Диссертация: Районирование территории Республики Беларусь по применению методов регенерации водозаборов подземных вод

Fe²⁺ + H₂S > Fe S + 2H^ (2. 6)

Концентрация кремнекислоты в подземных водах республики значительно колеблется до 60 мг/л, составляя в среднем 28 мг/л.

Для подземных вод верхнемелового комплекса городов Витебска, Гомеля, Орши характерно увеличение их минерализации, главным образом в результате увеличения концентрации НСО₃^- и Са²⁺. В катионном составе преобладающим является кальций (30 - 140 мг/л), второе место занимает магний (4 - 40 мг/л). Максимальное значение концентраций Са²⁺ и Мg²⁺ характерны подземным водам, приуроченным водоносным трещиноватым карбонатным отложениям (г. Гомель и восточная часть области; центральная и восточная часть Могилевской области; г. Витебск, северная и северо - восточная часть области).

На рисунке 2.5 приведено содержание растворенного железа по водозаборным скважинам территории Беларуси [22]. Около 80% пресных вод республики содержат железа в концентрациях, превышающих требования нормативных документов [16,17,18]. В среднем содержание железа для всего комплекса эксплутационных водоносных горизонтов находятся в пределах от 1,2 до 1,6 мг/л.

Повышенное содержание железа в подземных водах рассматривается как отрицательный фактор с точки зрения органолептических показателей воды. Кроме того, этот фактор оказывает решающее влияние на активизацию кольматирующих процессов, приводящих к сокращению продолжительности стабильной работы водозаборных скважин.

Наивысшее содержание железа (до 4,5 - 5 мг/л) отмечено в подземных водах, приуроченных к палеоген-неогеновым водоносным отложениям (водозаборы городов Лельчицы, Наровля, Петрикова, Калинковичи, Речицы, Гомеля и др.).

Рис. 2.5 Карта распространения железа в подземных водах зоны активного водообмена Беларуси.

При изучении возможности кольматажа фильтров скважин на примере водозаборов г. Минска установлено, что скважины г. Минска каптируют воду из двух водоносных горизонтов: верхнего - днепровско-сожского водно-ледникового и нижнего - верхнепротерозойского (отложения валдайской серии). Эксплутационные запасы подземных вод днепровско-сожского водно-ледникового водоносного горизонта более чем в 6 раз превышают запасы верхнепротерозойского [27]. Поэтому из всех скважин 11- ти водозаборов только 6% каптируют воду из верхнепротерозойского водоносного горизонта.

Водовмещающие породы верхнего днепровско-сожского горизонта представлены разнозернистыми песками, гравием, галькой. Горизонт перекрывается сожскими моренными отложениями, а подстилается днепровской мореной, залегает на глубине от 20 до 70 м, его мощность колеблется от 15 до 45 м. Статические уровни устанавливаются на глубине от +1,5 до 33 м, в среднем 12,4 метров, а динамические - от 4,1 до 58 м, в среднем - 19,4 м.

Водоносный валдайский терригенный горизонт верхнего протерозоя представлен разнозернистыми песчаниками, в различной степени трещиноватыми и сцементированными, с прослоями алевролитов.

Мощность этого горизонта колеблется от 20 до 100 м, и залегает на глубине от 220 до 315 м. Статические уровни устанавливаются на глубине от 12 до 43 м, в среднем 25,6 метров, а динамические - от 21,5 м до 65 м, в среднем - 42 м [27].

Химический состав подземных вод г. Минска гидрокарбонатный кальциево-магниевый, минерализация изменяется от 104 до 749 мг/л.

Наиболее вероятные значения параметров химического анализа, полученные статистическим методом, приведены в таблице 2.4

Таблица 2.4

Значения параметров химического анализа воды г. Минска

Значение рН исследуемой воды г. Минска находится в пределах 7,15 - 8,4. В соответствии с классификацией В. В. Иванова и Г. А. Невраева воды являются слабощелочными так как рН находится в пределах 7,2 < рН < 8,5. При таких значениях рН закисное железо мигрирует в ионной форме. Поэтому кольматаж фильтров и прифильтровых зон гидрозакисью железа маловероятен. Но трехвалентное железо будет в форме коллоида или преимущественно даже в виде суспензии, поскольку коагуляция коллоидальной гидроокиси железа в зависимости от солевого состава воды происходит при рН = 6 - 7. Процесс кольматации фильтров соединениями железа будет идти только в окислительной обстановке при наличии в водах кислорода, необходимого для перевода иона железа в трехвалентную форму. Аэрация подземных вод наиболее интенсивно происходит в непосредственной близости от скважины. В отдельных случаях окисление закисного железа происходит за счет кислорода, содержащегося в незначительных концентрациях в воде, при турбулизации потока в гравийной обсыпке и фильтре. Кроме того, насыщенные кислородом безнапорные грунтовые воды могут проникать в напорный пласт через так называемые «гидрогеологические окна» [6].

