Scientific journal

Advances in current natural sciences

ISSN 1681-7494

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 0,775

Проблемы оценки, нормирования, контроля качества водных ресурсов, питьевой воды и прогноз их изменений – это крупные государственные проблемы, связанные с обеспечением здоровья и благополучия населения как отдельных городов, так и целых регионов со всеми вытекающими социальными, экономическими и экологическими последствиями.

Но универсального рецепта – ни по выбору технологий водоподготовки, ни по системе контроля режимов эксплуатации водозаборов и контролю изменений качества питьевой воды – не существует и быть не может вследствие разнообразия условий создания водозаборов, в том числе на базе подземных вод (гидрогеологические условия залегания, специфика техногенной нагрузки, близость месторождений полезных ископаемых, в том числе нефтяных и газовых месторождений).

Основными отраслями промышленности на территории Ханты-Мансийского автономного округа – Югры (ХМАО-Югры) является добыча и переработка нефти. Несмотря на высокую обеспеченность этого региона водными ресурсами, здесь остро возникает проблема их качественного истощения вследствие загрязнения. Концентрации загрязняющих веществ могут многократно превышать естественный (природный) фон, нарушая функционирование экосистем [1]. Территории, в недрах которых находятся концентрированные скопления углеводородов – нефтяные и газовые месторождения – имеют ряд особенностей. Причиной является способность легких углеводородов и наиболее растворимых в воде других нефтяных компонентов хотя бы в малых количествах преодолевать кажущиеся надежными геологические барьеры – водоупорные горизонты и газонепроницаемые в макромасштабе слои земной коры. Эти явления лежат в основе гидрохимических и атмохимических методов поиска нефтяных и газовых месторождений, когда по присутствию и составу даже микроскопических примесей углеводородов в природных водах и приземных слоях атмосферы судят о наличии в недрах соответствующей территории скоплений углеводородов [2, 3]. В данной работе исследован состав органических примесей в подземных водах, используемых для питьевого водоснабжения, и качество получаемых питьевых вод, в том числе для прогноза их изменений.

Цель исследования: изучение особенностей химического состава органических примесей в подземных и питьевых водах водозаборов на территории ХМАО-Югры и наиболее вероятных путей их поступления в воды.

Материалы и методы исследования

Для питьевого водоснабжения большинства населенных пунктов ХМАО-Югры используют в основном подземные воды атлым-новомихайловского водоносного горизонта Западно-Сибирского артезианского бассейна. По общим характеристикам состава они принадлежат к категории пресных и ультрапресных вод (суммарное содержание минеральных примесей ≤ 0,200 г/л) с повышенным содержанием соединений железа и гуминовых веществ [4].

Исследование состава органических примесей проведено с использованием аттестованных методик, включающих экстракционное извлечение органических веществ из проб воды хлороформом при различных рН среды (≥ 9,0 и ≤ 2,0) с последующим анализом состава полученных экстрактов методами хроматомасс-спектрометрии (ГХ/МС) [5]. Количественные расчеты проведены методом внутреннего стандарта, в качестве которого использовали дейтероаценафтен С12D10.

Исследования проводили с использованием хроматомасс-спектрометра Shimadzu GCMS-TQ8040 (Япония), оснащенного источником электронной ионизации (EI). Условия анализа: кварцевая капиллярная колонка 30 м× 0,25 мм × 0,32 мкм с неподвижной фазой SGE-5. Температурная программа: 50 °С (2 мин) → 290 °С (4 °С/мин), плато при 290 °С (20 мин). Температура инжектора 250 °С, интерфейса – 250 °С, ионизация электронным ударом при энергии электронов 70 эВ, в режиме сканирования полных масс-спектров в интервале 30–450 Да, 3 скана/с. Газ-носитель – гелий, 0,5 мл/мин. Калибровку хроматографической системы осуществляли с использованием смеси н-алканов С6–С40. Идентификацию компонентов проводили по индексам удерживания Ковача, с использованием спектро-структурных корреляций, приемов селективного ионного детектирования и методом библиотечного поиска с использованием библиотеки масс-спектров NIST’17.

Результаты исследования и их обсуждение

Затраты на доведение показателей качества исходной воды до кондиционных в соответствии с гигиеническими или технологическими нормативами зависят прежде всего от качества исходной воды – от компонентного состава и концентрации примесей в ней. В зависимости от состава загрязняющих веществ в исходной воде и нормативных требований к составу очищенной выбирают (или, во всяком случае, рекомендовано выбирать) и технологию водоподготовки.

