автореферат диссертации по строительству, 05.23.04, диссертация на тему:Влияние гидрогеохимических факторов на процесс внутрипластовой очистки подземных вод от железа

588 0 3 9 2

МИНИСТЕРСТВО АРХИТЕКТУРЫ, СТРОИТЕЛЬСТВА И ЖИЛИЩНО-КОММУНАЛЬНОГО ХОЗЯЙСТВА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ВСЕРОССИЙСКИЙ

ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ КОМПЛЕКСНЫЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ И КОНСТРУКТОРСКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ ВОДОСНАБЖЕНИЯ, КАНАЛИЗАЦИИ, ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ СООРУЖЕННП И ИНЖЕНЕРНОЙ ГИДРОГЕОЛОГИИ (ВНИИ ВОДГЕО)

На правах рукописи УДК 556.3:623.147

СЕРЕДКИНА Елена Валентиновна

Влияние гидрогеохимических факторов на процесс внутрипластовой очистки подземных вод от железа

(05.23.04 — водоснабженш,е, канализация, строительные системы охраны водных ресурсов)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва — 1992

- г -

Работа внполнена во Всероссийском комплексном научно-исследовательском и конструкторско-технологическом институте водоснабжения, канализации, гидротехнических сооружений и инженерной гидрогеологии (ВНИИ БОДГЕО).

Научный руководитель : доктор технических наук Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

кандидат тэхничесзшх наук» старший научный сотрудник, ($етрыа "АНВАБУР")

Ведущая организация: Союзводоканапптюект

Защита состоится "21и октября 1992 года в -10- ео часов на заседании специализированного совета К 033.05.02 по присукдению ученой степени кандидата технических наук во ВНИИ ВОДГЕО по адресу:119826, Москва, Г-48, Комсомольский проспект, д.42.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института. , Автореферат разослан сентября 1992 г.

Г. М. Кошу нар

Л.Л.Алферова А.Д.Гуршовяч

Ученый секретарь специализированного совета.кандидат технических наук

Е.А.Чистякова

- 3 ~

ОВШАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Прогрессярущео загрязнение поверхностных код предопределяет необходимость изменения структуры водопользования с ориентацией ка подзеккнв источники. В то хе время распространение подземных вод с повышенным содержанием калэза сдершшазт решение этой прсблэкн. Поэтому весьма важной для водоснабжения является разработка современных высокоэффективных технологических приемов водоподготовки. Одам из таких приемов является метод внутрипластовой очистки подземных вод от железа.

Технология обезкелезивания подземных вод в пласте мокет быть применена на водозаборах различной производительности, ко ее широкому внедрения долхны предшествовать более детальные исследования процессов, имеющих место в реальных гидрогвохимических условиях. В связи с этим становится актуальной разработка специальных методов геохимического тестирования н опробования водоносных пластов, позволяющих строго обосновнветь область применения данной технологии.

Цаль и задачи работа. Целью настоящих исследований является оценка влияния гидрогеологических и гидрохимических факторов на эффективность обезкелезивания подземных вод в пласте.

Для до с тикэния намеченной цели были поставлены следующие основные задачи:

- изучение равновесных состояний железа в подземных водах;

- исследование адсорбции кислорода в неоднородных пластах и оценка влияния профильной изменчивости фильтрационных и емкостннх свойств нодовмещэщих пород на процесс внутришшетовой очистки подземных вод;

- изучение влияния трудаоокисляемых кожлахсов железа, марганца и аммония на эффективность процесса

- 4 -

внутршшастового обвзяэлэзиваяия подземных вод.

йатодака кссяедовзшЛ. Данная работе включаэт в себя как экспериментальные, так и теоретические исследования. Основана результаты еа полученн на основе термодинамических расчетов расновесшх состояний келэзз а подземных водах к решений диффаренциальннх уравнений фильтрации и массопэреноса при учете гидродинамических и кинетических особенностей ксслвдувшх процессов. При этом роэ полученные аналитические зависимости и расчетные формула подвергались экспериментальной прсварке в лаборатория и далввдх условиях.

Неучная НО&яэгл работа. В диссертации полученн следующие новцэ результеты;

I , Разработана методика геохимического тестирования подземных вод, позволяющая определять миграционные форш железа(П) и его равновесные концентрации.

2. Разработана математическаяч модель, описывающая процесс переноса сорбируемых примесей в неоднородных пластах и получена аналитическая зависимость для коэффициента макродасперсии, отражающая влияние фильтрационной и емкостной неоднородности пород на процесс кассопервноса.

