Технология регенерации фильтров и прифильтровой зоны водозаборных скважин с использованием электрохимических процессов
А.Г. Юдин, к.т.н., А.С. Ковалев, ООО «Лидастар» (Белгород)
Эксплуатация водозаборных скважин характеризуется образованием вследствии сложных физико-химических процессов на контакте фильтра и водовмещающей породы кольматанта со значительным количеством нерастворимых осадков. Это приводит к снижению производительности водозаборного устройства и возрастанию расходов на откачку воды, так как потребление электроэнергии насосом остается прежним, а количество выдаваемой им воды снижается [ 1-3]. Значительная потеря дебита вынуждает эксплуатационников создавать дублирующие скважины или производить их ремонт. Каждый из этих процессов весьма трудоемкий и дорогостоящий. При этом необходимо отметить, что существующие способы регенерации скважин не всегда обеспечивают достижение ожидаемого эффекта.
Исследования, проведенные ООО «Лидастар» показали, что использование периодических форм электрического тока, в том числе в импульсном режиме, позволяет изменять величину pH в приэлектродной зоне, обеспечивая кратковременную химическую реакцию между материалом электрода и активированной средой. Прервать эту реакцию на любой стадии можно кратковременным реверсом тока. Подбор времени реверсирования и длительности прохождения электрического тока в одном из направлений дает возможность направленно влиять на химические реакции, проходящие в приэлектродной зоне, и переводить нерастворимые осадки, входящие в состав кольматанта, в растворимое состояние, т.е. очистить фильтр и примыкающую к нему зону.
В практике водоснабжения горнорудных предприятий электрохимические процессы используются для очистки промстоков и электрохимической защиты металлических коммуникаций от коррозии, а также при электроосмотическом осушении слабопроницаемых пород. Под влиянием разности потенциалов при прохождении постоянного электрического тока в геологической среде происходит перенос ионов к разноименно заряженным электродам, что приводит к достижению необходимого физического эффекта. Подробно эти процессы освещены в специальной литературе [4-5].
Нами изучалась возможность использования периодического тока для регенерации фильтров водозаборных скважин. Проведенные исследования позволили разработать технологию регенерации фильтров и прифильтровой зоны. Внедрение электрохимического воздействия по способу ООО «Лидастар» (патент РФ №2318987) осуществлялось для восстановления производительности водозаборных скважин на ОАО «Новолипецкий металлургический комбинат».
Осушение подтапливаемой промплощадки на комбинате осуществляется дренажной системой, состоящей из ряда вертикальных дренажных скважин. В последнее время вода, отбираемая скважинами, используется после очистки также и водительность на 60-70% от начальной после 2-3 лет эксплуатации. Исследованиями установлено, что причиной снижения дебита является осадкообразование, обусловленное двумя факторами - биологической активностью ферро-бактерий и химической, в том числе электрохимической коррозией. В результате происходит зарастание пор водовме-щающей породы в прифильтровой зоне и отверстий фильтра продуктами этих процессов. Существующие способы очистки скважин оказались малоэффективными из-за комплексного характера обрастаний. Как известно, ферробакте-рии сохраняют свою активность даже в кислой среде [6], в связи с чем даже кислотная обработка не устраняет указанной проблемы. Для обеспечения нормальных условий работы на комбинате ежегодно перебуривается до 10 скважин.
В июне 2006 года технология электрохимического воздействия была использована для восстановления производительности 4 водозаборных скважин. Время обработки одной скважины составило 5 суток. После электрохимической обработки была произведена прокачка скважин эрлифтом до осветления откачиваемой воды. Время прокачки - 40-50 минут. Произведенные замеры дебита и удельного дебита показали, что дебит увеличился по одной из скважин до проектной величины, а по остальным трем - превысил проектные значения на 10-15%. Произошло также снижение величин удельного дебита, позволяющее сделать вывод о раскольматации прифильтровой зоны. Для предотвращения осадкообразования (при последующей эксплуатации) скважины были оснащены устройством, обеспечивающим импульсное воздействие электротоком на фильтр и прифильтровую зону. В настоящее время скважины работают стабильно без снижения производительности.
Аналогичные работы были выполнены при восстановлении производительности скважин на водозаборах Липецкой генерирующей энергокомпании. Состав кольматирующих осадков идентичен составу осадков дренажных скважин Новолипецкого металлургического комбината. Двухлетние наблюдения за работой скважин показали, что из 8 скважин одна не действовала из-за полной потери пропускной способности фильтра, две потеряли свою производительность на 80%, а пять - на 50-70%. После электрохимической обработки 6 скважин восстановили свою производительность до проектного значения, 2 скважины довели ее до 120%.
Технология электрохимического воздействия использовалась на Светловском водозаборе (Калининградская обл.), Губ-кинской ТЭЦ, Курской птицефабрике, где водовмещающие породы были представлены среднезернистыми песками, а состав кольматирующих осадков характеризовался отсутствием железобактерий и наличием окислов кремния (56-62%), железа (18-24%), алюминия (2-3%), кальция (2-4%) и др. Все скважины увеличили свою производительность на 100-115%.
Электрохимическая обработка скважин в Белгородской области, где кольматирующие осадки состояли в основном из окислов кремния, кальция, и железа, также позволила получить хорошие результаты.
Всего за период внедрения электрохимическим способом обработано 260 скважин, из которых 200 полностью восстановили производительность до проектного значения, 4 - на 90% от проектного дебита, 56 увеличили производительность на 110-114%. Применение периодического тока позволяет эффективно защитить металлические изделия от коррозионного разрушения. Защита от коррозии весьма актуальна для производств, использующих протяженные металлические коммуникации [7-8].
