Модель очистной скважины подземных вод.

Оглавление

Введение         2

1.        Анализ загрязнения подземных вод Челябинской области        4

2.        Построение математической и физической модели очистки грунтовых вод        ………………………………………………………………………………..8

Выводы        12

Список литературы        13

Введение

Наиболее актуальной из современных проблем является охрана подземных вод от загрязнения, которая непосредственно связана с масштабами распространения хозяйственной деятельности человека. Усиление техногенного воздействия на природную среду вызывает ряд экологических проблем, охватывающих все среды обитания живых организмов [1].

Сброс загрязненных стоков в водоемы приводит к ухудшению качества поверхностных вод, а их инфильтрация – подземных [2]. Считается, что инфильтрационный сток в подземные воды должен очищаться грунтами, сорбционная способность которых достаточно высока. Однако, при этом существует опасность непредсказуемого возникновения обратного процесса – десорбции, пропорционально увеличиваясь при длительном влиянии загрязнителей [3]. Рассуждая о загрязнении подземных вод, необходимо акцентировать внимание на загрязнение пресных и слабосоленых подземных вод, отходами промышленных производств, ионами тяжелых металлов, нефтепродуктами и т.д.

Актуальность работы. Существует множество методов очистки стока путем реабилитации, при этом в подавляющем большинстве случаев речь идет о поверхностном стоке. Основное внимание при очистке подземных вод и грунтов на сегодняшний день уделено нефтеразливам, при этом загрязнение подземных вод ионами тяжелых металлов оставлено без внимания. В то же время установлено, что на территории, попадающей под прямое и косвенное влияние горнорудной промышленности ионы тяжелых металлов одни из самых распространенных загрязнителей почв, подземных и поверхностных водоисточников. Дренируя через отвалы хвостохранилищ, и просачиваясь в почву с поверхностным стоком, ионы тяжелых металлов частично задерживаются в ней. Задержавшиеся ионы тяжелых металлов, вымываются из почвы инфильтрующимися водами, и попадают в подземные воды, в которых мигрируют как в свободном, так и в растворенном виде, в конечном счете, разгружаясь в поверхностные водоисточники [4]. Поэтому разработка высокоэффективных технологий эффективной очистки подземных вод от ионов тяжелых металлов, на сегодняшний день, является актуальной научно-технической задачей.

Целью проекта является создание модели робота для автоматизации процесса очистки грунтовых вод от тяжелых металлов в условиях техногенной нагрузки, для дальнейшей разработки технологии очистки грунтовых вод от ионов тяжелых металлов.

Для достижения данной цели поставлены и решены следующие задачи:

- сбор материала по загрязнению подземных вод Челябинской области в условиях техногенной нагрузки;

- анализ существующих методов очистки грунтовых вод от различных загрязнителей;

- построение модели робота для автоматизации процесса очистки грунтовых вод от тяжелых металлов в условиях техногенной нагрузки;

        Практическая значимость работы – необходимость предварительного построения модели робота, позволит рассчитать параметры технологической схемы для оптимизации процесса очистки и прогнозирования ее продолжительности.

1. Анализ загрязнения подземных вод Челябинской области

В реалиях современного мира подземные воды, как источник водоснабжения, предпочтительнее поверхностных вод, так как подземные воды более основательной защитой от загрязнения и имеют лучшие показатели качества, они меньше зависят от сезонных колебаний и не требуют дорогостоящих мероприятий по водоочистке [5,6].         

        Наибольший объем подземных вод Челябинской области относится к Больше-уральскому сложному бассейну пластово-трещинных напорных и безнапорных вод. Химический состав подземных вод области весьма различен, однако в большинстве своем здесь встречаются пресные воды гидрокарбонатного состава. Всего в области разведано 43 месторождения и 26 участков скопления подземных вод, в том числе 6 месторождений минеральных вод, на государственном учете находится 43 месторождения. На сегодняшний день участвует в водоснабжении 19 месторождений. Из 46 крупных городов и сел области в 22 водоснабжение осуществляется исключительно за счет подземных вод [7]. 

        В сложных техногенных условиях, когда на качество подземных вод одновременно оказывают влияние природные (непосредственно в подземной части гидросферы и опосредованно через другие компоненты окружающей среды), и антропогенные факторы загрязнения, очистка подземных вод должна быть комплексной, учитывающей весь спектр действующих факторов [5,8].

В современном мире необходимо покончить с поддержанием границ у дисциплин изучающих грунтовые и поверхностные воды раздельно. Это поможет улучшить научную связь дисциплин, и заставит осмыслить более важную причину, такую как невозможность нарушить систему подземных вод не затрагивая систему поверхностных вод, и наоборот [9].