3. Сформулирована задача об адсорбции кислорода в неоднородных пластах при закачке в сквакину азрированной вода, На основе решения этой задачи разработана методика оценки параметров процесса массопереноса. Показано, что профильная неоднородность сорбционных свойств водовмещающих пород вызывает снижение эффективности их "зарядки" кислородом.

4. Поставлена и решена задвча о внутрииластовой очистке подземных вод в неоднородных пластах с учетом окисления сопутствующих ингре'дшнтов.

5. Разработан метод расчета водозаборов с установками вкутрипластоЕого обе зжелэзивания.

Нв ззщату вгаюсотся следующие осгювныо положения:

I„Методика расчета равновесных концентраций ионного а оценка доли комплексная соединений Ре(п) путем Ki-pH тестирования подземных вод,

2. Развитие теоретических .аспектов масоопорекоса с учетом масссобмонных процессов (адсорбции и гетерогенного окисления) пря фильтрации подземных вод в неоднородных пластах.

3. Технология Бнутршластового обазжэлэзиваиия а неоднородных по емкостным показателям пластах с учетом различных форя железа и других окислявьнгх ингредиентов.

Практическая ценность работ и роаяизация результатов.

Проведешше исследования расширяли предгтамения о реальных процессах, ашицих место при использовании геотехнологичэских методов очистки подземных вод. Применение разработанных в диссертации методик позволяет в каздом конкретном случав выявить главные факторы, оказывающие ' влияние на процесс обезяелезивания, определить основные параметры процессов я осуществить расчет систем водоснабжения с установками обезжелезивания в различных гидрогеологических и гидрохимических условиях.

Результаты исследований внедрены на водозаборах гг.Цесиса (Латвия) и Днепродзержинска (Украина). Достигнутый при этоы экономический эффект превысил 350 тыс.руб.

Апробация работа. Результаты исследований ка семинара "Сооружение и эксплуатация водозаборов подземных вод",Российский дом знаний, 1991 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 статей.

- б -

Структура и обьел дассер-гацш. Диссертация состоит из общей характериотиси, четырех глав, списка литературы, вклняавдего III наименований., .Изложена она на IS8 сграшщах машинописного тексте к включает 69 .рисунков и 30 таблиц.

Содергашш работа

В Kçpsiil глава проанализирован отечественный и зарубекннй опыт применения технологии знутрипластовой очистки подземных вод от колаза. Приведены принципиальные схемы установок обезаалезиваняя к' представлены результаты их исштанжй-

й*фок'л:вность процесса обезкелезивания в значительной мере-зависит от гидрогеологических к гидрохимических условий. В работе показана, что несмотря на наличие большого количества данных, свидетедкггщадих о высокой эффективности данного процесса, далеко на во всех случаях применение данной технологии обеспечивает требуемую степень очистки подземной воды от железа. Причин тому инокество и поэтому трудно выработать однозначные критерии ее использования.

В работе показано, что ранее разработанная (Коммунар Г.М., Янбулатова Ф.Х.) математическая модель процесса обезжелазивания в целом неплохо воспроизводит опытные данные. Однако зачастую ка практике прослеживаются эффекты, которые нэ удается объяснить на основе этой идеализированной модели.

Среди факторов, оказывающих существенное влияние на эффективность внутрипластового обезкелезивания мокно выделить следующие:

- гидрохимические, учитывающие качества подземных вод;

- гидрогеологические, отражавшие фильтрационные л емкостные свойства водовмещавдих пород.

По мнению автора учет этих факторов позволит не только

уточнить представл в ния о процессе вгутрипластового

обезколезивакия, но также выработать критерии- применимости исследуемый технологии.

Вторая глава посвящена изучении равновесны* состояний аедэза в подземных водах.

К настоящему времени накоплен обширный теоретический и экспериментальный материал по поведению зэлеза в подземшх водах в зависимости от Eh-pH показателей среда и концентраций различных лкгаид, образующих с ним комплексные соединения. Большой вклад в изучение геохимии железа внесли Гаррете P.M., Hem J.D., Sturm ff., Крайнев С.P.,Соломин Г.А., Труфанов Л. И..

В бескислородно-бессульфадних водах. коацентрация железа контролируется реакциями

Ре2+ = Ре3+ + ё ' ( 1 )

?е3+ + 3 ОН" = 3?е(0К)_, ( 2 )

О

задающими окислительно-восстановительный потенциал смстэш RT

Eh = Eq 4 2.303 — (3 рК,, - 3 рН - рКре(Ш) - lg аре2+ ) ( 3 )

где ^q - стандартный окислительный потенциал; Н - газовая постоянная ; Р - число Фарадея; Т - абсолютная температура; а -активность Уе2+; pí^ и Р%е<он) ~ константы устойчивости воде н гидроксида железа.

