автореферат диссертации по строительству, 05.23.04, диссертация на тему:Очистка подземных вод нефтегазоносных регионов Западной Сибири для целей хозяйственно-питьевого водоснабжения

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ИНЖЕНЕРНО-СТРОИТЕЛЬНЫЙ ИНСТИТУТ

На правах рукописи

АРТЕМЕНОК Николай Дмитриевич

УДК. 628.16.067

ОЧИСТКА ПОДЗЕМНЫХ ВОД НЕФТЕГАЗОНОСНЫХ РЕГИОНОВ ЗАПАДНОЙ СИБИРИ ДЛЯ ЦЕЛЕЙ ХОЗЯЙСТВЕННО-ПИТЬЕВОГО ВОДОСНАБЖЕНИЯ

05.23.04 — Водоснабжение, канализация, строительные системы охраны водных ресурсов

Автореф е р а т диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Санкт-Петербург 1992

Работа выполнена в Новосибирском ордена Трудового Красного Знамени институте инженеров железнодорожного транспорта.

Официальные оппоненты:

Доктор технических наук, профессор Журба М. Г.

Доктор технических наук, профессор Курганов А. М.

Доктор технических наук, профессор Шуберт С. А.

Ведущая организация—ЦНИИЭП инженерного оборудования.

Защита состоится « Я7» ю 1992 г. в 13 час. 30 мин. на заседании специализированного совета Д.063.31.01 в Санкт-Петербургском инженерно-строительном институте по адресу: г. Санкт-Петербург, 198005, 2-я Красноармейская, 4.

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке института.

Автореферат разослан _ 1992 г.

Ученый секретарь совета

РАЗУМОВ И. Ф.

1. ОГ.ЩЛЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ 1.1. Актуальность проблемы

Подземные воды Тюменской и Томской областей,> несмот-I на наличие разветвленной гидрографической сети, явля-гся основным источником для организации водоснабжения родов, и поселков нефтегазоносных районов Западной Сн-фн. Общие эксплуатационные запасы их по региональной [.енке составляют около 124-107 м3 в сутки. На сегодня пользуется лишь незначительная часть этих запасов (около >5-103 м3 в сутки), что составляет менее 0,05%, однако, нн-чюпвное освоение новых районов, строительство объектов юглышлеиного назначения, жнл^я и соцкультбыта в послед-:е время приводят к значительному росту водопотребления. спользование подземных вод объясняется высокой надеж-зстыо и устойчивостью подземного стока, возможностью боге качественной и экономичной их очистки по сравнению с (льнозагрязиенными и труднодоступными поверхностными уточниками.

Для целей хозяйственно-питьевого. водоснабжения, как >авлло, используются подземные воды верхнего гпдрогеодо-[чсского комплекса Западно-Сибирского артезианского бас-:йпа. Воды комплекса развиты практически повсеместно, эдоиосный горизонт представлен тонкозернистыми и сред-, гзернистымн песками, залегающими на глубинах от 50 до 10 м. Качество этих вод находится, в основном, в пределах эебованнй стандарта на пптьевую воду, однако, некоторые з показателей (РеоЛг„, Мп, СОг, СН^, а в отдельных случаях Н4+, фенолы, нефтепродукты) отличаются от ГОСТ 2874—82 ПДК. Практически все ингредиенты, имеют природное про-схождение и лишь присутствие в воде нефтепродуктов в рачительных дозах указывает па их техногенный характер, [рн эксплуатации' станций обезжелезиваиия в гг. Тюмени, [ангепасе, Мегионе,- Сургуте, Новом Уренгое и в других аселенных пунктах (всего более 180 объектов) сбиаруже-ьг существенные недостатки в работе очистных сооружений,

определение причин которых явилось сложной инженерно задачей. Нарушение процессов очистки ог железами марга! ца, быстрая кольматация фильтрующего слоя осадком ра: личной природы и формы, присутствие в воде взрывоопа< пых растворенных газов и др. ингредиентов вызвало пеобх( дпмость гидрогеологического обоснования работы сооружен» водоподготоики и разработки технологии очистки, в полно мере учитывающей эти особенности, В связи с чем актуал! иьш является решение вопросов очистки воды такого спет фнческого состава и происхождения до уровней питьевог стандарта путем создания новых технологических схем, p¿ ботающих в безреагентном режиме, отличающихся высоко надежностью и простотой эксплуатации, обеспечнвающи максимально возможную сохранность качественного состав исходной воды.

Работа выполнялась в соответствии с комплексной прс граммом' «Сибирь» и планом НИР МЖКХ РСФСР- и 1985—1990 гг. в период с 1973 по настоящее время.

1.2. Цель исследования

-Целью исследования является создание инженерных рс шенпй, внедрение в практику водохозяйственного строитель ства принципиально новых безреагентных схем очистки под земных вод с обеспечением существенного экономического . технологического эффекта.

В соответствии с поставленной целью были определен! следующие основные задачи, результаты решения которы. выносятся на защиту.

1.2.1. Обобщение имеющихся данных и организация до шшппельных наблюдений за размещением и качеством под земных вод нефтегазоносных районов Западной Сибири установление специфики формирования их состава, изучеии физико-химических свойств определяющих ингредиентов.

1.2.2. Проведение комплексных исследовании по обобще ии'о опыта эксплуатации действующих сооружений.и изыска шпо м,стодов очистки подземных вод при наличии в них спе пифических загрязнителей.

1.2.3. Исследование закономерностей процесса безреагент ной очистки воды от жслезофосфатпых комплексных соеди нений.

1.2.4. Изыскание и исследование эффективных методов аления из подземных вод растворенных газов— метана, лекислоты н сероводорода.

1.2.5. Изыскание и исследование методов удаления азото-держащих соединений, фенолов и нефтепродуктов, в случае

присутствия в исходной воде.

1.2.6. Разработка методов обработки п утилизации осад-в, образующихся при очистке'воды, а также методов реге-рации фильтрующих загрузок.

1.2.7. Разработка теоретических основ расчета сооружена для удаления вышеперечисленных ингреднентов-загрпз-(телей.

1.2.8. Разработка научно обоснованных рекомендаций на юектирование, строительство и эксплуатацию установок 1я очистки подземных вод.

1.2.9. Проведение производственных испытаний и обобще-ю опыта эксплуатации предложенных методов и устройств.

"1.2.10. Научн'о-методнческоё обеспечение внедрения в прак-1ку водоочистки и проектирования разработанных схем, том числе типового проектирования и серийного пронзвод-гва устройств в комплектно-блочном исполнении.

1.2.11. Проведение технико-экономических обосновании })фективностн предложенных схем обработки воды.

Методика исследований. Использованы методы матема-ического н физического моделирования. Эксперименты про-одились на моделях и па сооружениях промышленного ти-а в условиях действующих очистных сооружений. При об-аботке результатов экспериментов использовалась крите-иальная форма. Машинные методы (ЭВМ) применялись на гадии обработки результатов, при численном моделпрова-пи, при создании программ расчета и оптимизации предло-чснных режимов очистки воды и регенерацци осадков.

1.3. Научная новизна

1.3.1. Выявлены особенности качественного состава под-емных вод региона, исключающие применение традиционных схем подготовки питьевой воды.

1.3.2. Установлены закономерности' формирования качест-¡енного состава, поступления и образования органических,

минеральных растворенных и газообразных загрязнителе подземных вод.

1.3.3. Разработаны и обоснованы процессы . и аппарат! для кондиционирования подземных вод до норм питьевог стандарта.

1.3.4. Исследованы закономерности и предложен меха низм разделения и деструкции комплексных образований-за грязнителей подземных водт

1.3.5. Построена математическая модель и разработан! способы оптимизации процесса обработки природных вол содержащих многокомпонентные загрязнения.

1.3.6. Предложены методы расчета и интенсификации от дельных элементов и систем очистки вод региона на основ< научных достижений в смежных областях и технологиях.

1.3.7. Сформулированы принципы проектирования и- на и; основе разработаны новые конструкции и типовые схемы во доочистных сооружений, методы их расчета -и оптимизации

1.4. Научные положения, выносимые на защиту

Предметом защиты- является теоретическое, эксперимен тальное н производственное обоснование технологий~ комп лексной безреагентной очистки подземных вод для целен хо зяйственно-питьевого водоснабжения.

На защиту выносятся:

описание закономерностей формирования . качественной: состава подземных вод региона;

математическая модель и закономерности процессов очистки воды'от многокомпонентных загрязнителей;

конструкции сооружений для очистки воды от. растворенных газов, железофосфатов, фенолов, нефтепродуктов, гидравлические закономерности их работы, методы расчета и оптимизации;

методика регенерации фильтр.ующих загрузок, обработки и утилизации осадков водоочистных сооружений.

1.5. Обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций

Обоснованность научных положений выводов и рекомендаций базируется на физически достоверных математических моделях исследуемых процессов, обширном экспериментальном материале, полученном в результате многолетних 1973—

992 гг. исследований и наблюдений за работой производст-еиных сооружений. Обоснованность новых технических ре-1сний подтверждается положительными результатами эксп-уатации сооружений, реконструированных или вновь по-троенных по рекомендациям автора в районах Тюменской и 'омской областей. Надежность и эффективность прсдложен-ых конструкций подтверждены актами приемки-сдачи работ

документами межведомственных комиссий, рекомендовавший их к широкому внедрению.

1.6. Практическая значимость и реализация

1.6.1. Практическая значимость работы заключается в соланин н внедрении комплексных схем обработки воды, ра-отающих по безреагенгному методу и отличающихся вы-окой степенью надежности, простотой эксплуатации, что ¡аксимально соответствует их работе в экстремальных усло-иях Севера.

1.6.2. Схемы водообработки внедрены на действующих и новь построенных станциях в городах: Тюмени, Лангепасе, Сургуте, Новом Уренгое, Салехарде, Стрежевом, Тарко-Сале, 'адужном, Ханты-Мансийске с суммарной производитель-остыо свыше 415 тыс. м3 в сутки.

1.6.3. Разработаны и изданы Технические рекомендации о проектированию и эксплуатации станций очистки подзем-ых вод в Тюменской области, согласованные с НИИКВОВ

утвержденные, МЖКХ РСФСР (Новосибирск, 1984 г.).

1.6.4. Подготовлено совместно с НИИКВОВ пособие к ;НнП 2.04.02-84 «Технология обработки подземных вод неф-егазоиосиых районов».

