Исследование и разработка методов очистки подземных вод хозяйственно-питьевого назначения непосредственно в пластовых условиях

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ

ДИССЕРТАЦИИ.

Актуальность темы

данной диссертационной работы связана с необходимостью разработки эффективных и экологически безопасных методов очистки подземных вод, предназначенных для хозяйственно-питьевого водоснабжения.

Во многих случаях, добываемые подземные воды могут иметь относительно небольшие отклонения по качеству, не позволяющие использовать их для хозяйственно-питьевых целей без специальной водоподготовки. Например, для многих регионов России и Иордании характерно повышенное содержание в подземных водах, главным образом, железа, а также некоторых других металлов (марганец, аллюминий, кадмий и др.). В связи с этим, остро встает вопрос о дополнительном обезжелезивании и деманганации откачиваемых подземных вод, В данной диссертационной работе рассмотрены методы устранения железа и марганца путем осаждения слаборастворимых гидрооксидов этих металлов внутри эксплуатируемого водоносного горизонта.

ЦЕЛИ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ — заключались в исследовании и разработке эффективных методов очистки подземных вод хозяйственно-питьевого назначения непосредственно в пластовых условиях. В конечном итоге, целью диссертационной была разработка оптимальной технологии очистки подземных вод для централизованных водозаборов, с учетом необходимости минимального экологического воздействия на подземные источники водоснабжения.

ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИИ. В соответствии с поставленными целями решались следующие основные задачи:

1) обобщение и анализ основных представлениях о методах и технологиях очистки и доочистки подземных вод как на поверхности (после их извлечения из земных недр), так и непосредственно в пластовых условиях;

2) анализ особенностей гидрогеохимического поведения железа и марганца при закачке в пласт аэрированной воды;

3) проведение лабораторных и опытных полевых исследований и экспериментов по обезжелезиванию и деманганации подземных вод в пластовых условиях;

4) разработка оптимальной технологии очистки подземных вод, содержащих повышенные концентрации железа и марганца, в пластовых условиях.

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ. Для решения поставленных в диссертации задач выполнен широкий комплекс теоретических, методических, лабораторных и полевых исследований в разнообразных геолого-гидрогеологических условиях.

Методика исследований реализовывалась через:

— сравнительный анализ методов очистки и доочистки подземных вод на поверхности и в пластовых условиях;

— проведение лабораторных работ по оценке окисления железа и марганца в свободной среде;

— выполнение опытно-промышленных экспериментов по обезжелезиванию и демангазации подземных вод в пластовых условиях;

— математическое моделирование связанное с выбором оптимальных параметров очистки подземных вод в односкважинной системе по схеме «закачка-откачка» ;

— теоретическое обобщение материалов и разработка основных подходов к выбору оптимальных технологий обезжелезивания и деманганации в пластовых условиях.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА. В работе получен ряд новых научных результатов, имеющих как теоретическое и методическое, так и практическое значение.

Научная новизна и теоретические результаты работы заключаются в следующем.

1. Исследованы особенности гидрогеохимического поведения железа и марганца в природных водах. В лабораторных условиях получены кривые окисления этих металлов в свободной среде.

2. Экспериментально в полевых условиях выявлены закономерности протекания окисления железа и марганца в пластовых условиях при закачке аэрированной воды по односкважинной схеме «закачка-откачка» .

3. Разработаны методы оптимизации создания каталитической зоны, на которой происходит осаждения гидрооксидов железа и марганца.

ЗАЩИЩАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ.

1. В качестве эффективного и экологически безопасного метода очистки и доочистки питьевых подземных вод на глубинах свыше 50 м предлагается использовать односкважинную систему, работающую по схеме «закачка аэрированной воды — откачка пластовой воды». При этом для ускорения создания каталитической зоны предлагается использовать реагентную закачку щелочи и фильтрацию закачиваемой воды через карбонатный фильтр.

2. После создания каталитической зоны снижение содержания железа в откачиваемых подземных водах носит устойчивый характер. Экспериментально установлено, что в диапазоне от 7 до 22 откачиваемых объемов (по сравнению с закаченным) содержание суммарного железа Бе е снижается не менее чем в 2 раза, по сравнению с его концентрациями в исходной пластовой воде.

3. Характер снижения содержания марганца в откачиваемых водах свидетельствует о протекании процессов вторичной его сорбции на выпадающих гидрооксидах железа как в свободной среде, так и впластовых условиях. При этом, чем больше время контакта растворенного марганца с породами имеющими каталитическую пленку гидрооксидов железа, тем более интенсивно сорбируется Мп +2. Процесс деманганации носит волнообразный характер, параметры которого зависят от сорбционой емкости выпадающих гидроокислов железа и кинетики протекания данного процесса.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ РАБОТЫ. Результаты диссертационной работы могут быть использованы при разработке стратегии очистки и доочи-стки подземных вод в пластовых условиях при решении вопросов обеспеченности населения подземными водами различного целевого назначения, а также при отработке промышленной технологии обезжелезивания и деманганации подземных вод.

РЕАЛИЗАЦИЯ. Результаты научных разработок использованы при решении проблем организации централизованного водоснабжения городов Корчмино и Зеленогорск (Ленинградской обл.). Научно-методические разработки были использованы при проведении крупной региональной работы по оценке обеспеченности населения Северо-Запада РФ подземными водами хозяйственно-питьевого назначения.

АПРОБАЦИЯ. Основные положения диссертационной работы докладывались на научных семинарах и конференциях кафедр общей геологии и промышленной экологии и безопасности жизнедеятельности Российского университета Дружбы народов, СПбГГИна 7-х Толстихинских чтениях (г.С.Петербург).

