Природные и техногенные особенности загрязнения природных вод мышьяком

Раскрыта проблема мышьяка в питьевых водах, обуславливающая нарушение здоровья людей. Показаны основные пути попадания мышьяка из литосферы в питьевые воды. В земной коре мышьяк содержится в скальных горных породах, откуда он под воздействием процессов выветривания переходит в осадочные горные породы, аллювий и илы. Когда подземные воды проходят через участок земной коры, содержащий мышьяк в виде его минералов, то происходит насыщение вод мышьяком. Представлены химические реакции перехода мышьяка в легкорастворимые формы и основные его соединения в природных водах. Объяснен механизм миграции мышьяка в природных поверхностных и подземных водах. В Бангладеш около 60 млн. жителей используют в качестве питьевой зараженные мышьяком подземные воды и, следовательно, подвержены риску отравления. Детализирована карта мира по риску заражения мышьяком природных пресных вод. Показано, что в Казахстане имеются многочисленные геогенные месторождения и рудопроявления мышьяка, которые естественным путем заражают подземные воды. Только в пределах Восточного Казахстана выявлен Западно-Калбинский рудный пояс, имеющий протяженность около 800 км при ширине 80-100 км, рудные объекты которого представлены золото-арсенопиритовыми (с содержанием мышьяка до 2-5 %) рудами. Кроме того, в Казахстане наблюдается значительная техногенная составляющая загрязнения вод мышьяком, обусловленная влиянием горной промышленности: только в отвалах Усть-каменогорского металлургического комбината уже скопилось свыше 300 тыс. т мышьяковистых минеральных продуктов, с ежегодным их приростом в 11 тыс. т. Описан способ захоронения таких отходов, а также локализации мышьяка из подземных загрязненных вод на техногенных геохимических барьерах.

Отдельные участки земной коры зачастую крайне неоднозначны по своему минералогическому и химическому составу [7, 13, 14], что накладывает определенный отпечаток на состав их покрывающих почв, подземных и поверхностных (речных, озерных и т.д.) вод [6, 11, 12], а также биоты.

В частности, на протяжении тысячелетий мышьяк содержащие и листые отложения (образуемые из разрушенных речными водами и атмосферными осадками горных пород Гималаев) сформировали древнюю равнину в долинахи дельте рек Ганг, Брахмапутра и Мегхна (рис. 1), которая в настоящее время представляет собой довольно густонаселенную(500 млн. жителей) территорию, площадью 700 тыс. км²[24]. При этом необходимо отметить, что равнины,

находящиеся у подножий Гималаев, относятся к числу территорий Земли с наиболее высоким в мире содержанием мышьяка, при средней его концентрация в земной коре -

Рис. 1. Речная сеть Ганга, Мегхна и Брахмапутры

Из мышьяк содержащих аллювиальных отложений этот токсичный элемент (As) попадает в питьевые воды и отравляет использующее их население. При этом в подземных водах обычное содержание мышьяка составляет 0,5-10 мкг/л [22], но в отдельных регионах Земли оно достигает 5 мг/л и более, что способно вызвать серьезное хроническое отравление людей[19]. Результат их употребления: поражение кожи людей, заболевание дыхательной и сердечно-сосудистой систем, возникновение некоторых видов рака, развитие гангрены, а также возможны тяжелые нарушения в работе мозга и организма человека в целом [20].

В 1992 г. было установлено, что в Бангладеш в некоторых близ поверхностных грунтовых водах содержание мышьяка превышает концентрацию 0,05 мг/л [17], что намного превышает норму (0,01 мг/л), допустимую критериями ВОЗ.

На интенсивность поступления мышьяка в поверхностные и подземные воды влияет целый комплекс условий [1]: особенности геохимических обстановок, наличие ионов мышьяка (образующих растворимые комплексы), наличие водопроводящих («живых») разломов [3, 5] и некоторые техногенные факторы. Так, в ходе осуществляемых исследований было установлено, что мышьяк попадает в речные и подземные воды несколькими путями [17].

Во-первых, вымыванием на земную поверхность дождевой водой из приземной атмосферы, куда мышьяк (в среднем 0,03 мкг/л) попадает в результате испарения с поверхности почв, ветровой эрозии, из вулканических эманаций или морских аэрозолей [22], а также в форме пылевых частиц (AS2O3), образующихся при пылении на горных предприятиях [4, 8, 10], сжигании топлив и выплавки руды на металлургических заводах.

