Geum.ru

Подземный источник водоснабжения г. Хабаровска и выбор технологии водоподготовки

Вид материалаДокументы

Содержание


Список литературы
Подобный материал:
ПОДЗЕМНЫЙ ИСТОЧНИК ВОДОСНАБЖЕНИЯ г. ХАБАРОВСКА И ВЫБОР ТЕХНОЛОГИИ ВОДОПОДГОТОВКИ

Кулаков В.В.

Институт водных и экологических проблем Дальневосточного отделения РАН, Хабаровск, Россия


Территория Приамурья входит в провинцию железосодержащих и марганецсодержащих пресных подземных вод артезианских бассейнов гумидной зоны. Установлены региональные мерзлотно-гидрогеологические, гидродинамические условия формирования месторождений пресных подземных вод и гидрогеохимические закономерности изменения состава подземных вод (химического, газового и микробиологического) по площади и на изученную глубину. В регионе преобладают пресные подземные воды на всю глубину изученного разреза (сотни метров).

В артезианских бассейнах региональным распространением в химическом составе подземных вод пользуются железо и марганец, и наблюдается дефицит фтора. Площади распространения подземных вод с повышенными концентрациями железа (до 70 мг/л) и марганца (до 4,5 мг/л) на территории приурочены к артезианским бассейнам и долинам рек, выполненным рыхлыми осадочными отложениями. Необходимо отметить, что именно с водами этого качества, не удовлетворяющего нормативные показатели для питьевых вод и требующего проведения водоподготовки, связаны все крупные месторождения подземных вод территории с обеспеченными эксплуатационными запасами, снабжающие водой крупные города и поселки.

Тунгусское месторождение подземных вод расположено в междуречьи Амура – Тунгуски в 10 км западнее г. Хабаровска [1]. Впервые об использовании его больших потенциальных возможностей для обеспечения хозяйственно-питьевого водоснабжения г. Хабаровска и для переориентации водоснабжения города с поверхностного источника на подземный было предложено в 1989 году.

Месторождение находится в центральной части Среднеамурской депрессии, которая в пределах изученной территории представляет собой однообразную плоскую заболоченную поверхность, образованную поймой рек Амура и Тунгуски и двумя надпойменными террасами.

В геологическом строении (снизу – вверх) принимают участие угленосные нижнемиоценовые отложения ушумунской свиты (алевролиты, аргиллиты, с пластами бурых углей, песков и линзами брекчий) и верхнемиоценовые - четвертичные аллювиальные отложения, представленные песками, гравийниками с галькой и песчаным заполнителем, с включением линз супесей и суглинков (рис.1).




Рис. 1. Гидрогеологический разрез


1 – водоносный верхнемиоценовый-четвертичный комплекс, 2 – водоупорный верхнеплеййстоценовый-голоценовый аллювиальный и озерно-аллювиальный горизонт, 3 – водоносный нижнемиоценовый ушумунский комплекс, 4 – водоупорный палеоценовый бирофельдский горизонт, 5 – граница гидрогеологических подразделений, 6 – уровень подземных вод установленный и предполагаемый (штрих), 7 – скважина и ее номер, слева дебит, л/с, - понижение, м, справа –минерализация воды, мг/л, - температура воды, 0С, 8 – литологический состав пород (сверху – вниз) глигы, песок, гравий, галька, уголь бурый, аргиллит, алевролит, песчаник, конгломерат.

Основной водоносный горизонт в плиоцен-нижнечетвертичных аллювиальных отложениях приамурской свиты на исследованной площади развит повсеместно и перекрыт четвертичными отложениями мощностью от 6 до 18 м. Водовмещающими породами являются пески разнозернистые с гравием и галькой с прослоями глинистых песков и алевролитов. Мощность водоносного горизонта колеблется в пределах 40-50 м. С поверхности залегают покровные суглинки и глины мощностью 5 - 7 м. Подстилается водоносный горизонт приамурской свиты водоупорными глинами и аргиллитами ушумунской свиты.

Подземные воды горизонта слабонапорные или безнапорные. Глубина залегания водоносного горизонта колеблется от 8 до 20 м. По данным многолетних режимных наблюдений установлена активная связь речных и подземных вод.

Дебиты скважин при откачках достигали 50 л/с (4,3 тыс. м3/сутки) при понижениях уровня до 10 м. Удельные дебиты скважин составляют 4 и более л/с*м. Достигнутый водоотбор подземных вод из точки (2-3 скважины) изменялся от 9072 до 10230 м3/сутки.

