С. И. Круглик, инж. (Госстрой России); Е. В. Середкина, В. Г. Тесля, кандидаты техн. наук (ГНЦ РФ НИИ ВОДГЕО); В. В. Фуркайло, начальник цеха ВиК (ИБВВ РАН)

Эксплуатация установок внутрипластовой очистки подземных вод от железа заключается в последовательном переключении водозаборных скважин в режимы закачки и откачки в соответствии с технологическим регламентом, рассчитываемым в зависимости от параметров процесса обезжелезивания в конкретных гидрогеологических и гидрохимических условиях, требуемой производительности водозабора и характеристик водозаборных скважин. Задачей технологических расчетов установок подземного обезжелезивания воды является определение расхода Qзак и продолжительности tзак закачки, а также производительности скважин в режиме откачки Qот, при которых обеспечивается требуемая подача очищенной воды потребителю.

Время защитного действия зоны «зарядки» пласта кислородом, в которой происходит окисление и осаждение железа, определяется из выражения [1-3]:

, (1)

где (2)

- комплексный параметр, характеризующий удельную норму адсорбции кислорода породами пласта; b - стехиометрический коэффициент реакции окисления железа кислородом; sFe - константа скорости окисления железа адсорбированным кислородом; - исходное и допустимое содержание железа в воде.

Из формул (1) – (2) видно, что время защитного действия зоны «зарядки», т. е. время откачки воды с допустимым содержанием железа зависит от размеров этой зоны (объема закачки), расхода откачки, а также от параметров процесса сорбции кислорода и окисления железа. С ростом объема закачки и количества адсорбированного кислорода tот увеличивается, а с увеличением расхода откачки уменьшается. При прочих равных условиях время защитного действия зоны «зарядки» уменьшается с ростом содержания железа в воде.

Диапазон искомых величин, определяемых технологическими расчетами (Qзак, tзак, Qот, tот), является ограниченным. С одной стороны, эти ограничения заложены непосредственно в зависимости (1), с другой стороны, что более существенно, они вытекают из характеристик водозаборных скважин. К последним следует отнести максимально возможные расходы откачки и закачки, определяемые особенностями конструкции скважин, качеством их сооружения, а также гидрогеологическими условиями водозабора.

Иногда требования технологических расчетов являются трудновыполнимыми в силу специфики гидрогеологических условий и реальных возможностей водозаборных скважин. В большей степени это характерно для неглубоких скважин с близким расположением фильтров и статических уровней от поверхности земли. В таких случаях задача выбора оптимального режима эксплуатации водозабора с системой подземного обезжелезивания воды решается экспериментальным путем в период пусконаладочных работ.

Именно с такой ситуацией пришлось столкнуться при пуске в эксплуатацию системы подземного обезжелезивания воды на водозаборе пос. Борок Института биологии внутренних вод (ИБВВ) РАН. Пос. Борок расположен в Некоузском районе Ярославской обл. на берегу Рыбинского водохранилища. Водоснабжение поселка осуществляется за счет эксплуатации подземных вод днепровско-московских водно-ледниковых отложений четвертичного возраста. Водозаборный участок расположен в 2-2,5 км юго-восточнее поселка, в 4-4,5 км от уреза воды Рыбинского водохранилища. Мощность водоносного горизонта в районе водозабора составляет 14-17 м, горизонт безнапорный. Глубина залегания уровня воды от поверхности земли изменяется от 3,5 до 9,5 м. Водовмещающие породы представлены мелкозернистыми песками с коэффициентом фильтрации 12-15 м/сут, покровные отложения мощностью от 3 до 10 м сложены мелкозернистыми песками с прослойками глин, суглинками и супесями с включением валунов и гравия.

По химическому составу подземные воды относятся к гидрокарбонатно-кальциево-натриевому и магниевому типу с общей минерализацией 0,2-0,4 г/л. По всем показателям вода соответствует требованиям СанПиН, за исключением повышенного содержания железа, концентрация которого изменяется по скважинам от 6 до 9,8 мг/л, чаще 6,5–8 мг/л.

Рис. 1. Схема водозабора пос. Борок 1 - скважина и ее номер; 2 - сборный водовод; 3 - распределительный водовод; 4 - насосная станция второго подъема; 5 - узел подготовки закачиваемой воды; 6 - эжектор; 7 - воздухоотделитель; 8 - повысительный насос; 9 - напорный трубопровод; 10 - служебное помещение

Водозабор пос. Борок состоит из семи скважин (рис. 1), расположенных в линейном ряду на расстоянии 250 м друг от друга. Скважины присоединены к единому сборному водоводу, по которому вода подается в два резервуара чистой воды по 1000 м3 каждый, подключенные параллельно. Из резервуара чистой воды вода подается потребителю насосной станцией второго подъема. Суммарное водопотребление поселка оценивается в 1200 м3/сут.

