bbk 000000

УДК 628.112.23:628.147.22

Кармалов А. И., Филимонова С. В.

Анализ причин кольматации и коррозии оборудования водозаборных скважин в условиях повышенной техногенной нагрузки

Аннотация

В ходе эксплуатации водозаборов из подземных источников неизбежно возникают проблемы, связанные с процессами обрастания и коррозии металлического оборудования артезианских скважин. Интенсивность формирования осадков и развития коррозии на скважинном оборудовании зависит от производительности скважин, химического состава подземных вод, наличия метанобразующих и других бактерий, создающих чрезвычайно активную коррозионную среду. Мониторинг химического состава и микробиологический анализ подземных вод позволяют выявить причины кольматации и коррозии металлсодержащих элементов скважин в условиях повышенной техногенной нагрузки, что в дальнейшем облегчает выбор методов борьбы с этими явлениями.

Ключевые слова

мониторинг , подземные воды , артезианская скважина , кольматация , коррозия , техногенная нагрузка , бактерии , микробиологический анализ

Скачать статью в журнальной верстке (PDF)

В технических системах водоснабжения, как и в природных условиях, вода, содержащая растворенные компоненты, обладает способностью реагировать на изменение термодинамических условий и соответственно изменять свой химический состав, вследствие чего из раствора выводится твердая минеральная фаза. Это влечет за собой нежелательные последствия. Все чаще появляется информация о неудовлетворительном состоянии водопроводных сетей, связанном с зарастанием труб, что влияет на качество подаваемой населению воды. В конечном счете можно говорить о «старении» водозаборов, выделяя помимо коррозии оборудования последствия ухудшения экологической обстановки: заохривание (химические и микробиологические процессы отложения труднорастворимых соединений железа, марганца и других химических элементов), вызванное изменением физико-химических условий; отложение карбонатных соединений; появление слизи вследствие массового развития микроорганизмов [1].

В настоящее время хозяйственно-питьевое водоснабжение г. Северска осуществляется двумя площадными водозаборами (№ 1 и 2) суммарной производительностью 50,56 тыс. м³/сут, находящимися в эксплуатации более 50 лет. Источником водоснабжения является водоносный комплекс палеогеновых отложений, развитых практически по всей территории Западно-Сибирской плиты. Скорость осадкообразования, осадконакопления и коррозии на водоподъемном оборудовании и фильтрующих элементах скважин достаточно высока. В большей степени эти процессы развиты на водозаборе № 1.

По ориентировочным расчетам, только на фильтрах станции обезжелезивания ежегодно формируются десятки тонн осадков: по сухому остатку 91,6 т/год; по железу 30,5 т/год; потери вещества на фильтрах: по сухому остатку 5 мг/л, по железу 1,5 мг/л. Судя по изменению химического состава вод, значительное количество осадков формируется и в околоскважинном пространстве, прифильтровой зоне скважин, на оборудовании (насосах, водомерах, трубах) [2].

Водозабор № 1 расположен в промышленно-хозяйственной зоне: с западной стороны по контуру участка водозабора расположены золоотвалы, с северной – территория бывшего завода крупнопанельных строительных материалов, солехранилище ТЭЦ, мазутохозяйство, с юга – садово-огородные участки и территория теплично-парникового хозяйства. В зоне гидродинамического влияния водозабора находятся также городские очистные сооружения, свалка твердых бытовых отходов, свалка строительных отходов. Участок водозабора пересечен автодорогами.

Водозабор № 2 г. Северска также находится в экологически сложном районе. Территория водозаборного участка прилегает к лесному массиву, имеет общее ограждение с зоной санитарной охраны первого пояса на каждой эксплуатационной скважине. Однако за ограждением и на прилегающей к водозабору территории в зоне гидродинамического влияния находится целый ряд объектов – реальных или потенциальных очагов загрязнения подземных вод нефтепродуктами. Помимо этого, между водозабором и рекой Большая Киргизка расположены садово-огородные участки. В этом же районе находятся очистные сооружения, полигон промышленных отходов и другие источники загрязнения окружающей среды. В связи с этим на водозаборах № 1 и 2 наблюдения за качеством отбираемой скважинами воды велись с самого начала их эксплуатации в расширенном объеме.