Водопроводимость водоносной толщи изменяется от 2,5 до 6 тыс. м2/сутки, а средний коэффициент фильтрации составляет 50 – 80 м/сутки.

Расчетная мощность водоносного комплекса при уровне 95 % обеспеченности равна 58 м.

Расчетная величина коэффициента фильтрации для Тунгусского месторождения подземных вод принято в размере 70 м/сутки. Средняя водопроводимость составляет 3920 м2/сутки.

Питание подземных вод водоносной толщи неоген-четвертичных отложений в естественных условиях осуществляется за счет затрудненной инфильтрации атмосферных осадков на площади месторождения, а также – за счет поглощения части поверхностного стока рек Амур и Тунгусска при прохождении на них паводков. Разгрузка подземных вод происходит в русло р. Амура и Тунгусски (скрытая разгрузка). Таким образом, в плане Тунгусское месторождение имеет с севера, востока и юга границы с постоянным напором, проходящими по урезу этих рек. С запада водовмещающую толщу неоген-четвертичных аллювиальных образований на месторождении можно рассматривать, как неограниченный в плане пласт.

Эксплуатационные запасы Тунгусского месторождения подземных вод утверждены в количестве 500 тыс. м3/сутки, из них для первоочередного промышленного освоения - 120 тыс. м3/сутки.

Эксплуатационные запасы подземных вод обеспечиваются привлекаемыми ресурсами поверхностных вод р. Амур. Проектируемый суммарный водоотбор не превышает 3% от минимального зимнего расхода реки 95 % обеспеченности.

Подземные воды Тунгусского месторождения имеют обычный для южных районов Дальнего Востока солевой состав: они мало минерализованы, гидрокарбонатные, имеют малую жесткость, содержат железо и марганец. Температура воды по сезонам года практически не меняется. Водоносный верхнемиоценовый-четвертичный горизонт приамурской свиты пригоден для организации централизованного хозяйственно-питьевого водоснабжения г. Хабаровска. Минерализация подземных вод составляет 200мг/л, по химическому составу воды гидрокарбонатные натриевые. Качество воды соответствует нормативным требованиям, за исключением следующих показателей: содержание общего железа (от 12,3 до 24 мг/дм3), марганца (от 0,38 до 1,46 мг/дм3), бария (от 0,077 до 0,164 мг/дм3) и кремния (от 11,2 до 19,3 мг/дм3). Аномальными показателями являются: очень низкое значение pH находящееся в диапазоне 5,2 - 6,1, очень высокая концентрация растворенной двуокиси углерода (CO2) - 220 - 250 мг/л.

Сравнивая элементный состав воды реки Амур и подземных вод Тунгусского месторождения в районе г. Хабаровска можно отметить значительно более высокие концентрации многих тяжелых металлов и радиоактивных элементов в речной воде. Это свидетельствует о значительной загрязненности р. Амур. Большинство из элементов, которые были установлены в речной воде, никогда ранее здесь не определялись количественными методами.

В связи с этим на месторождении в 1993-96 гг. были выполнены уникальные для России опытно-технологические исследования условий очистки подземных вод как традиционными способами на поверхностных установках, так и геотехнологическим методом – обезжелезивания и деманганации подземных вод непосредственно в водоносном горизонте. Выполненными работами доказана возможность очистки подземных вод от этих компонентов непосредственно в водоносном пласте не только до Российских нормативов (железо – 0,3, марганец –0,1 мг/л), но и до международных норм (железо-0,1, марганец – 0,05 мг/л).

В соответствии с разработанными ТЭО, предложен вариант сооружения на первом пусковом комплексе водозабора установок очистки подземных вод в пласте (геотехнологический метод). По опыту эксплуатации первых 3-4 установок обезжелезивания и деманганации подземных вод в пласте в течение не менее 1 года намечено принять решение о продолжении сооружения таких установок, или о переходе к строительству традиционных станций обезжелезивания и деманганации извлеченной воды на поверхности.

По результатам выполненных технико-экономических сравнений следует отметить преимущество методов обработки воды в пласте по всем сравнимым показателям. Технико-экономические сравнения вариантов очистки подземных вод показывают преимущество подземного способа обезжелезивания и деманганации: себестоимость 1 м3 воды в 2,5 раза меньше при очистке подземных вод в пласте по сравнению с традиционными способами на поверхностных установках.