Система подземного обезжелезивания воды включает в себя аэратор (эжектор), безнапорный воздухоотделитель, повысительный насос и распределительный водовод, к которому подключены все скважины (рис. 1). Все оборудование смонтировано в помещении насосной станции второго подъема. В соответствии с рекомендациями гидрогеологов эксплуатационные скважины на водозаборе должны быть оборудованы фильтрами длиной 12 м, т. е. практически на всю мощность пласта. В этом случае средняя производительность скважин составляла бы 600 м3/сут, а удельный дебит –

4 м3/(ч×м). Фактически скважины глубиной от 20 до 34 м оборудованы фильтрами длиной 6 м, установленными в верхней части водоносного пласта. Глубина установки верха фильтра от поверхности земли изменяется от 10 м в скважине № 7 до 18 м в скважине № 1 при статическом уровне, соответственно, 3,5–9,5 м. Максимальное понижение уровня в скважинах при установке насоса над фильтром составляет 5-7 м.

Проектирование водозабора с системой подземного обезжелезивания воды осуществлялось ГипроНИИ по рекомендациям НИИ ВОДГЕО, который в дальнейшем не привлекался к согласованию проекта скважин и сопровождению строительных работ. В результате качество пробуренных скважин оказалось весьма низким, а их конструкция не отвечала требованиям, предъявляемым к скважинам установок внутрипластовой очистки. Это выразилось, прежде всего, в создании маломощного контура гравийной обсыпки фильтров (40-50 мм на сторону) с низкой грязеемкостью, оборудовании фильтров длинными отстойниками (4-11 м), отсутствии изолирующего тампона в устьевой части скважин над гравийной обсыпкой.

Комплексное обследование скважин на стадии опытных работ по пробному обезжелезиванию показало, что их удельные дебиты равны 1,2-2,2 м3/(ч×м), производительность скважин не превышает 12–15 м3/ч, а их приемистость находится в пределах 7–10 м3/ч. Кроме того, выяснилось, что напорная закачка в скважины невозможна, так как при создании избыточного давления часть закачиваемого расхода разгружается на земную поверхность по гравийной обсыпке, размывая устье.

Неудовлетворительному состоянию скважин способствовало и то, что они простояли без эксплуатации более 6 лет. В связи с этим по рекомендациям и при участии НИИ ВОДГЕО были проведены реагентные обработки всех скважин, позволившие увеличить их удельные дебиты в 1,5–2 раза. Приемистость скважин с высоким положением статического уровня, на которую необходимо ориентироваться при выборе технологического регламента эксплуатации водозабора, увеличилась до 12 м3/ч (Qзак. макс).

По результатам опытных работ на водозаборе были определены параметры процесса обезжелезивания: x = 6,7 мг/л, sFe =

= 0,0052 (мг×ч/л)-1. При расчетах технологического регламента эксплуатации водозабора исходили из следующих условий: максимальная производительность водозабора Qs - 1200 м3/сут (50 м3/ч); количество эксплуатационных скважин – 7; число скважин, одновременно выводимых на закачку, – 1; среднее содержание железа в подземной воде – 8 мг/л.

Из условия обеспечения заданной производительности водозабора расход откачки из каждой скважины должен составить:

Qот = (Qs + Qзак)/(N-1), (3)

где N – число скважин на водозаборе.

Продолжительность откачки очищенной воды из каждой скважины не должна быть менее:

tот = (N -1) tзак. (4)

Подставляя значения Qoт и toт из выражений (3) и (4) в уравнение (1), получим:

Уравнение (5) имеет решение относительно tзак лишь в том случае, если выполняется условие:

Qзак > Qs/(A-1). (6)

Решая уравнение (5) относительно tзак для различных значений Qзак из диапазона допустимых расходов закачки получим ряд значений tзак и, соответственно, tот и Qот из выражений (3) и (4). При любом значении Qзак и связанных с ним tзак, Qот и tот будет обеспечиваться отбор из каждой скважины воды с допустимым содержанием железа.

Для водозабора пос. Борок решение уравнения (5) представлено в виде графика (рис. 2), на котором выделен диапазон допустимых расходов закачки. При выборе рационального режима эксплуатации установок подземного обезжелезивания воды на скважинах в рыхлых отложениях следует учитывать тот факт, что закачки воды сопровождаются кольматажем фильтра и прифильтровой зоны железистыми осадками, особенно на стадии пусконаладочных работ, когда закачки производятся еще не очищенной водой с высоким содержанием железа. В связи с этим оптимальным является режим, при котором объем закачиваемой воды будет минимальным. Это условие выполняется при Qзак= Qзак.макс, в данном случае Qзак = 12 м3/ч.

