Повышенное содержание бора в подземных водах Набережно-Челнинской площади и пути решения этой проблемы для обеспечения водоснабжения г. Набережные Челны

УДК 574

Изложены результаты исследований борсодержащих подземных вод вблизи г. Набережные Челны. Аномалии бора связаны с природными палеоклиматическими особенностями и составом водовмещающих пород. Предложены пути решения питьевого водоснабжения города из защищенных подземных источников.

Ключевые слова: подземные воды, бор, гидрохимия, изотопы, цеолиты, питьевое водоснабжение, Набережные Челны

Набережные Челны – второй по численности город в Республике Татарстан (более 500 тыс. жителей), расположен на левом берегу Нижнекамского водохранилища. В настоящее время водоснабжение Набережных Челнов практически полностью (более 99%) осуществляется за счет поверхностных источников из водохранилища. В условиях интенсивного антропогенного воздействия, оказываемого на бассейн р. Кама и Нижнекамское водохранилище со стороны промышленно-урбанизированной инфраструктуры го6 рода, экологическое состояние поверхностных вод ухудшается. Поэтому обеспечение города Набережные Челны качественной питьевой водой из подземных источников - одна из наиболее актуальных геологических и социальных задач.

По результатам гидрогеологических работ определена перспективность выявления питьевых подземных вод в потребных количествах на Прибрежном участке восточнее г. Набережные Челны (рис. 1).

Качество воды в поисковых скважинах участка соответствует требованиям [1], за исключением высоких содержаний бора, предельно допустимая концентрация (ПДК) которого в питьевых водах не должна превышать 0,5 мг/л. Бор является показателем качества питьевых вод по санитарно-токсикологическому признаку вредности. Отрицательное санитарно-токсикологическое воздействие повышенных концентраций бора при поступлении в организм человека с питьевой водой вызвано раздражающим влиянием на желудочно-кишечный тракт, расстройствами репродуктивной функции, нарушениями углеводного обмена [2].

Содержания бора в подземных водах исследуемого участка изменяются в значительных пределах, часто (до 90% проб) превышая ПДК (рис. 2).

В водах четвертичных образований концентрация бора составляет менее 0,5 мг/л, в верхнеказанском водоносном комплексе - от 0,5 до 1,7 мг/л, в нижнеказанской свите - от 0,34 до 9,04 мг/л при средней концентрации 3,4 мг/л (рис. 3).

Очевидно, что концентрация бора закономерно увеличивается с глубиной, что, вероятно, связано с естественным процессом метаморфизации вод. Повышенные содержания бора отсутствуют в четвертичном аллювиальном комплексе, что указывает на отсутствие техногенного загрязнения «сверху».

Распределение бора в осадочных отложениях зависит от размерности зерен: чем меньше фракция пород, тем выше их бороносность. Средние содержания бора в осадочных поро6 дах пермской формации изученной территории составляют (г/т): песчаники - 41, карбонаты - 15, глины - 83 [3]. Отметим, что глины, алевролиты и мергели составляют более 60% мощности разреза наиболее водообильной нижнеказанской свиты.

Статистическая обработка гидрохимических анализов показала, что содержание бора в подземных водах Набережно-Челнинской площади зависит от минерализации вод, концентраций сульфатов, натрия и калия (коэффициенты корреляции 0,82, 0,83 и 0,87 соответственно). Довольно устойчивые положительные корреляционные связи также прослеживаются между бором и магнием, литием, сероводородом и фтором. Выявленные зависимости могут служить прогнозными признаками распространения повышенных концент6 раций бора на данной территории.

Содержания бора и хлора имеют незначительный коэффициент корреляции, не описываются одним фактором и не группируются по результатам кластеризации. Отсутствие связи данных элементов может указывать на то, что бор не имеет глубинного (подток «снизу») происхождения и не связан с хлоридными рассолами нефтеносных нижне6 каменноугольных и девонских отложений. Поэтому повышенные концентрации бора отвечают, по-видимому, фациальным и палеоклиматическим условиям формирования водовмещающих пород. Так, в казанский век на данной территории господствовал субтропический климат, которому свойственны процессы эвапоритизации. Как известно, скопления бора (включая и месторождения) встречаются именно в эвапоритах из-за их высокой растворимости.