Уравнение (3) широко применяется на практике. Однако непосредственное его использование для расчета равновесной концентрации Ре(П) затруднено тем, что значение константа устойчивости гидроксида железа, согласно имеющимся в литературе данным (Гаррелс Р..Латимер В.,Hem J.D.,Stunro W.)_ изменяются в широком диапазоне. Источником различия в значениях Ркре(он)з является зависимость структуры и форм гидроксидов (фврригидритов

- 8 -

РеООН 2 ХН20) от условий их получения..

Для того» чтобы избежать неоднозначности в дэнной работе предложен слвдущий методический прием. Принято, что система находится в состоянии термодинашческого равновесия. Тогда при известных концентрациях Ре(И), минерализации подземных вод, температура и значениях Ей, рН по уравнению (3) неслошо рассчитать Р%в(ок)з' а зат9м Ужв с найденной константой производить дальнейшие геохимические расчеты. Апробация этой метода® была осуществлена на ряде обьэктов. В качестве пришра в таблЛ представленк данные по сквакинам водозабора г.Урая, каптирующим курташшский водоносный горизонт.

Таблица I

Измеренное и расчетные показатели равновесного состояния подземных вод

Ш скв. рН Eh,В Суе2+,мг/дм3 РКГе(0К)з

I. 6.4 +0.085 7.5 39.53

6.8 +0.075 7.2 38.5

7. 6.3 +0.11 7.25 39.38

II. 6.5 +0.09 7.25 39.15

21. 6.6 +Q.04 5.83 39.8

22. 6.8 +0.05 5.35 39.05

23 6.7 +0.07 4.6 • 38.94

25. 6.65 +0.05 7.58 39.4

29. 6.7 +0.08 8.0 38.6

31. 6.4 +0.12 8.91 38.81

6.7 +0.075 6.75 38.84

PKFe(CH)3" 39,2

Повторные измерения и расчеты проводились уже при работе

скважин, переоборудованных под установки внутриплвстоЕого

обезжелезивания. Сравнение значений измеренных концентраций Fe(il)

и рассчитанных по формуле'(3) при найденном значении PKpG(0H) =

3

39.2 показало, что расхождение в результатах не превышает ошибку аналитического измерения.

Zazosa з подзя'ййдх -зада?. «osít гшходотся яе только я нздй сшбодаз. аоксв, по а з аэдв ясмио^оэта ссодягекзй з €frsmWíCE2K3 {¡ГсЕ*-51) (Яраяяш О.?, J:«s J.D., Jotíin R.).

тру.гаесттс^кпгдд. КУЙПЛОКСОВ .ЗЖЙТИО iaxmstmt г-тсргаегокйуз сиосос/кость Iipí'í.;!' па ггра^ттгкз очоя'?-. трудао

здвятвф.'.ясфог-а'Г'З СУЯ (Ьор^а м^зча,

д^я сарэдвжшшя jtojassHtpeiTan автором предаю»«»;

прйШштя нзгодаса, ссаоваяная за различия скорости оякалезад

£ops¿ ?а(П). Согласно btoíí кетодо-« ozutsío гчудаз кздэгрйкого

0К5с.г.эння нэ.?эз» С í навсеятея а» грабят, • яосяроашшЗ в

Pe (II)

кисотаДо lg fi^(n)/G?3(n)0 - t (Где %Э(Г(} - текущая, o^fflío -начальная кондонтрмш закасяаго .'»лоза). Пун яагвчзш а водо тзкексанх соедаявнза окиогвняеУзф) ¿адзт в дав стадии а на лспэкргзовзнноа! гре^кчэ пояилаатся 'яуейй аачсиз, ко которой KOSSK) определись •

НрэдлоЕвкнхш ггагодога гспользовзлооь щи геохишчэсноа тестирован*® кодзешшж вод на нэдо-чзборе г.Цэсиое. Проведено «в совмедаваа о мэтодааоа расчета рашюввсвих кспцэыраюй Ро (П) по уравшгшз (3).

Ко.тягксшэ соэдяизняя Еэдеаа херово эзцкщэш; от процессов окисления и гшцхшгзз. Поэтому било сделано прэдаолоаепкэ, что ээлезо, входящее в состав комплексов, нв участвуем в ро акция установления тераоданем&ческого равновесия а з расчетах по уравнении (3) учитывалась активность только конного ?о(И).Сроднее значение константа устойчивости кв.юзкстих осадков, контролирующих равновесие в системе геле за в подземных водах старооскольского горизонта, составило 37.3„ о концентрация СреХг-п била оценена в 0.25 мг/да3.