В исследованных экстрактах идентифицированы и определены содержания более чем 300 представителей насыщенных и ароматических углеводородов, кислот, фенолов, альдегидов и других классов органических соединений. В таблице приведен перечень идентифицированных веществ и усредненные по восьми проботборам характеристики состава органических примесей в питьевых водах г. Сургута и в подземных водах, использованных для получения питьевых. В раздел «Прочие вещества» внесены соединения, которые идентифицированы в более чем 75 % проб. Во всех образцах отмечено повышенное содержание гуминовых веществ, содержание которых достигает 15–20 мг/л. Для всех проб воды наблюдается относительное постоянство состава органики – вариации содержаний идентифицированных веществ в разных пробах не превышали 10–15 % отн. Содержания идентифицированных веществ в исследованных пробах воды значений ПДК не превышают.

При сопоставлении состава проб воды до и после процедур водоподготовки можно отметить, что используемые процессы водоочистки (аэрация воды с последующим фильтрованием) не очень эффективны по отношению к органическим примесям – их содержания снижаются незначительно, но для основной части веществ выходят за интервал погрешностей воспроизводимости.

Во многих литературных источниках сведения о составе органических примесей в подземных водах чрезвычайно лаконичны – за пределами зон локальных аварийных загрязнений они исчерпываются упоминанием о летучих фенолах и углеводородах, которые осторожно квалифицируют как «углеводороды, близкие по составу к нефтепродуктам» [6].

Органические примеси в питьевых и подземных водах

Примечание. Предел обнаружения – 0,001 мкг/дм3. Воспроизводимость ± 10 % отн.

Из таблицы следует, что основная масса идентифицированных органических примесей как в подземных, так и питьевых водах представлена парафинами. При характеристике состава как сырой нефти, так и нефтяных загрязнений в водах принято условно выделять низкомолекулярную составляющую (как суммарное содержание углеводородов с числом атомов углерода в молекуле не более 19) и высокомолекулярную – с числом атомов углерода в молекуле 20 и более.

На рис. 1 представлен пример хроматограммы экстракта органических примесей из пробы питьевой воды. В исследованнных образцах подземных и получаемых из них питьевых вод при детализации состава органических примесей отмечается преобладание высокомолекулярных парафинов с максимумами молекулярно-массовых распределений в области 350–400 а.е.м. (в области С₂₈÷С₃₂) и простирающимися до 560 а.е.м. (до С40) (рис. 1). Характерной особенностью наблюдаемого углеводородного состава как для подземных, так и питьевых вод является отсутствие легких парафинов и других классов углеводородов (молекулярно-массовые распределения начинаются с углеводородов С10–С14).

Относительные содержания легких парафинов (до С20) в подземных водах малы, и составляют не более 3–7 % от суммарного их содержания в экстракте, несмотря на их более высокую растворимость в воде и то, что относительные содержания этих легких углеводородов во всех исследованных нами образцах сырой нефти месторождений ХМАО-Югры составляют от 20 до 75 % отн. [7, 8].

На рис. 2 приведено сопоставление относительной распространенности парафинов в образце нефти одной из скважин Западно-Сургутского месторождения и в экстракте из пластовой воды этой же скважины – преобладание легких углеводородов над тяжелыми в нефти сохраняется и в экстракте из воды, находящейся в контакте с нефтью.

Если дополнительно учесть большую подвижность и лучшую (по сравнению с более высокомолекулярными представителями) растворимость легких парафинов в воде [9], то наблюдаемую картину трудно объяснить фильтрацией углеводородов с поверхности или из нефтеносных горизонтов в зонах с многочисленной перфорацией водоупоров в районе активной нефтедобычи. Следовательно, появление углеводородов в подземных и питьевых водах является следствием не водонефтяного контакта, а других процессов. Например, процессов взаимодействия в системе «вода – вмещающие породы» с высоким содержанием рассеянного органического вещества (РОВ) в нефтегазоносных регионах. В экстракты органических примесей из воды «тяжелые» углеводороды и основная масса других веществ, вероятно, попадают в результате частичного разрушения растворимых в воде высокомолекулярных гуминовых веществ в процессе получения экстрактов.

Рис. 1. Пример хроматограммы по полному ионному току экстракта органических примесей из пробы питьевой воды в системе водоснабжения г. Сургута (помечены пики нормальных парафинов и внутреннего стандарта)

Рис. 2. Хроматограммы по полному ионному току образца нефти (вверху) и экстракта органических примесей из пробы находящейся в контакте с ней пластовой воды (внизу)

Следующий по распространенности класс органических примесей – карбоновые кислоты. Наблюдается близость компонентного состава в исходных подземных водах и полученных из них питьевых. Незначительное увеличение содержаний кислот в процессе водоподготовки можно объяснить возможными окислительными реакциями при интенсивной аэрации воды. Но остается открытым вопрос о том, какие компоненты подверглись окислению, ведь низкомолекулярных примесей, способных участвовать в реакциях окисления, в исходных подземных водах не обнаружено.

