Обезжелезивание подземных вод в водонасосном пласте
3 декабря в ПО "Минскводоканал" Министерством жилищно-коммунального хозяйства Республики Беларусь и Белорусской водной ассоциацией проведен семинар о проблемах обезжелезивания подземных вод в водонасосном пласте.
Совместную разработку метода обезжелезивания воды в пласте в Беларуси (г. Брест) начали в НИИ ВОДГЕО (Г. М. Коммунар) и Бел КТИГХ (А. Д. Гуринович) еще в 1980 году. За это время многие предприятия Беларуси делали попытки внедрить метод на различных объектах вододобычи. Однако из-за отсутствия должных научных рекомендаций, обоснований и отсутствия квалифицированных кадров практические результаты применения метода не давали положительных результатов - обезжелезивания воды в пласте не происходило. Практики стали сомневаться в эффективности метода, а некоторые - просто его дискредитировать. Вместе с тем межпластовые воды Беларуси повсеместно имеют повышенное содержание железа. Применение установок, предлагаемых москвичами, экономически более выгодно, чем строительство стандартных централизованных станций. К примеру, профессор Г. М. Коммунар предложил в 1995 году за 500 млн белорусских рублей в течение 6 месяцев построить "под ключ" и ввести в эксплуатацию систему обезжелезивания воды в пласте для пос. Майский Могилевской области. Деньги для этого были выделены. Однако неверное мнение об эффективности метода, рекомендуемого профессором Г. М. Коммунаром, толкнули на строительство традиционной станции. В результате выделенные деньги (450 млн рублей) ушли на разработку нового проекта. А 6 млрд рублей, необходимых на строительство, не нашлось. До сих пор строительство станции обезжелезивания не началось.
С целью реабилитации метода Г. М. Коммунара в Беларуси был проведен семинар, на котором профессор поделился 15-летним опытом эксплуатации установок обезжелезивания воды в пласте, накопленным в России. Сегодня мы начинаем публиковать материалы семинара с доклада профессора НИИ ВОДГЕО (г. Москва) Григория Михайловича КОММУНАРА.
Присутствие железа в подземных водах характерно как для Беларуси, так и для многих регионов, и это значительно осложняет решение проблемы водоснабжения, так как при наличии железа в количестве, превышающем 0,3 мг/л, согласно действующим на территории России нормативным документам, вода без предварительной очистки не может быть подана потребителю. К настоящему времени разработано множество различных методов и технологических схем водоподготовки. Однако большинство из предлагаемых (традиционных) методов применимо к системам водоснабжения, когда вода от скважин может быть собрана и обработана на едином централизованном узле, а лишь затем подана потребителю. В тех же случаях, когда водозаборные скважины оказываются рассредоточенными по площади и вода от них подается непосредственно в водопроводную сеть, традиционные решения, основанные на использовании наземных станций обезжелезивания, оказываются практически неосуществимым или, по крайней мере, для их реализации требуются весьма существенные капиталовложения. В подобных ситуациях целесообразно ориентироваться на применение технологии внутрипластовой очистки подземных вод от железа.
Метод обезжелезивания подземных вод в пласте основан на создании в эксплуатируемом водоносном горизонте (в окрестности каждой из скважин водозабора) искусственных окислительных геохимических барьеров. Установки для внутрипластовой очистки подземных вод компактны и просты в изготовлении. Сооружаются такие установки, как правило, непосредственно на водозаборных скважинах и представляют собой набор сооружений по подготовке и подаче в пласт аэрированной воды. Скважины при этом преобразуются как бы в своеобразные станции водоподготовки, и в дальнейшем работа их осуществляется в циклическом режиме по схеме закачка - откачка в соответствии с определенным регламентом.
Регламент по эксплуатации установок обезжелезивания определяется на основе технологического моделирования по методике, специально разработанной для этих целей в ГНЦ РФ НИИВОДГЕО. Такое моделирование осуществляется непосредственно на водозаборных скважинах, что позволяет сразу отрабатывать промышленный режим эксплуатации установок обезжелезивания.