Нрвдаокэнныэ ыетодаки тестирования подзешых вод и идентификации константы устойчивости велезистшг. осадков, позволяют по кзмзренншг значениям Ей-рН прогнозировать содержание келэза в подземных водах,как в естественных условиях, так и прз работа установок вяутршхластового обезаелезивания -

В глав® 3 подробно исследована процессы массоперевоса инертных к активных (сорбируемых) примесей в неоднородных пластах, и изучены закономерности формирования зоны "зарядки" водовмещащих порбд адсорбированным кислородом.

Ранее исследования процесса "зарядки" водовмещащих пород кислородом выполнялись применительно к идеализированным условиям (Коммунар Г.М.„ ЯвСулатова Ф.Х.). Считалось, что пласт является однородна в фильтрационном отношении и по сорбцконнш* (емкостным) свойствам. Вмэсте с тем известно, что предположение об однородности водовмещащих пород является в достаточной мере условным и далеко не всегда реализуется на практике.В связи с этим важным является установление характерных закономерностей массопереноса в неоднородных пластах.

В данной работе изучен массоперенос активных (сорбируемых) примесей, когда возникает необходимость учета профильной изменчивости не только коэффициента фильтрации, но и константы Генри, отракзвдей сорбцконну» емкость водовмещаидих пород.

При эксплуатации установки обэзкелезивания зона активного воздействия на пласт невелика. Поэтому при моделировании использована схема послойного переноса с учетов воздействия двух факторов: гидродинамического и кинетического.

Исходное уравнение массопереноса активных прммэг.ей в неоднородном (горизонтально-слоистом) пласте при равновесном маосообменз имеет вид

па-д£ ± V* + =•■ О • 8*~ГС*, ( 4 )' где - локальная концентрация вещества в водно© ш

.т, .. а твердой фазах в точке в момент времени £ ;

&*(£} - локальная скорость фильтрации (и*=*к*'3 , .7 градиент напора и л'" V-?/ - коэффициент фшьтрацни влемелгарного слоя пород в произвольном сечении ОЬЖ&гп по мощности пласта; Ге(?.} - значение константа Генрн в сечении I .

Условия для репения уравнения

С*(л,Л>,0) = 6*(х,л,о) -О , С*(0,Х. 6) « С0 т ( 5 )

и пранята процедура усрздаання случайные величин <»>аг'Т? /(-Ы2.

о

В работе показано, что ара усреднении локально-неоднородного уравнения ( 4 ) удается придти к однородному уравнению конвективной даффузаэ ввда

Ж ? дх ° дх* ' 1 '

где С - средняя концентрация вещества по разрезу; < ¿¿*> средняя то разрезу действительная скорость и*- V*/(паГ*) ; Т> - коэффициент дасперсни, представдявдай собой среднеквадратичное отклонение локальной действительной скорости от средней < и* > .

Для определения козффкдаэктов в уравнении ( 6 ) величины V* а Г* представлены в виде

1/*(Х) = У+й*(Л) ; и=<и*> ; < Д*> « О < ч )

Г*(г) - Г + а* (л) ; Г =■ <Г*> ; <л*>~0

При усреднении были сохранены лишь квадратичные по флуктуация« члени и получены следующие вырагедая

й - , ¥>Кг - (1) , рЧг~ I' + ^ + г/^+лЯ'

'где Пф - эффективная гюрнсгоеть; ч>г - о<ккйцвннай нозЗфЗДиев? варнацш! Ййкостшх сюЕств среди{ % - ./{п.с+ Г) у/г

коеффацйейт вараащш коястадяи Геарк, % ш ®Г/Г и б"** < 4**> -дасязрсйй распрэделзнкя Г* ); ^ - коаф®ащент ввриацщ скорости ^хлирацеи ( ^у/ V > " ^ > - дасшрскя распродвйэймя V" )5 уЭ^г *. - козф&кцшнт коррэягдо» У* я Гл

В приведена выражвшя да параметров п Фу, г в

зовисийосжо? распределений У'" е Г* .

Таблица 2

Зырагания для и .

Харфйёр нгодаород-ности Пц,

Горизонтально-слоистый пласт (Л*-Г,л;-0 ) Г)

Однородный пласт ( ) (1 +?/) (1 +

В работе рассмотрен такаш случай, когда одновременно прослеайвается изменчивость н Г* в пределах разреза и при этой принято, что при атом они изменяется ло линейному закону.

