Инфильтрационные водозаборы (ИВ) используются для нужд водоснабжения на всей территории страны и эксплуатируются на горных реках, реках: юга, европейской и центральной территорий, Сибири. С применением ИВ связаны проекты развития схем водоснабжения городов Заполярья, Поволжья, Урала, Дальнего Востока. Существует более чем столетний опыт эксплуатации и обслуживания ИВ в Европе, подобные схемы используются в Индии, Бразилии, Америке и т.д. ИВ нашли широкое применение в водоснабжении благодаря ряду преимуществ:
- относительно низкая стоимость проектно-изыскательских и строительно-монтажных работ, эксплуатации;
- отсутствие антропогенного влияния на поверхностный водоем при естесственной береговой фильтрации (БФ);
- значительное улучшение качества воды, подаваемой на водопроводные очистные сооружения.
Цель исследования
При оценке использования БФ для нужд водоснабжения комплексно рассматривают гидрологические, геологические, гидрогеологические, геохимические и биологические факторы, с учетом пространственно-временных изменений и антропогенного воздействия. Понимание схем береговой фильтрации основывается прежде всего на знании, полученном в ходе исследований на существующих скважинах ИВ. Данные исследования существенно помогают при проектировании и реконструкции скважин ИВ в любой точке земного шара.
Материал и методы исследования
В ходе эксплуатации ИВ были выявлены следующие особенности и проблемы:
- снижение производительности ввиду заиливания русла реки, возникшего в результате превышения оптимальных объемов добычи воды из скважин;
- изменение дебета скважин и качества добываемой воды в зависимости от времени года;
- проникновение гидробионтов в скважины при высоких гидравлических градиентах потоков [1];
- вследствие антропогенного воздействия на поверхностный водоем и месторождение поверхностных вод в целом или ввиду значительной эрозии грунта в районе размещения скважин, в добываемой воде обнаружены концентрации органических соединений, солей тяжелых металлов, радиоактивных нестабильных и стабильных изотопов, патогенных микроорганизмов;
- высокие концентрации общего железа и марганца в воде, обусловленные: природными факторами и местоположением скважин относительно поверхностного водоема; превышением оптимальных объемов добычи воды из скважин;
- увеличение общей жесткости, концентрации аммония, а также образование сероводорода и серы в результате изменения окислительно-восстановительных условий [2];
- низкая эффективность удаления полярных органических соединений, например, этилендиаминтетрауксусной кислоты (ЭДТА) и 2-Амино-1,5-нафталиндисульфоната [3, 4, 5];
- повышенные концентрации аммония, нитратов [5], связанные с антропогенным влиянием на поверхностный водоем.
Зная все факторы, можно устранить большую часть вышеперечисленных проблем и снизить затраты на последующую очистку добываемой воды. Добиться оптимального качества воды позволяют:
- неукоснительное выполнение требований нормативно-правовых актов [9, 10];
- определение наиболее выгодного, с точки зрения производительности и качества добываемой воды, местоположения скважин ИВ на траектории притока берегового фильтрата и грунтовых вод.
Траектория притока определяется в ходе инженерно-экологических, инженерно-геологических, инженерно-гидрологических изысканий, для достижения наибольшей точности используются изотопно-аналитические и химические методы. Условно траекторию притока можно разделить на две части, так как процесс БФ состоит из двух основных зон: зона редуцирования, а также зона смешивания [2]. В зоне редуцирования проходят процессы фильтрации, сорбции, абиотической и биотической деградации, химического осаждения и реакции окисления. Эффективность удаления загрязняющих веществ зависит также от хронической и острой токсичности поверхностного водоема. В зоне смешивания процессы деградации и сорбции проходят с меньшей интенсивностью, но процессы смешивания и разбавления оказывают существенное влияние на качество воды (см. рис. 1).
Рис. 1. Схематическая диаграмма процессов, протекающих при БФ
Определив траекторию притока берегового фильтрата и грунтовых вод к скважине ИВ, а также исследовав все процессы, протекающие в зонах береговой фильтрации, можно назначить месторасположение скважины с учетом прогнозируемых концентраций различных веществ в воде. Компьютерное моделирование, основанное на полученных опытных данных и существующей базе данных по эффективности удаления различного рода загрязнителей, является основанием для данного прогноза концентраций различных химических элементов в воде проектируемой скважины.