В период закачки в скважину подается кислородсодержащая вода, чем обеспечивается своеобразная "зарядка" водовмещающих пород кислородом (он адсорбируется на горных породах, за счет чего последние приобретают определенную реакционную способность). При этом эффективность процесса обезжелезивания в значительной степени зависит от способности водовмещающих пород к адсорбции кислорода. Более чем 10-летний опыт применения технологии внутрипластового обезжелезивания показал, что норма адсорбции кислорода на скважинах, каптирующих подземные воды из горизонтов, представленных тонко-, мелко- и среднезернистыми песками или слабосцементированными песчаниками, оказывается достаточно высокой. Оценивая эффективность процесса величиной h= W 0/WЗ (где W З - это объем поданной в пласт аэрированной воды, W0 - объем отобранной воды, в котором содержание железа не превышает предельно установленную норму), следует отметить, что в таких условиях практически всегда, независимо от качества подземной воды, удается достичь желаемого результата, т.е. выбрать экономически целесообразный регламент работы установок (см. таблицу).
Сложнее дело обстоит с внедрением данного метода в водоносных пластах, представленных трещиноватыми породами, для которых, как известно, характерна существенная плановая и профильная изменчивость как их фильтрационных параметров, так и емкостных свойств. Поверхность таких пород значительно меньше, чем у пористых сред, в то время как скорости движения воды в порах (кавернах, трещинах) здесь могут быть достаточно высокими. Тем не менее при невысокой для таких гидрогеологических условий производительности скважин здесь также удается получить вполне приемлемые результаты. Так, например, в трещиноватых известняках Московской области установка эксплуатируется уже более 5 лет, а в 1996 г. осуществлено внедрение данного метода на скважинах системы водоснабжения г. Злынки (Брянская область), отбирающих воду из меловых отложений (см. таблицу).
Однако в большинстве случаев производительность скважин, каптирующих подземные воды, приуроченные к трещиноватым коллекторам является достаточно высокой. Так, например, многие скважины Московской, Нижегородской, Брянской и ряда других областей РФ эксплуатируются с расходами порядка 80-160 м3/ч и более. Поэтому проведение исследований по внутрипластовой очистке подземных вод на таких высокодебитных скважинах представляет вполне определенный практический и научный интерес.
Исследования по внутрипластовой очистке подземных вод от железа выполнялись на системе водоснабжения г. Выксы Нижегородской области, где скважинами, рассредоточенными по территории города, каптируются трещиноватые известняки. Производительность скважин в среднем составляет 120 м3/ч. При этом на ряде городских скважин вода удовлетворяет требованиям ГОСТа, в то время как большая часть из них отбирает воду с достаточно высоким содержанием железа - от 1,8-2,0 до 3,5 мг/л.
Производственные эксперименты по внутрипластовой очистке подземных вод проводились на третьей насосной станции, включающей в себя скважины №3 и №3н, располагающиеся на расстоянии 35-40 м друг от друга. Скважины №3 и №3н имеют различную конструкцию (первая вскрывает всю пятидесятиметровую толщу трещиноватых известняков, в то время как вторая обустроена фильтром длиной 10 м, установленным у подошвы пласта), но обе рассчитаны на производительность 120 м3/ч. Выбор этого узла был продиктован в первую очередь тем, что в этих скважинах отмечаются максимальные концентрации железа, соответственно 2,7 и 3,2 мг/л, и, кроме того, при транспортировке от них воды наблюдается интенсивная коррозия водопроводных труб, приводящая к резкому повышению содержания железа в системе водоснабжения. Так, например, в точках сети на расстоянии 150-300 м от третьей насосной станции фиксируются концентрации железа, в 2-2,5 раза превышающие исходные. О том, что подземная вода, отбираемая из скважин №3 и №3н является нестабильной, свидетельствуют также отрицательное значение индекса Ланжелье (J = pH-pHs =7,36--8,0=-0,64) и наличие в воде свободной углекислоты (концентрация которой оценивается в 19 мг/л).