Показано .что при полоангелькой корреляции ( > 0)

прослеживается нявелкрущий мэханизм. В случав отрицательной корреляции (Д.г <0) наблюдается рост и , соответственно,

уменьшение эффвктивкой пористости ^э ; при этом ^у.г е области максимальных отклонений V* и Г* от средних (А^, Д°г ) , оказываются достаточно болыда®. На практике чаще реализуется

у Р ' /"'С

ситуация, когда и и ' корредкрованы отрицательно.

Ня огкокчнш иялоуричч* тто.лотсетой ттр-'-ч^сг адсопг>!'ст»

- 13 -

кксяорода в воодцородаом пласта при шдачэ в сгазвигзу 1-8рярозапаочЗ иода ошзш сяедукяэй скотешй уравшяй!

^ * £ дек + дс£ в ^

^ ^ г: Зг & " ;. и _ л1'

где ф*- I 9/ - прн 38Х8ЧК® в пласт ( I, « I) принимается

равным О./^т, а при откачке ( -- 2) ¡3. ° "9° > Цо"Ой/2'£.пг.

-у

При усреднения уравнения ( 7 } пнеси

пя ^ + Ж Г подсол

о? г а г Зг 3?

( 8 )

¿¡и

гдз Т)--^}-^- ? а и кршпшеются по табл.2.

Решение < 8 } при праеннх условиях

с0/го)-о, < э )

имеет вид

^ ~ С = е?г/с>/Г(/-'«)] . ( ю )

С0;о

где ; ; 2* - дронт адсорбции при

закачке ~ 7

Адсорбция С2 является шобрагжсй. Поэтому при откачке фронт адсорбции перемещается к сквакшэ по закону поршневого вытеснения, а на формирование концентрационного профиля сказывается дииь фактор изменчивости проницаемости пород я предела! разреза.

Решение ,гу:я стадии откачки ко нет быть принято в фзрмо ( ТО } и записано в виде

Тт* = С. = < II )

-и -

где ' ; ? = jgjffi- -

адсорбщш СТОН OTKS4IC8, R*~ 4/2V- ; - ФУНКЦЕЯ,

^ ' ° л'

отракаэдая даспврсвэ распределения в окрестности 'Vt «

Л i. * *< £ 4

Для расчета выходных кривых по скзагшнаы при 2Г = О

ИЫв8И

гда , W" , ¿J - время закачка.

В реботе исследована и другая предельная ситуация , когда

.в

юдоБмэщавдие порода являются однородными ( л v ш О ), ко прослакиваатся флуктуации константы Генрв .

В работе проведена оценка баланса кислорода. Показано, что количество кислорода, осаздэяного в зоне "зарядки" пласта равно

Р0 = ¿X"ij2CdiC/z,Tде <Г*-.С£>. z*o

Следовательно

Таким образом установлено, что флуктуации " емкостных свойств пород сказывается не только на форшроаакин концентрационных профилей. Эт:; приводит такта к уменьшению нормы адсорбции 02 а, соответсгвзшо, скшйшш аффекта "зарядки" пласта адсорсяровачнш кислородом.

Эксперикектадыие исследования по изучению процесса адсорбции кислорода были выполнены на сквакинах Орельсксго водозабора г.Днепродзержинске, каптарущих аллювиальный горизонт (келко- среднезернистые паски с прослоями суглинков).

обработки выходных кривых по 02 урввтения ( II"), ( 32 )

были представлены в виде

Я,+ <?,[/*-ху]-2, глз У ' Ь^^Т^у]" ; .

Условия провецения опытов и параметры процессз представлены в теОл.З, а на ряе.1 показаик.экспериментальные и теоретические выходные кривые.

Таблица 3

Условия проведения экспериментов и параметра процесса

СКВ М циклов С0 ,кт/дм 2о Расчетные параметры

Су а Уиг

5 I 2840 8,3 0.970 ' 0.01 24.814 0.387

2 2520 8.9

9 I 2600 6.1 0.865 0.02 5.066 0.516

г 2700 5.5

12 I 2580 14.1 0.550 0.53 0.778 0.533

19 I 2460 14.8 0.950 0.03 18.347 0.506

2 2670 15.2

Выходные кривш то Кислороду

экспериментальные точки:

• скз.й 5 * - 1-й цикл; й - 2-й цикл; скв.Й 9 о - 1-й цикл; а - 2-й цикл; скв..512 в - 1-й цикл; ® - 2-й цикл; СКВ.Я19 * - 1-й цикл; * - 2-й цикл; -- теоретические выходные кривые