1.6.5. Рекомендации диссертанта положены в основу ти- ' овых проектов станций очистки воды производительностью ,6; 3,2; 5 и 8 тыс. м3 в сутки, разработанных ЦНИИЭП иноверного оборудования и утвержденных Госстроем СССР.

1.6.6. По рекомендациям автора ЦНИИЭП инженерного борудования выполнены в стадии проект сооружения для даления растворенных газов (метана) из вод подземных сточников производительностью 20, 40 и 80 тыс. м" в сутки.

1.6.7. Рекомендации и выводы по диссертации переданы роектным организациям страны и использованы в проектах яда крупных очистных станций («Сантехпроект» г. Нижний 1овгород, «Гидрокоммунводоканал» гг. Санкт-Петербург и 1оносибирск, «Сибгипротранс» г. Новосибирск, «Теплоэлект-

ропроект» г. Екатеринбург, ЦНИИЭП инженерного оборудс вания, Челябпнскгражданпроект, Водоканалпроект г. Новс кузнецк).

1.6.8. Результаты работы включены в учебные курсы п водоснабжению для студентов специальности 2908 и испол! зуются в курсовом и дипломном проектировании в вуза ж.-д. транспорта (ЛИИЖТ, НИИЖТ, ХабИИЖТ).

1.7. Публикации и апробация

1.7.1. Результаты работы опубликованы в 57 статья (в том числе 48 в специализированных изданиях), отражен) в 8 отчетах по научно-исследовательским работам, вошли нормативные документы.

1.7.2. Результаты работы докладывались и обсуждалис на научно-технических конференциях и семинарах: Сыктые кар — 1985 г., Нижний Новгород— 1983 г., Кишинев— 1983 г Алма-Ата — 1986 .г., Москва--1983 г., Тюмень—1983 г Санкт-Петербург— 1990 г. (ПИИТ, ЛИСИ), Новосибирск -1983, 84, 85, 86, 90 гг., Хабаровск — 1988 г. Содержа ние работ докладывалось во ВНИИ ВОДГЕО— 1990 г НИИКВОВ— 1985, 1986, 1990 г., на заседании советско-фии ской рабочей группы по научно-техническому сотрудничеству Москва, 1987 г., на заседании межведомственного совета п проблемам окружающей среды при Госкомитете по науке технике, Москва, 1987 г.

Экспонаты, отражающие результаты, работы демонстриро вались на международной выставке «Транспорт-91», г. Новс сибнрск, 1991 г.

1.7.3. О результатах внедрения предлагаемых схем практику проектирования и строительства докладывалось н, научно-технических советах и совещаниях: Мосгипротранс-1987 г., НО Гипрокоммунводоканал—1981 —1991 гг. Спб гипротранс—1985—1990 гг., Сантехпроект—1986 г ЦНИИЭП инженерного оборудования—1984—1988 гг., Зап. СнбНИГНИ — 1981 —1986 гг., ПУВКХ, гг. Тюмени, Лангепа са, Сургута, Мегиопа, Стрежевого, Нового Уренгоя, Нижне вартовска и др.

2. СТРУКТУРА И ОБЪЕМ ДИССЕРТАЦИИ

Диссертация (том 1) состоит из введения, шести глав, за кдючения, списка литературы из 257 наименований и прнло жений (том 2). Работа изложена на 318 страницах основно

о текста, содержит 55 рисунков, 60 таблиц. В приложениях том 2) даны акты внедрения и др. документы.

В экспериментальных работах принимали участие: асни-анты диссертанта — преподаватель кафедры «Гидравлика и одоснабжение» Баталов В. Г.' и сотрудник МИГ «Очистка оды» при кафедре Панков В. П., а также преподаватели н отрудникп Кунц К- Л., Дедюхин И. В. и др.

Во введении и в первой главе диссертации обоснована ак-уальность проблем, проанализированы перспективы хозяйст-;сшюго освоения и развития водоснабжения в регионе, фнзн-:о-географпческпс факторы распространения и фзрмнрова-1ия подземных вод, дан анализ размещения их в различных [ефтегазоноспых районах.

Вторая глава посвящена изучению отличительных особеи-юстей качественного состава подземных вод, таких, как: фосфаты и железофосфатные комплексы (ЖФК), железо, мартами, температура воды, растворенные газы — метан, углекис-юта, сероводород, фенолы, нефтепродукты и азотосодержа-цие вещества.

В третьей главе приведены результаты исследований :войств железофосфатных осадков и процессов очистки во-1Ы от железа, ЖФК, марганца методом фильтрования при различных режимах работы сооружений и применении различных фильтрующих материалов. Дана оценка полученных результатов по компьютерному моделированию задержания комплексных соединений на фильтровальных сооружениях, разработаны инженерные методы расчета и оптимизации аппаратов для очистки воды.'

В четвертой главе описаны методы удаления из подземных вод 'растворенных газов, фенолов, нефтепродуктов п азотосодержащих веществ. Исследованы различные процессы -азоудалення, сорбции, ионного обмена, приведены основные закономерности протекающих процессов.

Пятая глава посвящена разработке технологических схем по комплексной обработке подземных вод, регенерации фильтрующих загрузок, обработке и утилизации осадков станций очистки воды, охране окружающей среды.

В шестой главе разработаны технические рекомендации на проектирование и строительство водоочистных станций в нефтегазоносных районах, обобщен промышленный опыт внедрения и даны результаты технико-экономического обоснования предлагаемых схем.

' .7

3. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

3.1. Исследование особенностей размещения подземных вод нефтегазоносных районов

Подземные* воды Тюменской н Томской областей отно сятся к Западно-сибирскому артезианскому бассейну и являются основным источником водоснабжения городов и по селксв. Формирование подземных вод на нефтегазоносны? территориях находится в тесной зависимости от фнзнко-геог-рафнческих факторов, которые оказывают непосредственное влияние на их происхождение, размещение, запасы и качество.

Геолого-климатические условия представлены зонами от весьма избыточного (примерно три четверти территории) дс избыточного увлажнения с недостаточной тсплообеспечен-ностыо и лишь юг Тюменской области можно считать зоног оптимального увлажнения и теплообеспеченностн. Питание .подземных вод в основном происходит за счет талых снеговых вод и осенних моросящих дождей. Превышение осадког над испарением обуславливает повышенную заболоченное^ территории, местами образуя совершенно непроходимые уча. стки болот. Мощность торфяного покрова в таежной зоне достигает 5—8 м и- более.

В вертикальном разрезе артезианский бассейн подразделяется на несколько комплексов, из которых наибольший интерес представляет второй. Этот комплекс подразделяется на два резко отличных по своим гидрологическим особенностям этажа — верхний гидрологический этаж, являющийся основным источником вод, пригодных для целей хозпигьевого водоснабжения, и нижний гндрологичеслий этаж, ,подземные воды которого находятся в обстановке затрудненного режима, отличаются высокой минерализацией, повышенной концентрацией микрокомпонентов, высоким содержанием газог метанового происхождения.

В работе подробно рассмотрены воды верхнего гидрогеологического этажа, который состоит из различных гидрогеологических районов, именуемых бассейнами стока подземных вод.

Руководствуясь особенностями гидрогеологии, рельефа, климата, гидрографии па рассматриваемой территории, можно выделить две группы бассейнов стока подземных вод: северную и южную. Северная группа вклк ¡ает четыре бассейна; Ыижпе-Обскии, Тазовский, Прикарскнй, Гыданский, юж-ь

ая три: Тобольский, Средне-Обский и Иртышский. В работе риведена подробная гидрогеологическая характеристика аждой группы бассейнов и сделан вывод, что Западно-Сибирский артезианский бассейн является единой гидрогеологи-еской структурой, в связи с чем появляется возможность становления общих закономерностей в вопросах формиро-ания качества и обработки подземных вод. В северной и : средней части территории для целей питьевого водоснабжс-[ия пригодны воды антропоген-олнгоценновых отложений, алегающие на глубинах от 25 до 160 м, в южной части — (оды знаменской и атлымской свиты, залегающие па глуСи-[ах от 45 до 250 м. Применение этих вод возможно при усло-(ии очистки их от многокомпонентных загрязнений как хо->ошо известных в практике водоснабжения, так и явлиющих-:я специфическими, характерными только' для подземных юд Западной Сибири.

3.2. Анализ показателей качественного состава подземных вод, используемых для питьевого водоснабжения

Изучению вопроса формирования качества подземных ¡:.>д тосвящено много исследований. Лисс О. Л., Березина II. А., "моленцев 10. К., Бейром С. Г., Базилевич Н. И., Матусе-знч В. М. и др. отмечают главенствующую поль болотного этапа формирования химического состава подземных вод, Злагодаря чему в водоносном горизонте создается кислая зосстановнтельная обстановка, способствующая миграции >келеза, фосфора, марганца'и других микрокомпоиептов. При этом подземные воды интенсивно обогащаются растворенным эрганическим веществом — фульво- и гумнповымп кислотами, фенолами, жирными кислотами.

Детальный анализ показателей качественного состава подземных вод региона показал, что кроме железа в них содержится марганец, метан и углекислота, фенолы-и нефтепродукты, азотосодержащие вещества, а также другие ингредиенты, оказывающие влияние на эффективность процессов обработки воды.

Железофосфатные комплексы. Особое место среди показателей занимают осадки, образующиеся па поверхности зерен фильтрующего материала и препятствующие нормальному завершению процессов обезжелезивашш и удаления марганца. Эти осадки в дальнейшем получили название железо-

фосфатных комплексов (ЖФК) й представлены в основном окислами железа, неорганическими фосфатами железа и кальция,, которые в подземных водах находятся в растворенном состоянии. Обогащение подземных вод фосфатами произошло из-за нарушения устойчивости фосфоросодержащих минералов, вызванной отсутствием в водах торфяных залежей кислорода и высокого содержания углекислоты. Миграционная способность фосфатов в болотной среде очень высока, при этом сам процесс торфообразования создает условия, способствующие геохимической активности фосфора. В работе подробно рассмотрены формы фосфатов железа, представленные соединениями различного химического состава. Показано, что фосфаты в подземных водах могут быть в виде первичных фосфатов — вивианита, ортофосфата закисного железа Ре(Р04) 2Н2О, устойчивого лишь в бескислородной обстановке, или керченита — более окисленной разности вивианита. При окислении вивианиты и керчениты переходят в формы бераунита, босфорита, пицита, дельвоксита с почти полным замещением Ре2+ на Ре3+. Причем с увеличением степени окисленности минералов идет разрушение кристаллической решетки вплоть до полной ее аморфизации. Максимальные концентрации торфовивинитов тяготеют к южным районам рассматриваемой территории, в связи с чем при продвижении на север их концентрация в водах уменьшается с 30—40 мг/л на юге до 5—6 мг/л на севере Тюменской облаете.