ПУБЛИКАЦИИ. По теме диссертации опубликовано 2 работы.

Работа была выполнена на кафедрах общей геологии и промышленной экологии и безопасности жизнедеятельности Российского университета Дружбы народов под руководством профессора, академика Международной академии наук экологии и безопасности жизнедеятельности В. Й. Тагасова. В обсуждении результатов работ принимали участие научные сотрудники и преподаватели кафедр, всем им автор выражает глубокую признательность. Особую признательность за постоянное внимание к работе автор выражает научному консультанту доценту, к.г.-м.н. Л. В. Фролову.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Таким образом, основные результаты диссертационной работы сводятся к следующему.

1. Выполнен анализ современного использования водных ресурсов в среднем по земному шару и по отдельным его регионам. Приведенные материалы свидетельствуют о том, что в среднем по земному шару величины использования возобновляемых водных ресурсов превзошли пороговые 10%, за которыми возможно проявление глобальной неустойчивости («кризисом водных ресурсов»). В конкретных регионах и на локальных участках эти величины могут достигать гораздо больших значений. Это может приводить к критическим ситуациям в организации систем водоснабжения. Особенно сложная ситуация возникает в связи с прогрессирующим загрязнением водных ресурсов.

Проведен анализ требований государственных стандартов Иордании и России, а также международного стандарта для питьевых вод. Исследованы основные источники загрязнения подземных вод, которые могут приводить к повышенным содержаниям в них тяжелых металлов.

2. Проведено обобщение и анализ основных представлениях о методах и технологиях очистки и доочистки питьевых подземных вод. Выполнен анализ особенностей гидрогеохимического поведения железа и марганца при закачке в пласт аэрированной воды.

С современных позиций охарактеризовано формирование химического состава подземных вод содержащих повышенные концентрации железа и марганца. Формирование химического состава таких вод происходит в условиях отсутствия кислорода, высоких концентраций двуокиси углерода.

— 93 и низких значений Е11 в пласте, что приводит к выносу железа и марганца из вмещающих пород в подземные воды.

3. Исследованы и проанализированы методы дополнительной очистки или доочистки подземных вод на поверхности, после их извлечения из водоносных горизонтов. Такими методами очистки являются: аэрирование, очистка на быстрых фильтрах, фильтрация через адсорбционные и мембранные фильтры, электро-химические методы очистки и пр. При использовании поверхностных методов очистки возникает множество проблем, главные из которых связаны с необходимостью складирования или захоронения остающегося токсичного фильтрата.

На основе углубленного анализа формирования химического состава подземных вод и геохимического поведения железа и марганца обоснована возможность эффективного применения методов внутрипластовой очистки вод от Бе и Мп. Эта технология, являющаяся альтернативой поверхностным методам водоподготовки на водозаборах подземных вод, рекомендуется для использования в условия северо-западного региона РФ, а также и для других регионов имеющих схожие геолого-гидрогеологические условия.

4. На примере месторождений подземных вод северо-западного региона РФ экпериментально установлено, что наиболее перспективным методом устранения повышенного содержания железа и марганца в подземных водах хозяйственно-питьевого назначения является их обезжелезива-ние и деманганация непосредственно в пластовых условиях.

Для северо-западного региона России примерно 55% разведанных участков месторождений подземных вод требуют при освоении специального обезжелезивания и примерно столько же — деманганации.

— 94.

Полученные, в процессе выполнения экспериментальных опытно-промышленных работ по односкважинной системе (схема «закачка-откачка») на месторождениях «Корчмино» и «Зеленогорское», результаты позволяют говорить о практической отработке технологии создания окисленной зоны с каталитической пленкой. Используя реагентную закачку щелочи и фильтрацию закачиваемой воды через карбонатный фильтр удалось всего лишь за 10 фильтроциклов выйти на устойчивое снижение содержания железа до 0,3 мг/ дм3 (т.е. снижение концентрации общего железа в 2025 раз) при соотношении объемов закачиваемых и откачиваемых вод не менее 3,1 — 3,5. Одновременно удалось снизить содержание марганца в откачиваемых водах примерно в 2 — 2,5 раза.

Характер снижения содержания марганца в откачиваемых водах может свитедельствовать о протекании процессов вторичной его сорбции на выпадающих гидрооксидах железа. При этом, чем больше время контакта растворенного марганца с породами имеющими каталитическую пленку гидрооксидов железа, тем более интенсивно сорбируется Мл. В этих условиях процесс деманганации имеет волнообразный характер, параметры которого будут зависеть от сорбционой емкости выпадающих гидрооксидов железа и кинетики протекания данного процесса.

5. Выполненные теоретико-методические и экспериментальные работы позволили предложить оптимальную технологию проведения очистки в пластовых условиях. На действующих водозаборах, при работе по односкважинной схеме «закачки-откачки», эта технология должна включать следующие главные моменты:

1) проведение опытно-фильтрационных работ на эксплуатационных скважинах, с целью уточнения конкретных значений фильтрационных параметров и состояния прифильтровой зоны скважин.

— 95.

2) проведение экспериментов по окислению в свободной среде, для оценки наличия трудноокисляемых форм железа и марганца и решения вопроса о принципиальной возможности окисления в пластовых условиях;

3) оценка величины минимального объема закачиваемой в пласт аэрированной воды. Данный минимальный объем определяется из необходимости создания гидрохимического барьера на расстоянии 10 и более метров от опытной скважины;

4) выполнение серии фильтроциклов, включая сюда и реагентную закачку, по созданию каталитической зоны, на которой будет происходить высаживание железа и марганца.

— 96.