Во-вторых, проникновение мышьяка в воду подземного питьевого горизонта происходит за счет окисления различных сульфидов (в том числе и серного колчедана), содержащих в своей минеральной матрице мышьяк [24, 22]. Наиболее часто подземные воды с высоким содержанием As формируются в водоносных горизонтах, сложенных песчано-сланцевыми породами, в которых его концентрация обычно максимальна[15].

Так, массовое выкачивание вод из грунтовых горизонтов жителями Бангладеш свыше 50 лет для своих нужд и полива сельско-хозяйственных посадок, привело к существенному понижению уровня подземных вод [17, 23]. В результате мышьяк содержащие минералы (прежде всего - серный колчедан) и сопутствующие горные породы вступили в прямой контакт с кислородом атмосферного воздуха, который их окисляет.

Также возможно окислении содержащих мышьяк гидроокисей железа под воздействием органического углерода [17]. Кроме того, было установлено, что некоторые бактерии (с помощью специальных ферментов) запускают химические реакции, отцепляя оксиды железа, которые прежде удерживали мышьяк в связанном виде в составе его минералов-носителей [24].

Особая техногенная геоэкологическая ситуация сложилась в дельте р. Ганга, где в 1970-х началось бурение скважин, чтобы люди не пили поверхностную воду, заражённую болезнетворными микроорганизмами [18]. Такие бактериологические проблемы стали появляться в 1960-х гг., когда в странах Юго-Восточной Азии многие поверхностные водные источники оказались заражены патогенными бактериями, т.к.не были защищены от попадания в них не очищенной канализации или сельскохозяйственных стоков [24]. Поэтому в 1969 г. здесь было создано свыше миллиона скважин-колодцев.

При этом большинство скважин были заложены до глубины 50-200 м и заканчиваясь сразу, как только достигали первого слоя воды, не содержащего поверхностных бактерий [24]. Но именно на этой глубине в последствие были обнаружены основные залежи мышьяка в недрах это горегиона, о которых ранее не было известно.

Кроме того, отмечены высокие концентрации мышьяка в поровых водах не консолидированных осадков, а также в рассолах и нефтяных водах [22], что представляет определенную опасность для нефтьдобывающих регионов Казахстана[26] (табл. 1), Северного Кавказа.

Таб.1 Основные показатели качества морской воды при добыче и транспортировке нефти на Каспийском море в Республике Казахстан (данные 2006-2016ГГ.) [18]

Исследователи из Швейцарского федерального института водных наук и технологий (Eawag) разработали карту мира (рис. 2), где была обозначена степень риска попадания мышьяка в грунтовые воды, определенная на основе особенностей имеющихся условий территорий.

Было установлено, что благодаря наличию значительного количества кислорода в поверхностных водах, в сочетании с низким уровнем значения pH, питьевые воды некоторых районов Аргентины, Чили, Китая, Вьетнама, Индии, Бангладеш, Непала, Тайваня, Казахстана, Монголии, северо-запада США и некоторых др. стран попадают в эту группу риска [24].

Рис. 3. Озеро Кобейтуз, Акмолинская область, Казахстан

В Восточном Казахстане Западно-Калбинский рудный пояс (имеющий протяженность около 800 км при ширине 80-100 км) значительно насыщен золото-арсенопиритовыми рудными объектами различного масштаба (с содержанием мышьяка до 2-5 %) [21]: здесь их количество превышает 500, что тоже сказывается на концентрации в природных водах мышьяка.

Кроме того, в Казахстане наблюдается значительная техногенная составляющая загрязнения вод мышьяком, обусловленная влиянием горной промышленности. Так, в отвалах Усть-каменогорского металлургического комбината уже скопилось около 300 тыс. т мышьяковистых продуктов, а ежегодный их прирост составляет 11 тыс. т. Также необходимо отметить, что на уровень загрязненности мышьяком озера Балхаш (занимающего 2-е место по объему в Казахстане) оказывают влияние сбросы ПО "Балхашмыс", со сточными водами которого (объемом 91041 тыс.м³ в год) в этот водоем ежегодно поступает 0,465 т этого элемента [2]. А концентрация мышьяка в водах р. Илек уже превышает допустимую в 400 раз [25]. Кроме того, в поверхностных водах озера Кобейтуз (рис. 3) были установлены довольно высокие (20,7 мг/дм³) концентрации мышьяка.