Наличие групп минералов влвиан'ито-керченитового ряда и их способность выпадать в осадок при аэрации воды является главной отличительной особенностью качественного состава подземных вод нефтегазоносных районов Западной Сибири. Очевидно, что для правильного учета влияния желе-зофосфатных комплексов на процессы обработки воды необходимо тщательное изучение не только структурных свойств осадков," но и механизма их извлечения и степени воздействия на работу водоочистных сооружений.

Железо. Наличие железа в подземных водах первого гидрогеологического этажа отмечено на всей рассматриваемой территории в количествах, не превышающих 3—8 мг/л. Содержание железа свыше 12—20 мг/л вскрыт.о лишь отдельными скваж-ннами и не является характерным для региона. Железо, как правило, находится в форме двух и трехвалентных ионов, органических и неорганических коллоидов и комплексных соединений. Задачи установления регионального ха-

зктёра распространения железа, вопросы его формирования, :ловнй миграции решались путем обработки фондовых ма-фиалов, обобщения результатов полевых исследовании, об-тедования работы разведочных и эксплуатационных сква-ин и водопунктов. Исследования, проведенные сотрудника-и Главтюменгеологии, Зап.-снбНИГНИ, НИИЖТа и др. поюлили установить, что при продвижении с запада и юго-за-ада на север и северо-восток в подземных водах контппси-альной толщи идет последовательное уменьшение содержа: ия железа. Нами установлена возможность,колебании ка-гственного и количественного состава железа н его соедиие-ий в процессе эксплуатации водоносных горизонтов, кото-ая должна учитываться при назначении, схемы обработки оды.

Марганец. Встречается в подземных водах в виде двухва-ентиых ионов, его концентрации невысоки и находятся в ределах 0,1 — 1 мг/л, что не исключает необходимости изу-ения методов его удаления при очистке воды.

Температура подземных вод. Колеблется от 6 до 8°С на )ге области, от 1—2 до 4°С з Среднем Приобье, от 0,1 до ,15°С fia севере области и оказывает в отдельных случаях начительное влияние на выбор схемы. Работы на объектах 'юменской и Томской областей показали, что качество водо-чистных процессов в значительной степени зависит от тем-ературы, а в отдельных случаях при низких температурах оды процессы обезжелезивания вообще не идут. Определе-ие критериальных значений температуры явилось одной из адач диссертации.

Растворенные газы подземных вод. В рассматриваемом айоне основными газами, оказывающими влияние на выбор хем водообработки, являются метан СН4, углекислота С02 . сероводород H2S. Эти газы по происхождению могут быть внесены к атмосферным (С02) и газам биохимического ге-юзиса, полученным при разложении микроорганизмами митральных и органических веществ (С02, СН4, H2S).

При формировании гидрохимических систем природных ¡од обычно выделяют три обстановки: окислительную, вое-:тановительную и метаморфическую, каждая из которых tocio ассоциирует с газами определенного состава. Окислитель-1ая — с 02 (в работе не рассматривается), восстаиовитель-1ая —с метаном и сероводородом, метаморфическая — с уг-зекислым газом.

С развитием нефтепоисковых работ систематическим изучением подземных вод, в основном нижнего гидрогеологического этажа, занимались Гуревич М. С., Нуднер В. А., Не любин Вг В., Соломенцев Ю. К-, Конторович А. Э., Мавриц-кий Б. Ф., Зимин Ю. Т. и др. Участие глубоких водных растворов и газов в формировании подземных вод верхнего этажа исследователями обычно исключается, однако, водоупорные глинистые отложения между гидрогеологическими этажами следует считать непроницаемыми лишь условно. Кроме фильтрационных перетоков (в .результате перепада давления) большая роль принадлежит диффузионным процессам, перемещению веществ на молекулярном уровне по направлению уменьшения концентрации. Перераспределение веществ за счет неравномерного нагрева — конвекции играет определенную роль при миграции газов и жидкости. Этот очень важный вывод позволяет по-новому -оценить и объяснить появление в водах верхнего этажа таких загрязнителей, как метан, углекислота, фенолы и нефтепродукты. При этом естественно не исключается образование указанных ингредиентов в пределах верхнего этажа (метан, углекислота, фенолы) ц техногенное их происхождение (нефтепродукты).

Качественный состав углеводородных газов па 98—99% состоит из метана, и лишь доли процентов составляют его гомологи—этан, пропан, бутан и более тяжелые—пенган.гек-сан, гептан. Проведенные исследования, а также использование результатов обследования источников Центральной лабораторией «Главтюменгеологии»,. ЦНИЛ Сургутнефтегаза и др., позволили впервые создать карту распространения метана. па территории нефтегазоносного комплекса (рис. 3.1). В процессе простой -дегазации из воды в первую очередь выделяется метан, обогащенный легким изотопом и находящийся в водах в свободном состоянии. Для удаления метана, оставшегося в растворенном состоянии, требуются дополнительные затраты энергии. Таким образом, описанные в литературе методы дегазации за счет разгерметизации скважин, оборудования и емкостей следует считать сугубо предварительными и не обеспечивающими качественного удаления метана.

В работе обоснована необходимость практически полного удаления метана из питьевой воды для исключения несчастных случаев из практики водопользования', три из которых предотвратить, к сожалению, не удалось. 12

Ь5 70 15 80 - 85

Рис. 3.1. Карта распределения метана в вер-хнем гидрологическом этаже Западпой Сибири

Углекислота в подземных водах верхнего этажа встреча ется повсеместно, ее количество колеблется от 10—40 мг/j до 140—180 мг/л. Меньшие концентрации присущи окраин ным зонам нефтегазоносных бассейнов, большие характернг для центральных, районов Среднего Прнобья. Поскольк; практически 100% всех водопроводов на Севере выполнен« из стальных труб, вопрос удаления углекислоты, как корро зионпо-активного газа, принимает первостепенное значение i должен решаться совместно с вопросами обезжелезивания удаления метана и г. д. Тем более, что процессы безреагент ного обезжелезивания при помощи усиленной аэрации всегд; приводят к обогащению воды кислородом, а значит интенси фицируют процессы коррозии.

Сероводород в рассматриваемых водах практически отсут ствует, что объясняется разложением его с образованием се ры, водорода, гидросульфидного иона и связью нефтяных за лежей с терригенными коллекторами без примесей карбонат по-сульфатных пород. Вероятнее всего, сероводород посту пает в воду в результате разложения органических вещест! в водах болот. Отмеченные концентрации сероводорода не значительны и составляют от 0,1 до 1,85 мг/л. Зона его рас пространения — Среднее Приобье.

Фенолы и нефтепродукты. Зафиксированы в подземньо водах по всей рассматриваемой территории, их количестве достигает от 4—6 до 25 норм ПДК по фенолам и от 4 дс 10 ПДК по нефтепродуктам. Высокая окисляемость феиоло! есть следствие процессов минерализации растительных остат ков. Источниками ■ фенолов и нефтепродуктов могут быть i поверхностные воды, имеющие тесную гидравлическую связ! с подземными горизонтами. Нефтепродукты попадают в вод} и техногенным путем из-за аварий на нефтяных скважинах Нельзя исключить и возможность миграции фенолов и нефтепродуктов с нижнего гидрологического этажа в верхний пс зонам тектонических нарушении, которые отмечены в коли чествс 2113 с общей длиной 104842 км (Смоленцсв Ю. К-)

Азотосодержащие вещества и, в частности, аммонийные ионы являются характерными компонентами почземных во; рассматриваемого региона. Распространены они практичеекг повсеместно, концентрации их постоянны, что указывает не их естественное происхождение. Содержание аммоннйногс азота изменяется в диапазонах от 1 до 4 мг/л и в большинстве случаев не превышает 2,0 мг/л, генезис аммония связывается с нейтрализацией растительных остатков в восстано-

ительных условиях. Нитраты и нитриты встречаются в водах егиона редко и в незначительных концентрациях.

Таким образом, вопросы удаления фенолов, иефтспродук-ов и азотосодержащих веществ являются актуальной н са-юстоятельной проблемой.

В результате анализа показателей качественного состава одземных вод были сформулированы основные задачи-днс-ертации—изыскание и обоснование безреагентиых методов бработки подземных вод от загрязнений с их стабилизацией, оторые условно можно объединить в три группы (блока):

а) удаления из воды растворенных газов и обогащения ее ислородом;

б) извлечения' из воды железа, марганца, железофосфат-ых комплексов;

в) извлечения из воды фенолов, нефтепродуктов, аммо-нйных соединений.

3.3. Изыскание и исследование

закономерностей процессов удаления железа, марганца и комплексных железофосфагных соединений из подземных вод,

З-.3.1. Исследование свойств осадка железосодержащих юдземиых вод с помощью физико-химических методов. *

Обследование большого числа действующих станций обез-келсзнвания, выполненное нами в разные годы с участием федставнтелей НИИКВОВ, ЦНИИЭП инженерного оборудования', ТюМИСИ и др., позволило установить, что наруше-ше технологических процессов удаления железа и марганца фоисходит в результате образования на фильтрующем слое [ внутри пего осадка неизвестной природы. Для решения во-фосов эффективной обработки воды необходимо было уста-ювнть природу осадка, причины и механизмы сто образова-шя, определить его химический состав и свойства. Впервые сольматпрующее действие осадка иа фильтры водозаборных чеважнн отметили сотрудники ЗапсибНИГНИ Зенков Н. И., Дрыгин В. М., Лобачсв А. Д. и др. При этом снижалась про-юлжительность работы скважин до 3—5, а в ряде случаев ¿о 1 года. Было установлено, чуо основной частью кольма-•апта являются соединения железа, образование которых удовлетворительно прогнозируется величиной окислительно- ' юсстановительного потенциала, описываемого уравнениями Дг—рН по методике, предложенной Алексеевым В. С. В ра-

боте дан анализ данных химического состава осадков, ото бранных с водоподъемного оборудования скважин и с поверх кости скорых фильтров (всего 51 проба по всей рассматри ваемой территории). Показано, что содержание основны окислов в осадке колеблется:

Ре20з от 40,5 до 68,8%; Р205 от 8,3 до 26,3%;

СаО от 0,28 до 10,6%; Л1203 от 0,3 до 6,4%.