В историческом плане установлено, что очистка подземных вод от повышенных концентраций железа в водоносном горизонте при использовании их для питьевых нужд населения впервые была применена в Германии [2].

Первые две установки для подземного обезжелезивания построил в Берлине фон Ёстен в 1898 – 1899 годах, который 3.02.1900г. получил патент «Обезжелезивание подземных вод в водоносном пласте».

Известные в настоящее время в Германии технологии SUBTERRA для дуплетных скважин и FERMANOX для одиночных скважин (более 4650 установок) широко используются в водоснабжении для очистки подземных вод.

Способ обезжелезивания подземных вод в пласте, названный как технология VYREDOX (многоскважинные установки), был разработан и запатентован в Финляндии в 1969г, и дальнейшее развитие получил в Швеции, хотя подобные установки работали в Германии еще в 1932 году.

В СССР с 1980 года во ВНИИ ВОДГЕО проводились комплексные гидрогеохимические и технологические исследования по обезжелезиванию подземных вод в пласте на ряде водозаборов Прибалтики и Европейской части. В 1985 году эта технология внутрипластовой очистки подземных вод была принята межведомственной экспертной комиссией ГКНТ СССР, согласована в Минздраве СССР и рекомендована к широкому внедрению.

Технология обезжелезивания и деманганации подземных вод в водоносном пласте – как и классическая наземная – заключается в поэтапном окислении растворенных в воде двухвалентных железа и марганца и переводе их в труднорастворимые формы трехвалентного железа и четырехвалентного марганца с их последующим удалением путем фильтрации [3].

Подземная технология очистки воды – точно так же как и традиционная технология – носит комплексный характер и состоит из целого ряда физико-химических, катионообменных и микробиологических процессов, которые могут влиять друг на друга.

При подземном обезжелезивании на участке около эксплуатационных скважин создаются стабильные зоны (геохимические барьеры), где происходит окисление растворенных в подземных водах железа и марганца и отложение их нерастворимых форм в пласте.

При аэрировании воды воздухом происходит дегазация - удаление избыточных содержаний СО2 и Н2S и насыщение ее растворенным О2. В результате образования гидроокисла железа количество СО2 будет возрастать, т.к. при окислении 1 мг Fе2+ выделяется 1.6 мг СО2. На окисление 1 мг Fe2+ расходуется 0,143 мг О2.

В природных условиях величины рН и Eh являются недостаточно высокими, поэтому для окисления железа и марганца требуется жизнедеятельность специальных бактерий. Эти железо- и марганцеокисляющие бактерии обладают способностью использовать окисление железа и марганца в качестве источника энергии для обмена веществ. Бактерии, которые в качестве источника энергии могут использовать как железо, так и марганец, должны окислить в 6 раз больше марганца, чем железа для получения того же количества энергии. Чем ярче у бактерий выражена склонность к окислению марганца, тем больше их потребность в органическом углероде (вместо двуокиси углерода), являющимся источником углерода, необходимого для роста и размножения железобактерий.

Биохимические окислительно-восстановительные реакции весьма сходны с химическими, но имеют и отличительные черты. Катализируемые ферментами, вырабатываемыми живой клеткой, они способны протекать в отсутствие высоких температур, в то время как для осуществления ряда химических реакций требуются высокие температуры.

Теоретически окисление Mn в воде кислородом может происходить при рН в пределах 9 - 9,5. Фактически окисление и осаждение марганца при размножении микрооорганизмов в подземных водах происходит уже при рН равном 5,8-6,5.

Железобактерии могут развиваться в среде, не содержащей органических веществ. На 1г синтезированного ими клеточного вещества они окисляют 279 г двухвалентного железа с образованием 534 г Fe(OH)3. Соотношение между окисленным железом и ассимилированным из углекислоты углеродом (500:1) показывает, какое большое количество гидроокиси железа образуется при автотрофном росте. Гидроокись железа после отмирания бактерий служит материалом для заполнения порового пространства. Готовое органическое вещество отмирающих железобактерий используется для синтеза организма гетеротрофными маганецокисляющими бактериями.

Наиболее изученным представителем нитчатых бактерий, накапливающих окислы марганца, является Leptothrix ( Sphaerolutilus ) discofora, но окисление марганца осуществляют также L. Lopholea, L. Pseudoochracea, L. cholodnii, L. sideropus, Crenothrix manganifera, Siderocapsa, Naumanniella. Марганецокисляющие микроорганизмы являются типичными гетеротрофами.

