Особенности эксплуатации установок внутрипластового обезжелезивания воды (стр. 1 из 2)

С. И. Круглик, инж. (Госстрой России); Е. В. Середкина, В. Г. Тесля, кандидаты техн. наук (ГНЦ РФ НИИ ВОДГЕО); В. В. Фуркайло, начальник цеха ВиК (ИБВВ РАН)

Эксплуатация установок внутрипластовой очистки подземных вод от железа заключается в последовательном переключении водозаборных скважин в режимы закачки и откачки в соответствии с технологическим регламентом, рассчитываемым в зависимости от параметров процесса обезжелезивания в конкретных гидрогеологических и гидрохимических условиях, требуемой производительности водозабора и характеристик водозаборных скважин. Задачей технологических расчетов установок подземного обезжелезивания воды является определение расхода Qзак и продолжительности tзак закачки, а также производительности скважин в режиме откачки Qот, при которых обеспечивается требуемая подача очищенной воды потребителю.

Время защитного действия зоны «зарядки» пласта кислородом, в которой происходит окисление и осаждение железа, определяется из выражения [1-3]:

, (1)

где

(2)

- комплексный параметр, характеризующий удельную норму адсорбции кислорода породами пласта; b - стехиометрический коэффициент реакции окисления железа кислородом; sFe - константа скорости окисления железа адсорбированным кислородом; - исходное и допустимое содержание железа в воде.

Из формул (1) – (2) видно, что время защитного действия зоны «зарядки», т. е. время откачки воды с допустимым содержанием железа зависит от размеров этой зоны (объема закачки), расхода откачки, а также от параметров процесса сорбции кислорода и окисления железа. С ростом объема закачки и количества адсорбированного кислорода tот увеличивается, а с увеличением расхода откачки уменьшается. При прочих равных условиях время защитного действия зоны «зарядки» уменьшается с ростом содержания железа в воде.

Диапазон искомых величин, определяемых технологическими расчетами (Qзак, tзак, Qот, tот), является ограниченным. С одной стороны, эти ограничения заложены непосредственно в зависимости (1), с другой стороны, что более существенно, они вытекают из характеристик водозаборных скважин. К последним следует отнести максимально возможные расходы откачки и закачки, определяемые особенностями конструкции скважин, качеством их сооружения, а также гидрогеологическими условиями водозабора.

Иногда требования технологических расчетов являются трудновыполнимыми в силу специфики гидрогеологических условий и реальных возможностей водозаборных скважин. В большей степени это характерно для неглубоких скважин с близким расположением фильтров и статических уровней от поверхности земли. В таких случаях задача выбора оптимального режима эксплуатации водозабора с системой подземного обезжелезивания воды решается экспериментальным путем в период пусконаладочных работ.

Именно с такой ситуацией пришлось столкнуться при пуске в эксплуатацию системы подземного обезжелезивания воды на водозаборе пос. Борок Института биологии внутренних вод (ИБВВ) РАН. Пос. Борок расположен в Некоузском районе Ярославской обл. на берегу Рыбинского водохранилища. Водоснабжение поселка осуществляется за счет эксплуатации подземных вод днепровско-московских водно-ледниковых отложений четвертичного возраста. Водозаборный участок расположен в 2-2,5 км юго-восточнее поселка, в 4-4,5 км от уреза воды Рыбинского водохранилища. Мощность водоносного горизонта в районе водозабора составляет 14-17 м, горизонт безнапорный. Глубина залегания уровня воды от поверхности земли изменяется от 3,5 до 9,5 м. Водовмещающие породы представлены мелкозернистыми песками с коэффициентом фильтрации 12-15 м/сут, покровные отложения мощностью от 3 до 10 м сложены мелкозернистыми песками с прослойками глин, суглинками и супесями с включением валунов и гравия.

По химическому составу подземные воды относятся к гидрокарбонатно-кальциево-натриевому и магниевому типу с общей минерализацией 0,2-0,4 г/л. По всем показателям вода соответствует требованиям СанПиН, за исключением повышенного содержания железа, концентрация которого изменяется по скважинам от 6 до 9,8 мг/л, чаще 6,5–8 мг/л.

Рис. 1. Схема водозабора пос. Борок1 - скважина и ее номер; 2 - сборный водовод; 3 - распределительный водовод; 4 - насосная станция второго подъема; 5 - узел подготовки закачиваемой воды; 6 - эжектор; 7 - воздухоотделитель; 8 - повысительный насос; 9 - напорный трубопровод; 10 - служебное помещение

Водозабор пос. Борок состоит из семи скважин (рис. 1), расположенных в линейном ряду на расстоянии 250 м друг от друга. Скважины присоединены к единому сборному водоводу, по которому вода подается в два резервуара чистой воды по 1000 м3 каждый, подключенные параллельно. Из резервуара чистой воды вода подается потребителю насосной станцией второго подъема. Суммарное водопотребление поселка оценивается в 1200 м3/сут.