Для выяснения природы осадка, причин и механизма er образования совместно с ИГГ СО АН СССР в 1985—1990 гг были проведены детальные исследования с помощью химиче ского и термического анализов и методов инфракрасно! спектроскопии и рентгенографии. Изучению подверглись осад ки городов Сургута (2 станции), Тюмени, Ялуторовска, Ca лехарда," Мегиоиа, Лангепаса, Нового Уренгоя, Стрежевогс В результате исследований было установлено, что исследуе мые осадки, в основном, представлены соединениями фосфо ра, железа и кальция и содержат большое количество воды Исходный осадок рентгеноаморфен, четкие рефлексы прояв ляются лишь на рентгенограмме образца, прогретого выш1 700 °С. Анализ приведенных в работе данных и исследование продуктов термолиза осадка, полученных при различны: температурах в изометрическом режиме, дали возможност: определить его природу.

Сопоставление спектров исследуемых осадков и различ пых ортофосфатов, существующих в ренгено- или коллоидно аморфном состоянии, показало,, что фосфоросодержащие ве щества их представлены неорганическими ортофосфатам] железа. Фосфатосодержащая фаза частично представлен; железофосфатным минералом вивианитом и, в основном, еп окисленными разностями керченитами и конечными продук тамп окислительного изменения вивианита — оксикерченнга ми и босфорптами, которые рентгеиоаморфпы. Известно, чп все оксиды железа, в том числе п кристаллические, являютс: хорошими адсорбентами фосфатных ионов (Parfitt R. L. Kinson R. I., Smart R. S.). Сорбционные же свойства их i коллондноаморфиом состоянии,, в котором они присутствую в мокрых осадках на фильтрах, возрастают па порядок ш сравнению с их кристаллическими аналогами (Melangh lin I. R., Rüden I. С., Syers I. K-), что исключительно важн< для пониманпя сущности водоочистных процессов.

В результате проведенного всестороннего изучения осад ков фильтров установлено, что они, в основном, представле í >

j аморфными неорганическими фосфатами железа и гидроидами железа. Соотношение этих двух составляющих яв-ается основной причиной различия осадков нз разных мест гбора. В работе приводится разработанная методика опре-гления количества ЖФК в исходной, воде, которая принята j основу и.введена в отчетные документы геологоразведоч-ых партий.

-3.3.2. Исследование процессов очистки воды от железа, арганца и ЖФК методами'фильтрования. Экспериментально исследования процессов фильтрования, аэрированных азличными методами подземных вод через различные филь-ругощие материалы проводились в течение'1978—1991 гг. па ействующих водозаборах и очистных сооружениях гг. Тюме-и (Велижанскнй водозабор), Ялуторовска, Сургута (3 станин), Лангепаса, Мегнона, Нового Уренгоя, > Стрежевого, {ижневартовска и др. Такое многообразие водоисточников, тлнчающихсяг физико-химическими .показателями воды и садков, позволило проверить работу предлагаемых безреа-ентных фильтрационных схем водообработки в широком иапазоне значений общего железа, ЖФК, марганца, PII, емпературы и др, показателей воды. Цель этой проверки аключалась в установлении принципиальной возможности и ределов применения различных приемов фильтрования для звлечения из воды загрязнителей, подлежащих первоочеред-юму удалению. Все исследования проводились па моделях шльтров, снабженных пробоотборниками и пьезометрами ,ля послойной регистрации концентраций и потерь напора. Три проведении опытов по схеме упрощенной аэрации высп-а излива воды равнялась 0,5—0,8 м, в случае приПудитель-юй аэрации использовалось различное воздуходувное оборудование. Загрузка моделей осуществлялась как однородными ю фракциям материалами для изучения кинетики протека-ощих процессов, так и материалами с фракционным соста-som промышленных фильтров. Высота загрузки варьирова-¡ась от 1,2 до 2,0 м. При проведении работ одновременно )аботалн все фильтровальные колонки, что позволяло моде-тровать процессы очистки воды для различных фильтрующих материалов (кв. песок, горелые породы и др.).

В первой серии опытов установки работали по схеме упро-ценной аэрации с фильтрованием воды в направлечши возрастающей крупности загрузки. Одновременно работали S фильтра с загрузкой кварцевым песком, горелой породой однородного состава и горелой породой промышленных, фрак-

цнй. Всего на различных объектах было выполнено околс 250 фильтроциклов. -Исходная вода имела концентрации железа до 5 мг/л и ЖФК до 12 мг/л.

Результаты контрольных фильтроциклов, проведенных при скорости фильтрации 5 и 10 м/ч, позволяют оцепить работоспособность схем и дать сравнительную оценку фильтрующим материалам. При скорости фильтрации 5 м/ч обе загрузки обеспечивали качественную очистку воды (менее 0,3 мг/л по железу), однако продолжительность фильтроцик-ла на фильтре с загрузкой из горелых пород была выше примерно в 1,9—2 раза. Увеличение скорости до 10 м/ч вызывало неустойчивую работу загрузки из кварцевого песка, в то время как горелая порода работала надежно, при этом фильтроцикл на промышленной загрузке был несколько короче, .чем на однородной из-за быстрой кольматацпи верхнего мелкозернистого слоя загрузки.

При увеличении концентрации железа в исходной воде свыше 5 мг/л и ЖФК свыше 20 мг/л наблюдались постоянные нарушения в работе исследуемых схем очистки. Попытки улучшить показатели за счет более высокой степени аэрации до 7—8 мг/л 02 и выше положительного эффекта не дали, даже продувка воды кислородом (до 12 мг/л), приводящая к увеличению РН на 0,4—0,5 ед., щелочности на 0,2— 0,3 мг/экв-л и снижению количества свободной углекислоты на 30—60%, не позволила получить устойчивой работы сооружений. После месяца непрерывной работы в фильтрующем ■ слое и на его поверхности-были отмечены небольшие плотные агломераты осадка, удалить которые, даже при увеличении степени расширения загрузки до 60% (при промывке водой), не представлялось возможным.

Вторая серия опытов проводилась на воде'источников, характеризующихся повышенным содержанием железа до 8— 12 мг/л и ЖФК до 30—40 мг/л, и выполнялась^па трех моделях фильтров с фильтрацией воды в направлении убывающей крупности фильтрующего слоя. Две модели были загружены горелыми породами (одна из них для контроля работала по схеме фильтрации сверху-вниз) и одна кварцевым песком. Фракционный состав загрузок: йтт =0,7 мм, (1тах =1,5 мм, ^эка =1,0 мм, высота 0,9—1 м. Исключая небольшие перерывы, модели фильтров находились в эксплуатации более 1 года и показали высокую надежность при скоростях восходящего потока до 10 м/ч па горелых породах и 7,5 м/ч на ' загрузках из кварцевого песка. Количество кислорода в ис-

одной воде находилось в пределах 6,0—(5,5 мг/л. Анализ ре-ультатов моделирования по показателям качества воды и риросту потерь напора свидетельствует о том, что паруше-ня работы действующих в регионе станций обезжелезива-ня происходят вследствие комплексных при пш, обуслевлен-ых наличием в во'де ЖФК (главным ■ образом их формой рисутствия), низкой температурой и щелочностью, иевысо-ими значениями РН, количественными формами железа. )собую роль играют ЖФК, выделение которых есть резуль-ат нарушения химического равновесия воды при се аэрации последующих стадий активных процессов, носящих диффу-ионный или кинетический характер. Кольматирующий оса-,ок накапливается не только в межзерновом пространстве, ю и на зернах фильтрующего материала, блокируя тем са-шм активную каталлическую поверхность загрузки. Особсн-ю это ярко выражено при фильтрации воды сверху вниз, :огда верхний мелкозернистый слой загрузки, обладающий [анбольшей поверхностью и активностью, интенсивно коль-яатируется. Фосфатные соединения в виде вивианита, его >азностей и органические комплексы, входящие в состав >садка, активно минерализуются, что приводит к 'увеличение» потребления кислорода и нарушению или замедленно фоцессов удаления железа и марганца и проскоку иеокис-генных Ре2+ и Мп2+ в фильтрат. Совершенно по-иному ука-шнные процессы протекают при изменении направления фильтрации, когда имеется "'четкое функциональное деление загрузки по степени и характеру водоочистных процессов. В нижних слоях, по ходу движения воды, идет задержание ЖФК и частично железа и марганца, в верхних, наиболее чистых, оставшейся (причем основной) части, двухвалентного железа и марганца. В связи с этим в работе рекомендованы пределы значений этих ингредиентов для выбора направления фильтрации.

Важное значение для водоочистных процессов имеет температура воды. Проведенными исследованиями установлено, что в диапазоне температур от 0,1 °С до 1—2°С (г. Новый Уренгой) железо приемами аэрации не удаляется и только увеличение ее до 2 °С и выше приводит к устойчивости процессов обезжелезнвания.

3.3.3. Применение методов компьютерного моделирования для изучения процессов очистки воды от железа, марганца и комплексных железофосфатных соединении.

Для описания процессов обезжелезивания могут использоваться различные физико-химические методы моделирования. Анализ классических принципов изучения кинетических закономерностей окисления, примененный Алексеевым В. С., Николадзе Г. И., Перлиной А. М., Коммунаром Г. М., Ас-сом Г. Ю. и др., свидетельствует о хороших результатах, полученных авторами при исследовании традиционных схем обезжелезивания подземных вод. Специфика качественного состава подземных вод нефтегазоносных районов выявила некоторые изменения при протекании физико-химических процессов окисления. В этом случае решение многофакторной задачи стало возможным лишь с помощью современных методов статистического анализа и теории подобия. Нами был использован метод модельно-статистического прогноза (МСП), развитый в работах Кобозева И. И., Кутолииа С. А., Мулера Г1. Б. и др. для физико-химического моделирования в неорганическом материаловедении. МПС представляет возможность объединения традиционных методов химии (сравнительного расчета критериев подобия) и статистических, что оказалось весьма перспективным и для описания непрерывных технологических процесов очистки воды. В основу МСП положен метод регрессионно-дискрнминантного анализа эмпирических данных (статика) и вероятностной модели Колмогорова А. М., позволяющей по известному решению дифференциального уравнения восстанавливать его вид (динамика). В качестве входных и выходных параметров исследовались содержание общего'и двухвалентного железа, содержание ЖФК, степень аэрации воды, технологические характеристики и вид фильтрующего материала, скорость протекания процесса, его продолжительность и потери напора, направление фильтрации'. Полученные нами' регрессионные уравнения, устанавливающие с высоким коэффициентом корреляции (до 90%) функциональные связи между основными макропараметрами процесса, позволили выявить наиболее значимые факторы, формирующие свойства и показатели качества воды. Переход к динамическому моделированию, выполненный на основании анализа механизма формирования ошибки А в системе эксперимент-модель, позволял объяснить законы формирования свойств.