Содержание сульфатов в подземных водах Минска изменяется в пределах от 0,11 до 98 мг/л. Это указывает на то, что воды по отношению к сульфатам является слабоагрессивной (< 300 мг/л). Содержание в воде сульфатов предполагает выделения осадка на фильтрах в виде малорастворимого сульфата кальция СаSО₄, а также при наличии сульфатредуцирующих бактерий еще и образование сульфидов железа.

Растворенные в воде хлориды являются ускорителями коррозии вследствие разрушающего действия хлор иона (Сl^-) на защитные пленки. Содержание хлоридов в водах г. Минска составляет 1,6 - 211,9 мг/л (табл. 2.4). По отношению к хлоридам вода считается среднеагрессивной.

Низкая окисляемость (0,3 - 8,4 мгО₂/л) свидетельствует о том, что в воде содержится небольшое количество органических веществ.

Таким образом, в результате исследования можно сделать следующие выводы:

1) На территории республики подземные воды, используемые в водоснабжении, в большей части содержат растворенное железо в концентрации, превышающей требования ГОСТ 2874 - 82 «Вода питьевая». Самое высокое содержание растворенного железа (4,5 - 5 мг/л) характерно подземным водам палеоген - четвертичного отложения (южная, юго-восточная часть республики).

Показатель Ризнера ( >9) по шкале Ризнера указывает на высокую коррозионную способность воды. Кольматаж в этом районе в большей степени обусловлен отложением продуктов коррозии на ячейки фильтра.

2) По всей территории республики значения рН подземных вод находится в пределах от 6,6 до 8,2. В таких условиях трехвалентное железо откладывается на фильтрах, в водоподъемном оборудовании в форме коллоида, либо суспензии, т.к. коагуляция коллоидной гидроокиси железа происходит в этом диапазоне рН.

3) Подземные воды, приуроченные к меловым и верхнедевонским отложениям способны выделять карбонатные отложения. Индекс насыщения положителен.

Показатель Ризнера лежит в пределах от 6,5 до 7,5. Воды слабокоррозионны. Высокое содержание в воде железа, рН в диапазоне от 6,5 до 8,2 способствует кольматации фильтров соединениями железа.

4) Сероводород, содержащийся в подземных водах, определяет выделение не фильтрах скважин осадков в виде сульфидов.

2.3 Биологический кольматаж скважин и меры по его предупреждению

Процессы химического кольматажа, происходящие в прифильтровых зонах скважин, интенсифицируются биологической деятельностью. Основной причиной этого являются железо-, сульфат- и марганцевые бактерии, которые в нескольких видах присутствуют во всех водоносных породах и подземных водах и в результате жизнедеятельности осаждают железо, марганец и выделяют сероводород из подземных вод. Все организмы, способные осаждать эти компоненты из подземных вод, можно разбить на четыре основные группы [6,24].

Первую группу составляют железо и марганцевые бактерии, способные использовать энергию окисления закисных соединений Fe и Mn по уравнению:

4Fe(НСО₃)₂ + 6 Н₂О + О₂ > 4 Fe(ОН)₃ + 4 Н₂ СО₃ + 4 СО₂ + 58 000 кал. (2.7)

4 MnСО₃ + О₂ > 2MnО +2 СО₂ +76 000 кал. (2.8)

Сюда относятся Leptothrix, Gallionella, Siderococcus и другие железобактерии автотрофного образа жизни, использующие энергию как солнца, так и энергию окисления других веществ. Длина отдельных разновидностей (Leptothrix ochracea) достигает 1 см. Они могут прикрепляться к субстрату и вести плавающий образ жизни, по существу, производя хемосинтез.

Ко второй группе относится ряд гетеротрофных организмов, покрытые слизистой оболочкой, которая может абсорбировать из раствора окисные или закисные соединения, пропитывать их гидратом окиси Fe или Mn. Энергия, выделяющаяся при окислении этих соединений, организмами не используется. Сюда относится ряд нитчатых бактерий из рода Cladothrix.

