Жовинский Э.Я., член-корреспондент НАН Украины доктор геологических наук профессор
Крюченко Н.О., кандидат геологических наук
Институт геохимии, минералогии и рудообразования НАН Украины, г Киев
Одной из актуальнейших проблем экологии является изучение эколого-геохимического состояния природных вод и определение возможности их использования в питьевых целях.
Особое внимание представляет изучение фтора как одного из активнейших элементов Земли. Изучение закономерностей его распределения в питьевых водах, установление особенностей миграции и концентрации, определения его биологически активных форм является основой для решения целого ряда теоретических и прикладных задач. Это, прежде всего, выявление территорий экологического риска по использованию некондиционных по фтору вод, влияющих на возникновение эндемических заболеваний, разработка принципиально новых технологий по получению вод с кондиционным содержанием фтора.
К сожалению, в настоящее время в Украине для водоснабжения широко используют воды с некондиционным содержанием фтора, что обусловливает появление ряда эндемических заболеваний. Наиболее остро эта проблема стоит на территории Полтавской области.
Полтавская область расположена в центре Днепровского артезианского бассейна, включая бассейны рек Псел, Ворсклы, Хорола и др. Водоносные горизонты, как правило, гидравлически связаны, образуют единый водоносный комплекс и находятся в зоне интенсивного водообмена, мощность которой около 250 м.
Наибольшее практическое значение для водоснабжения имеют пресные воды нижнемеловых (сеноманских), палеогеновых (бучакско-каневских) и частично – четвертичных отложений.
Водоносный горизонт четвертичных аллювиальных отложений расположен в поймах балок. Водосодержащие породы представлены разнозернистыми песками, реже – суглинками и супесями. Мощность водоносных горизонтов 6-10 м. Воды безнапорные, производительность скважин от 0,005 до 18,1 л/с. Однако их использование ограничено из-за сильного загрязнения нитратами.
На северо-востоке территории эрозионной сетью вскрывается обводненная мергельно-меловая толща – меловой водоносный горизонт, глубина которого изменяется от 6,5-125 м – на северо-востоке района до 552 м – на юге. В долинах рек часто выявляют самоизливающиеся скважины. Удельный дебит скважин на водоразделах составляет 0,01-5 л/с, изредка – 10,4 л/с. Мощность водоносного комплекса достигает 25-35 м. Воды пресные и солоноватые, концентрация растворенных солей до 2 г/л. Анионный состав вод однообразен, преобладают гидрокарбонаты. По катионному составу воды преимущественно натриевые, встречаются хлоридные. Воды используют для водоснабжения населенных пунктов преимущественно Диканьского района.
Воды палеогеновых (бучакско-каневских отложений) являются основными для водоснабжения населенных пунктов территории. Глубина кровли водоносного горизонта, в зависимости от рельефа поверхности и структурных особенностей территории, изменяется от 5-25 до 40-60 м, увеличиваясь иногда до 80-90 м, а в районе Полтавы – до 125-150 м. Мощность водосодержащей толщи изменяется от 20-30 до 80 м. Производительность скважин, эксплуатирующих водоносный горизонт, в центральной части района составляет 5-8 м3/ч, иногда 11,8-12,4 м3/ч. На территории области повсеместно встречаются гидрокарбонатно- натриево-магниевые воды (минерализация 0,4-1 г/л). На значительной территории выявлены хлоридно-кальциево-натриевые воды (минерализация 1,5-3 г/л) – в Полтаве, Миргороде, Лубнах, Хороле, Лохвице, Гадяче, Глобине и др., и локально – сульфатно-натриевые воды с минерализацией 1-1,5 г/л (Машевский район). Для питьевых целей эти воды используют в Гребенковском, Глобин ском, Лубненском, Гадячском, Машевском, Карловском и других административных районах.
Щелочной характер вод бучакско-каневских отложений с большим количеством натрия гидрокарбоната и хлоридов способствует извлечению фтора из пород в воду. Химический состав бучакских вод варьирует в широких пределах, для него почти повсеместно характерно невысокое содержание кальция (2-25 мг/л) и магния (4-10 мг/л) и большое количество хлоридов (350-500 мг/л). Минерализация вод горизонта плавно увеличивается с севера на юг. В северо-западной части территории минерализация вод колеблется от 0,5 до 0,9 г/л (гидро- карбонатно-натриевые воды), восточной и северо-восточной части территории – возрастает до 2 г/л (хлоридно-натриевые воды).
Изменение химического состава воды при переходе в более минерализованную, щелочную, хлоридно-натриевую сопровождается уменьшением содержания солей кальция и увеличением концентрации фтора (рис.1).
