Рис. 1. Рабочие характеристики насосов Grundfos SP
Очевидно, что одним из выходов из создавшегося положения может стать развитие артезианского водоснабжения, тем более что существует значительное количество уже пробуренных, но по тем или иным причинам простаивающих скважин. Ситуация осложнена и тем, что их количество превышает число работающих. Практика показывает, что основная доля неработающих объектов приходится на рыхлые отложения.
При этом большая часть таких скважин просто брошена, что приводит, в частности, к загрязнению водоносных слоев и потенциально опасно. С другой стороны, известно, что ремонт таких скважин существенно — до 70 % — дешевле бурения новых, при этом нагрузка на подземные источники ощутимо снижается. Сегодня для восстановления скважинного водоснабжения частные ремонтные компании предлагают, в лучшем случае, сменить насосы или пробурить новую скважину.
Это привело к тому, что срок службы источников такого водоснабжения зачастую не превышает 10 лет, что гораздо меньше возможного. Как правило, причиной снижения производительности скважин могут становиться различные типы кольматажа фильтров и прифильтровых зон. В результате этого удельные дебиты новых скважин снижаются до 70 % уже в первые три-пять лет эксплуатации. Более того, процесс водозабора в дальнейшем осложняется частыми выходами погружных насосов из строя [1].
Соответственно, в ремонтные мероприятия должны входить этапы по декольматации водозаборов (в идеале, их нужно проводить регулярно и на работающих скважинах). Снижение проницаемости скважинных фильтров может вызываться [2]:
- закупоркой отверстий частицами пород водоносного горизонта (механический кольматаж);
- выделением из подземной воды с последующим отложением на конструктивных элементах фильтра и частицах прифильтрационной зоны карбонатных, силикатных, железистых и других химических соединений, переходящих из растворимых форм в нерастворимые, при изменении физико-химических условий в воде (т.н. «кольматаж» );
- отложением нерастворимых органических и неорганических соединений на элементах скважин в результате жизнедеятельности железистых, марганцевых, сульфатопродуцирующих и других видов бактерий (биохимический кольматаж).
Методы декольматации скважинных фильтров, соответственно, различают по характеру воздействия на кольматирующие образования. Реагентный способ подразумевает растворение кольматанта соответствующими химикатами. Механический и импульсный методы определяются физико-механическим воздействием. Кроме того, в ряде случаев используют комбинацию этих средств.
Говоря о реагентном способе, можно отметить, что чаще всего применяют так называемые реагенты-нейтрализаторы, позволяющие перевести нерастворимые карбонатные соли и основания в растворимые соли с последующим их выводом. Основным химикатом в этом случае является соляная кислота, поскольку практически все ее соли хорошо растворимы в воде. А для снижения возможного воздействия на металлические части скважин в рабочий раствор вводят ингибиторы коррозии, такие как катапин — «А», катапин — «Б», уникол и др.
При этом использование подобных реагентов в известковых отложениях нежелательно, ввиду разрушительного действия кислот на них. По тому же принципу — перевод веществ кольматанта в растворимое состояние — протекают процессы обработки реагентами-восстановителями. Например, нерастворимые соли железа (III) при обработке дитионитовой солью натрия восстанавливаются до растворимых двухвалентных соединений.
Более редкими являются процессы комплексообразования, протекающие под воздействием комплексообразователей, таких как полифосфаты и др. Соли жесткости и соединения железа, преобразованные в комплексные соединения, растворяются в воде и легко выводятся при послеремонтной откачке. Количество реагента, требующегося для обработки скважины, определяется на основании ее конструктивных характеристик и данных лабораторных исследований кинетики растворения кольматирующих осадков в реагенте:
Рр = 1,2КсРк,
где Рр — масса реагента, кг; Кс — коэффициент удельного расхода реагента, требуемого для растворения 1 кг кольматанта, определяется на основании данных лабораторных исследований; Рк — масса кольматанта [кг], которая рассчитывается по зависимости:
Рк = КнWпорρк,
где Wпор — объем пор гравийной обсыпки обрабатываемой части прифильтровой зоны, м3; ρк — плотность кольматанта, кг/м3. Плотность кольматанта определяется на основании данных лабораторных исследований, при их отсутствии значение ρк принимается в диапазоне 2100– 3700 кг/м3. Кн — коэффициент насыщенности пор гравийной обсыпки (обрабатываемой части прифильтровой зоны) кольматантом. Коэффициент насыщенности пор гравийной обсыпки кольматантом определяется по зависимости:
Кн = 1 – (К1/К0)1/3,
где К0 — коэффициент фильтрации гравийной обсыпки (прифильтровой зоны радиусом 0,5 м) в момент сдачи скважины в эксплуатацию, м/с; К1 — коэффициент фильтрации гравийной обсыпки (прифильтровой зоны радиусом 0,5 м) при обследовании скважины перед проведением работ по декольматации, м/с. В техлитературе существуют расчетные и эмпирические таблицы, по которым можно найти как значения данных коэффициентов, так и приблизительные потребные количества реагентов для ряда стандартных ситуаций [2].
Процессы взаимодействия реагентов с кольматантом могут быть ускорены путем повышения температуры в зоне реакции до 50–60 °C. Это реализуется либо введением в скважину химикатов, растворяющихся в воде с выделением тепла, либо веществ, вступающих в экзотермическую реакцию с собственно реагентом. Возможен также непосредственный нагрев специальными устройствами. Следует отметить, что нагрев зоны реакции в случае обработки соляной кислотой может производиться за счет электролиза.
Преимуществом такого метода является его антибактериальная активность за счет выделения активного хлора, что позволяет подавлять биохимический кольматаж в скважинах. Следует отметить, что выбор реагента обуславливается анализом результатов обследования скважин, лабораторных испытаний кольматанта, а также других данных, полученных при декольматации на скважинах данного водозабора. После проведения реагентной обработки фильтра остаточный реагент, продукты реакции удаляются откачкой на сброс.