Аналогичная картина отмечается и для фенолов. Содержание фенолов в исследованных образцах вод невелико, не превышает нормативов ПДК и увеличивается в процессе водоподготовки. Концентрации ароматических углеводородов, представленных алкилбензолами и нафталинами, незначительны, их содержания далеки от нормативных ограничений, номенклатура их невелика. Обращает на себя внимание тот факт, что содержания ароматических углеводородов увеличиваются в процессе водоподготовки. Если исключить возможность дополнительного загрязнения за счет вымывания ароматики из материалов, с которыми вода контактирует в процессе водоподготовки, то в качестве наиболее вероятного дополнительного источника этого класса примесей в питьевой воде следует рассматривать воздух для аэрации, в котором они могут присутствовать, так как водозаборы в г. Сургуте расположены на территории города вблизи автомагистралей с интенсивной транспортной нагрузкой. Аналогичную картину наблюдали в г. Стрежевом (Томская область), где содержание полициклических углеводородов в воде увеличивалось в процессе водоподготовки [10].

Следует отметить постоянство наблюдаемой картины состава органических примесей в подземных и получаемых из них питьевых водах региона – присутствие и даже преобладание в экстрактах из воды веществ, практически не растворимых в воде высокомолекулярных парафинов. В соответствии с законами физической химии в составе подземных вод наиболее вероятным должно быть присутствие тех органических веществ, которые обладают наибольшей растворимостью. Однако в публикациях научной школы С.Л. Шварцева было показано, что воду, находящуюся в контакте с горными породами, нельзя рассматривать как инертный «растворитель», обоснована необходимость учета неравновесного характера системы «вода – горные породы». Было установлено, что эта система обладает рядом специфических фундаментальных свойств и способна к самоэволюции и самоорганизации, сформулирована необходимость учета участия органического вещества пород в этих процессах и рассмотрены основы геохимии органогенных типов подземных вод [11, 12].

Термодинамически неравновесный характер взаимодействий в системе «вода – вмещающие породы» и специфические формы нахождения воды (так называемые «поровые воды») могут приводить к транспорту высокомолекулярных веществ из богатых органикой пород в подземные воды [13]. Тогда особенности состава органических примесей в хлороформенных экстрактах из проб воды можно объяснить результатом частичного разрушения этой изначально термодинамически неравновесной системы под действием внешних факторов на этапах пробоподготовки – изменения рН среды от исходной (естественной) на первом этапе до рН ≥ 9 и на втором – до рН ≤ 2. При этом на каждом этапе компоненты системы подвергаются дополнительному воздействию со стороны молекул экстрагента – хлороформа.

Термодинамическая неравновесность исходной системы предполагает возможность резкого изменения состояния системы (ее перестройки) и под действием слабых внешних факторов [14], которыми в данном случае являются изменения рН среды и контакт с молекулами экстрагента. Похожий состав органических примесей в водах наблюдается для близких к Сургутскому району территорий – г. Ханты-Мансийска и г. Стрежевого [10].

Заключение

Таким образом, качество воды в исследованных пробах воды удовлетворяет санитарным нормативам, а органические примеси в подземных водах района работ появляются не за счет фильтрации нефтяных компонентов из нефтеносных горизонтов, а являются результатом процессов в неравновесной системе «вода – горные породы».

Преобладание в органических экстрактах из подземных и питьевых вод малорастворимых в воде веществ является следствием известных в гидрогеологии термодинамической неравновесности и особенностей поведения системы «вода – горные породы» в районах с повышенным содержанием органики в породах. Поэтому наиболее вероятными причинами появления парафинов и других органических веществ в подземных водах изученного нефтедобывающего региона являются не последствия водонефтяных контактов и просачивания компонентов нефти в водоносные горизонты из-за нарушений технологии нефтеизвлечения, а процессы переноса высокомолекулярной органики из богатых органическими веществами пород в воды в форме поровых растворов. Особые свойства поровых вод и их необычно высокая растворяющая способность приводят к появлению в подземных водах водорастворимых форм высокомолекулярного органического вещества, вследствие частичной деструкции которых в хлороформенные экстракты попадают высокомолекулярные парафины с низкой растворимостью в воде.