При проведении экспериментов на скважинах системы водоснабжения г. Выксы ставились две задачи: во-первых, необходимо добиться снижения содержания железа в воде и, во-вторых, не допустить ухудшение качества воды в водопроводной сети при ее транспортировке потребителю. Поэтому установка (рис.1), смонтированная на скважинах №3 и №3н , включала в себя два узла: узел подготовки аэрированной воды и узел стабилизационной обработки обезжелезенной воды.
Для подготовки аэрированной воды в схеме, приведенной на рисунке 1, использованы специально разработанные для этой цели эжектор и напорный дегазатор, рассчитанные на производительность 40 м3/ч. Протекая через эжектор, вода насыщается атмосферным кислородом, а при поступлении ее в напорный дегазатор (где происходит разделение водовоздушной смеси) из воды удаляется воздух, а также растворенные в воде газы CО2 и Н2S. Обработанная таким образом вода с концентрацией кислорода 12-15 мг/л направляется в одну из скважин. При этом узел подготовки аэрированной воды работает непрерывно, в то время как скважины №3 и №3н поочередно меняются ролями.
На установке (см. рис.1) было осуществлено несколько контрольных циклов закачка-откачка. В первом цикле закачка производилась в скважину №3н. Аэрации при этом подвергалась пока еще необработанная вода, отбираемая из скважины №3. Закачка продолжалась в течение 85 суток. Во втором цикле закачка в скважину № 3 осуществлялась уже обезжелезенной водой, получаемой из скважины №3н. Продолжительность второго цикла составила два месяца, причем за это время концентрация железа в воде, отбираемой из скважины №3н, изменялась от 0,3 мг/л в начале цикла до 1,2 мг/л в конце откачки. В третьем цикле установка уже вышла на промышленный режим работы. Здесь при откачке из скважины № 3 вода в течение 30 суток соответствовала требованиям ГОСТ "Вода питьевая".
Поскольку скважины №3 и №3н располагаются относительно близко друг от друга, то при работе установки имеет место перехват закачиваемой в пласт аэрированной воды скважиной, работающей в режиме откачки. В условиях такого перехвата расход Q0, отбираемый из скважины, складывается из расхода Q З (который в это время закачивается в пласт) и расхода QП, отбираемого из пласта и подаваемого в сеть (потребителю). При этом в откачиваемой воде может появиться растворенный кислород в количестве О 2 = О 2 * (Q З/Q 0), где О2* - остаточная концентрация кислорода в закачиваемой воде при поступлении ее в рабочую скважину.
Наличие кислорода в откачиваемой воде проявляется двояко. При наличии в воде агрессивной углекислоты и растворенного кислорода процессы коррозии могут заметно интенсифицироваться. В то же время если в подземной воде отсутствует агрессивная углекислота, то за счет кислорода, наоборот, создаются условия, препятствующие коррозии водоводов.
С тем чтобы не допускать эффектов коррозии в схеме водоподготовки, предусмотрен узел стабилизационной обработки воды, включающий в себя реагентную емкость, соединенную с циркуляционным насосом (предназначенным для перемешивания реагента при его растворении), и насос-дозатор, отбирающий реагент из емкости и подающий его в напорный водовод.
Для условий водозабора г. Выксы наиболее приемлем оказался вариант стабилизационной обработки воды с использованием кальцинированной соды.
При подаче воды в сеть с расходом Q П= Q 0-Q З =120-40=80 м 3/ч требуемое количество реагента М = Q П x Щ (где Щ - величина, на которую необходимо изменить щелочность воды, чтобы индекс Ланжелье оказался равным нулю).
Стабилизационная обработка воды позволила полностью предотвратить эффект коррозии, и изменений качества воды в сети уже не наблюдалось.
Применение внутрипластового обезжелезивания не требует большого капитального строительства, приобретения дорогого оборудования и решения вопроса утилизации осадков.