Так, в случае, если закон распределения Л представляет

собой функцию Пуассона Р=~ехр(— х), где х — некоторая область фильтра, в которой происходит окисление (эффек-20

ивиая поверхность1); а — число частиц, обеспечивающих >бразование оптимальной каталитической пленки, общий вид .ифференциальных уравнений, описывающих рассматрнвас-1ый процесс, может иметь вид dn х

— =-Cr +Гv

¡J (П ^ w — 1

rf* (3-!)

"7Г • C.v,. л=0, 1, 2, 3...

II t

■де С — константа скорости реакции окисления.

Эта система типична для химвзапмодействня в отличие зт процессов с преобладанием диффузионного механизма 1роникновення, реализуемого в случае, если закон распределения & есть геометрический:

В результате проведенных нами расчетов наиболее значимыми оказались факторы потерь напора Л А, продолжительности фильтроцикла высоты загрузки Н, коэффициента неоднородности загрузки Кн, скорости v, «^ — 'коэффициента формы зерна и мутности до и после фильтрации М„, Мк. С учетом этого в расчеты^ были введены соответствующие критерии степени окисления, анализ которых позволил объяснить причину подачи в воду значительно больших доз кислорода против расчетных, необходимых для завершения окислительных процессов.

В условиях непрерывной блокировки активной поверхности загрузки железофосфатными комплексными соединениями качественное завершение окислительных процессов воз- '' можно лишь при наличии в загрузке соответствующего количества активных сорбционно-каталитических »групп, возникающих при избыточных значениях подаваемого в воду кислорода. Сопоставление различных величин вводимого кислорода с эффективностью работы сооружений позволяет сделать вывод о протекании процесса в кинетическом режиме при избытке кислорода и в диффузионном — при его недостатке. Проведение количественной оценки диффузионной активности кислорода и эффективной поверхности окисления' сделало возможны!« определение оптимальных величин дисперсности и высоты Загрузки в зависимости от параметров процесса и качества исходной воды. Разработанная методика инженерного расчета и оптимизации процессов очистки выполнена г, работе в виде трех блоков.

Первый блок представлен программой «Ferro», позволяющей получить регрессионные уравнения, дисперсию, матожи-

дание процесса и оценить вклад различных параметров. Второй блок разработанного алгоритма для решения оптимизационной задачи содержит программу «Delta» и позволяет на основе известных критериев адекватности Пирсона, Романовского, Бернштейна выявить характер отклонения распределения Д от нормального закона и идентифицировать его. В третьем блоке использованы принципы теории, подобия для выяснения механизмов реализации процессов очистки.

Безразмерные критерии подобия, установленные нами, позволили определить диффузионную активность кислорода и необходимую поверхность окисления, что дает возможность оценить эффективность протекания процессов. Полученная модель при технологических расчетах станций очистки воды для гг. Сургута, Мегиона, Лангепаса, Стрежевого, Тюмени и др. показала высокую степень надежности и возможность .применения метода компьютерного моделирования для описания процессов очистки воды.

3.4. Изыскание и исследование закономерностей процессов удаления из подземных вод растворенных газов, фенолов, нефтепродуктов и азотосодержащих веществ

3.4.1. Анализ существующих технологических схем и исследование различных типов оборудования для дегазации подземных вод.

Для решения поставленных задач безреагентного комплексного удаления растворенных газов (углекислого, метана и сероводорода с одновременным насыщением воды кислородом) были применены физические методы обработки воды.

Из всех аппаратов, работающих по принципу продувки воды воздухом, вакуумной дегазации и термического нагрева, проведенным анализом выбраны дегазаторы-аэраторы вентиляторного типа и барботажные дегазаторы. Эти сооружения наиболее полно соответствуют технологической задаче, отличаются простотой конструктивного оформления, большим ассортиментом оборудования заводского изготовления, высокой надежностью при эксплуатации. Диктующим газом при процессах газоудаления предложено- считать взрывоопасный газ метан, гарантированное удаление которого обеспечивает максимально возможное снижение концентраций углекислоты и сероводорода в дегазированной воде. 21

В процессе экспериментов изучались зависимости эффекта удаления метана от расхода подаваемого воздуха, уровни и расхода воды в дегазаторе, времени контакта воды с воздухом. Исследования различных конструкций дегазаторов (вентиляторного, вакуумного и барботажного), выполненные совместно с НИИКВОВ и ЦНИИЭП инженерного оборудования, показали, что при одинаковых исходных условиях только барботажный дегазатор способен обеспечить практически полное удаление метана. Объясняется это более высокой удельной поверхностью контакта фаз (поверхность бар-ботажных дегазаторов выше поверхности насадочных дегазаторов в 11 —16 раз), и возможностью активного гидродинамического воздействия на обрабатываемую воду подачей сжатого воздуха в диапазоне от 5 до 15 м3 на м3 воды. Кроме того, наличие насадки в вентиляторных дегазаторах, способной кольматироваться железофосфатными осадками, не позволяет применять этот тип сооружений для дегазаций подземных вод региона. Преимущество барботажных дегазаторов было подтверждено при производственных испытаниях в гг. Лангепасе, Сургуте, Стрежевом, где в результате удаления из воды метана до 99,95%-, углекислоты — до 75—85% наблюдались устойчивая работа последующих ступеней очистки и снижение агрессивного воздействия воды на трубопроводы и оборудование.

• 3.4.2. Исследование закономерностей процессов газоудаления.

Исследованиями 'процессов газоудаления из подземных вод занимались русские и зарубежные ученые: Рамм В. М„ Виноградов Н. И., Леви А. М., Ннколадзе Г. И., Лшю-вич С. Н., Рождов И. Н., Скидан Г. В., Карачоии Ш., ТотаА., Вулкан Л. и др. В ряде работ рассматриваются вопросы удаления метана, однако предлагаемые методы не могут быть применены для решении поставленных нами задач.

Для исследования эффективности удаления метана из воды на барботажных дегазаторах нами составлено дифференциальное уравнение баланса содержания газа при обработке воды воздухом

С)с1С= С},С„пп(И, (3.2)

где 0 — расход воды, поступающей в дегазатор; — расход воздуха; Сл —концентрация СН4 в. % от потребляемая одним пузырьком воздуха в единицу времени; пя — количество пузырьков, одновременно находящихся в объеме высотой йН.

Выражая величину Сп через значения скорости движения пузырька, диаметра отверстий .воздушной дренажной системы и высоты слоя обрабатываемой воды, получим:

-<? а с = <?„ к, )* )а па<н, (3.3)

где к\—коэффициент, учитывающий влияние разности парциальных давлений газа в жидкости и воздухе, температуры и т. д.; 1/м — объем метана в пузырьке; 1/п — объем пузырька;, у— скорость движения жидкости в дегазаторе; —скорость движения пузырька; а?0 — диаметр отверстия в дренажной системе; Н — слой воды в дегазаторе.

Решая уравнение 3.3 с учетом /г„ —пай, где п — колпче-■ чество пузырьков, образуемое одним отверстием в единицу времени; I — время контакта воды с воздухом; т ■— количе-

ы„

ство отверстии, и выразив т как где со — площадь се-

чения дегазатора, 1вп— суммарная площадь отверстий, къ —-коэффициент пропорциональности; а „,. получим вы-

ражение для определения времени обработки воды воздухом Т в зависимости от пропускной способности дегазатора О, конструктивных размеров аппаратов О, Н, с10. количества подаваемого воздуха и начальной концентрации газа в воде С„ при пузырьковом режиме:

(3.4)

V *о V п \1 Си)о,- V шп 1 '

Величина коэффициента /с («== I/ —— установлена на

У Г к1к3^3 /

основании лабораторных и натурных экспериментов и получена в виде графической зависимости /с=/ при Ск ~ О

и Я/£> = I. Зависимость (3.4) справедлива при С„ = =5—35 мг/л и С>в/-<2 = 5 ... 15 м3/м3 воды.

Анализ значений коэффициента /с, данных моделирования и промышленных испытаний позволяет рекомендовать оптимальную величину 12 для выполнения расчетов при проектировании дегазаторов барботажного типа.

Для выполнения практических расчетов составлена номограмма (рис. 3.2), позволяющая определить время контакта воды с воздухом в зависимости от отношения Ск/Са ■ 100% и <3, /<2=5 ... 15, при #=2,5 м. 24

Pete.. 3.2. Номограмма для расчета барботажпых дегазаторов

3.4.3. Анализ методов сорбционпой очистки воды от фенолов и нефтепродуктов, основные закономерности сорбциошш.х процессов.

Очистка воды на дегазационном и осветлптельном блокад не позволяет удовлетворительно решить вопросы удаления растворенных и эмульгированных загрязнений,.в связи с чем возникает необходимость ее дополнительной обработки па сооружениях III ступени. Для решения поставленной задачи безреагентной очистки воды из всех известных методов предложено использовать процессы сорбции. В работе дан анализ эффективности действия различных сорбентов, отмечены их достоинства и недостатки, обоснована возможность применения в качестве загрузки угля АГ-3, имеющего достаточно развитую систему мнкро-мезо- и макропор н умеренную стоимость.

В результате исследований механизма сорбции фенолов в динамических условиях предложена соответствующая математическая модель процесса. На основе решения краевой задачи определены параметры процесса сорбции и дан метод расчета времени защитного действия фильтра.

Основной стадией процесса является статика. Анализ изотермы сорбции фенола на угле АГ-3, (данные Смирнова А. Д.) показывает ее выпуклый характер, что гарантирует реализа-

цию режима, параллельного фронта концентраций, когда для расчета времени защитного действия фильтра справедлива формула Шилова.. Как известно, из общей теории динамики сорбции (в области справедливости формулы Шилова) допустимо описание кинетики сорбции в виде

<111.

— -J+-T + -, (3.5)

Pí.4> ¡ '-'I I

где ÍW — эффективный внешиедиффузионный коэффициент; р — коэффициент внешнеднффузнонного массопереноеа; — эффективный коэффициент продольной дисперсии, у — эффективный коэффициент внутренней диффузии.

