Электронная библиотека Веда
Цели библиотеки
Скачать бесплатно
Доставка литературы
Доставка диссертаций
Размещение литературы
Контактные данные
Я ищу:
Библиотечный каталог российских и украинских диссертаций

Вы находитесь:
Диссертационные работы России
Технические науки
Водоснабжение, канализация

Диссертационная работа:

Болдырев, Кирилл Александрович. Геохимическое моделирование процессов внутрипластовой очистки подземных вод от железа и марганца : диссертация ... кандидата технических наук : 05.23.04 / Болдырев Кирилл Александрович; [Место защиты: Научно-исследовательский и конструкторско-технологический институт водоснабжения, канализации, гидротехнических сооружений и инженерной гидрогеологии].- Москва, 2011.- 190 с.: ил. РГБ ОД, 61 12-5/242

смотреть введение
Введение к работе:

Актуальность проблемы. В Российской Федерации доля подземных вод в балансе хозяйственно-питьевого водоснабжения (из поверхностных и подземных водоисточников) составляет около 30%. Более 60% городов и поселков городского типа удовлетворяют потребности в питьевой воде, используя подземные воды, а около 20% из них имеют смешанные источники водоснабжения. В сельской местности на подземные воды в хозяйственно-питьевом водоснабжении приходится 80–85% общего водопотребления.

При этом около 50% скважин Российской Федерации, используемых для хозяйственно-питьевого водоснабжения, содержат железо (Fe) в концентрациях, превышающих требания

Особенно остро проблема, связанная с повышенным содержанием железа, стоит в Удмуртии, Карелии, Тюменской области, в Центральных областях России. В подземных источниках Западной Сибири и Дальнего Востока повышенное содержание Fe отмечается практически повсеместно.

Для вод с повышенным содержанием железа характерной особенностью, зачастую, является одновременное обычное наличие в них растворённого марганца (Mn). В частности, для Дальневосточного региона основная проблема использования подземных вод заключается в высоком содержании в них растворенных соединений этих металлов. Концентрации Fe в подземных водах в этих районах составляют от 1-2 мг/дм3, доходя до 30 мг/дм3 и более, Mn - до 1-4 мг/дм3.

В результате в России около 50 млн. человек используют воду с повышенным содержанием железа и марганца.

Одной из наиболее перспективных технологий кондиционирования подземных вод является технология внутрипластового осаждения Fe и Mn, основанная на создании вокруг скважины гидрогеохимического барьера с окислительно-сорбционными свойствами. Среди основных преимуществ данной технологии следует упомянуть следующие:

технология позволяет обеспечить in situ одноступенчатую безреагентную очистку подземных вод с первоначальным содержанием Fe до 35 мг/дм3;

в силу того, что продукты реакций осаждения остаются в прискважинном пространстве, технология внутрипластового осаждения железа и марганца является безотходной и экологически чистой;

капитальные и эксплуатационные затраты на сооружение установок обезжелезивания в пласте, как правило, ниже затрат аналогичных по производительности наземных станций осаждения;

отсутствие наземных сооружений оборота промывных вод и утилизации осадка позволяет экономить значительные средства и площадь земельных участков очистных сооружений;

исключается работа с токсичными реагентами-окислителями (Cl2, ClO2, O3, KMnO4, H2O2), что значительно уменьшает риск аварии с отдаленными последствиями.

Кроме того, технология внутрипластового кондиционирования, позволяет наряду с Fe и Mn удалять из подземных вод ряд токсичных ионов (тяжелых металлов), вследствие адсорбции на поверхности образовавшихся оксигидроксидов Fe (III) и Mn (III,IV).

В настоящий момент за рубежом в системах централизованного водоснабжения эксплуатируется более 150 установок внутрипластовой очистки воды в основном от присутствующего Fe и Mn производительностью от 150 до 85000 м3/сут.

В Российской Федерации апробированы и успешно работают установки по внутрипластовому обезжелезиванию и деманганации подземных вод в Тюменской (г. Урай, г. Нефтеюганск, г. Ноябрьск, п.г.т. Берёзово), Ярославской (п. Борок), Нижегородской (г. Выкса), Московской (ст. Зеленоградская) областях. Внутрипластовое кондиционирование выбрано, в качестве основной технологии, для водоснабжения г. Комсомольск-на-Амуре, г. Хабаровска (Тунгусское месторождение подземных вод).

Выбор и обоснование эффективных параметров системы внутрипластовой очистки подземных от Fe и Mn требует учета ряда основных гидрогеохимических процессов: растворения и осаждения минеральных фаз при изменении окислительно-восстановительных и кислотно-щелочных условий, процессов адсорбции–десорбции катионов на поверхностях твердых фаз, старения оксигидроксидов Fe (III) и Mn (III, IV) со снижением количества активных сорбционных участков, изменения активности и концентрации веществ в растворе и др.

До недавнего времени создание гидрогеохимических моделей, позволяющих выполнять количественное описание перечисленных процессов, сдерживалось отсутствием соответствующего математического аппарата и термодинамических баз данных.

Отсутствие моделей, адекватно описывающих поведение железа и марганца при взаимодействии их с другими реакционно-активными веществами в сложной гидрогеохимической системе вода/порода, существенно затрудняет выбор и обоснование параметров систем внутрипластовой очистки подземных вод, требует проведения дополнительных объемов экспериментальных и натурных исследований, приводит к необходимости учета ряда значимых процессов по принципу «черного ящика», снижает достоверность прогнозов.