В целом, всю территорию области условно можно отнести к фтороносной гидрогеохимической провинции, где во многих населенных пунктах питьевые воды характеризуются содержанием фтора от 2,5 до 8,8 мг/л. Обычно увеличение концентрации фтора обусловлено контактом подземных вод с водовмещающими фосфоритсодержащими отложениями бучакского яруса, а также наличием минералов группы галита.
Распределение фтора в водах бучакско-каневского водоносного горизонта представлено на рис. 2.
Одним из основных факторов, определяющих биологическую активность фтора, являются формы его нахождения в природных растворах. Образование различных соединений фтора в значительной степени зависит от химического состава подземных вод, их минерализации, кислотно-основных и окислительно-восстановительных условий, а также состава водовмещающих пород. Все это обусловливает особенности их поступления в организм человека и, соответственно, уровень эндемической заболеваемости (рис.3).
Использование методов математического моделирования позволило установить закономерности распределения активных форм фтора. Авторы впервые установили, что преобладающими формами миграции макроэлементов в подземных водах бучакско-каневских отложений Полтавского полигона являются: кальций – Са2+, СaSO4, СаНСО3+; натрий – Nа+; железо – Fe2+, FeHСO3+, FeCO3, FeSO4+; магний – Мg2+, МgНСO3+, MgSO4; калий – К+; микроэлементов: фтор – F–, MgF+, NaF+; медь – СuСO3, Сu(ОН)2, СuНСO3+; цинк – ZnCO3, Zn2+, Zn(CO3)22-, ZnHCO3+; свинец – PbСO3, Pb(СO3)22-, PbHСO3+.
При определенных соотношениях концентрации типоморфных ионов в природных растворах комплексирование фтора изменяется незначительно. Например, с увеличением концентрации магния в хлоридно-сульфатно-натриево-магниевых водах до 8 % фтора мигрирует в виде комплекса MgF+; для вод с высоким содержанием хлора и натрия отмечено увеличение содержания NaF+ – до 0,52-0,66% и уменьшение CaF+– до 0,04-0,42%. Для вод с повышенным содержанием сульфата и кальция, наоборот, зафиксировано увеличение содержания CaF+ – до 0,8-1,16% и уменьшение NaF+ до 0,08-0,29%. По результатам исследований установлена связь между уменьшением содержания фторид-иона и увеличением содержания фторидов магния и кальция. Учет комплексных равновесных форм фтора, а также кальция и других элементов в подземных водах позволил сопоставить рассчитанную концентрацию фтора и кальция с их реальным распределением в подземных водах и направленность природного процесса в сторону осаждения и перехода в твердую фазу или растворения твердой фазы в природной системе раствор-порода.
Установление активных форм фтора и определение их содержания очень важно для своевременного выявления зон экологического риска и разработки мероприятий по предупреждению возникновения эндемических заболеваний. Характерно, что при поступлении фтора с питьевой водой в организме фтора задерживается на 15-27% больше, чем при его поступлении с пищевыми продуктами. Поэтому содержание активных форм фтора в водах обусловливает возникновение флюороза (при содержании фтора более 1,5 мг/л) или кариеса (менее 0,7 мг/л).
Сегодня на территории Украины выделены 4 основные геохимические провинции с различным содержанием фтора и его соединений. К наиболее загрязненной фтором – четвертой провинции, где содержание фтора в водах составляет более 1,5-3,0 мг/л, относится Полтавская область.
Нами установлено, что в биогеохимическом отношении наиболее активны гидрокарбонатно- хлоридно-натриево-магниевые бескальциевые воды, содержащие фтор в виде простого аниона F– – 98,21%.
Степень и характер эндемической заболеваемости зависит от содержания в питьевой воде активных форм фтора. Наши расчеты показали, что при оценке степени экологического риска целесообразно использовать коэффициент биогеохимической активности, который определяется отношением F–/MgF+ + CaF+ или в целом F–/МеnРn–mm.
В связи с этим одной из актуальнейших проблем при использовании питьевых вод является проблема их очистки от фтора.
Среди методов дефторирования воды наиболее перспективными и экономичными в мире считались методы фильтрования вод через слой активированного оксида алюминия. Предложенные технологические схемы отличаются простотой, возможностью компактного решения станции при планировании, надежностью при эксплуатации. Перспективным для подземных вод считался метод использования природных сорбентов, модифицированных солями алюминия. Однако в последнее время доказано токсичное влияние алюминия, повышенная концентрация которого возникала при использовании указанных технологий. Разработка принципиально новой технологии дефторирования вод позволит решить одну из актуальнейших социально-экологических проблем Украины.