Образование борсодержащих гидрогеохимических провинций связано, как правило, не с высокими концентрациями бора в водовмещающих породах разного возраста, а с формированием определенной химической обстановки, которая является благоприятной для перехода бора из твердой фазы в жидкую и его повышенной миграции [4].

Летом 2016 года из водозаборных скважин участка Прибрежный отобраны пробы подземных вод для проведения изотопных исследований на масс-спектрометре Delta V Plus (КФУ, аналитики Б. И. Гареев, Г. А. Баталин). Для данной территории исследования изотопного состава подземных вод проведены впервые. Между содержанием дейтерия и кислорода существует тесная корреляция [5].

Закономерное распределение изотопного состава осадков в определенных координатах называют глобальной линией метеорных вод или линией Крейга [6]. Результаты исследования изотопного состава отобранных нами подземных вод показали, что воды имеют метеорное происхождение (рис. 4).

Красная пунктирная линия - глобальная линия метеорных вод; красные ромбы - подземные воды исследованного участка Прибрежный; синие кружки - углекислые воды месторождения Фадеевское (Дальний Восток) [7]; зеленые кружки - азотные термы Байкальской рифтовой зоны [8]; желтые кружки - подземные воды водосбора оз. Поянху (Китай) [9]; серые кружки - бювет Святошино.

На сегодняшний день данные об эффективных методах очистки подземных вод с концентрацией бора до 10 мг/л для использования в питьевых целях практически отсутствуют.

Существует небольшое количество способов удаления бора из воды. Так, ПАО «КАМАЗ» использует баромембранную технологию очистки подземных вод от бора при розливе бутилированной воды марки «Совушка». Обратный осмос представляет собой процесс, при котором для разделения растворенных в жидкости веществ используется полупроницаемая мембрана, задерживающая коллоиды, микроорганизмы, ионы солей и пропускающая воду. Размер задерживаемых частиц определяется размером пор мембраны. При низком pH бор находится в виде малодиссоциированной борной кислоты, а при высоком pH - в виде более крупного гидротированного иона. Поскольку борная кислота диссоциирована незначительно, а ион H3BO2 сильно диссоциирован, задержка бора при высоких pH наиболее целесообразна [13]. Для повышения степени очистки от бора в процессах мембранного опреснения растворов необходимо создание оптимальных условий (определенные pH, температура и др.). Мембранами одновременно с ионами солей задерживается в среднем около 40% бора [14]. Учитывая ПДК бора, содержание данного элемента в исходной воде не должно превышать 0,7 мг/л, что в 4,7 раза ниже среднего содержания бора в подземных водах изученной площади.

Селективность мембран можно повысить предварительным подщелачиванием подземной воды до pH = 10611, а затем произвести нейтрализацию щелочи подкислением очищенной водой. В этом случае снижается проницаемость мембран и, следовательно, уменьшается производительность. В связи с этим увеличивается расход исходной воды и образуются большие объемы соленой воды, которая может стать источником вторичного загрязнения. Поэтому использование данного метода очистки для питьевого водоснабжения г. Набережные Челны на побережье Нижнекамского водохранилища может привести к большим экологическим проблемам. (Киев) [10].

Таким образом, с учетом высоких содержаний бора в глинистых породах [3] можно предположить, что стратиграфический и литологический факторы отвечают за повышенные концентрации бора в подземных водах данной территории [11].

В связи с устойчивым ростом использования подземных вод для хозяйственно-питьевого водоснабжения актуальна проблема их очистки от отдельных загрязняющих компонентов, в частности от бора, удаление которого не решает базовая схема водоподготовки и ее разновидности, предусматривающие очистку от марганца и железа.

Проблема удаления бора из воды обусловлена тем, что бор, как правило, в воде находится в виде борной кислоты, которая слабо диссоциирует [12].

Применение для очистки подземных вод комплексообразующих ионитов с высокой избирательной способностью к боркислородным соединениям в настоящее время является наиболее эффективным. Данный способ очистки воды от анионов солей бора основан на ионном обмене с применением высокоселективных анионообменных смол. Существующие смолы (S-108 фирмы Purolite, IRA-473 - Rohm and Haas и др.) эффективно работают в растворах с диапазоном значений pH 6-10 в широком интервале концентраций бора, при температуре в пределах 60°С имеют высокую прочность, химическую стойкость, нетоксичны и эффективно регенерируются.