Целью работы являлась разработка моделей внутрипластового осаждения Fe и Mn с учетом основных гидрогеохимических процессов, определяющих поведение этих элементов в системе вода/порода, включая процессы ионного обмена, сорбции элементов на минеральных поверхностях, кинетические особенности окисления Fe и Mn растворенным кислородом, растворения и выпадения минеральных фаз, старения выпавших оксигидроксидов данных металлов.

Личный вклад автора. Автором была осуществлена постановка проблемы и определены пути ее решения, в том числе:

выполнено теоретическое обобщение гидрогеохимического поведения растворенных Fe и Mn в условиях внутрипластовой очистки подземных вод;

разработаны модели миграции Fe и Mn с учетом влияния основных геохимических процессов:

растворения и осаждения твердых минеральных фаз при изменении окислительно-восстановительных и кислотно-щелочных условий;

адсорбции–десорбции катионов по механизму ионного обмена;

адсорбции ионов по механизму образования комплексов на поверхности минеральных оксигидроксидных фаз;

старения оксигидроксидов Fe (III) со снижением количества активных сорбционных участков;

изменения активности и концентрации веществ в растворе;

кинетики реакций окисления Fe (II) и Mn (II), реакций растворения и старения минеральных фаз.

разработаны и адаптированы к задачам внутрипластового осаждения Fe и Mn термодинамические базы данных для описания основных гидрогеохимических процессов в системе вода/порода;

выполнена апробация и внедрение разработанных методик и моделей в практику решения задач по выбору и обоснованию параметров систем внутрипластового осаждения Fe и Mn.

Все результаты, приведенные в диссертации и имеющие научную новизну, получены лично автором.

Основные задачи исследований:

научное обоснование применения гидрогеохимического моделирования в задачах внутрипластового осаждения железа и марганца;

разработка математических моделей конвективного и диффузионного переноса с учетом процессов, определяющих геохимическое поведение железа и марганца в пористых средах, включая процессы растворения/осаждения, изменения активности и концентрации веществ, ионного обмена, адсорбции/десорбции, комплексообразования, изменения кислотно-щелочных свойств среды, гомогенного и гетерогенного окисления/восстановления;

параметрическое обеспечение геохимических моделей внутрипластового осаждения Fe и Mn, разработка и адаптация термодинамических баз данных;

разработка методологии проведения гидрогеохимического моделирования при выборе и обосновании систем внутрипластового осаждения Fe и Mn;

апробация и внедрение разработанных методик и моделей в практику решения задач по внутрипластовому осаждению Fe и Mn.

Научная новизна полученных результатов. В представленной диссертационной работе получены следующие результаты, имеющие научную новизну:

сформулированы основные принципы, предположения и допущения, необходимые для внедрения методов гидрогеохимического моделирования в практику решения задачах прогнозирования эффективности систем внутрипластового кондиционирования содержащих Fe и Mn подземных вод;

разработана гидрогеохимическая кинетическая модель гомогенно-гетерогенного окисления Fe (II), адсорбированного на образующихся в процессе кондиционирования воды оксигидроксидах Fe (III), с учетом старения (перекристаллизации и дегидратации) этих оксигидроксидных фаз;

разработана гидрогеохимическая кинетическая модель гомогенно-гетерогенного окисления Mn, адсорбированного на образующихся в процессе кондиционирования воды оксигидроксидах Fe (III) и Mn (III, IV), с учетом каталитических свойств осажденных оксигидроксидов;

введен критерий предела сорбционной поверхности на единицу объема раствора и определено значение предела содержания активных сорбционных участков для образующихся в процессе окисления Fe (II) минеральных фаз оксигидроксидов;

разработана методика проведения моделирования систем внутрипластового осаждения Fe и Mn в процессе закачки/откачки аэрированной воды с учетом процессов конвекции, гидродинамической дисперсии, растворения/осаждения минеральных фаз, изменения активностей и концентраций веществ, окислительно-восстановительных равновесий, адсорбции/десорбции веществ по механизму ионного обмена и комплексообразования на активных участках твердых минеральных фаз и выпадающих фаз оксигидроксидов Fe и Mn, гомогенного и гетерогенного окисления Fe и Mn;

разработаны и адаптированы к задачам внутрипластового осаждения Fe и Mn термодинамические базы данных для описания процессов растворения–осаждения веществ, их газовых и минеральных фаз, реакций образования комплексов с органическими и неорганическими соединениями, реакций адсорбции катионов по механизму ионного обмена, образования комплексов на активных участках твердой поверхности оксигидроксидов металлов.

Практическая значимость. Разработанные автором гидрогеохимические модели, термодинамические базы данных и методика моделирования дают возможность:

проведения учета поведения Fe и Mn при взаимодействии их с другими реакционно-активными веществами в сложных гидрогеохимических системах при разработке технологических регламентов кондиционирования подземных вод;

выполнить научное обоснование объема и состава требуемых экспериментальных и натурных исследований при выборе оптимального регламента работы системы внутрипластовой очистки;

научно обоснованно разрабатывать технологические регламенты внутрипластового кондиционирования подземных вод;

повысить достоверность прогнозов при выборе и обосновании параметров систем внутрипластовой очистки подземных вод.

Апробация работы. Основные материалы, изложенные в диссертационной работе, докладывались и обсуждались на ряде семинаров ОАО «НИИ ВОДГЕО» (Москва, декабрь 2005, март 2008), Дрезденском центре исследования подземных вод (DGFZ e.V.), (май 2009).

Структура и объем диссертации. Общий объем работы составляет 190 страниц, включает 48 рисунков и 40 таблиц, 2 приложения. Библиографический список включает в себя 198 наименований.


© Научная электронная библиотека «Веда», 2003-2013.
info@lib.ua-ru.net