Особенности химического состава подземных вод водозаборов представлены на рис. 1. Подземные воды эксплуатируемого водоносного комплекса характеризуются повышенными концентрациями железа (0,42–16 мг/л) [3]. По данным анализа проб осадка, отобранных с электропогружных насосов, его химический состав представлен в основном гидрооксидами железа Fe(OH)₃.

Скважины водозабора № 1 имеют достаточно высокий дебит – 60–130 м³/ч, скважины водозабора № 2 – 30–60 м³/ч (рис. 2).

В связи с интенсивным развитием процессов заохривания и коррозии водоподъемного оборудования на участке водозабора № 1 был проанализирован микробиологический состав подземных вод. Исследования проводились по скважинам № 6а, 8, 14, наиболее подверженным вышеуказанным процессам. На рис. 3 показано состояние водоподъемных труб на артезианской скважине № 14.

Результаты микробиологического анализа подземных вод из скважин № 6а, 8, 14 на водозаборе № 1 показали наличие в них физиологических групп бактерий, разрушающих органические и минеральные вещества и участвующих в процессах обрастания и коррозии металлического оборудования (таблица) [4].

Гетеротрофные бактерии могут способствовать возникновению коррозии косвенно, за счет поглощения кислорода на окисление органического вещества и создания таким образом благоприятной обстановки для развития анаэробной микрофлоры – сульфатредуцирующих и денитрифицирующих микроорганизмов. В водах исследуемых скважин их количество незначительно, поэтому они не могут быть причиной коррозии металлического оборудования.

Сульфатредуцирующие бактерии вызывают коррозию металлов в процессах катодной деполяризации. Значительная коррозия (более 200 г/м² металла за 2 недели) может происходить тогда, когда количество бактерий в воде составляет 1000–10000 кл/мл. Повреждения металла, вызываемые сульфатредуцирующими бактериями, имеют вид глубоких лагун.

Денитрифицирующие микроорганизмы ускоряют процесс разрушения металлов, образуя коррозионно-активные соединения СО₂ и NH₃, вызывающие электрохимическую коррозию. Коррозирующая способность денитрифицирующих микроорганизмов в ряде случаев может быть выше, чем сульфатредуцирующих. Значительная коррозия оборудования происходит тогда, когда количество бактерий составляет от 1000 до 10000 кл/мл. Разрушаться может более 330 г/м² металла за 2 недели. Количество сульфатредуцирующих бактерий в воде скважин № 8 и 14 незначительно (таблица), поэтому коррозию металлического оборудования в существенных масштабах они вызывать не способны.

Реальной причиной коррозии могут быть денитрифицирующие микроорганизмы, количество которых в воде скважин № 8 и 14 велико – 100 000 и 1 000 000 кл/мл соответственно. Повреждения металлического оборудования, вызванные этими бактериями, имеют вид многочисленных питтингов и язв. Возможной причиной появления в воде большого количества денитрифицирующих бактерий являются нитратсодержащие вещества, которые в свою очередь могут проникать в водоносный пласт с поверхности земли (нитратсодержащие удобрения).

О действии загрязняющего фактора свидетельствует наличие большого количества аммонифицирующих и уробактерий в воде скважин. Уробактерии являются весьма специфичной группой. В качестве источника азота они используют только мочевину и соли мочевой кислоты, источником которых могут быть как канализационные сточные воды, так и удобрения. Веществом, способствующим развитию аммонифицирующих бактерий, могут быть также нитратсодержащие удобрения и химикалии.