К третьей группе могут быть отнесены организмы, которые способны использовать органические соединения гуматов железа. Типичный представитель этой группы Siderocapsa treubii. Эти бактерии, используя для своего питания органическую часть гуминового комплекса, осаждают освобождающееся железо на своей поверхности.

К четвертой группе относятся представители высшей водной растительности и нитчатых водорослей, например Conferva. Во время интенсивного фотосинтеза они используют углекислоту бикарбонатов, железа, кальция и марганца. При этом сильно подщелачивается окружающая среда и из раствора выделяются марганец и железо в виде гидратов окиси.

Железобактерии характеризуются следующими физиологическими особенностями: способностью оказывать каталитическое действие на процесс перевода закиси железа в окись, интенсивным выделением огромного количества гидрата окиси железа, основного продукта их окислительной работы. Они обычно не нуждаются в органических питательных веществах, присутствие которых в больших количествах угнетающе действует на их развитие. Все они предпочитают низкую температуру, свет не играет особой роли в жизнедеятельности железобактерий: они лучше размножаются в темноте. Наиболее благоприятная для развития железобактерий слабо - кислая реакция, но они могут развиваться при почти нейтральной реакции.

Необходимыми условиями развития железо- и марганцевых бактерий являются: 1) Величина рН должна находиться в пределах 5,7 - 7,2. 2) Содержание железа Fe²⁺ не должно быть меньше 1,6 мг/л и не превышать 10 - 12 мг/л. 3) Подземная вода должна содержать углекислоту 4) Окислительно - восстановительные условия должны характеризоваться величинами Еh > -10 мВ ± 20мВ, а rH ? 14,5±1. Процесс развития бактерий интенсифицируется с увеличением скорости фильтрации, так как в этом случае увеличивается интенсивность поступления питания (Fe²⁺, Mn²⁺) к бактериям.

С целью уменьшения действия бактерий, для поддержания стабильной работы скважин, необходимо предусматривать профилактические мероприятия. К ним относятся 1) С частотой 1 раз в 3 - 4 месяца предусматривать хлорирование скважин с остаточной концентрацией хлора 5 - 7 мг/л. При этом возможно хлорирование скважин путем подачи воды с хлором из напорного водовода. После введения раствора хлорной извести в скважину целесообразно включить насос на 30 - 50 с и затем отключить его с тем, чтобы обработался не только фильтр, но и прифильтровая зона скважины. 2) Все оборудование включая и насосное, во время бурения скважины, ее ремонта и обслуживания, необходимо перед установкой дезинфицировать, для исключения попадания бактерий в скважину с поверхности земли. 3) Вода, используемая при бурении, очистке и другом обслуживании не должна быть взята из озер или прудов. 4) Обсадная труба скважины должна в обязательном порядке быть водонепроницаемой, сверху герметично закрыта, и выступать над поверхностью земли не менее чем на 0,5 м.

Более устойчивый эффект на длительный период времени обеспечивает установка в фильтре специального источника гамма лучей. В качестве такого источника опробовано применение радиоактивного кобальта и цезия, помещенных в закрытом излучателе [6,24].

Альтернативным и более дорогим методом борьбы с бактериями можно считать применение воды нагретой до температуры + 60⁰ С, и выдерживаемой в скважине в течении 30 минут.

Из всего выше изложенного можно заключить, что для Республики Беларусь в общем и для г. Минска в частности, условия для развития бактерий являются вполне приемлемыми, т. к. величина рН колеблется в пределах от 7 до 8,2, содержание железа лежит в пределах от 1,4 до 12 мг/л, в образцах кольматанта присутствует сульфид железа и наблюдается сокращение в водах иона SО₄ (присутствие сульфатредуцирующих бактерий), а также отмечается разница в количественном содержании сульфида железа и окиси кальция в образцах, взятых с водоподъемного оборудования, и полученных при кислотных образцах.

ГЛАВА 3

РЕМОНТ СКВАЖИН, ОБОРУДОВАННЫХ ФИЛЬТРАМИ, И МЕТОДЫ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ИХ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ

Эффективная работа водозаборов подземных вод при наличии процессов кольматажа возможна только при условии обязательного проведения восстановительных мероприятий. Основное назначение ремонтно-восстановительных работ - поддержание стабильной эксплуатации водозаборных сооружений. Успех этих работ обеспечивается обоснованным выбором межремонтного периода. По мере его увеличения усложняется технология обработки водозаборных сооружений и увеличивается ее стоимость [23,12].