Опытно - технологические исследования по водоподготовке некондиционных природных подземных вод
- Подробности
- Автор: Боревский Б.В., Абрамов В.Ю., Вавичкин А.Ю.
В статье приведены типовые технологические схемы добычи некондиционных подземных вод, методы водоподготовки, утилизации получаемых отходов. Одним из наиболее надежных способов обоснования метода очистки подземных вод предложены опытно-технологические исследования по водоподготовке, рассмотрены основные составляющие универсальной технологической схемы для полевых работ по водоподготовке. Приведены примеры использования такой установки при работах на различных объектах.
Качество подземных вод различных регионов отличается как по компонентному составу, так и по количественному содержанию ингредиентов, что определяет конкретный подход при выборе технологии очистки, проектировании и подбору оборудования станций водоподготовки.
Водоподготовка некондиционных подземных вод для питьевого, хозяйственного и производственного назначения представляет собой комплекс физических, химических и биологических методов изменения их первоначального химического состава. Водоподготовка подземных вод включает в себя не только очистку от ряда нежелательных и вредных ингредиентов, но и улучшение природных свойств подземной воды путем обогащения её недостающими компонентами химического состава. В соответствии с рекомендациями СНиП 2.04.02-84, метод обработки воды, состав и расчетные параметры очистных сооружений и расчетные дозы реагентов надлежит устанавливать в зависимости от качества воды в источнике водоснабжения, её назначения, производительности комплекса и местных условий, а также на основании данных технологических исследований и эксплуатации сооружений, работающих в аналогичных условиях.
Существуют два различных подхода к водоподготовке некондиционных подземных вод: внутрипластовая очистка некондиционных подземных вод и поверхностная очистка на станциях водоподготовки.
Внутрипластовая очистка некондиционных подземных вод с предварительной аэрацией воды носит ограниченный характер, она применима лишь для снижения сверхнормативных концентраций переменно валентных элементов (железо, марганец), а также возможна, но нигде не апробирована, технология внутрипластовой очистки щелочных подземных вод от алюминия (дэалюминация) при аэрации их (активный компонент – СО2 воздуха) для корректировки рН среды и гидролиза Al3+ с образованием нерастворимого в воде Al (ОН)3.
Для некондиционных подземных вод 2 класса качества рекомендуется безреагент-ная технологическая схема, включающая упрощенную аэрацию с последующим фильтро-ванием через зернистые загрузки. Отходами указанной технологической схемы являются коллоидные растворы и взвеси оксигидроокислов железа и марганца, которые после обез-воживания утилизируются на полигонах твердых промышленных отходов.
Для некондиционных подземных вод 3 класса качества рекомендуется технологи-ческая схема, включающая обратных осмос и технологический узел предводоподготовки перед обратным осмосом. В ряде случаев рекомендуется применять технологическую схему обратного осмоса с дозированием антискалянта во избежание выхода из строя мем-бран.
Отметим, что метод обратного осмоса является наиболее универсальным поверхностным методом водоподготовки. Изготавливаемые в заводских условиях поверхностные установки позволяют комплексно решать задачи кондиционирования воды, включая осветление, обезжелезивание, деманганацию, умягчение, обессоливание, обеззараживание. Разработаны унифицированные технологические схемы в блочном исполнении в составе основного обратноосмотического блока водоподготовки.
Водозаборные сооружения для добычи некондиционных подземных вод отличаются наличием в их технологической схеме дополнительных блоков, обеспечивающих водоподготовку природной подземной воды с доведением ее качества до питьевых стандартов, и блока утилизации продуктов водоподготовки.
В зависимости от содержания в природной подземной воде приоритетных макро- и микрокомпонентов, превышающих ПДК, их добыча и водоподготовка может осуществляться в следующих вариантах:
1. Водоподготовка всего объема добываемой воды с последующей подачей для использования;
2. Водоподготовка части объема добываемой воды с последующей подачей на смешение с оставшейся
Добыча некондиционных вод может осуществляться без водоподготовки при условии их смешения с кондиционными подземными, добываемыми на других участках недр без водоподготовки или с соответствующей водоподготовкой, а также смешением их с очищенными поверхностными водами. Смешение осуществляется в пропорциях, обеспечивающих соответствие качества смешанных вод нормативным требованиям.
