания уровня грунтовых вод приводят к увеличению мощности загрязненных нефтепродуктами пород в водоносном горизонте.

При слоистом строении пород зоны аэрации и водовмещающей толщи форма залегания нефтепродуктов усложняется. На контак­те подземных вод с линзой или слоем нефтепродуктов последние могут переходить в подземные воды в эмульгированном виде; на всей поверхности контакта нефтепродуктов с инфильтрующимися и подземными водами происходит вынос из них растворимых угле­водородов. Эмульгированные и растворенные углеводороды вместе с потоком подземных вод мигрируют в водоносном горизонте в направлении движения подземных вод и могут загрязнять водоза­боры. Линза нефтепродуктов тоже может передвигаться; скорость ее распространения обычно меньше скорости потока подземных вод и зависит от физических свойств нефтепродуктов (вязкость, плотность, поверхностное натяжение) и водовмещающих пород (гранулометрический состав, трещиноватость, проницаемость, со­держание воды).

В водоносном горизонте в процессе анаэробных биохимических реакций происходит окисление нефтепродуктов, которое сопровож­дается развитием резко выраженной восстановительной обстанов­ки. В этих условиях из воды исчезают растворенный кислород и нитраты и уменьшается содержание сульфатов, но появляются ам­моний, сероводород, увеличивается содержание железа, марганца и свободной углекислоты, ухудшаются вкус и запах воды и она становится непригодной для питьевого использования. Такое изме­нение состава воды, кроме того, приводит к кольматации фильтров скважин и зарастанию водоводов и резервуаров, что вызывает не­обходимость обезжелезивания воды. Ухудшение качества подзем­ных вод вблизи участков разлива нефти, по данным Ф. Бирка и С. Форевера, не исчезнет и через 70 лет.

Изменение органолептических свойств воды происходит уже при очень малых содержаниях нефтепродуктов, что предъявляет повышенные требования к точности анализа воды. Определение малых количеств нефтепродуктов в воде, особенно при наличии других загрязнителей органического происхождения, вызывает за­труднения и требует применения разнообразных методов, в том числе спектральных и хроматографических.

Для определения содержания растворенных углеводородов про­бы воды иногда приходится отбирать ниже слоя нефтепродуктов,, залегающих на поверхности водоносного горизонта, и это обстоя­тельство обусловливает необходимость использования специальных пробоотборников, обеспечивающих надежную изоляцию пробы во­ды от нефтепродуктов при спуске и подъеме пробоотборника.

При разливах нефтепродуктов в районе расположения водоза­борных скважин в первую очередь принимают меры по сбору неф­тепродуктов с поверхности земли, а иногда и по удалению верхних, наиболее загрязненных пород на достижимую глубину. После этого проводят длительную откачку загрязненных подземных вод для промывки водоносного горизонта. Такие откачки проводились, на­пример, в Швейцарии, где несколько аварийных разливов нефте­продуктов произошли в непосредственной близости от водозабор­ных скважин. Несмотря на длительную откачку, один из водоза­боров в кантоне Базель все же пришлось закрыть. В другом райо­не Швейцарии в результате катастрофы на дороге на поверхности земли, в 170 м от городского водозабора, были разлиты 10 м³ ди­зельного топлива; из них 2 м³ удалось собрать на месте, а 8 м³ проникли в водоносный горизонт. На месте аварии был вырыт котлован, из которого вывезено 9 тыс. м³ загрязненных пород. По­сле этого котлован был заполнен чистым грунтом. Ниже по пото­ку от места сброса были пройдены скважины и шахта, из которых в течение 15 сут проводилась откачка воды с расходом 30 л/с. Эти мероприятия оказались действенными и защитили городской водо­забор от загрязнения.

По сообщению Г. Баттермана (1983 г.), менее успешными были трехлетние откачки загрязненных нефтепродуктами подземных вод в одном из городов ФРГ в долине Верхнего Рейна. Оставшиеся нефтепродукты продолжали быть источниками легко растворимых ароматических углеводородов, для удаления которых из воды при­шлось проводить усиленную промывку водоносного горизонта и биодеградацию загрязнений. А. Хантер-Блейр в 1978 г. описал за­грязнение подземных вод, которое произошло в Юго-Восточной Англии в результате аварии на нефтехранилище. Хотя площадь разлива составляла всего 500 м² и большая часть нефтепродуктов (дизельное топливо) была сразу собрана, все же 130 м³ проникли в почву и подстилающую толщу пород, сложенную неоднородными трещиноватыми мелами, в которых на глубине 25 м залегают под­земные воды. В 700 м от места аварии находится водозаборная скважина, обеспечивающая водоснабжение части города. Учиты­вая отсутствие альтернативного источника водоснабжения в слу­чае загрязнения водозабора, изучили распределение нефтепродук­тов в породах, после чего через две дренажные скважины провели откачку загрязненных вод. Для очистки откачиваемых вод был разработан метод и сооружена опытная установка. По данным Я. Швома (ЧССР), в одном из водозаборов подземных вод содер­жание углеводородов в воде увеличивалось до 0,18 мг/дм³ вслед­ствие утечки нефтепродуктов из склада горюче-смазочных матери­алов, находящегося в 600 м от водозабора. Для разработки мер по устранению последствий загрязнения подземных вод были про­бурены 26 разведочных скважин, установлены мощность слоя неф­тепродуктов на поверхности грунтовых вод и их концентрация в воде. Затем вблизи места утечки был пробурен перехватывающий ряд из семи скважин глубиной 15 м, оборудованных керамически­ми фильтрами. В каждой из скважин были установлены два насо­са: верхний — для отбора нефтепродуктов и нижний — для от­бора подземных вод. Откачиваемую воду очищали от нефтепро­дуктов. С целью более полного перехвата верхней части загрязнен­ного потока подземных вод, между линией дренажных скважин и водозабором, кроме того, была сооружена защитная траншея дли­ной 600 м и глубиной 4 м, засыпанная щебенкой. В верхней части траншеи до глубины 1 м была уложена трехслойная обсыпка (су­глинок, крупный песок, гравий). В траншее через каждые 100 м размещены дренажные колодцы-скважины глубиной 5 м из пер­форированных бетонных труб большого диаметра. При откачке из этих скважин, выполнявшейся с понижением уровня на 2 м, отби­ралось 100 — 600 м³/сут воды с содержанием углеводородов внача­ле 0,11, а через полгода — 0,01 мг/дм³.

Крупномасштабное загрязнение аллювиального водоносного горизонта и водозабора нефтепродуктами произошло на о-ве Жит­ном, на левобережье р. Дуная [43], в результате утечек на терри­тории нефтехимического комбината и сброса в реку недостаточно очищенных сточных вод. По данным контрольного опробования скважин и колодцев в водоносном горизонте загрязнение распро­странилось на несколько километров, растворенные нефтепродук­ты содержались по всей мощности пласта, а эмульгированные (ма­сла) собирались в верхней части пласта и над уровнем грунтовых вод. По ориентировочным расчетам на поверхности водоносного горизонта накопилось около 100 тыс. м³ нефтепродуктов. Для лик­видации загрязнения помимо мероприятий общего характера, пред­отвращающих дальнейшее поступление загрязнений в подземные воды, запроектированы специальные защитные мероприятия.