В России к регионам с повышенным содержанием мышьяка в подземных водах относятся территории [1]: Забайкальского, Пермского, Ставропольского и Хабаровского края, Магаданской и Пензенской областей, а также республик Тува и Дагестан. При этом, на многих этих территориях в артезианских бассейнах наблюдается четко выраженное изменение состава подземных вод (с увеличением концентрации мышьяка) и повышение их минерализации: от областей питания к областям разгрузки.

На территории артезианского бассейна Северного Дагестана, т.е. на северных склонах Главного Кавказского хребта имеют широкое распространение мышьяковистые минералы [22]: реальгар AsS, аурипигмент AS2S3, мышьяковистый колчедан, арсенопирит FeAsS, леллингит FeAs? и др. Такие особенности геологического строения данной территории способствуют формированию в поверхностных и подземных водах многочисленных аномалий по содержанию мышьяка (рис. 4).

Рис. 6. Обзорная карта содержания мышьяка в артезианских водах Северо-Дагестанского бассейна [23]

В настоящее время разработаны несколько технологий по утилизации мышьяка, в зависимости от его фазового состояния и вида соединений.

Так, в ПИИТ РУДН нами разработана перспективная технология локализации мышьяка и других токсичных металлов при миграции загрязненных подземных вод в геологической среде [9], основанная на их осаждении на специально сформированных техногенных геохимических барьерах.

Еще одна технология, получившая практическое применение на предприятиях Усть-Каменогорского металлургического комплекса, базируется на том, что мышьяк, содержащийся в перерабатываемом минеральном сырье, выводится на свинцовом производстве в форме арсената кальция. В последующем на Зыряновском горно-обогатительном комбинате (г. Усть-Каменогорск, Казахстан) получают мышьяк в виде соединения с железом (труднорастворимый минерал скородит). В дальнейшем в ТОО «Казцинк» была разработана технология смешивания мышьяксодержащие отходы (18 тыс. т) с цементом в отношении 1:10, а получаемые бетонные «кубики» захоранивают на полигоне в районе бывшей испытательной площадки «Балапан» (Семипалатинский ядерный полигон), а также в горных выработках Греховского рудника.

В г. Свирске Иркутской области (РФ) для мышьяковых отходов, накопившихся при работе металлургического завода, был построен специальный саркофаг: 15 м в высоту, 50 м в ширину и более 1 км в длину, с вместимостью - 250 тыс. м³[21]. В нем были захоронены 150 тыс. т мышьяковистых огарков, а также все сооружения и оборудование металлургического завода, 16 тыс. т строительного мусора и порядка 40 тыс. т зараженной почвы.

Список литературы

1. Абдулмуталимова Т.О.. Ревич Б.А. Сравнительный анализ содержания мышьяка в подземных водах Северного Дагестана // Юг России: экология, развитие. T 7. N 2, 2012. С. 81-86.
2. Водные ресурсы республики Казахстан и их загрязнители // https://lektsii.org/6-90149.html.
3. Воробьев А.Е.. Дьяконов В.В.. Мадаева М.З., Сулейманов А.М. Водопроводящие разломы горной части Северной Осетии // XIII Международная конференция «Ресурсовоспроизводящие, малоотходные и природоохранные технологии освоения недр». Москва-Тбилиси, M., РУДН. 2014. С. 332-334.
4. Воробьев А.E.. Мадаева М.З. Динамика развития загрязнения поверхностной гидросферы Северной Осетии // Сборник статей VI Международной научно-практической конференции «Инновации в технологиях и образовании». Часть 2. Бслово. КГТУ. 2013. С. 70-71.
5. Воробьев А.E.. Мадаева М.З. Миграция флюидов по активным разломам и зонам трещиноватости Северной Осетии // Материалы XII международной конференции «Ресурсовоспроизводящие, малоотходные и природоохранные технологии освоения недр» Москва (Россия) - Занджан (Иран). M.. РУДН. 2013. С. 761-762.
6. Воробьев А.E.. Мадаева М.З. Основные особенности загрязнения подземных вод пород высокогорных территорий // X международная научно-практическая конференция «Инновации в технологиях и образовании». Ч 1. Белово. Изд-во филиала ун-та «Св. Кирилла и Св. Мефодия». Великово Тырново. Болгария. 2017. С. 50-52.
7. Воробьев А.E.. Мадаева М.З. Петрографические свойства горных пород Северной Осетии и оценка возможных геоэкологических рисков // Сборник научных статей международной научно- технической конференции «Проблемы и пути инновационного развития горно-металлургической отрасли». Часть 1. Ташкент. ТашГТУ. 2014. С. 171-173.
8. Воробьев А.E.. Мадаева М.З. Пылевая нагрузка от горнотехнических дорог Северного Кавказа на биосферу // Материалы III Международной конференции «Горное, нефтяное, геологическое и геоэкологическое образование в XXI веке». Москва - Горно-Алтайск. 2008. - Москва: РУДН. 2008. - С. 172-174.
9. Воробьев А.Е.. Воробьёв К.А.. Мадаева М.З.. Хаджиеев А.А.. Турлуев Р.А-В. Способ захоронения жидких стоков в геологической среде // Патент на изобретение РФ №2713796. 2019.
10. Воробьев А.E.. Побыванец В.C.. Мадаева М.З. и др. Экологическая нагрузка от горноперерабатывающих предприятий Северокавказского региона и обеспечение его промышленной безопасности // Материалы III Международной конференции «Горное, нефтяное, геологическое и геоэкологическое образование в XXI веке». Москва - Горно-Алтайск. 2008. - Москва: РУДН. 2008. - С. 182-185.
11. И Воробьев А.E.. Роман А.Т.. Мадаева М.З. Геологическая деятельность подземных вод // Материалы XI Международной конференции «Рссурсовоспроизводящие. малоотходные и природоохранные технологии освоения недр». 18-21 сснт. 2012 г. - Усть-Каменогорск: ВКГТУ, 2012.-Т. II.-32 с.