Однако более сложная задача заключается в обработке, утилизации или значитель-ном снижении объемов жидких отходов, образующихся при обработке воды. Утилизация концентратов обратноосмотических установок, регенерация ионообменных фильтрационных загрузок могут быть реализованы путем:
1. Обратной закачки в скважины в более глубокие водоносные горизонты;
2. Упариванием в выпарных аппаратах с получением солевого остатка утилизируемого на поверхностных полигонах захоронения;
3. С помощью систем рассредоточенного сброса в поверхностные водоемы. Одна-ко, в связи с крайне сложной экологической обстановкой практически на всей территории страны, возможность использования последнего способа крайне мала.
Применение обратной закачки минерализованных вод после обратного осмоса является единственным способом экологически безопасного возврата подземных вод в недра после использования.
- возврат жидких продуктов водоподготовки в недра путем закачки их в скважины, оборудованные на отделенный от добычного водоносный горизонт с некондиционными подземными водами с более высоким содержанием различных компонентов химического состава, превышающих ПДК по сравнению с горизонтом добычи воды;
- возврат этих продуктов (солевого концентрата) в скважины, оборудованные на отдельный, более глубокий интервал водоносного горизонта с худшим качеством подземных вод;
- возврат этих продуктов в недра в тот же горизонт, из которого производится добыча подземных вод, но на некотором расчетном удалении от добычных скважин.
Во всех перечисленных вариантах схема взаиморасположения добычных и закачных скважин должна исключать достижение сбрасываемых продуктов утилизации добычных скважин до разбавления их до фонового качества подземных вод в интервале возврата.
Кроме того, продукты водоподготовки могут вывозиться на специальные полигоны утилизации в обезвоженном состоянии, но этот вариант общеизвестен и в данной работе не рассматривается.
Таким образом, добыча некондиционных подземных вод для питьевых целей, их водоподготовка, подача для использования и утилизации продуктов водоподготовки могут осуществляться по следующим типовым технологическим схемам:
1. Добычные скважины – блок добычи подземных вод – подача воды на блок водоподготовки – блок водоподготовки – подача воды на насосную станцию II подъема – подача солевого концентрата, образующегося при водоподготовке методом обратного осмоса, в закачные скважины – закачные скважины. Эти схемы реализуются при водоподготовке всего объема добываемой воды.
2. Добычные скважины – блок добычи подземных вод – подача части добываемой воды на блок водоподготовки, а оставшейся части – в резервуар для последующего смешения – блок водоподготовки – подача воды в резервуар смешения – резервуар смешения – подача воды на насосную станцию II подъема – подача солевого концентрата обратного осмоса в закачные скважины – закачные скважины – блок закачки солевого концентрата в недра.
3. Добычные скважины – блок добычи подземных вод – блок подачи воды в резервуар для смешения с очищенными поверхностными.
4. Добычные скважины – блок добычи подземных вод – подача воды на блок водоподготовки – блок водоподготовки без образования жидких отходов – блок добычи воды из системы водоподготовки на насосную станцию II подъема.
Наиболее универсальными и востребованными являются первая и вторая технологическая схемы, применяемые при водоподготовке методом обратного осмоса.
Отметим, что основные элементы этих схем, обосновывающие добычу подземных вод – их водоподготовку и утилизацию продуктов обратного осмоса путем сброса в закачные скважины могут быть реализованы в процессе полевых технологических исследований.
Проведение опытно-технологических исследований целесообразно ввиду того, что по одним только данным о химическом составе подземных вод зачастую невозможно спроектировать достаточно эффективную систему водоподготовки. Естественно, речь не идет о широко распространенных, например, железосодержащих водах – методы удаления железа из состава вод хорошо известны и отработаны.
Однако, существует ряд компонентов (в основном это микроэлементы), для которых не очевидны требуемые методики. В этом случае применение полевых технологических работ будет оправдано – проще производить подбор параметров на небольшой станции, а потом воплотить это на стадии промышленной водоподготовки.
Следовательно, на основе полученных химических анализов можно дать только общие рекомендации – вода требует удаления такого-то компонента, а более четкие можно дать только после проведения технологических исследований с подбором наиболее эффективных методов и условий водоподготовки.