Система подземного обезжелезивания воды включает в себя аэратор (эжектор), безнапорный воздухоотделитель, повысительный насос и распределительный водовод, к которому подключены все скважины (рис. 1). Все оборудование смонтировано в помещении насосной станции второго подъема. В соответствии с рекомендациями гидрогеологов эксплуатационные скважины на водозаборе должны быть оборудованы фильтрами длиной 12 м, т. е. практически на всю мощность пласта. В этом случае средняя производительность скважин составляла бы 600 м3/сут, а удельный дебит –

4 м3/(ч×м). Фактически скважины глубиной от 20 до 34 м оборудованы фильтрами длиной 6 м, установленными в верхней части водоносного пласта. Глубина установки верха фильтра от поверхности земли изменяется от 10 м в скважине № 7 до 18 м в скважине № 1 при статическом уровне, соответственно, 3,5–9,5 м. Максимальное понижение уровня в скважинах при установке насоса над фильтром составляет 5-7 м.

Проектирование водозабора с системой подземного обезжелезивания воды осуществлялось ГипроНИИ по рекомендациям НИИ ВОДГЕО, который в дальнейшем не привлекался к согласованию проекта скважин и сопровождению строительных работ. В результате качество пробуренных скважин оказалось весьма низким, а их конструкция не отвечала требованиям, предъявляемым к скважинам установок внутрипластовой очистки. Это выразилось, прежде всего, в создании маломощного контура гравийной обсыпки фильтров (40-50 мм на сторону) с низкой грязеемкостью, оборудовании фильтров длинными отстойниками (4-11 м), отсутствии изолирующего тампона в устьевой части скважин над гравийной обсыпкой.

Комплексное обследование скважин на стадии опытных работ по пробному обезжелезиванию показало, что их удельные дебиты равны 1,2-2,2 м3/(ч×м), производительность скважин не превышает 12–15 м3/ч, а их приемистость находится в пределах 7–10 м3/ч. Кроме того, выяснилось, что напорная закачка в скважины невозможна, так как при создании избыточного давления часть закачиваемого расхода разгружается на земную поверхность по гравийной обсыпке, размывая устье.

Неудовлетворительному состоянию скважин способствовало и то, что они простояли без эксплуатации более 6 лет. В связи с этим по рекомендациям и при участии НИИ ВОДГЕО были проведены реагентные обработки всех скважин, позволившие увеличить их удельные дебиты в 1,5–2 раза. Приемистость скважин с высоким положением статического уровня, на которую необходимо ориентироваться при выборе технологического регламента эксплуатации водозабора, увеличилась до 12 м3/ч (Qзак. макс).

По результатам опытных работ на водозаборе были определены параметры процесса обезжелезивания: x = 6,7 мг/л, sFe =

= 0,0052 (мг×ч/л)-1. При расчетах технологического регламента эксплуатации водозабора исходили из следующих условий: максимальная производительность водозабора Qs - 1200 м3/сут (50 м3/ч); количество эксплуатационных скважин – 7; число скважин, одновременно выводимых на закачку, – 1; среднее содержание железа в подземной воде – 8 мг/л.

Из условия обеспечения заданной производительности водозабора расход откачки из каждой скважины должен составить:

Qот = (Qs + Qзак)/(N-1), (3)

где N – число скважин на водозаборе.

Продолжительность откачки очищенной воды из каждой скважины не должна быть менее:

tот = (N -1) tзак. (4)

Подставляя значения Qoт и toт из выражений (3) и (4) в уравнение (1), получим:

Уравнение (5) имеет решение относительно tзак лишь в том случае, если выполняется условие:

Qзак > Qs/(A-1). (6)

Решая уравнение (5) относительно tзак для различных значений Qзак из диапазона допустимых расходов закачки получим ряд значений tзак и, соответственно, tот и Qот из выражений (3) и (4). При любом значении Qзак и связанных с ним tзак, Qот и tот будет обеспечиваться отбор из каждой скважины воды с допустимым содержанием железа.

Для водозабора пос. Борок решение уравнения (5) представлено в виде графика (рис. 2), на котором выделен диапазон допустимых расходов закачки. При выборе рационального режима эксплуатации установок подземного обезжелезивания воды на скважинах в рыхлых отложениях следует учитывать тот факт, что закачки воды сопровождаются кольматажем фильтра и прифильтровой зоны железистыми осадками, особенно на стадии пусконаладочных работ, когда закачки производятся еще не очищенной водой с высоким содержанием железа. В связи с этим оптимальным является режим, при котором объем закачиваемой воды будет минимальным. Это условие выполняется при Qзак= Qзак.макс, в данном случае Qзак = 12 м3/ч.