В области относительно малых концентраций (а< <9,2 мг/мл) реализуется прям-оугольный' участок изотермы, что объясняется высокой степенью сродства сорбата и сорбента в области небольших заполнений.

Для описания динамики сорбции фенола используется-традицнсиная модель динамики сорбции:

I дС дС да I

I

I о ~~—+ т ~тт + ~гг = 0.

да д t - al

{

(3.6)

где С(х, I), а(х, ()—концентрации фенола соответственно в растворе и фазе адсорбента; и — скорость фильтрации, а = — [(С) — уравнение изотермы сорбции '(соответственно, /~'(я).— уравнение, обратное изотерме), х — длина от входного ссчення до данного слоя фильтра, / — время, которое дополняется краевыми условиями при фронтальной динамике сорбции на чистой загрузке: а(х, 0)—С(х, 0)=0 и С(0, ¿)=С0, описывающими условия при реализации технологического процесса очистки воды сорбцией.

Аппроксимация начального участка изотермы сорбции прямоугольной изотермой с эффективной емкостью а = 9,2 мг/мл приводит к решению системы- (3.6), которое может быть представлено в безразмерных переменных как:

при 0 /ч 1 и (К, Т)=ехр(-Х), g(X, Т)=Т ехр(-Х);

(3.7)

при 1<Г<Г и(X, Т)=£(Х, Т) —ехр (—Х+Т—.1); (3.8)

при Т> 1 + Х и\Х, Т)==я(Х, .Т) = 1, (3.9)

где безразмерные концентрации: £/=С/С0, £"=а/(70, а безразмерные длина и время:

V

X = -, 1 --.

V . «о

Из решения (3.8) для основного участка выходной кривой следует формула Шилова

ап л„ ; 1 \

'-О у ГЧф'-о ^нр Таким образом, скорость распространения сорбцпонного фронта равна:

V С\

= — . (3.11)

«о

С помощью формулы (3.11) можно рассчитать время защитного действия фильтра в зависимости от скорости фильтрации и исходной концентрации фенола в воде. Так, при »=10 м/ч, С0=0,025 мг/л и «о=9,2 мг/мл, «/=2,7-10~5 м/ч, тогда для фильтра длиной 1 м получим /3= 1До'= 1500 сут.

Используя решение (3.8), можно'из выходной кривой фенола иа АГ-3 определить эффективный кинетический коэффициент, представив ее в полулогарифмических координатах. Для нашего случая величина рЭф =0,2 с-1. Эта величина была сопоставлена с известной формулой длч впешнедпффу-зионпого кинетического коэффициента (Вспицпапов Е. В., Рубинштейн Р. М.)

р—0,009 г>0,5 . (3.12)

Для наших условий опыта при и—20 м/ч, (1—\ мм (3=0,24 с-1.

Это означает, что определяющей стадиен кинетики при сорбции фенола на угле АГ-3 является внешняя диффузия и для априорных расчетов кинетического коэффициента ри> в решении (3.8) можно пользоваться формулой (3.12).

Для проверки надежности работы фильтра из АГ-3 были проведены лабораторные исследования, результаты которых позволили подтвердить расчетные сроки эксплуатации загрузки до 3—4 лет без регенерации при максимально возможных концентрациях фенолов и нефтепродуктов в исходной воде (Сф =0,025 мг/л, Сн =5 мг/л-, -и =10 м/ч, //=1 м). Проверка результатов лабораторных исследований, - выполненная совместно с сотрудниками НИИКВОВ на станции обезжелезп-ваиия г. Тюмени, показала, что в реальных условиях действующей станции в указанных выше режимах возможна устойчивая работа сорбционной ступени с загрузкой-АГ-3 в течение расчетного срока.

3.4.4. Исследование процессов удаления азотосодержа-щих веществ.

Разработка методов удаления аммонийного азота связана с повышенным его содержанием в во^ах целого ряда подземных источников (С0=2—4,2 мг/л). Экспериментальные работы, проведенные сотрудниками института Эрнсмана и АКХ в г. Тюмени, а также нами в г. Лангепасе, Мегионс и Нижневартовске, не подтвердили гипотезу о возможности удаления аммонийного азота биохимическими методами. Наиболее приемлемыми в данных условиях следует считать физико-химические методы и, в частности, метод ионного обмена на природных цеолитах, месторождения которых в достато/шом количестве имеются в Сибири и па Дальнем Востоке. Применение, этого метода возможно при, подаче воды па фильтры с загрузкой клиноптилолитом (КП) после тщательной ее предварительной очистки от взвесей и других ингредиентов, что хорошо согласуется с нашими условиями. .

В работе исследованы вопросы очистки воды от НН4+ в двухслойных фильтрах третьей ступени,, загруженных сорбентом АГ-3 (верхний слой Н=, 1 м) и клиноптилолитом (нижний слой Н = 1 м), что является наиболее невыгодным вариантом в эксплуатации, да!\ анализ физико-химических показателей пяти месторождений цеолитов, установлена сорбцион-но-обменная емкость КП "Холпнского карьера для конкретных условий.

• В экспериментах применялся дробленый КП фракций от 1 до 2 мм, (I р — 1,2 мм, Л'и~1,5. Скорости фильтрации варьировались от 6 до 10 м/ч. По исчерпании обменной емкости производилась регенерация КП 2-процентным раствором поваренной соли, который не оказывает заметного влияния на сорбционпую емкость вышележащей загрузки из АГ-3. Анализ полученных графиков динамики и кинетики ионного обмена показал, что в начальной стадии процесса ионный обмен протекает довольно, интенсивно, а начиная с середины фнльтроцикла, скорость обмела значительно падает. Полная динамическая емкость КП составила /'"пл =490 г-экв/м3 при остаточной концентрации ионов МН4+ в фильтрате 0,12 мг/л. Изменение температуры исходной воды от 1 до 12°С незначительно влияло на величину £,1Д, влияние конкурирующих катионов (в основном Са2+ и заметно снижало обмен-

ную емкость, что необходимо учитывать в практических расчетах. Для определения рабочей обменной емкости /?гд нами получена формула 28

■де а' — коэффициент эффективности регенерации, прпиима-:мый постоянным и равным 0,85; ¡3' — коэффициент, учиты-!ающнй влияние конкурирующих катионов, г-экв

ИСк=(Са2Ь + М§2+) , принимаемый по предлагаемой вра--

5оте таблице в зависимости от соотношения Си1Ъ Ск. Его щаченпя колеблются от 0,50 до 0,95. '

Объем загрузки КП УУК„ ■ в фильтрах третьей ступени может быть найден по формуле

^-йгсд,^, (3.14)

"де £ —расход исходной воды, м3/ч, пг —число регенераций з сут. {Пр =0,25 рекомендуется 1 регенерация в 4 суток).

Приняв высоту КП в фильтре 1 м, определяют общую площадь фильтрации, количество фильтров, их размер,- проводят проверку скоростных режимов и выполняют детальные расчеты. Рекомендации но режимам промывки и регенерации загрузка из КП приведены в разделе технических рекомендаций работы.

Таким образом, в результате проведенных исследований, показана возможность падежной очистки воды от аммонийного азота методом ионного обмела с использованием в качестве ионообменного материала клнноптилолнтов. Следует отметить, что превышение норм питьевого стандарта по показателю аммонийного азота отмечено на шести месторождениях' Тюменской области (гг. Тюмень, Ханты-Мансийск, Нефтеюганск, Мегнон, Лангепас, Нижневартовск).

3.6. Разработка технологических схем по комплексной очистке подземных вод

Проведенными исследованиями было установлено, что поставленным задачам наиболее полно соответствует схема обработки воды, состоящая из трех блоков: дегазационного, фильтрационного и сорбциопно-нонообменпого. Определение основных видов сооружений в каждом блоке, уточнение их технологических характеристик работы и регенерации было выполнено при проведении производственных испытаний предложенной технологии на объектах внедрения в гг. Тюмени, Сургуте, Лангепасе, Стрежевом, Новом Уренгое.

3.6.1. Экспериментальные исследования работы дегазаторов различного типа (вентиляторного с хордовой насадкой и барботажного конструкции НИИЖТа), проведенные в

гг. Лангепасе и.Сургуте, показали, что применение вентиляторных дегазаторов для удаления метана оказывается недостаточно эффективным, а наличие в воде ЖФК приводит к усиленной кольматацаи насддок и делает невозможным применение этого типа аппаратов для обработки подземных вод региона. .Так, эксплуатация вентиляторных дегазаторов с насадками из колец Рашига (Нижневартовская ГРЭС, проект нн-та УралТЭП) в течение двух месяцев привела к полной замене загрузки и остановке сооружений, Барботажные дегазаторы обеспечивают практически полное удаление метана (при исходных концентрациях до 40 мг/л) и диоксида углерода (до 70%) при подаче воздуха от 3 до 15 м3 на 1 м3 воды, характеризуются наиболее развитой поверхностью контакта сред (в 10 и более раз), возможностью гидродинамического воздействия на процесс, отсутствием насадок, простотой обслуживания и экономичностью. Оптимальный диапазон удельных расходов воздуха составляет от 3 до 10 м3 на ' 1 м3 воды, дальнейшее увеличение расходов воздуха заметно не влияет на интенсификацию процессов дегазации и зависит от особенностей качественного состава- воды. Производственными испытаниями подтверждено необходимое время контакта вода-воздух, полученное при лабораторных и полупроизводственных исследованиях, которое рекомендуется принимать в пределах 8—12 мин.

Учитывая отсутствие специальной, нормативной и инструктивной литературы, автором были разработаны документы по технике безопасности и охране окружающей, среды на объектах газоудаления, создана инструкция по организации и проведению контроля концентрации метана в технологической линии водоочистки .и в атмосфере технологических помещений и сооружений водопроводных станций.'Рекомендован широкий выбор аппаратуры отечественного производства для этих целей.

3.6.2. Производственные испытания разработанной технологии по удалению железа, марганца, комплексных железо-фосфатных и др. соединений проводились-на промышленных фильтровальных сооружениях п. Велижаны (г. Тюмень), гг. Сургута, Лангепаса, Ялуторовска, Нового Уренгоя, Стре-жевого с 1979 по 1992 г. Основной задачей исследований явилось: определение параметров работы фильтровальных сооружений при восходящей и нисходящей фильтрации, установление предельных нагрузок на оборудование по основным ингредиентам, изучение влияния на эффективность обработки 30

оды различных фильтрующих материалов, режимов промыв-и и регенерации загрузок фильтровальных сооружений, а таксе уточнение результатов полупромышленных испытании.