Таким образом наиболее надежным способом обоснования выбора метода очистки некондиционных подземных вод с учетом совместимости образующегося концентрата после обратного осмоса с пластовыми водами пласта-коллектора для обратной закачки являются полевые технологические изыскания (исследования).
Метод водоподготовки воды выбирают на основе предварительного изучения химического состава и свойств воды подземного источника и их сопоставления с требованиями потребителя. Исходными данными для выполнения опытно-технологических исследований являются результаты анализа химического состава подземных вод и физических свойств воды.
Планирование опытно-технологических исследований выполняется в следующей последовательности:
1. На основе анализа химического состава подземных вод выбираются химические элементы (соединения) требующие снижения их концентрации в подземных водах.
2. Разрабатываются принципиальные технические решения, включающие в себя подбор приемов физико-химического воздействия на некондиционную подземную воду, например (аэрация, фильтрация, умягчение на катионитах, ультрафиолетовое обеззараживание, обратный осмос).
3. Подбирается аппаратурный состав технологической схемы в составе отдельных технологических модулей.
Целью работ по проведению опытно-технологических исследований является получение исходных данных для проектирования станции водоподготовки на проектную производительность – разработка и экспериментальная апробация оптимальной технологии очистки воды подземного источника. В процессе работы проводятся экспериментальные исследования процесса очистки воды по выбору альтернативных материалов (сорбентов, коагулянтов) для удаления сверхнормативных концентраций химических элементов (соединений), определяются технологические параметры процесса очистки (расход и давление воды). Исследования проводятся на опытно-технологической установке, расходные характеристики которой подбираются исходя из соблюдения критерия подобия: опытная схема - промышленная схема.
Методика исследований включает в себя проведение пробных фильтро-циклов на опытно-технологической установке, отличающихся различным составом технологических модулей. В результате исследований определяется эффективность очистки воды по технологической схеме, разработанной на основе химических анализов подземных вод для подбора оборудования и расходных материалов и реагентов и их доз. Перед подбором оборудования определяются формы миграции химических компонентов (соединений) с оценкой доли истинно растворенных, коллоидных, взвешенных форм их миграции. Для железа, марганца определяется доля легко и трудно окисляемых форм миграции, подбираются окислители.
Подбирается технология опытно-технологической водоподготовки, расход, давление питающей воды и технологические параметры дозирования химических компонентов, определяются оптимальные параметры среды (Еh, pH). По результатам исследований разрабатываются рекомендации для проектирования станции очистки воды подземного источника для удаления сверхнормативных концентраций химических элементов (соединений).
Выполняется опытно-технологическая водоподготовка на различных режимах (давление, расход) фильтрации воды через технологические модули полевой опытно-технологической установки. По результатам химического анализа воды "вход-выход" определяется оптимальный режим водоподготовки, оценивается возможность и целесообразность уменьшения отходов (концентрата) водоподготовки.
Полученные в ходе полевых исследований результаты масштабируются применительно к потребностям объекта исследований. Поскольку изменяется не сам метод водоподготовки, а его производительность, то это легко решается применением более емких (и производительных) фильтров или их количества, увеличением количества мембран обратноосмотических установок.
В связи с тем, что качество подземных вод различных регионов отличается как по компонентному составу, так и по количественному содержанию приоритетных ингредиентов, для выполнения водоподготовки подземных вод в процессе опытно-технологических исследований рекомендуется использовать универсальную технологическую схему оборудования модульного исполнения в байпасном подсоединении отдельных технологических блоков, позволяющем отключать и подключать в технологическую схему водоподготовки функциональные модули..
Универсальная технологическая схема водоподготовки включает в себя следующие блоки:
1.Механический фильтр - обеспечивает очистку воды от взвешенных частиц размером более 130 мкм, предохраняя используемое в комплексе водоподготовки оборудование и арматуру трубопроводов от засорения.
2. Блок аэрации
В данном блоке происходит насыщение воды кислородом воздуха. Он предназначен для предокисления растворённых в воде примесей (в т.ч. железо, марганец и т.д.) и отдувки растворённых в воде газов (в т.ч. сероводород, аммиак, метан, углекислый газ и т.д.).