Результаты исследования
При выборе месторасположения скважины ИВ ориентируются на минимальные концентрации различных химических элементов в воде, в первую очередь на низкие концентрации аммония, нитратов. Береговая фильтрация не позволяет снизить концентрации хлоридов, железа, марганца, сульфатов, снижение данных концентраций достигается смешиванием и разбавлением. В качестве примера представлено 4 реки (см. рис. 2) с различными окислительно-восстановительными условиями в придонном слое [3]. Стоит отметить, что окислительно-восстановительные условия меняются на различных участках реки, но в данной работе рассматривались конкретные участки рек со стабильными условиями. Несмотря на то, что анаэробные условия обладают высоким потенциалом по очистке воды от органических соединений, относительно высокие концентрации аммония, железа, марганца в воде, добываемой из скважин, указывают на предпочтительное использование руслового водозабора, а не инфильтрационного.
Как видно по графику, у каждого из водоемов на определенном участке протекания свое оптимальное месторасположение скважины ИВ, определенное эмпирическим путем, например, для р. D это 25 метров от русла, для р. A - 100 или 580 метров, в данном случае месторасположение определялось исходя из минимальных концентраций трудноустраняемых веществ.
Рис. 2. Концентрации различных веществ в воде скважин ИВ в зависимости от удаления скважины ИВ от поверхностного водоема, на площадках береговой фильтрации с различными условиями окислительно-восстановительных процессов в зонах береговой фильтрации [3, 8]
Сильное влияние на концентрацию марганца, железа, сульфатов, аммония, нитратов в добываемой воде оказывают: условия, при которых протекают окислительно-восстановительные процессы; а также процессы смешивания, которые напрямую зависят от месторасположения скважины относительно реки. Кроме того, превышение оптимальных объемов добычи, или, наоборот, снижение оптимальной производительности скважин, приводят к ухудшению качества добываемой воды. Следует предусматривать постепенный ввод в работу, с многодневной откачкой воды без подачи на очистные скважин ИВ, работающих периодически или являющихся резервными.
Выводы
В ходе эксплуатации ИВ необходимо контролировать качество воды поверхностного водоема, грунтовых вод и экологическую ситуацию в зоне дренирования, для мониторинга - устраивать наблюдательные скважины. Существенным дополнением к гидрохимическим, гидрологическим и микробиологическим исследованиям является биомониторинг [6]. При наличии наблюдательных скважин мониторинг с использованием биомаркеров и биоиндикаторов упрощается.
Учет и контроль факторов, влияющих на формирование качества воды в ИВ, позволяет:
- удалить из воды взвешенные вещества, частицы, разлагаемые микроорганизмами соединения, бактерии, вирусы и паразиты; части адсорбированных соединений; сбалансировать изменения температуры и концентрации растворенных элементов в береговом фильтрате [2];
- обрабатывать воду от Cryptosporidiumparvum, так как глубокая фильтрация через русло реки представляет один из главных барьеров для загрязнения ооцистами [2, 7];
- дополнительно очищать воду от водорослевых токсинов (яд цианобактерий) на вертикальных скважинах ИВ малой и средней производительности [2];
- снизить риски загрязнения нитратами и атразином на вертикальных скважинах ИВ малой производительности [2];
- удалять неполярные органические соединения, такие как полициклические ароматические углеводороды, полихлорированные бифенилы и многие хлорорганические инсектициды, и полярные органические соединения, в том числе фармацевтические [3].
Компоновка очистных сооружений будет напрямую зависеть от эффективности процесса береговой фильтрации и смешивания. В том случае, когда выполнены все меры по оптимизации работы скважин ИВ, себестоимость очищенной воды будет снижена за счет рациональных затрат на строительство и эксплуатацию водозаборно-очистных сооружений. Примерами наиболее распространенных технологических схем очистных сооружений являются:
- Озонирование - отстаивание в контактном резервуаре - фильтрация на сорбционном модуле - УФ - обеззараживание - хлорирование.
- Аэрируемая фильтрация - фильтрация на сорбционном модуле - УФ - обеззараживание - хлорирование.
Рецензенты:
- Васильев Виктор Михайлович, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой гидравлики ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет», г. Санкт-Петербург.
- Верстов Владимир Владимирович, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой технологии строительного производства ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет», г. Санкт-Петербург.
Библиографическая ссылка
Феофанов Ю.А., Ряховский М.С. ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА ФОРМИРОВАНИЕ КАЧЕСТВА ВОДЫ В ИНФИЛЬТРАЦИОННЫХ ВОДОЗАБОРАХ // Современные проблемы науки и образования. – 2012. – № 4. ;URL: https://science-education.ru/ru/article/view?id=6557 (дата обращения: 09.12.2024).