Продукты химических реакций остаются в водоносном горизонте. Теоретические расчеты показывают, что при сроке эксплуатации 100 лет произойдет уменьшение гидравлически эффективного потенциала пор с 0,1 до максимальной величины 9,0 %. Т.е. сроки возможной эксплуатации водоносного пласта при технологии in situ намного превосходят сроки эксплуатации самих скважин.

Для обезжелезивания и деманганации подземных вод в водоносном горизонте применяются односкважинные, дуплетные (двухскважинные) установки циклического действия, а также многоскважинные установки циклического или постоянного действия.

Процесс обогащения подземных вод кислородом воздуха (или закачки-налива аэрированной воды) может осуществляться как непосредственно через эксплуатационные скважины на односкважинных и дуплетных установках, так и через специальные инжекционные (наливные или спутниковые) скважины, расположенные по окружности вокруг каждой эксплуатационной скважины, на многоскважинных установках.

На рис. 2 показан ход измеренных величин Fe и Mn на экспериментальной дуплетной установке обезжелезивания подземных вод в пласте – скважины № 1 и № 2 на Тунгусском месторождении в районе г. Хабаровска. Поскольку период опытно-технологических исследований составил около 4 месяцев, только содержание железа в воде достигло нормативных значений (менее 0,3 мг/л), а концентрации марганца превышали допустимые пределы.

На рис. 3 отражены результаты определения железа и марганца на многоскважинной установке на скважине № 3 на Тунгусском месторождении в районе г. Хабаровска, где нами выполнялись опытно-технологические исследования по очистке подземных вод в пласте. Содержание железа и марганца с природного 20 и 1,2 мг/л, соответственно, понизилось до нормативных значений (менее 0,3 и 0,1 мг/л) через 4 месяца после начала опытных работ.

В Европе эксплуатируется большое количество станций по технологии in situ. При этом явно наблюдается устойчивая тенденция увеличения их количества. 100-летний опыт применения технологии очистки подземных вод в пласте показал, что она имеет по сравнению с традиционной ряд экономических и экологических преимуществ. При низкой себестоимости очистки воды по технологии in-situ, добываемая вода по качеству превосходит имеющиеся (российские/европейские) стандарты для питьевой воды.

Эксплуатация установок полностью в автоматическом режиме упрощает их техническое обслуживание, для которого требуется минимальное количество обслуживающего персонала.


Рис. 2. Ход измеренных величин Fe и Mn на экспериментальной дуплетной установке обезжелезивания подземных вод в пласте типа SUBTERRA – скважины № 1 и № 2





Рис. 3. Концентрации Feобщ. (а) и Mn (б) в воде скважины N 3 на многоскважинной установке обезжелезивания подземных вод в пласте типа VYREDOX


При строительстве водозабора 1 очереди на Тунгусском месторождении [4], производительностью 100 тыс. м3/сутки, принята схема водоподготовки подземных вод в водоносном горизонте с использованием технологии SUBTERRA. На сооруженной в 2007 году пилотной установке, состоящей из 3 эксплуатационных скважин, осуществляется подбор технологического регламента работы скважин водозабора.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Кулаков В.В., Тесля В.Г., Штенгелов Р.С. (2006).Тунгусское месторождение подземных вод Хабаровского водного узла. Сборник докладов 7-го международного конгресса ЭКВАТЭК -2006 «Вода: экология и технология». М., 30.05 – 2.06.2006, Часть 1, 255-256

2. Кулаков В.В. (1997). Процессы изменения качества подземных вод на участках работы установок обезжелезиваиня и деманганации в водоносном пласте. Сб. «Проблемы изучения химического состава подземных вод. 6-е Толстихинские чтения». С.- Петербург, 95 – 102

3. Кулаков В.В. (2004)100 лет технологии очистки подземных вод от железа в водоносном горизонте (in-situ). Материалы 6-го международного конгресса ЭКВАТЭК-2004 «Вода: экология и технология». М., 1 – 4.06.2004, Часть 1, 173 – 174

4. Кулаков В.В., Стеблевский В.И. (2007). Перспектива использования подземных вод для водоснабжения г. Хабаровска. Ж. «Водоснабжение и санитарная техника». № 6, часть 2, 38 - 41