Для удаления из воды растворённых металлов (железа, марганца, алюминия и т.д.), органических загрязнений, сероводорода и летучих соединений необходимо изначально окислить эти примеси. Самым доступным окислителем является кислород воздуха. Воздух попадает в напорную водопроводную магистраль при помощи компрессора. Процесс окисления растворённых в воде металлов кислородом воздуха достаточно долгий по сравнению с химическими методами окисления. Помимо окислительных реакций, из воды удаляется лишний воздух и растворённые газы (сероводород, углекислый газ, метан и т.д.), зачастую обуславливающих органолептические свойства воды (привкус и запах).
3. Блок каталитического осветления
Применение блока позволяет снизить мутность, содержание железа и марганца до требований СаНПиН 2.1.4.1074 – 01 "Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения. Контроль качества". Блок каталитического осветления воды построен на базе одного баллона. Внутри баллона (фильтра) находится многокомпонентный фильтрующий материал, подобранный исходя из анализа воды.
4. Блок комплексной очистки позволяет селективно удалить кальциевые и магниевые соли жёсткости, органические соединения, а также ионы железа, марганца. Соли жесткости и соединения железа являются основной причиной формирования трудноудаляемых минеральных отложений на нагревательных элементах бытовых водонагревателей, промышленном технологическом оборудовании (например, паровые и водогрейные котлы). В основу этого блока заложен метод ионного обмена. Внутри баллона находится фильтрующий материал, подобранный исходя из анализа воды. По мере потребления очищенной воды, ионообменный ресурс фильтра уменьшается. Для восстановления его ионообменных свойств, необходимо производить регенерацию фильтрующего материала 5-10 % водным раствором хлорида натрия NaCl.
Поскольку работа данного блока основана на ионном обмене, то фильтрующая загрузка может быть селективна не только к ионам кальция, магния, но и к ряду других элементов. В установке водоподготовки может быть несколько таких блоков или один со сменными картриджами, предназначенными для работы с определенными компонентами.
5. Блок дозирования реагентов представляет собой емкость с водным раствором реагентов, оборудованной дозирующим насосом. Обвязка насоса позволяет выполнять дозирование реагентов во вход любого из перечисленных блоков очистки.
6. Блок обратного осмоса
Метод обратного осмоса заключается в фильтровании воды под давлением через полупроницаемые мембраны, пропускающие молекулы воды и полностью или частично задерживающие молекулы либо ионы растворенных веществ. В основе описываемого метода лежит явление осмоса – самопроизвольного перехода растворителя (воды) через полупроницаемую перегородку в раствор. Давление, при котором наступает равновесие, называется осмотическим. Если со стороны раствора приложить давление, превышающее осмотическое, то перенос растворителя будет осуществляться в обратном направлении, что и реализуется в установке.
Выбранный метод позволяет понижать минерализацию потребляемой воды, получать воду высокого качества с низкой себестоимостью и минимальными затратами электроэнергии и реагентов. Обратноосмотические установки отличаются высокой производительностью, простотой конструкции, высокой надежностью в эксплуатации и низкими эксплуатационными затратами. Они компактны и легко поддаются автоматизации. На установке обратного осмоса происходит задержание не только ионов, но и бактерий. Обратноосмотические системы – одно из наиболее перспективных направлений в области установок водоочистки и водоподготовки. Обратный осмос по качеству полученной воды сравнивают с ионным обменом, электродиализом, дистилляцией. Однако, имея ряд преимуществ, обратноосмотические установки успешно соперничают с выше перечисленными методами очистки в таких отраслях, как: теплоэнергетика, пищевая, химическая, фармацевтическая промышленность, питьевое водоснабжение, электроника и др.
Габариты и расходные характеристики полевых опытно-технологических установок во многом зависят от химического состава очищаемой воды и выбранного физико-химического метода водоподготовки. Установки обратного осмоса достаточно компактны, однако в случае очистки жестких подземных вод необходимо их умягчение катионированием (ионный-обмен) или псевдоумягчение антискалянтами (комплексообразователями) перед обратным осмосом для предотвращения солеотложения на обратно-осмотических мембранах. Габариты блока умягчения значительно больше. Однако, обратно-осмотические установки укомплектованные блоком дозирования антискалянта малогабаритные.