Рис. I

Полученные результаты по скв.]6® 5,9,19 свидетельствуют о

«аз,что Í5»»s- »лсорбцяй ¿шалазувтаг sSaam ай-аан веяз^сзш» СОЯШ56 срвдазп адсорО!зжяЕОй: еиадои: кдашгдагз^г пород. Косф^шлоагз ко сквьяшан оксзажог. ctoassas, что позволяло т&тгь ио&яодуещЗ водовссшгй оязсг сдксродяш,. В СБяза с атш обрйсоткв по другш с*Ш8ажем бкла кроаодгка с яспояьзоЕегагсй рэгаешгя» ко-гучоякого для скупая ^у"»7 .

Е й 0{®вэденй данные» аагдядао о

tosí!, что помимо колеса а додамашс зода?; еодзрьатсй ингрэдвоши .окасллэшо растцорэяаан н адсо^зирог.-здйг-з кясдсродш-Показеяя, что ару* з&взчяе в додашша водах еьашвй зэропдгтх'я ирсцэсс нмгрЕфЕсацш. йпачлтольяув часть

раствороаяого аисяорода б гориод sanabas аэрированной вода. Одаовреианво честь шмюрода hoesí гаю» расходоваться т окисявказ различных соединена*!, адсорбнраэдгвшх на водозшвдзща тародо;,

В работе представлен обагрен!* »ксгаракгштелыш: йяторЕал.яоиучеянн® па вэдсзаооро г.Дгацродаоруиаска, котс-pafi сшдйтаяъствует о тс«, что при работа установок ваутр^глластового оЗэзхелвзлвания протекает сопутствуй^® реакции окасдвкня иаргадца s ажюагя. На етп реакции расходуется адсорОероваетшй киок^юд, что так») скаашзае'кя на процессе об-эзазлезчзакия.

к'ехашзм сглсло1шя тр,'даоо;шс^1локух компонентов трудно поддается идонтифлсащи, поэтому на практике обычно использует приблкясанше уравнения Мгаеэлиса-Мактоаб. Вместе с тек, в данной случае виээт место ситуация, когда охиеляпций агент является адсорбированным. Поэтому в работе принята следувдая форма записи уравнения Нихаэлиса-Ментока

r. e ■ Сщ . ( 13 )

где - скорость реакции окисления 1-го компонента

с концентрацией Сс адсорбированным кислородом; ~ константа биохимической реакции и С/ - константа Михаэлиса, численно равная половине максимальной скорости.

При этом поскольку в питьевых водах концентрация аммония невелика, то приняк <4 С° уравнение ( 13 )

трансформировано к виду

4 " ^ ^ % . где = К°/С/ ( 14 ) Уравнение (14) описывает процесс гетерогенного окисления келеза адсорбированным кислородом (Коммунар Г.И..Янбулагова Ф.Х.).

В работа проанализирован механизм .окисления железа в двухкомпонентяой системе, тс есть при наличии одного сопутствующего окисляемого ингредиента. В этом случае исходная система уравнений записывается в виде

<16)

^ = -(Л,СГ,С, + &<5гСг)Со; ( 17 >

ге <гсг^; ¿ = <7; г) ( 18 )

¿>¿7; г-г/ ; с,(г.6)-с,0; , ( та )

где С10 и - исходные концентрации,соответственно, железа и сопутствующего окисляемого компонента в подземной воде; -стехиометрическиа коэффициенты, отражающие потребность кислорода на окисление Сг и Сг ; Р(г) - функция, описывающая характер распределения адсорбированного кислороде в зоне "зарядки" пласта в начальный момент времени; - радиус зонк "зарядки" пласта ( = ).

. Решение поставленной задачи записывается выражением

г_ г__, < 20 }

где г "ад« {а-с^ри-сЩс,

При произведших у и найти аналитическое выражение

для СГ(Х0,Т) кэ удается. Вместе с тем при анализе предельных ситуаций на основа ( 21 ) были получены вазащо для практических целей расчетные зависимости.

Б случаве ест

г - ______( 21 )

Следует отметить, что диапазон значений $ можот быть Еесьма широк. В однокомпонэнтной системе $ - 0 ( 21 ) преобразуется в известное ревение задачи. В присутствии в подземной воде наряду с железом (П) марганца (П), имеющего с ?е(П) примерна одинаковый стехиомвтрическЕй коэффициент окисления, $ будет зависеть от соотношения юс концентраций. Зарождение процесса нитрификации (уЗ =4.18) даие при низких концентрациях аммония приведет к значительному росту В работе показано, что наличие сопутствующих реакций сокращает время откачки обаекэлезеннай вода в (I + } раз.