Подготовил Владимир КИНЧИКОВ
Совместную разработку метода обезжелезивания воды в пласте в Беларуси (г. Брест) начали в НИИ ВОДГЕО (Г. М. Коммунар) и Бел КТИГХ (А. Д. Гуринович) еще в 1980 году. За это время многие предприятия Беларуси делали попытки внедрить метод на различных объектах вододобычи. Однако из-за отсутствия должных научных рекомендаций, обоснований и отсутствия квалифицированных кадров практические результаты применения метода не давали положительных результатов - обезжелезивания воды в пласте не происходило. Практики стали сомневаться в эффективности метода, а некоторые - просто его дискредитировать. Вместе с тем межпластовые воды Беларуси повсеместно имеют повышенное содержание железа. Применение установок, предлагаемых москвичами, экономически более выгодно, чем строительство стандартных централизованных станций. К примеру, профессор Г. М. Коммунар предложил в 1995 году за 500 млн белорусских рублей в течение 6 месяцев построить "под ключ" и ввести в эксплуатацию систему обезжелезивания воды в пласте для пос. Майский Могилевской области. Деньги для этого были выделены. Однако неверное мнение об эффективности метода, рекомендуемого профессором Г. М. Коммунаром, толкнули на строительство традиционной станции. В результате выделенные деньги (450 млн рублей) ушли на разработку нового проекта. А 6 млрд рублей, необходимых на строительство, не нашлось. До сих пор строительство станции обезжелезивания не началось.
С целью реабилитации метода Г. М. Коммунара в Беларуси был проведен семинар, на котором профессор поделился 15-летним опытом эксплуатации установок обезжелезивания воды в пласте, накопленным в России. Сегодня мы начинаем публиковать материалы семинара с доклада профессора НИИ ВОДГЕО (г. Москва) Григория Михайловича КОММУНАРА.
Присутствие железа в подземных водах характерно как для Беларуси, так и для многих регионов, и это значительно осложняет решение проблемы водоснабжения, так как при наличии железа в количестве, превышающем 0,3 мг/л, согласно действующим на территории России нормативным документам, вода без предварительной очистки не может быть подана потребителю. К настоящему времени разработано множество различных методов и технологических схем водоподготовки. Однако большинство из предлагаемых (традиционных) методов применимо к системам водоснабжения, когда вода от скважин может быть собрана и обработана на едином централизованном узле, а лишь затем подана потребителю. В тех же случаях, когда водозаборные скважины оказываются рассредоточенными по площади и вода от них подается непосредственно в водопроводную сеть, традиционные решения, основанные на использовании наземных станций обезжелезивания, оказываются практически неосуществимым или, по крайней мере, для их реализации требуются весьма существенные капиталовложения. В подобных ситуациях целесообразно ориентироваться на применение технологии внутрипластовой очистки подземных вод от железа.
Метод обезжелезивания подземных вод в пласте основан на создании в эксплуатируемом водоносном горизонте (в окрестности каждой из скважин водозабора) искусственных окислительных геохимических барьеров. Установки для внутрипластовой очистки подземных вод компактны и просты в изготовлении. Сооружаются такие установки, как правило, непосредственно на водозаборных скважинах и представляют собой набор сооружений по подготовке и подаче в пласт аэрированной воды. Скважины при этом преобразуются как бы в своеобразные станции водоподготовки, и в дальнейшем работа их осуществляется в циклическом режиме по схеме закачка - откачка в соответствии с определенным регламентом.
Регламент по эксплуатации установок обезжелезивания определяется на основе технологического моделирования по методике, специально разработанной для этих целей в ГНЦ РФ НИИВОДГЕО. Такое моделирование осуществляется непосредственно на водозаборных скважинах, что позволяет сразу отрабатывать промышленный режим эксплуатации установок обезжелезивания.