Вместе с тем, для выполнения полевых исследований возможно использование малопроизводительных установок (наподобие бытовых установок обратного осмоса). Однако отметим, что такие установки можно использовать только в условиях незначительной минерализации (до 1.5-2 г/л) и в тех случаях, когда необходимо изучить возможности снижения концентрации каких-либо компонентов при различных условиях предводоподготовки.
Примеры опытно-технологических исследований по водоподготовке подземных вод
Участок "Набережные Челны"
Участок "Набережные Челны" расположен в Республике Татарстан на берегу Нижнекамского водохранилища, предполагаемое использование - для водоснабжения г.Набережные Челны в чрезвычайных ситуациях, потребность 10 тыс.м3/сут.
Для проведения специальных гидрогеологических и технологических исследований выбрано Прибрежно-Челнинское месторождение, а именно участок находящегося в консервации существующего куста скважин, расположенного в Тукаевском районе (р.ц.Набережные Челны) вблизи д.Кутлушево РТ.
Продуктивным для добычи является нижнеказанский водоносный горизонт (глубина скважин 70 м). В связи с несоответствием качества подземных вод их целевому назначению (высокое содержание бора - до 2 мг/л при ПДК 0.5 мг/л) подземные воды не могут использоваться для хозяйственно-питьевого водоснабжения без предварительной водоподготовки.
В качестве пласта-коллектора для размещения отходов водоподготовки выбрана стерлитамакско-соликамская водоносная серия (глубина скважин до 170м). Концентрации бора в подземных водах серии достигают 4 мг/л.
Особенностью водоподготовки подземных вод на участке "Набережные Челны" является то, что целевым элементом, превышающим нормативы СаНПиН 2.1.4.1074 – 01,является бор. В природных водах бор находится в виде ионов борных кислот. В более кислых водах (при рН 2-6) бор присутствует преимущественно в форме ортоборной кислоты (Н3ВО3) с частичной ее диссоциацией на H2BO3- и ВО33-, в щелочных водах (при рН 7-11) - в форме тетра-, пента-, гекса- и других полиборных кислот, а при рН 12-14 - в форме метаборной кислоты (НВО2). Щелочные воды, как правило, более богаты бором, чем жесткие воды. Связано это с тем, что натриевые соли борных кислот имеют гораздо более высокую растворимость, чем соли кальциевые и магниевые. В маломинерализованных подземных водах содержание бора составляет, как правило, десятки-сотни мкг/дм3, однако в минерализованных щелочных водах его концентрация может достигать единиц и даже десятков мг/л, что делает такую воду потенциально небезопасной для питьевого применения. Основной формой содержания и миграции бора в подземных водах участка "Набережные Челны" являются недиссоциированные молекулы ортоборной кислоты (Н3ВО3). Они, как и молекулы воды проходят через обратно-осмотические мембраны. Удаление бора и боратов при опреснении воды является весьма актуальной проблемой, так как не всегда удается очистить воду от соединений бора по стандартным схемам водоподготовки.
Прямое включение установки водоподготовки по стандартной схеме без внутри блокового разрыва струи показало неэффективность данной схемы водоподготовки, только 10% бора удалось удалить из подземной воды. Было принято решение разорвать струю воды перед входом в обратно-осмотический модуль, чтобы поднять рН среды до 10 с помощью дозирования перистальтическим насосом раствора гидрооксида натрия в промежуточную емкость для перевода молекул ортоборной кислоты (Н3ВО3) в заряженные диссоциированные формы миграции бора в виде тетра-, пента-, гекса- и других полиборных кислот.
В результате применения указанной процедуры удалось снизить концентрацию бора в пермеате до нормативного показателя. В табл.1 приведены результаты полевого и арбитражных (внешний контроль) химических анализов проб пермеата и концентрата. Из табл. 1 видно, что примененная технологическая схема позволяет очистить воду от бора до нормативных параметров.
Совместимость концентрата подземных вод после водоподготовки с пластовой водой достигалась технологической схемой водоподготовки, так называемой «головой» перед обратным осмосом, позволяющей довести качество воды, в том числе и для закачки до оптимальных параметров исключающих вторичное минералообразование (выпадение солей).