Ряд активности борселективной смолы следующий: Cl < SO4 < HCO3 < B(OH)4. Поэтому в первую очередь на смоле будут осаждаться анионы солей бора. При этом химический состав воды по главным компонентам практически не меняется, что позволит использовать всю подаваемую воду в питьевых целях [14].

Нами проведен совместный анализ содержаний бора и объема отбора подземных вод для водозабора Комсомольского месторождения (рис. 5), которое расположено южнее г. Набережные Челны. Выявлена зависимость уменьшения содержаний бора с увеличением объема водоотбора из скважин, что может указывать на сокращение концентраций бора при постоянной эксплуатации водозаборных сооружений.

В начале 90-х годов прошлого столетия в Республике Татарстан выявлен новый перспективный (в частности, для водоочистки) вид нерудных полезных ископаемых - природные цеолиты [15]. Уникальным является Татарско-Шатрашанское месторождение с разведанными запасами 88,3 млн. тонн [16].

Природные цеолиты - большая группа близких по составу и свойствам минералов, водные каркасные алюмосиликаты щелочных и щелочноземельных металлов.

Кристаллическая структура цеолитов образована тетраэдрическими группами SiO2 и AlO4, объединенными общими вершинами в трехмерный каркас, который пронизан каналами и полостями (рис. 6).

В них находятся молекулы воды и катионы металлов. Решетка из (Si, Al)O4 тетраэдров имеет большие полости и каналы, молекулы воды с ней слабо связаны, поэтому цеолиты легко отдают свою кристаллизационную воду и обладают способностью к обратимому катионному обмену. Подобная открытая пористая структура цеолитов и определяет их уникальные свойства. Обезвоженные цеолиты приобретают способность адсорбировать внутрь структуры молекулы разных веществ, размер которых не превышает диаметр входных пор. В водной среде цеолиты легко обменивают свои катионы на другие, которые находятся в растворе. В процессах ионного обмена и адсорбции цеолиты избирательно поглощают некоторые ионы или молекулы, в частности, борной кислоты Н3ВО3 (рис. 6). При изменении внешних условий адсорбированные молекулы могут быть удалены, а обменные катионы заменены на другие, в результате чего цеолиты регенерируют и могут работать в многоцикловом режиме. Согласно лабораторным исследованиям Закарпатского цеолитового завода (Украина), степень очистки воды от бора с помощью цеолитовых фильтров составляет 71 % [17].

Сравнение вышеперечисленных методов очистки подземных вод от бора. Несмотря на широкую распространенность баромембарнных технологий, по нашему мнению, следует исключить применение обратного осмоса для очистки подземных вод для г. Набережные Челны из-за образования соленых вод и потенциального загрязнения Нижнекамского водохранилища.

Невысокую степень очистки природных активированных цеолитов от бора компенсирует большое количество недорогого сырья, что позволит использовать его в сорбционных процессах, не предусматривающих регенерацию ионита, и возможность быстрой транспортировки водным путем к Набережным Челнам. На сегодняшний день представляется, что именно использование фильтров, загруженных природным цеолитом для первичной очистки, и борселективной смолы для окончательного удаления бора из подземных вод наиболее целесообразно.

С учетом увеличения интенсивности водоотбора, которая способствует уменьшению концентраций бора (рис. 5), система из цеолитовых фильтров и борселективных смол (рис. 7) может обеспечить г. Набережные Челны качественной питьевой водой из подземных источников.

Выводы:

1 Перспективным для водоснабжения г. Набережные Челны является участок Прибрежный, где подземные воды относятся преимущественно к пресным и слабоминерализованным (общая минерализация от 0,29 до 3 г/л), умеренной жесткости (общая жесткость 3,4-7,1°Ж), гидрокарбонатным магниево-кальциевым.
2. Главной проблемой потенциально питьевых подземных вод Набережно-Челнинской площади является повышенное содержание бора (до 9,8 мг/л при ПДК 0,5 мг/л).
3. Установлены основные факторы и закономерности формирования аномалий бора - природные палеоклиматические особенности и состав водовмещающих пород.
4. Впервые проведенные изотопные исследования в подземных водах подтвердили их метеорное происхождение.
5. Рассмотрены современные методы удаления бора из подземных вод. Наиболее эффективными и экономически выгодными способами являются применение борселективных смол и цеолитовых фильтров.
6. Даны рекомендации по водоочистке, которые могут найти применение при решении важной социальной задачи - снабжения г. Набережные Челны питьевой водой из защищенных подземных источников.