В период закачки в скважину подается кислородсодержащая вода, чем обеспечивается своеобразная "зарядка" водовмещающих пород кислородом (он адсорбируется на горных породах, за счет чего последние приобретают определенную реакционную способность). При этом эффективность процесса обезжелезивания в значительной степени зависит от способности водовмещающих пород к адсорбции кислорода. Более чем 10-летний опыт применения технологии внутрипластового обезжелезивания показал, что норма адсорбции кислорода на скважинах, каптирующих подземные воды из горизонтов, представленных тонко-, мелко- и среднезернистыми песками или слабосцементированными песчаниками, оказывается достаточно высокой. Оценивая эффективность процесса величиной h= W 0/WЗ (где W З - это объем поданной в пласт аэрированной воды, W0 - объем отобранной воды, в котором содержание железа не превышает предельно установленную норму), следует отметить, что в таких условиях практически всегда, независимо от качества подземной воды, удается достичь желаемого результата, т.е. выбрать экономически целесообразный регламент работы установок (см. таблицу).
Сложнее дело обстоит с внедрением данного метода в водоносных пластах, представленных трещиноватыми породами, для которых, как известно, характерна существенная плановая и профильная изменчивость как их фильтрационных параметров, так и емкостных свойств. Поверхность таких пород значительно меньше, чем у пористых сред, в то время как скорости движения воды в порах (кавернах, трещинах) здесь могут быть достаточно высокими. Тем не менее при невысокой для таких гидрогеологических условий производительности скважин здесь также удается получить вполне приемлемые результаты. Так, например, в трещиноватых известняках Московской области установка эксплуатируется уже более 5 лет, а в 1996 г. осуществлено внедрение данного метода на скважинах системы водоснабжения г. Злынки (Брянская область), отбирающих воду из меловых отложений (см. таблицу).
Однако в большинстве случаев производительность скважин, каптирующих подземные воды, приуроченные к трещиноватым коллекторам является достаточно высокой. Так, например, многие скважины Московской, Нижегородской, Брянской и ряда других областей РФ эксплуатируются с расходами порядка 80-160 м3/ч и более. Поэтому проведение исследований по внутрипластовой очистке подземных вод на таких высокодебитных скважинах представляет вполне определенный практический и научный интерес.
Исследования по внутрипластовой очистке подземных вод от железа выполнялись на системе водоснабжения г. Выксы Нижегородской области, где скважинами, рассредоточенными по территории города, каптируются трещиноватые известняки. Производительность скважин в среднем составляет 120 м3/ч. При этом на ряде городских скважин вода удовлетворяет требованиям ГОСТа, в то время как большая часть из них отбирает воду с достаточно высоким содержанием железа - от 1,8-2,0 до 3,5 мг/л.
Производственные эксперименты по внутрипластовой очистке подземных вод проводились на третьей насосной станции, включающей в себя скважины №3 и №3н, располагающиеся на расстоянии 35-40 м друг от друга. Скважины №3 и №3н имеют различную конструкцию (первая вскрывает всю пятидесятиметровую толщу трещиноватых известняков, в то время как вторая обустроена фильтром длиной 10 м, установленным у подошвы пласта), но обе рассчитаны на производительность 120 м3/ч. Выбор этого узла был продиктован в первую очередь тем, что в этих скважинах отмечаются максимальные концентрации железа, соответственно 2,7 и 3,2 мг/л, и, кроме того, при транспортировке от них воды наблюдается интенсивная коррозия водопроводных труб, приводящая к резкому повышению содержания железа в системе водоснабжения. Так, например, в точках сети на расстоянии 150-300 м от третьей насосной станции фиксируются концентрации железа, в 2-2,5 раза превышающие исходные. О том, что подземная вода, отбираемая из скважин №3 и №3н является нестабильной, свидетельствуют также отрицательное значение индекса Ланжелье (J = pH-pHs =7,36--8,0=-0,64) и наличие в воде свободной углекислоты (концентрация которой оценивается в 19 мг/л).