Рис. 2. Продолжительность откачки очищенной воды

В то же время на скважинах пос. Борок с высоким положением статического уровня даже небольшое приращение сопротивления прифильтровой зоны за счет кольматажа будет приводить к напорному режиму закачки, что недопустимо в силу уже упомянутых причин. Снижение Qзак приводит к увеличению tзак (рис. 2), а следовательно, объема закачиваемой воды и осадков, откладываемых в прифильтровой зоне.

Изменение расходов закачки в период пусконаладочных работ на водозаборе показало, что ни один из расчетных режимов закачки не выдерживается до конца из-за конструктивных недостатков скважин, в первую очередь из-за низкой грязеемкости фильтров. В связи с этим возможный режим работы установок обезжелезивания был определен экспериментальным путем: Qзак = 9 м3/ч, tот = 10 сут. Тогда по выражениям (3) и (4)

tот = 60 сут, а Qот = 10 м3/ч. При таком режиме объем закачиваемой воды (2100 м3) оказывается ниже требуемого по расчетам (2700 м3), и это отражается на содержании железа в конце цикла откачки, которое возрастает по скважинам до 1–1,5 мг/л. Концентрация железа на входе в резервуары, т. е. в смеси воды со всех скважин, составляет 0,6–0,8 мг/л, а потребителю и на закачку вода подавалась со средним содержанием железа 0,4–0,5 мг/л за счет его доокисления и осаждения в резервуаре чистой воды. С учетом этого эффекта решено было соединить резервуары последовательно, что позволило дополнительно снизить концентрацию железа в подаваемой воде до 0,2–0,3 мг/л.

В таком режиме система подземного обезжелезивания воды на водозаборе пос. Борок работает 7 лет, обеспечивая очистку воды до норм СанПиН. В течение года каждая скважина отрабатывает пять циклов закачек и откачек, на протяжении которых удельный дебит скважин снижается в среднем в 1,5 раза за счет процессов кольматажа фильтров и прифильтровых зон. В большей степени скважины кольматируются в цикле откачки вследствие постепенного роста концентрации железа в откачиваемой воде и постоянного присутствия кислорода в прифильтровой зоне. В результате максимальная производительность отдельных скважин к концу года эксплуатации не превышает 10 м3/ч, поэтому работа всех семи скважин водозабора оказывается оправданной.

В связи с этим обязательными регламентными работами на водозаборе являются ежегодные реагентные обработки скважин для восстановления их производительности. Обработки проводятся в гидродинамическом режиме с использованием слабого раствора соляной кислоты или растворов порошкообразных реагентов. Учитывая большую длину отстойников фильтров скважин, в состав технологического оборудования для обработки входит пакер, изолирующий отстойник от рабочей части фильтра.

В результате ежегодных реагентных обработок удельные дебиты скважин восстанавливаются до первоначальных значений, зафиксированных перед пуском системы обезжелезивания в эксплуатацию. Это является свидетельством того, что кольматаж скважин, имеющий место при эксплуатации установок обезжелезивания, сосредоточивается только в прифильтровой зоне и легко снимается при периодических обработках скважин.

Выводы

При проектировании и строительстве водозаборов с внутрипластовой очисткой воды от железа повышенные требования должны предъявляться к конструкции и качеству сооружаемых скважин, работающих при знакопеременных нагрузках на фильтр. При каптаже рыхлых отложений обязательным условием является оборудование скважин гравийными фильтрами с мощным контуром тщательно подобранной обсыпки.

Технология внутрипластовой очистки воды позволяет на действующих водозаборах подобрать оптимальный режим эксплуатации установок, обеспечивающий требуемую очистку воды в различных гидрогеологических и гидрохимических условиях и на скважинах различной конструкции. Основой для выбора режима эксплуатации установок являются технологические расчеты, выполняемые по данным опытных работ на водозаборе.

Эксплуатация установок подземного обезжелезивания воды сопровождается кольматажом скважин. Железистые осадки сосредоточиваются только на фильтрах и в прифильтровых зонах и легко удаляются слабыми растворами реагентов. В связи с этим реагентные обработки скважин являются обязательными регламентными работами. Их периодичность зависит от конструкции фильтров скважин, режима эксплуатации водозабора, содержания железа в закачиваемой и откачиваемой воде и определяется опытным путем.

Список литературы

1. Алексеев В. С., Коммунар Г. М., Астрова Н. В. Гидрогеологические проблемы регулирования качества подземных вод // Итоги науки и техники: Сер. Гидрогеология. Инженерная геология. 1984. Т. 9.

2. Плотников Н. А., Алексеев В. С. Проектирование и эксплуатация водозаборов подземных вод. - М.: Стройиздат, 1990.

3. Коммунар Г. М.. Тесля

В. Г., Середкина Е. В. Эффективность внутрипластовой очистки подземных вод от железа // Метроном. 1995. № 6; 1996. № 1.