Совместимость концентрата подземных вод после водоподготовки с пластовой водой оценивалась путем термодинамических расчетов.
Оценка совместимости химического состава закачиваемых и пластовых вод выполнена методом термодинамического моделирования с использованием специализированных программ MINTEQA2 и PHREEQC.
Совместимость химического состава смешиваемых подземных вод оценена по расчетам величины их индекса насыщенности по отношению к наименее растворимым макроминеральным формам, способным выпадать в осадок при определенных условиях, что может приводить к зарастанию водоподъемных труб, кольматации фильтровой части скважин и водоносного коллектора в зоне смешения закачиваемых и пластовых вод.
Индекс насыщенности представляет собой десятичный логарифм отношения произведения активностей элементов и соединений, участвующих в реакции, к величине произведения растворимости.
Например, для СаСО3 индекс насыщенности
где
f - коэффициент активности для двухвалентных кальция и карбонатного иона, зависящий от ионной силы водного раствора;
ПРСаСО3 - табулированная величина.
Осаждение вторичной минеральной формы из воды происходит при R> О.
Проведенные термодинамические расчеты показывают, что полученный концентрат не является пересыщенным по отношению к каким-нибудь вторичным минеральным формам – в растворе присутствует только галит с величиной индекса насыщенности -5.65. Следовательно, закачка полученных вод не приведет к образованию труднорастворимых соединений в пласте и, соответственно, кольматации прискважинного пространства.
Участок "Дергачи"
Участок "Дергачи" расположен в Саратовской области в Заволжье, предполагаемое использование - для водоснабжения р.ц. Дергачи, потребность 3.2 тыс.м3/сут
Поселок городского типа Дергачи - административный центр и крупнейший населённый пункт Дергачёвского района Саратовской области. Население р.ц. Дергачи – 9.7 тыс. человек.
Для решения поставленной задачи предполагалось использовать слоистый водоносный комплекс в акчагыльских отложениях: для добычи первый водоносный слой (предположительно на глубине 70-80 м); для сброса – третий (на глубине 130-140 м). В ходе проведения настоящих работ для эксплуатации был выбран водоносный эоплейстоценовый горизонт, находящийся на глубине 29-38 м, для сброса – первый слой водоносного акчагыльского комплекса (на глубине 107-130 м).
Подземные воды как эоплейстоценового горизонта, так и акчагыльского комплекса характеризуются повышенной минерализацией и жесткостью, схожим анионным (хлоридный) и катионным (магниево-натриевый) составом. С глубиной минерализация подземных вод возрастает в связи с прямой гидрохимической зональностью.
В продуктивном водоносном горизонте значения минерализации и жесткости составляют 2.7 г/л и 20.1 мг-экв/л, в слое, предназначенном для размещения отходов водоподготовки – 5 г/л и 35 мг-экв/л.
Соответственно, водоподготовка на участке "Дергачи" заключалась в обессоливании минерализованной подземной воды обратным осмосом по стандартной технологии, включающей подготовку воды перед обратным осмосом с целью предотвращения выпадения труднорастворимых солей на мембранах. Данная технологическая схема обеспечивает совместимость концентрата подземных вод после обратного осмоса с пластовой водой вследствие удаления из воды кальция и магния на ионно-обменном модуле.
Водоподготовка показала, что система с применением обратного осмоса позволяет очистить имеющуюся воду с минерализацией 2.5г/л до 0.06 г/л (табл. 2).
При этом полученная в ходе обессоливания вода является пересыщенной по отношению к ряду вторичных минералов, таких, как кальцит, арагонит, доломит (табл. 3). Для большей совместимости вод необходимо использовать более сильные ионообменные смолы.
Таким образом, несмотря на то, что водоподготовка дала положительный результат (минерализация снизилась примерно в 40 раз – с 2.5 г до 0.06 г, концентрации приоритетных компонентов – показателей качества намного ниже ПДК), для данных условий требуется применение более мощных (с большей емкостью обмена) ионообменных смол для того, чтобы достигнуть совместимости пластовой воды и закачиваемых отходов водоподготовки – концентрата.