При наличии'в вода неокисляемых комплексов железа(II) С£0 , которые транзитом проходят через зону "зарядам" пласта, а общая концентрация железа в подземной воде равна С,0+ Сга= •

то уравнение, олисывавдее динамику изменения С^ в отбираемой и?, скважине воде зопиец2«этся в виде

Съ*' = _Сго_ + , . ,__езсрГ Т)__< 22 )

с г/; 1 > ехр(Хо)* ехр(Т)-{

диодные кривые рассчитанные для различных соотношений •ионного и комплэксного железа показали, что даже при достаточно

эффективном окислении железа (П) отмечается проскок ( /СГе*+ ~ -£¿0Ясно, что при высоком содеркашга трудноокисляешх коштлесов продолжительность откачки лбезжелззеннсй воды окажется малой или данная технология обезжэлезивания окажется неприемлемей.Сложные условия для обезаелозгазвнля имеются, когда совпадают эффекты параллельнопротекакщей реакции к неравномерной адсорбции кислорода в зоне "зарядки".

В диссертации приведены результаты обработки полевых экспэриыен тов на Еодозаборе г.Цескса, где, как было показано выше, в подземных водах присутствуют трудноокисляемые комплексы железа. Определение параметров процесса проводилось графоаналитическим катодом, однако вспомогательные графики строилась в масштабе: - 1) f~

Результаты расчетов приведены в табл.4..

Таблица 4

Параметры процесса обезколезивания нп водозаборе г.Цзсвса

Ш СКВ. сРеХ',,кУда3 Сп ,мг/да3 2о б; (мг-ч/дм3)" 3 мг/ды V*

10 0.2 28.Q 0.015 10.2 0.573

12 0.25 14.6 0.015 4.3 0.417

13 0.25 4.3 0.015 1.3 0.483

Значительное изменеше С0 отразилось на значениях параметра В, по скважинам. Однако комплексный параметр ( '

&/($,-£)). который является характеристикой адсорбцкошшх свойств водовмецзкцкх пород пи отноаенив к етслороду в конкретном районе расот оказался постоянным, что указывает ка однородность

водозмещаэдих пород.

Другие условия наблюдались на Орельског^ водозаборе г . Днепродзержинска. Как было показано в главе 3 водовмзданцие пески эксплуатируемого чллввиалъного горизонта характеризуется значительной профильной неоднородностью сорбционшх свойств по отношению к кислороду, а также наличием б подземной воде наряду с вэлезох марганца к акмоння. Этот объект был интересен с точки зрения оценки возможности применения шутрипластового обезв&лезивания и условиях негативного влияния отмеченных, факторов.

Е качество примера в табл. 4 приведены параметры обезквлезивожя по ряду скважин.

Таблица 4

Параметры процесса обезкелезивания на водозаборе г.Днепродзержинска

.йй СКВ. С,мг/дм3 Сл ,кг/да3 2о б', (мг-ч/дм3) мг/дм3 Г/п0

I 1.2 5.4 0.026 1.66 0.44

3 1.3 7.4 0.05 0.56 0.09

8 1.5 12.9 0.012 4.92 0.61

II 1.5 9.0 0.03 1.06 0.26

13 1.7 6.8 0.042 1.46 0.27

17 4.0 7.0 0.018 2.72 0.64

Аналигуруя полученные значения 6 и , следует отметить за существангся калебшшя по сквз&инаы.Это объясняется изменением физико-хкшчеокж свойств водовмещащих. пород на участке, где расподикаш 20 исследуемых скважин. Низкие значения параметра получены вследсгвии значительной неоднородности сорбциош-т свойств водовмещащих пород.

Ранее для расчета регламента работы водозаборов с установками внутршшастового обезкелезивания использовались

усредненные значения парамогров процесса. Это т подход вполне обоснован, когда по сквэжнём водозабора получены близкие знйченяя параметров СГ к Щ .Б про7й8Яом случае а работе предложено истолковать следующий методачоскнй прием.

Задав количество сквашш в группа, которне поочередно будут выродиться "зарядку"» и . зная параметры процесса обвзяелвзшзачая по раздой из гак, мокко оцрэдалкгь концентрация) келазв в откачиваемой вода да любой ¡ад скваакн в любой момент откачки

где Ъ ( ^ - О ; = ¿/^ ; $ - ^ •

Средняя концентрация аддеза в воде, подаваемая от группы скважин в еодовод, рассчитывается по форду ле

Индекс ? означает, что суммирование ведется только по скважнем, реОотапщм в рекиме опсочка. Варьируя значещадш и 00 » мошо рассчитать такой рзяим работы, при котором концентрация нале за в сборном водоводе будет соответствовать требованиям потребителя. При этом должны выполняться слздупдие соотношения

; +

0$ - заданная производительность К скввкин.