Ее продолжительность определяется эмпирически, путем сравнения электрического сопротивления в откачиваемой жидкости и воды скважины до обработки. Как только первый параметр сравнивается (или становится выше), процесс завершается. Если декольматация проводилась кислотными реагентами, время окончания откачки можно определить по значению рН откачиваемой воды.
По данным НИИ Водгео, реагентная регенерация обеспечивает восстановление на 80–100 % первоначальных параметров скважин, что позволяет снизить на 20–30 % удельные энергозатраты на подачу 1 м3 воды и отказаться от перебуривания скважин. Стоимость реагентной обработки составляет от 10 до 30 % затрат на бурение новой скважины [3], тем более что сегодня существуют передвижные станции для реагентных обработок скважин, способные размещаться на небольшом прицепе или в кузове любого грузового автомобиля.
Декольматация биохимически кольматировавших фильтров и прифильтровых зон, что обуславливается продуктами деятельности железистых, марганцевых, сульфатопродуцирующих бактерий, включает в себя не только реагентную (как правило, кислотную) обработку, но и обработку хлорсодержащими дезинфектантами высокой (до 1000 мг/л по активному хлору) концентрации.
К физическим методам декольматации относятся механические и импульсные методы — от простейших (ерши, щетки) до сложных импульсных, позволяющих регулировать величину воздействия на обрабатываемые поверхности. К ним относится, например, электрогидравлическая технология, основанная на применении высоковольтного искрового разряда между двумя электродами.
При его создании в полости фильтра создается ударная волна, воздействующая на кольматант. Этот метод эффективен, но требует специального оборудования и мер безопасности, в силу применения высоких напряжений (до 60 кВ). Другими разновидностями импульсного взаимодействия являются пневмовзрыв и взрыв горючих газовых смесей в полости фильтра. В первом случае ударная волна, возникающая при пневмоимпульсе, разрушает осадок и очищает фильтр.
Во втором — источником ударного воздействия является мгновенное сгорание газокислородной смеси. Помимо перечисленных, в настоящее время применяются и другие способы физического воздействия на кольматант, включающие вибрацию, акустические волны и т.д. Однако необходимо сказать, что в случае использования сетчатых фильтров импульсные методы не дают долговременного эффекта, поскольку лишь небольшое количество измельченного кольматанта уходит через сетку при прокачке.
В результате, межремонтный период в этом случае не превышает шесть-восемь месяцев. Поэтому отметим, что наибольший эффект дает комбинация реагентных и физических мер декольматации, а их регулярное применение на восстановленных и новых скважинах позволяет продлить сроки их эксплуатации на десятилетия. Другим способом продления пострегенерационной эксплуатации является правильное размещение насосного оборудования относительно фильтра.
По данным исследований, основная часть притока к фильтру приходится на 10–15 % его длины. При размещении насоса выше фильтра работают верхние его интервалы, если насос размещается в отстойнике, максимальный приток имеет место в нижней части фильтра. Соответственно, даже в хорошо освоенных фильтрах приток не перераспределяется по длине со временем. В результате декольматации в максимальной степени восстанавливается проницаемость ненагруженных интервалов фильтра, поскольку осадки в меньшей степени уплотнены и зона их накопления за стенкой фильтра минимальна.
Однако при дальнейшей эксплуатации скважины эти интервалы опять не задействуются, т.к. насос расположен выше фильтра. Темп кольматации работающего верхнего интервала фильтра увеличивается после обработки из-за наличия в прифильтровой зоне нерастворенных осадков [1]. Соответственно, в пострегенерационный период следует осваивать ранее не рабочие интервалы фильтра. Очевидным решением является монтаж оборудованного кожухом охлаждения насоса в нижней или средней части фильтра.
Однако, как правило, скважины, эксплуатируемые в сельской местности, в целях экономии имеют малый диаметр, что осложняет подбор такого насоса. С учетом этого можно рекомендовать агрегаты с наружным диаметром до 160 мм, что позволит устанавливать их в фильтрах с диаметром 168 мм. Например, наружный диаметр скважинных насосов Grundfos серии SP8… SP14 с кожухом охлаждения составляет 115 мм, а насосов Grundfos серии SP17… SP30 — 145 мм.
При этом серия включает в себя модели в большом диапазоне напоров (рис. 1). Приемные фильтры, установленные на их охлаждающих кожухах, имеют большую площадь поверхности, что существенно снижает значения локальных скоростей входа воды в фильтр насоса, а значит — уменьшает скорость кольматационных процессов. Для этих же целей рекомендуется установка щелевых фильтров из ПВХ со щелью 1–1,5 мм с заглушенным концом в нижней части приемной трубы.
Длина такого участка должна оставаться в интервале 2–3 м, что соответствует величине интервала максимального водопритока. Далее для вовлечения в работу других диапазонов фильтра, потребуется перемещение насоса (его приемной трубы) на следующий интервал. Периодичность смены работающего интервала фильтра должна определяться снижением удельного дебита скважины на 20–25 %, и после регенерации эту процедуру целесообразно выполнять раз в полгода.
Для новых скважин эти рекомендации применимы также, но период перемещения всасывающей трубы может увеличиться до 1–1,5 лет. Необходимо добавить, что вышеперечисленные методы рекомендованы для непескующих скважин [1]. Следует отметить, что после регенерационных работ на скважине необходимы дезинфекционные мероприятия, что можно осуществить закачкой растворов гипохлорита натрия или кальция с концентрацией активного хлора до 150 мг/дм3 последующей выдержкой их в течение 8–12 часов.