1. Воробьев А.E.. Роман А.T.. Мадаева М.З. Подземные воды, их геологическая и гидрогеологическая деятельность // Материалы 11-ой международной конференции: Ресурсовоспроизводящие, малоотходные и природоохранные технологии освоения недр. M., РУДН. 2012. С. 252-255.
2. Воробьев А.Е.. Шамшиев О.Ш.. Мадаева М.З.. Толобаева Н.Т.. Хаджиев А.А. Основные закономерности металлогении мезо-кайнозойских комплексов Южного Тянь-Шаня // В сборнике: Горизонты науки: материаловедение и металлургия / Материалы Международной научно- практической конференции, посвященной 100-летию ФГБОУ ВО "ГГНТУ им. М.Д. Миллионщикова". ГГНТУ. Грозный. 2019. С. 104-111.
3. Воробьев А.Е.. Шамшиев О.Ш.. Мадаева М.З. Структурно-петрографические свойства горных пород высокогорных территорий и особенности загрязнения подземных вод. Монография. Бишкек (Кыргызстан). ИЦ «Текник». 2013. 176 с.
4. Киреева Т.А. Гидрогеохимия. M.. МГУ. 2016.
5. Мельник Л.А.. Бабак Ю.В.. Гончарук В.В. Проблемы удаления соединений мышьяка из природных вод в процессе баромембранной обработки // Химия и технология воды. т. 34. №3. 2012. С. 273-282.
6. Над Бангладеш нависла угроза массового отравления мышьяком // https://yandex.ru/tmbo/newsm.com/s/world/09dcc2002/otravl_banglad.html.
7. Насырова Л.А.. Сафаров А.М.. Максотова А.М. Анализ основных показателей качества морской воды при добыче и транспортировке нефти на Каспии в Республике Казахстан // X международная научно-практическая конференция. 2017. С. 254-256.
8. Откуда мышьяк в бангладешских колодцах? // https://earth-chronicles.ru/news/2011-10-27- 10625.
9. Пакистанцы подверглись воздействию повышенной концентрации мышьяка через загрязненную воду // https://tass.ai/plus-onc/5511809.
10. Парилов Ю.С., Мукаева А.Е. Экологическая безопасность отработки золотомышьяковых месторождений Восточного Казахстана // Геология и охрана недр. № 2 (67). 2018. С. 60-65.
11. Самедов Ш.Г., Ибрагимова Т.П. Загрязнение подземных вод мышьяком равнинной части Дагестана // Экология и промышленность России. T 19. N 5. С. 61-63.
12. Самедов Ш.Г., Ибрагимова Т.И. Экологические аспекты содержания мышьяка в подземных водах равнинной части Дагестана // Труды Института геологии Дагестанского научного центра РАН N 63. 2014. С. 278-281.
13. Смертоносная вода // https://scicntirically.info/publ/7-l-0-260.
14. Химически опасные воды // https://online.zakon.kz/Document/7doc_id= 31200551# pos=3;- 81.
15. Воробьев А.Е., Абдинов Р.Ш.. Воробьев К.А. Вестник Атырауского государственного университета имени Халела Досмухамедова. №4(55)2019, -С.184-201.