В результате выполненных работ фильтрование воды по хеме сверху вниз рекомендовано применять при содержа-ии общего железа и исходной воде до 5 мг/л, ЖФК до О мг/л, марганца до 0,5 мг/л. При увеличении общего желе-а от 5 до 12 мг/л, ЖФК более 20 мг/л, цветности воды от 5 до 80° необходимо применять режим восходящей фильт-ации. Показано, что применение загрузок с развитой удель-ой поверхностью и пористостью приводит к увеличению вре-1ени работы фильтров и снижению темпов прироста потерь ;апора в 1,8—2.раза. Установлено, что в процессе эксплуататор происходит усиленная кольматащш зерен фильтрующего 1атернала, особенно его мелкозернистой части, и для максимально возможного продления службы загрузок рекомендо-¡ан режим водовоздушной промывки. Однако даже приме-1ение водовоздушной промывки не исключает более глубо-сой регенерации фильтрующей загрузки 1—2 раза в год из-за юзможной блокировки поверхности зерен ЖФК. Проведен-ше исследования позволили определить, что наиболее эффективными химическими реагентами являются слабые ра-:творы (0,05—0,2%) серной и соляной кислот, применение <оторых 1—2 раза в год позволяет полностью восстановить товерхностную активность фильтрующего материала. Предложенная технология глубокой регенерации отличается эко-^тмичностыо, простотой, возможностью многократного использования реагентов и позволяет увеличить срок эксплуатации фильтрующих загрузок до нормативных величин.

В результате изучения динамнки осветления промывных вод и осадков водопроводных станций рекомендован состав очистных сооружений, основные расчетные характеристики их работы, виды реагентов, составлены мероприятия по утилизации п использованию осадков, рассмотрены вопросы охраны окружающей среды.

Полученные значения основных параметров технологического процесса на осветлителыюй ступени хорошо подтверждаются- практическими расчетами, выполненными по результатам моделирования.

3.6.3. Производственные испытания по сорбционной очистке воды от фенолов и нефтепродуктов проводились на действующих промышленных. установках в гг. Лангепас и Тюмень.

Содержание фенолов и нефтепродуктов в природных водах региона непостоянно и изменяется в пределах от 0,001 до 0,025 мг/л по фенолам и от 0,5 до 0,8 мг/л по нефти, распространены указанные ингредиенты в основном в местах активной нефтедобычи. Активный уголь АГ-3 был загружен в напорный фильтр третьей ступени диаметром 1500 мм на высоту 1 м и работал в режиме фильтрации сверху вниз со скоростью 11 м/ч (г. Лангепас). При концентрации фенолов до 0,011 и нефти до 0,66 мг/л' в исходной воде их содержание в фильтрате составляло соответственно 0 и 0,012 мг/л. Проведенные испытания позволили подтвердить полученное ранее расчетное время работы сорбентов.

Экспериментальные работы, проведенные на фильтре площадью 44 м2 (г. Тюмень) в течение семи месяцев (двухслойная загрузка: верхний слой—-АГ-3, Н—0,3 м, нижний слои — кварцевый песок, #=1,6 м, режим восходящей фильтрации, скорость фильтрования 5 м/ч) подтвердили возможность снижения. содержания фенолов и нефтепродуктов до санитарных норм при их начальной концентрации до 0,025 иО,05 мг/л соответственно. Параллельно с промышленными фильтрами для сравнения результатов в каждом случае работали фильтровальные колонки.

Испытания по сорбциопной очистке показали, что при загрузке фильтров АГ-3 на высоту от 1 до 1,5 м, при скорости фильтрации до 15—20 м/ч продолжительность межрегенера-цпонного периода сорбента при работе в самых неблагоприятных условиях составит не менее 2-х лет, а в среднем по региону от 3 до 4 лет.

Для регенерации активных углей, используемых в нефтегазодобывающих районах для очистки подземных и поверхностных вод, • предусматривается строительство завода в г. Нижневартовске (заказчик п/о Нижневартовскжилкомхоз, подрядчик НПО «Экология» г. Кемерово). Доставка угля на регенерацию в основном будет осуществляться железнодорожным н автомобильным транспортом. На основании технико-экономических обоснований принят химический метод регенерации углей, позволяющий восстанавливать величину обменной емкости на 75—80%.от ее исходных значений.

3.7. Обобщение опыта промышленного внедрения технологичесих схем очистки подземных вод

По результатам проведения исследований в 1984 г. были »азработаны «Технические рекомендации по -проектированию I эксплуатации станций очнсткп в Тюменской области», согласованные НИИКВОВ и утвержденные МЖКХ РСФСР. 3 соответствии с этим документом проектные институты ЭСФСР, Украины, Белоруссии за последние годы выполнили троектированне станций обработки воды для 14 городов и юселков с общей их производительностью около 280 тыс. м3 з сутки. Однако потребности развивающегося нефтегазового комплекса были намного больше и в 1986-—1987 гг. по заданию Госстроя СССР ЦНИИЭП инженерного оборудования разработал типовые проекты станций обработки подземных вод производительностью 1,6; 3,2; 5,0; 8,0; 20,0; 40,0 и 80,0 тыс. мг,/сут, в основу которых была положена технология очистки, предложенная автором. Первые четыре модификации станции предусмотрены в комплектно-блочном исполнении и с 1988 г. выпускаются серийно Тюменским за!зодом «Снбкомплектмонгаж» в количестве от 4 до 6 станций и год. На рис. 3.3 в качестве примера приведен план станции очистки подземных вод <2 = 12,5 тыс. м3/сут.

Рис. 3.3. Станция очистки подземные вод (<3 = 12.5 тыс. м3/сут): 1ИИЭП И. О. 1 — дегазаторы; 2— компрессорная; 3 — осветлительные фильт ; 4 — сорбционные фильтры; 5, 6—НС промывки освстлнтельных и сорбцион.-х фильтров; 7, 8— промежуточные НС и резервуара 9 — РЧВ 200 м3; 10.12— служебн. помещения; 11 — НС Г1 подъема

Последующее продолжение работ по совершенствовании: схем очистки вызвало уточнение отдельных положений реко мендацпй и привело к необходимости разработки новой редакции. В работе приводятся основные положения вновь подготовленного к печати документа, который намечен к изданию в 1992 г.

Окончательный выбор схемы очистки воды должен всегда устанавливаться на основе технологических испытаний, проведенных у источника или по опыту эксплуатации сооружении, работающих в аналогичных условиях. Предварительный выбор, в случае отсутствия изысканий, допускается производить в соответствии с рекомендациями табл. 3.1. В зависимости от показателей качества воды (содержание железа н ЖФК) рекомендованы две схемы очистки воды, отличающиеся друг от друга направлением фильтрации на осветлитель л ой ступени (рис. 3.4 и 3.5). Применение схем с напорным режимом движения воды рекомендуется при расчетной производительности сооружений до 12,5 тыс. м3 в сутки с использованием серийно выпускаемых станций, в остальных случаях режим движения — самотечный.

Рекомендации содержат указания по устройству и детальному рчсчету всех основных сооружений, расчетным характеристикам фильтрующего слоя, режимам промывкн и регенерации, обработке осадков и промывных вод, эксплуатации и технике безопасности, охране окружающей среды на водоочистных объектах.

Результаты работы включены в пособие к СНнП 2.04.02-84 «Технология обработки подземных вод нефтегазоносных районов Западной Сибири». Подробная характеристика объектов внедрения приведена в тлбл. З.2..

4. ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Проанализированы основные физико-географические факторы, влияющие на распространение и формирование подземных вод, их режим, динамику и состав, к которым отнесены орография территории, климат, гидрография, наличие многолетней мерзлоты, обилие болот п наличие мощного покрова. Показано, что Западно-Сибирский артезианский бассейн, несмотря на имеющиеся отличия качественного и количественного состава отдельных бассейнов стока, является единой гидрогеологической структурой, что позволило установить общие* закономерности в вопросах обработки подземных вод. 34

Таблица 3.1

Схемы очистки воды в зависимости от показателей ее качества

Показатели качества исходной воды, учитываемые при назначении схемы

Технологическая схема иг/л ЖФК, мг/л сн<, мг/л Температура, град. ■рн Н23, мг/л со1г„ М! /Л Мп, мг/л Фенолы, иг/л 1 ¡ефте-продукты, мг/л >Ш4 + , мг;л 1Ц. мг-экя л Окисля-емость О,, мг/л

Схема 1 От 5,0 до 12,0 >20 От 0,Г. до 39 >2...3 6,5 От 0,1 до 3,0 От ?0 до 100 От 0.1 до 0,5 >0,01:15 От 0,3 до 1,0 От 2.0 до 4,2 Ре1+ >1+28 До 8

Схема 2 До 5,0 < 20 От 0.5 до 30 >{...2 6,5 О г 0.1 до 3 0 От 30 до 160 От 0,1 до 0,о >0,0015 От 0,3 до 1,0 От 2,0 до 4,2 Яе2 + До'8

Примечание. Состав сооружений: I ступень — дегазатор; П ступень — осиетлительные фильтры (фильтрация снизу-вверх,—схема 1, сверху-вниз — схема 2); Шступень — сорбционно-конитовые фильтры. Схемы с напорный режимом движения воды применяются при производительности станций до 12,5 тыс. мэ/сут.

\

0

©

.Дегазатор бар Ое&етлмгедьны ¿У СорбциочныЙ О РЧЗ

р-л исколи -В-Тр-л сотого

©

Рис. ЗА. Схема обработки воды № I (самотечный вариант)

Рис. 3.5. Схема обработки воды № 2 (напорный вариант)

Характеристика объектов внедрения

Таблица 3.2

пос. Велижаны, г. Тюмень г. Сургут

г. Ланг^пас пос. Велижаны, г. Тюмень г. Новый Уренгой

г. Стрежепой

пос. Тарко-Сале

г. Лангёпас г. Когалым

г. Ноябрьск-

пос. Мамонтове, пос. Пойковский

пос. ПокаЧевскнй г. Сургут

г. Надым

г. Салехард

г. Ханты-Мансийск пос. Радужное

г. Нижневартовск ГРЭС

г. Нижневартовск

1981 1092

Проект 1988

1£01 -

Проект 1988

1991 11Й9

1989

1У89 1089

1989 Проект 1990—1992

Проект 1990

Проект 1990

Проект 19)2 Проект 1 59

1939 Проек1 1992.