Наиболее существенным фактором, обуславливающим низкое качество подземных вод Челябинской области, является слабая защищенность водоносных горизонтов от поверхностного загрязнения тяжелыми металлами [10,11]. На рисунке 1 приведены основные пути попадания ионов тяжелых металлов в грунтовые воды Челябинской области.

Рисунок 1 – Основные источники загрязнения грунтовых вод ионами тяжелых металлов.

Исследования о загрязнении подземных вод в современном мире приведены в работах многих ученых. При этом, исследования в этой области в большинстве своем направлены на изучение загрязнения глубокозалегающих подземных вод, а грунтовые воды, как наиболее уязвимые к загрязнению оставлены без внимания [12].

Промышленные сточные воды могут загрязнять грунтовые как сверху (поступление с поверхности земли в результате инфильтрации в водоносный горизонт) так и в виде вертикального перетока загрязненных грунтовых вод в нижележащий эксплуатируемый водоносный горизонт через гидрогеологические окна или через разделяющий слабопроницаемый слой, как показано на рисунке 2 [13].

Рисунок 2 – Схема загрязнения подземных вод дренажными (фильтрационными) водами полигонов промышленных отходов.

Уже известна прямая зависимость химического состава грунтовых вод от дождевых осадков, температуры, типа почвы и пород образующих водоносный горизонт, при этом немаловажное значение имеет и длительность воздействия перечисленных факторов [14]. Поскольку в водах различного химического состава может изменяться и растворимость многих соединений тяжелых металлов – загрязнителей, актуально утверждение, что состав природных подземных вод оказывает значительное влияние на миграцию металлов. Тяжелые металлы антропогенного происхождения могут мигрировать как в глубокие водоносные горизонты, так и на значительные расстояния. В самом общем виде процессы распространения тяжелых металлов в подземных водах делятся на 3 типа: массоперенос, массообмен и смешение. В пределах участков, занятых источниками загрязнения, одновременно проявляются следующие типы распространения тяжелых металлов: массоперенос, массообмен и смешение [15]. Посредством моделирования масс-баланса, мы можем получить информацию о скорости реакции, которая может иметь решающее значение при определении того, является ли данный водоносный горизонт основой естественной очистки загрязненных вод, которые случайно зашли в нижележащие водоносные слои. При этом, на участках, где источник загрязнения отсутствует, пр еобладают только массоперенос и массообмен [9,16].

Грунтовые воды, несомненно, имеют важное значение для жизнедеятельности всего живого на Земле. Они питают подземные и поверхностные водоисточники, могут использоваться растениями и другими организмами. Загрязнение грунтовых вод может серьезно сказаться на качестве питьевой воды, поэтому за рубежом, а в последние десятилетия и в России, грунтовым водам стали придавать очень большое значение и разрабатывать новые технологии их очистки.

        В настоящее время существует несколько основных способов очистки грунтовых вод. Теоретически все их можно разделить на две группы: 1). Очистка грунтовых вод «в пласте» и 2). Очистка грунтовых вод «на поверхности» [17,18].

2. Построение математической и физической модели очистки грунтовых вод

Любая технология очистки разрабатывается по этапам. Сначала проводят научные исследования, итогом которых является математическая модель данной технологии, в которой просчитаны основные параметры разрабатываемой технологии. Следующим этапом работы является проведение физического эксперимента, с входными параметрами, заданными математической моделью.

Математическая модель была рассчитана в научно-квалификационной работе (ЮУрГУ, 2018 год) Парышевой М.А. Она установила процент миграции загрязняющих веществ в подземные воды в зависимости от времени. Для составления математической модели, было рассчитано уравнение регрессии с входными параметрами – рН, концентрация ионов цинка, ЕКО почвы, удельная поверхность сорбента, расстояние от источника загрязнения. Так как входных параметров модели много, их сгруппировали в три группы, и составили три трехфакторных эксперимента. Данное уравнение регрессии показало взаимодействие оптимизируемых факторов: на миграцию загрязняющих веществ в грунтовые воды самое большое влияние имеет расстояние от источника загрязнения, затем концентрация ионов цинка и в меньшей степени рН грунтовых вод. При этом комбинация взаимодействующих факторов концентрация – расстояние оказывает большее влияние на миграцию, чем комбинация рН – концентрация – расстояние. Таким образом, три шага (года) получаем снижение процента миграции загрязняющих веществ в грунтовые воды с 62,27 до 23,82%, при рН равном 7,635 и расстоянии от источника загрязнения 0,4715 км. В данном случае при конкретном значении рН (зафиксированный фактор х1 = 7,5) прослеживается совместная работа поглощающего сорбента очищающих скважин (удельная поверхность 12,59 м2/г и ЕКО почвогрунта. Дальнейшее решение позволило получить значение расстояния между очищающими скважинами равное 0,028 км, при миграции загрязняющих веществ 2,77 %.