На основании рассмотренного примера можно сделать вывод о влиянии техногенной нагрузки на качество исходной воды и, как следствие, ухудшение состояния оборудования и трубопроводов системы водоснабжения.

Еще один фактор, ухудшающий состояние оборудования эксплуатационных скважин, был выявлен при изучении содержания растворенных газов углеводородного состава в подземных водах водозабора № 1 г. Северска. Это повышенные концентрации метана в подземных водах.

Среди водорастворенных газов преобладают в основном азотные. Насыщенность водовмещающих отложений палеогена (особенно новомихайловской свиты) органическими веществами, имеющими как природное, так и антропогенное происхождение, способствует образованию на отдельных участках подземных вод метана в повышенных количествах. Содержание метана в воде скважин водозаборов изменяется от 0,03 до 4 мл/л. Максимальное его количество отмечается в северо-западной и юго-восточной частях водозабора, а минимальное – в юго-западной части (рис. 4). Такое различие концентрации метана обусловлено изменением гидрохимической обстановки, связанным с техногенным загрязнением подземных вод на отдельных участках, а также нарушением режима водоотбора в скважинах (либо техническими неполадками) [5]. Увеличению количества метана в добываемой воде могут способствовать также метанобразующие бактерии. В условиях застойного режима в водоводе (при остановках скважины, перекрытии задвижек и др.) процессы метанообразования усиливаются [6].

При изучении микробиологического состава подземных вод метанобразующие бактерии выявлены во всех 20 пробах воды из скважин водозабора. Эти бактерии негативным образом влияют на состояние инженерных сооружений водозабора, способствуя опасному накоплению метана в павильонах скважин и колодцах, а в комплексе с другими бактериями, присутствующими в водоносных горизонтах (денитрифицирующими, сульфатредуцирующими, нитрифицирующими, гетеротрофными и углеводородокисляющими), создают чрезвычайно активную коррозионную среду.

Выводы

Интенсивность формирования осадков и развития коррозии на скважинном оборудовании водозаборов подземных вод находится в прямой зависимости от: производительности скважин (наиболее высокая скорость кольматации и инкрустации для высокодебитных скважин); химического состава подземных вод; наличия большого количества физиологических групп бактерий, разрушающих органические и минеральные вещества (причиной появления в воде большого количества данных бактерий являются повышенные техногенные и антропогенные нагрузки); деятельности метанобразующих бактерий, создающих в комплексе с другими бактериями активную коррозионную среду.

Современный подход к эксплуатации скважин должен предусматривать мониторинг состояния гидрогеохимической среды, водоподъемных колонн, фильтров и погружных насосов. Только при таком подходе возможна рациональная эксплуатация водозаборных скважин, включая своевременное применение различных методов борьбы с кольматацией и коррозией металлических элементов оборудования.

Список цитируемой литературы

1. Алексеев М. И., Дзюбо В. В., Алферова Л. И. Формирование состава подземных вод Западно-Сибирского региона и особенности их использования для питьевого водоснабжения // Вестник ТГСУ. 1999. № 1.
2. Покровский Д. С., Дутова Е. М., Рогов Г. М. и др. Минеральные новообразования на водозаборах Томской области / под ред. Д. С. Покровского. – Томск: Изд-во НТЛ, 2002.
3. Ламинский А. И., Климова Н. А., Пушкарева А. Г. Технический отчет «Ведение мониторинга подземных вод в зонах санитарной охраны водозаборов № 1 и 2 г. Северска». – Томск, 2010.
4. Шинкаренко В. П., Наливайко Н. Г. Заключение о результатах микробиологического анализа подземных вод на водозаборе № 1 МП «Северскводоканал». – Томск, 2002.
5. Корценштейн В. Н. Растворенные газы подземной гидросферы. – М.: Недра, 1984.
6. Шинкаренко В. П. Информационно-аналитическая записка по изучению микрофлоры подземных вод и ее коррозионной активности (Водозаборы г. Северска). – Томск, 2001.