Литература:
1. СанПиН 2.1.4.1074-01. Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения. Контроль качества. - М., 2001. - 62 с.
2. Каспаров А. А., Кирий В. Г. Фармакология и токсикология, № 3. С. 369-372. - 1972.
3. Сунгатуллин Р. Х. Комплексный анализ геологической среды (на примере Нижнекамской площади). - Казань: Мастер- Лайн, 2001. - 140 с.
4. Закутин В.П., Вавичкин А.Ю. Основные особенности геохимии бора в пресных подземных водах. // Геоэкология. Инженерная геология. Гидрогеология. Геокриология. - 2010. - № 1. - 30-39 с.
5. Stable Isotope. Hydrology. Deuterium and oxygen-18 in water сycle. IAEA TRS-210. Vienna: IAEA, 1981. 439 p.
6. Craig H. Isotopic variations in meteoric waters // Science, 1961. N 133. P. 1702-1703.
7. Харитонова Н. А., Челноков Г. А. и др. Изотопный состав природных вод юга дальнего востока России // Тихоокеанская геология. - 2012. - Т. 31. - № 2. - С. 75-86.
8. Замана Л. В. Изотопный состав водорода и кислорода азотных терм Байкальской рифтовой зоны с позиции взаимодействия в системе водпорода // Доклады Академии наук. - 2012. - Т. 442. - № 1. - С. 102-106.
9. Солдатова Е. А. Изотопный состав подземных вод водосборного бассейна озера Поянху (Китай) // Молодежная школа. - 2015. - С. 782-785.
10. Фомин Ю. А. и др. Мониторинг изотопного состава водорода и кислорода природных вод бассейна Днепра (Киев). Збірник наукових праць інституту геохімії навколишнього середовища - 2012. - С. 52-63.
11. Зарипов М. С., Сунгатуллин Р. Х. Бор и питьевые подземные воды Набережно-Челнинской площади // Сборник трудов VII Международного конгресса «Чистая вода. Казань». - Казань: ООО «Новое знание», 2016. - С. 42-45.
12. Савенко А.В. О механизме накопления бора в металлоносных осадках океана // Океанология, 2000. Т. 40. № 2. С. 217-220.
13. Иванова С. А. Разработка технологии очистки природных вод от соединений бора, аммония и железа. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. - Москва, 2015.
14. Алексеев Л. С., Ивлева Г. А., Аль-Амри З. Очистка подземных вод питьевого назначения от бора. - Вестник МГСУ №8, Моск- ва, 2011. - с. 312-315.
15. Якимов А. В., Буров А. И., Тюрин А. Н. и др. Цеолитсодержащие породы Татарстана и их применение. Казань: издательство «ФЭН» АН РТ. - 2001. - С. 5-146.
16. www.zeol.ru (дата обращения: 29.08.2017 г.)
17. www.dpzzz.com/ru (дата обращения: 29.08.2017 г.)

Boron in groundwater and water supply of the city of Naberezhnye Chelny

The results of studies of boron-containing groundwater near the city of Naberezhnye Chelny. Boron anomalies are associated with natural climate characteristics and composition of water bearing rocks. Proposed solutions to the drinking water supply from protected underground sources.

Keywords: groundwater, boron, hydrochemistry, isotopes, zeolites, drinking water, Naberezhnye Chelny.

Zaripov Marat Sagitovich, master of the Department of regional Geology and mineral resources. E-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.

Sungatullin Rafael Kharisovich, doctor of geological-mineralogical Sciences, Professor, Department of regional Geology and minerals.

Kazan (Volga region) Federal University. 420008, Kazan, Kremlyovskaya St., 18.

Журнал «Вода Magazine», №10 (122), 2017 г.