Таким образом, получаем, что на каждые 2,77 % снижения миграции загрязняющих веществ в грунтовые воды необходимо 28 метров расстояния между очищающими скважинами. Исходя из полученных данных, можно составить методику, согласно которой прогнозировать расстояние очищающих скважин на конкретной местности [19].

Следующим этапом стало построение робота, способного по заданным параметрам обслуживать очистные скважины.

Модель очистной скважины.

Программа для работы очистной скважины.

Выводы

1. Слабая защищенность водоносных горизонтов от загрязнения тяжелыми металлами в первых от поверхности водоносных горизонтах и зависит от ряда факторов: гидрогеологических, климатических, топографических;
2. На интенсивность загрязнения помимо этого, может влиять характер и длительность воздействия источника загрязнения, гидрогеологические условия участка его расположения, вид и срок осуществления защитных мероприятий, а так же внутренние характеристики почвы;
3. В сложных техногенных условиях, когда на качество подземных вод одновременно оказывают влияние природные и антропогенные факторы загрязнения, технология очистки подземных вод должна быть комплексной, учитывающей весь спектр действующих факторов.
4. В настоящее время существует несколько основных способов очистки грунтовых вод, которые делятся на две группы: очистка грунтовых вод «в пласте» и очистка грунтовых вод «на поверхности». В основном все они направлены на очистку грунтовых вод от органических загрязнений.
5. Существует необходимость разработки технологии очистки грунтовых вод без подъема на поверхность, которая будет учитывать все факторы влияния на миграцию ионов тяжелых металлов.

Список литературы

1. Ананичев К. В. Проблемы окруж
2. ающей среды, энергии и природных ресурсов. Международный аспект. - М.: ВИНИТИ-МГУ, 19с.
3. Филатов В.В. Тайна "горного ведомства". - Екатеринбург: "Пакрус", 2000.-с.144
4. Мосинец В. Н., Грязнов М. В. горные работы и окружающая среда. – М.: Недра, 1978. – 192 с.
5. Певзнер М. Е. Горная экология: Учеб. Пособ. для вузов – М.: Издательство Московского государственного горного университета, 2003. – 395 с.
6. Иванова С.А. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук Москва – 2015
7. Things You May Not Know About Water [Электронный ресурс] // The world bank: [сайт]. URL: http://blogs.worldbank.org/opendata/7-things-you-may-notknow-about-water.
8. Кирин, Ф.Я. География Челябинской области: справочное пособие / Ф.Я. Кирин – 4е изд., переработ. – Челябинск: Южно-Уральское кн. изд., 1973. – 99 с.
9. Международное десятилетие действий «Вода для жизни», 2005 – 2015годы [Электронный ресурс] // Организация объединенных наций – водные ресурсы: [сайт]. URL: http://www.un.org/ru/waterforlifedecade/ background.shtml.
10. Groundwater in the environment: an introduction / Paul L. Younger. p. cm./ HSBC Chair in Environmental Technologies Institute for Research on Environment and Sustainability University of Newcastle Newcastle Upon Tyne United Kingdom, 2007, 333 с.
11. Калабин А.Й. Добыча полезных ископаемых подземным выщелачиванием и другими геотехнологическими методами. М.: Атомиздат, 1981,304 с.
12.  Мироненко В.А., Румынии В.Г., Учаев В.К. Охрана подземных вод в горнодобывающих районах,- Л.: Недра, 1980. 320 с.
13. Огняник Н.С., Рудаков В.К., Рыбин В.Ф., Ситников А.Б. Охрана подземных вод в условиях техногенеза. Киев: Вища школа, 1985. - 221 с.
14. Певзнер М. Е. Горная экология: Учеб. Пособ. для вузов – М.: Издательство Московского государственного горного университета, 2003. – 395 с. 
15. Крайнов С.Р., Швец В.М. Гидрогеохимия. М.: Недра, 1992. - 207 с.
16. Кульский Л.А. Химия и технология обработки воды. Киев: Изд. АН УССР, 1960. - 360 с.
17. Ковальский В.В., Макарова А.И.; Химия тяжелых металлов..., 1985
18. Гедройц К.К. Почвенный поглощающий комплекс и почвенные поглощенные катионы как основа генетической почвенной классификации. – Л.: Школа-тип. им. Алексеева, 1925. – 35 с.
19. Плотников H.A., Алексеев B.C. Проектирование и эксплуатация водозаборов подземных вод, М.: Стройиздат, 1990. - 234 с.
20.  Научно-квалификационная работа Парышева М.А. «Математическое моделирование процессов очистки грунтовых вод от тяжелых металлов в условиях техногенной нагрузки».