При проведении экспериментов на скважинах системы водоснабжения г. Выксы ставились две задачи: во-первых, необходимо добиться снижения содержания железа в воде и, во-вторых, не допустить ухудшение качества воды в водопроводной сети при ее транспортировке потребителю. Поэтому установка (рис.1), смонтированная на скважинах №3 и №3н , включала в себя два узла: узел подготовки аэрированной воды и узел стабилизационной обработки обезжелезенной воды.
Для подготовки аэрированной воды в схеме, приведенной на рисунке 1, использованы специально разработанные для этой цели эжектор и напорный дегазатор, рассчитанные на производительность 40 м3/ч. Протекая через эжектор, вода насыщается атмосферным кислородом, а при поступлении ее в напорный дегазатор (где происходит разделение водовоздушной смеси) из воды удаляется воздух, а также растворенные в воде газы CО2 и Н2S. Обработанная таким образом вода с концентрацией кислорода 12-15 мг/л направляется в одну из скважин. При этом узел подготовки аэрированной воды работает непрерывно, в то время как скважины №3 и №3н поочередно меняются ролями.
На установке (см. рис.1) было осуществлено несколько контрольных циклов закачка-откачка. В первом цикле закачка производилась в скважину №3н. Аэрации при этом подвергалась пока еще необработанная вода, отбираемая из скважины №3. Закачка продолжалась в течение 85 суток. Во втором цикле закачка в скважину № 3 осуществлялась уже обезжелезенной водой, получаемой из скважины №3н. Продолжительность второго цикла составила два месяца, причем за это время концентрация железа в воде, отбираемой из скважины №3н, изменялась от 0,3 мг/л в начале цикла до 1,2 мг/л в конце откачки. В третьем цикле установка уже вышла на промышленный режим работы. Здесь при откачке из скважины № 3 вода в течение 30 суток соответствовала требованиям ГОСТ "Вода питьевая".
Поскольку скважины №3 и №3н располагаются относительно близко друг от друга, то при работе установки имеет место перехват закачиваемой в пласт аэрированной воды скважиной, работающей в режиме откачки. В условиях такого перехвата расход Q0, отбираемый из скважины, складывается из расхода Q З (который в это время закачивается в пласт) и расхода QП, отбираемого из пласта и подаваемого в сеть (потребителю). При этом в откачиваемой воде может появиться растворенный кислород в количестве О 2 = О 2 * (Q З/Q 0), где О2* - остаточная концентрация кислорода в закачиваемой воде при поступлении ее в рабочую скважину.
Наличие кислорода в откачиваемой воде проявляется двояко. При наличии в воде агрессивной углекислоты и растворенного кислорода процессы коррозии могут заметно интенсифицироваться. В то же время если в подземной воде отсутствует агрессивная углекислота, то за счет кислорода, наоборот, создаются условия, препятствующие коррозии водоводов.
С тем чтобы не допускать эффектов коррозии в схеме водоподготовки, предусмотрен узел стабилизационной обработки воды, включающий в себя реагентную емкость, соединенную с циркуляционным насосом (предназначенным для перемешивания реагента при его растворении), и насос-дозатор, отбирающий реагент из емкости и подающий его в напорный водовод.
Для условий водозабора г. Выксы наиболее приемлем оказался вариант стабилизационной обработки воды с использованием кальцинированной соды.
При подаче воды в сеть с расходом Q П= Q 0-Q З =120-40=80 м 3/ч требуемое количество реагента М = Q П x Щ (где Щ - величина, на которую необходимо изменить щелочность воды, чтобы индекс Ланжелье оказался равным нулю).
Стабилизационная обработка воды позволила полностью предотвратить эффект коррозии, и изменений качества воды в сети уже не наблюдалось.
Применение внутрипластового обезжелезивания не требует большого капитального строительства, приобретения дорогого оборудования и решения вопроса утилизации осадков.
Подготовил Владимир КИНЧИКОВ
Строительство и недвижимость. Статья была опубликована в номере 49 за 1997 год в рубрике вода