Гнпрокоммунводокаизл, г. Новосибирск . ЦНИИЭП инженерного оборудования, г. -Москва

Минскграждаипроект Гнпрокоммунводоканал, г. Новосибирск ЦНИИЭП инженерного оборудования, г. Москва

Промстройнроект, г. Новосибирск Сантехпроект, Нижний Новгород

Минскграждаипроект Гнпрокоммунводоканал, г. Новосибирск 'ЦНИИЭП инженерного оборудования, г. Москва

ЦНИИЭП инженерного оборудования, г. Москва

Тюменгражданпроект ЦНИИЭП инженерного оборудования, г.. Москва

Гнпрокоммунводоканал, г. Санкт-Петербург Гнпрокоммунводоканал, г. Новосибирск То же

Гнпрокоммунводоканал, Новосибирскграждан-проект, г. Новосибирск Урал ТЭП, г. Екатеринбург

ЦНИИЭП инженерного оборудования, г. Москва _

Итого:

5,3

2.7 1,2

60,(1

со,о

20,0

5,0 8,0

8,0 8,0

8,0

8,0

32,0

17,3

12.0 20,0

20,0 12,0

100,0

415,5

2. Выявлены отличительные особенности качественного состава подземных вод региона, исключающие применение традиционных схем подготовки питьевой воды. Проведен анализ влияния показателей качества воды таких, как железо, железофосфатные комплексы, .марганец, температура воды, растворенные газы (метан, углекислота, сероводород), фенолы, нефтепродукты и азотосодержащие вещества * на процессы очистки воды.

3. Установлены закономерности формирования качественного состава подземных вод, поступления в них и образования органических и минеральных загрязни гелей, опреде-ню-щих выбор технологической схемы обработки воды. Методами И К спектроскопии, рентгенографии, -с помощью химических и термических анализов проведено (совместно с ИГГ СО АН) изучение свойств железофосфатных осадков, встреченных впервые в практике очистки'воды. Установлено, что с увеличением степени окисленностп идет разрушение кристаллической решетки минералов вплоть до полной ее амор-физацин.

4. Обоснована возможность очистки подземных вод от многокомпонентных загрязнений безреагентнымн методами при условии высокой надежности работы сооружений в экстремальных условиях Севера. Разработаны процессы и аппараты для кондиционирования подземных вод до норм питьевого стандарта.

5. Исследованы закономерности процессов удаления из воды растворенных газов, и на основании анализа уравнения массопереноса предложена математическая модель дегазации воды с учетом полного удаления взрывоопасного газа метана, принятого в качестве критерия при работе сооружений. Обосновано применение в качестве аппаратов для газоудаления барботажных дегазаторов, отличающихся наибольшей поверхностью контакта фаз, способностью гидродинамического воздействия па поток, простотой конструктивного оформления и возможностью использования серийного оборудования.

6. Проведен теоретический анализ работы водоочистных фильтров по удалению из воды железа, марганца и ЖФК, н с помощью методов компьютерного моделирования показана возможность протекания процессов очистки в зернистом слое в диффузионном' или кинетическом режимах в, зависимости от количества кислорода, поданного в исходную воду. Изучены закономерности процессов фильтрации в направле-38

паи убывающей и возрастающей крупности фильтрующего слоя, влияние на их эффективность применения различных фильтрующих материалов. Разработаны инженерные методы расчета и оптимизации аппаратов для осветления воды.

7. Установлены диапазоны температуры исходной воды, регламентирующие применение аэрацнониых методов при обезжелезнвании воды.

8. Получено математическое описание и разработаны методы технологических расчетов сорбционной и ионитовой ступени очистки для задержания фенолов, нефтепродуктов и азотосодержащнх веществ.

9. Подготовлено к внедрению пособие к СНиП 2.04.02-84 «Технология обработки подземных вод нефтегазоносных районов». Разработаны и изданы «Технические рекомендации по проектированию н эксплуатации станции очистки подземных вод в нефтегазодобывающих районах», утвержденные Глав-водоканалом МЖКХ РСФСР. Результаты работы используются в учебном процессе при подготовке инженеров по специальности 2908.

10. По рекомендациям автора разработаны типовые проекты станций серии Э-1805 (5 модификаций) в комплектно-блочном исполнении и серий Э-1589 (3 модификации). Завод «Сибкомплектмонтаж» г. Тюмень с 1988 г. выпускает ежегодно от четырех до • шести комплектов станций серии Э-1805.

11. Проведен анализ аппаратуры для обнаружения - и контроля содержания метана и других газов в атмосфере технологических помещений, и рекомендованы для использования при проектировании основные типы промышленного оборудования. Подготовлены правила безопасности эксплуатации водопроводных очистных сооружений, взрывоопасных по метану.

12. Осуществлено внедрение предложенных научных разработок на действующих и вновь построенных станциях в различных городах и поселках Тюменской и Томской областей с общей производительностью 415,5 тыс. м3/сут.

13. Положительный опыт эксплуатации действующих станций обработки воды, их высокие технико-экономические показатели доказывают соответствие теоретических разработок и практических результатов в части выполнения ключевых элементов расчета, устройства сооружений и' регламента их работы.

Список литературы

1. Артеменок И. Д., Фоминых А. М. Гидравлика фильтрующих материалов // Изв. вузо'з. Стр-во vi архитектура. 1972. № 5. С. 112—115.

2. Фоминых Л. М., Артеменок Н. Д., А\якишев В. А. Производственные испытггшя новых фильтрующих материалов при очистке питьевой воды //Водоснабжение-а санитарная техника. 1970. К» 3. С. 8—17.

3. Баталов В. Г., Артеменок Н. Д. К вопросу интенсификации работы станций обезжелезнвання // Вопросы водоснабжения и канализации в условиях Снбнрн. 1 ,'опосибирск. 1979. С. 44—48.

4. Фоминых А. М-, Артеменок Н. Д., Баталов В. Г. Исследование обезжелезнвання годы с фильтрованием через дробленые, горелые породы // Вопросы водоснабжения и канализации на железнодорожном транспорте. Л.; 1978 С. 35—39.

5. Баталов В. Г.. Артеменок 1!. Д. Выбор технологических схем очистки подземных в'>д Тюменской области//Вопросы водоснабжения и воздействия ль'ха на сооружения в условиях Сибири и Севера-. Новосибирск, 1982. С. ПО—52. '

6. Технические рекомендации по проектированию л эксплуатации станций оччетки подземных пол в Тюменской области/Разраб. Артеменок Н. Д. Новосибирск. 1984. 15 с.

7. Баталов В. Г., Артеменок Н. Д., Панков В. П. Ускоренный способ количественной оценки кольматнруюших веществ из подземных источников. . Новосибирск, 19S6, 4 с. (Информ. л. / Новосиб. межотрасл. науч.-" ипфзрм. центр, № 184—86)..

8. Баталов В. Г.,. Кунц К. У7., Артеменок Н. Д.- О закономерностях процессов очистки железосодержащих подземных вод -с повышенной мутностью и методике расчета фильтровальных сооружений // Вопросы водоснабжения и воздействия льда на сооружения в условиях Сибири. Новосибирск, 1085. С. 16—24.

3. Артеменок Н. Д., Баталов В. Г. Учет структурных характеристик загрузки при расчете фильтров станций обезжелезивания воды//Вопросы водоснабжения и воздействия льда на coon ужения' в условиях Сибири. Новосибирск. 1985. С. 39—46.

10. Артеменок Н. Д. О. разработке приложения к СНлП 2,04.02-84 по вопросу очистки подземных вод в регионах Западно-Сибирского нефтегазодобывающего комплекса//Тез докл. науч.-тсхи. коиф. «Вопросы ускорения научно технического прогресса па железнодорожном транспорте. Новосибирск. 198S. С, 95,

11. Артеменок И. Д. Станции очистки подземных вод в' Тюменской области//Водоснабжение и санитарная техника. 1986, № 2. С. 11 — 12.

12. Исследование осадка, образующегося на фильтрах обезжелезива-пич / Д. К. Лрхипсньо, В. Н. Столпоескяя, Т. Н. Григорьева, Н. Д. Артеменок, В, Г. Баталов//Химия и техподо'ия воды. 1986. Т. 8. № 1. С. 62—6_1,

13. Артеменок Н. Д., Пинков В. П. Очистка подземных вод .Западной Сибири от газовых примесей//Водоснабжение и санитарная техника. 1987. № 3. С. 4-6.

14. Особенности показателей качества подземных вод Западно-Сибирского артезианского бассейна / Н. Д. Артеменок, К. Л. Кунц, В. Г. Баталов. В. П. Панков//Рациональное использование природных вод, улучшение их качества и очистка производственных стоков на железнодорожном транспорте. Днепропетровск. 1987. С. 66—72.

15. Артеменок II. Д. О влиянии режима подпитки на качество подомных вод нефтегазоносных районов Западной Сибири//Водоснабжение

борьба с ледовыми затруднениями при транспортном освоении нефтега-оносных районов Сибири. Новосибирск. 1988. С. 21—26.

16. Усовершенствованная станция очистки подземной воды для регио-;ов Западной Сибири/Н. Д. Артеменок, Э. Д. Луканина, А. Д. Жмудь, I. Б. Борд // Передовой производственный и научно-технический опыт в «елиорации и еояном хозяйстве. М., 1989. Вып. 3. С. 21—26.

17. Артеменок Н. Д. Реконструкция станции очистки воды г. Стреже-юго Томской области // Водоснабжение, водоотведение, воздействие льда 1а инженерные сооружения в условиях Сибири. Новосибирск. 1990. 1 24—27.

18. Артеменок Н. Д., Мулер П. Б. Применение моделыю-статистиче-:ки.ч методов для описания процессов очистки воды//Водоснабжение,во-1оотвсдсннс, воздействие льда на инженерные сооружения в условиях :ибири. Новосибирск. 1990. С. 27—30.

19. Артеменок Н. Д. Компьютерное моделирование процессов очистки юды от железа, марганца и комплексных железофосфатных соединений // водоснабжение, водоотведение, воздействие льда на инженерные соору-кеиия в условиях Сибири. Новосибирск. 1992. (в печати).

Сдано п наб. 24.08.92 г. Подписано в печать 9.09.92 г. Формат 60Х841/: 2,5 печ. д., 2 уч.-изд. л. Заказ 799. Тираж 103 экз.

Тип. НИИЖТа. Новосибирск-23. ул. Дуси Ковальчук, 191.