Представленные расчеты регламента работа Орельского водозабора показали, что для водозаборов, каптирущих стратифицированные водоносные пласты с водами, содержащими наряду с железом марганец и аммоний „ возможно подобрать такой ре ним эксплуатации установок вяутршшюгового обезжвлезивания, при котором концентрация кзлеза в РЧВ соответствует предъявляемым

требованиям. Следует отметить, что после 1.5 лет эксплуатации установок произошло снижение марганца в РЧВ до 0.4-0.5 мг/да3и аммония до 0.1-0.5 мг/дм3пря га пластовом содержании соответственно 1.2-1.4 и 1.0-2.0 мг/дм3.

ВЬЗОЛЫ

Предсталешше в диссертационной работе результаты теоретических и экспериментальных исследований ко внутрипластовой очистке подземных вод от келеза позволяют сделать следующие вывода:

1. Не тс дик в геохимического тестирования подземных вод и идентификации константы устойчивости железистых осадков позволяет рассчитывать и прогнозировать равновесные концентрации ?е(П) и оценить содержание трудноокисляемых комплексов келеза.

2. Профильная изменчивость фильтрационных к емкостных (сорбционшх) свойств водовмещавдкх пород негативно сказывается на■эффективности внутрипластовой очистки подземных вод. В таких условиях при закачке в пласт аэрированной вода наблюдается сникение нормы адсорбции кислорода, а при последувдей откачке отмечается проскок наокисленного келеза через зону "зарядки" пласта.

3. Представлена математичечная модель, описывающая механизм "зарядки" неоднородных водовмещащих пород кислородом. Разработанная на ее основе методика определения параметров процесса позволяет оценивать степень неоднородности водовмещанцих пород.

4. Приведена математическая модель, описывающая механизм протекания параллельных реакций окисления в зоне "зарядки"

пласта. На основе а той модели оценено влияние сопутствующих ингредиентов яа процесс обезжелезизвния я разработана методика обработки полевых опытов.

Список ОЛУБЛИКОвАКНЬК РА&ОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Л.С. 14822664 "Система водоснабжения насоленных пунктов" (Алексеев B.C., Гребенников В.Г..Коммунар Г.М. и др.), 1987,непубл.

2. Массообмвн при конвективном переносе загрязнений в неоднороден?, пластах. Тр. ВНИИ ВОДГЕО "Защита подземных вод от загрязнения и истощения", 1989, с.13-16 (Соавтор: Ко:,!мунар ГЛ.).

3. Определение параметров адсорбции кислорода при работе установок обезяолезивашя. Тр. ВНИИ ЁОДГЕС "Защити подземных вод ст загрязениа и истоадиия", 1989, с.16-19 (Соавторы: Кокмунар Г.М., Макаров В.К.).

4. Массоперенос в водонасктенных горных породах. Итога науки и техники, серия "Гидрогеология и инженерная геология" „?i. ,1939, т.II,с.141.(Авторы: Алексеев B.C., Коммунар F.M.. Шержуков Б.С.) раздел 2.3 с.58-64, раздел 3.3.3 C.III-II5.

5. Опыт внутрипластовой очистки воды от железа. "Водоснабжение и санитарная техника", 1989, А 5, с. 14-15. (Соавторы: Алексеев B.C., Коммунар Г.М.си др.).

6. Внутрипластовая очистка подземных зод от железа. Сб. докладов семинара "Сооружение и эксплуатация водозаборов подземных вод", М, Центральный Российский Дом Знаний,1991,с.99-104 (Соавторы: Коммунар Г.М., Тесля В.Г.).

7. рН-Й1-метрия при контроле шлозосодержащих подземных вод.Тр. ВНИИ ВОД'Е0 "Глубокая очистка вода источников повышенной загрязненности", 1992, с.

8 Внутрипластовая очистка подземных вод на установках

циклического типа. Тр. BKffií ВОДГЕО "Прогнозы в инженерной гидрогеологии", IS92, (в печати).

—7

Поди, к печ. г. Объем i п. л. Зап. 1^7. Тир. 100.

Тип. ВНИИ ВОДГЕО, г. Железнодорожный, Гидрмородок. !5.