Внедрение «Способа защиты от коррозии металлической поверхности, находящейся в грунте или другой токопроводя-щей среде» (положительное решение ФГУ ФИПС по заявке на патент №2006105522) осуществлялось при защите водовода в г. Воронеж. Водоснабжение города часто нарушается из-за аварий водовода. Было установлено, что основной причиной разрушения водовода являются коррозионные процессы, обусловленные биологической, химической и электрохимической видами коррозии. Защита водовода осуществлялась путем подачи периодического электрического тока с частотой 200 Гц на защищаемый водовод. Устройство для подачи электрического тока обеспечивало подачу отрицательного потенциала, равного потенциалу коррозии, на водовод в первый полупериод и половинного значения положительного потенциала во второй полупериод. Пятилетние наблюдения за состоянием водовода показали, что коррозионные процессы отсутствуют.
Лабораторные исследования показывают, что периодический электрический ток может с успехом применяться в горнорудной промышленности для нейтрализации кислых и щелочных стоков обогатительного производства, в хвосто-хранилищах и водоосветительных прудках ГОКов, для электрохимической очистки сточных вод от нефтепродуктов и тяжелых металлов. При этом, затраты электроэнергии по сравнению с известными способами электрохимической очистки сокращаются в 10-30 раз.
Электрохимическое воздействие периодическим злектри-ческим током позволит отказаться от применения дорогостоящих реагентов и уменьшить отрицательное воздействие на окружающую природную среду. В газовой промышленности эту технологию возможно применять для защиты коммуникаций от коррозии, регенерации водозаборных скважин и т. д., а в металлургии - для очистки от окалины металлических изделий. Применение электрохимического воздействия периодическим злектрическим током позволяет осуществить эффективную защиту от оседания накипи на нагретых поверхностях, а также от химических и биологических обрастаний, что может быть использовано для защиты днищ судов.
ЛИТЕРАТУРА:
1. Алексеев В.С., Коммунар Г.М. Кольматаж фильтров и прифильтровых зон водозаборных скважин, - «Водныересурсы», 1974, №5, с.170-174.
2. Алексеев В.С., Волков Ю.И., Юдин А.Г. Методические рекомендации по выбору оптимальных параметров фильтров и оценка межремонтного периода дренажных
скважин. Белгород. ВИОГЕМ, 1985.
3. Холодный Н.Г. Железобактерии, -М., изд. АН СССР, 1953,223 с.
4. Прикладная Электрохимия, Под ред. Д.т.н. Томилова, -М.: Химия, 1984, 520 с.
5. Дамаскин Б.Б., Петрий ОА. Основы теоретической электрохимии, -М.: Высшая школа, 1984,239 с.
6. Кудрявцев Н.Т. Прикладная электрохимия, -М: Химия, 1975,552с.
7. Шук Н.П. Курс теории коррозии и защиты металлов, -М.: Металлургия, 1976,472с.
8. Защита от коррозии, старения и биоповреждений машин, оборудования и сооружений. Справочник в двух томах, под общей ред. А.А. Герасименко, -М.: Машиностроение, 1987, 688 с.
Эксплуатация водозаборных скважин характеризуется образованием вследствии сложных физико-химических процессов на контакте фильтра и водовмещающей породы кольматанта со значительным количеством нерастворимых осадков. Это приводит к снижению производительности водозаборного устройства и возрастанию расходов на откачку воды, так как потребление электроэнергии насосом остается прежним, а количество выдаваемой им воды снижается [ 1-3]. Значительная потеря дебита вынуждает эксплуатационников создавать дублирующие скважины или производить их ремонт. Каждый из этих процессов весьма трудоемкий и дорогостоящий. При этом необходимо отметить, что существующие способы регенерации скважин не всегда обеспечивают достижение ожидаемого эффекта.
Исследования, проведенные ООО «Лидастар» показали, что использование периодических форм электрического тока, в том числе в импульсном режиме, позволяет изменять величину pH в приэлектродной зоне, обеспечивая кратковременную химическую реакцию между материалом электрода и активированной средой. Прервать эту реакцию на любой стадии можно кратковременным реверсом тока. Подбор времени реверсирования и длительности прохождения электрического тока в одном из направлений дает возможность направленно влиять на химические реакции, проходящие в приэлектродной зоне, и переводить нерастворимые осадки, входящие в состав кольматанта, в растворимое состояние, т.е. очистить фильтр и примыкающую к нему зону.
В практике водоснабжения горнорудных предприятий электрохимические процессы используются для очистки промстоков и электрохимической защиты металлических коммуникаций от коррозии, а также при электроосмотическом осушении слабопроницаемых пород. Под влиянием разности потенциалов при прохождении постоянного электрического тока в геологической среде происходит перенос ионов к разноименно заряженным электродам, что приводит к достижению необходимого физического эффекта. Подробно эти процессы освещены в специальной литературе [4-5].
Нами изучалась возможность использования периодического тока для регенерации фильтров водозаборных скважин. Проведенные исследования позволили разработать технологию регенерации фильтров и прифильтровой зоны. Внедрение электрохимического воздействия по способу ООО «Лидастар» (патент РФ №2318987) осуществлялось для восстановления производительности водозаборных скважин на ОАО «Новолипецкий металлургический комбинат».
Осушение подтапливаемой промплощадки на комбинате осуществляется дренажной системой, состоящей из ряда вертикальных дренажных скважин. В последнее время вода, отбираемая скважинами, используется после очистки также и водительность на 60-70% от начальной после 2-3 лет эксплуатации. Исследованиями установлено, что причиной снижения дебита является осадкообразование, обусловленное двумя факторами - биологической активностью ферро-бактерий и химической, в том числе электрохимической коррозией. В результате происходит зарастание пор водовме-щающей породы в прифильтровой зоне и отверстий фильтра продуктами этих процессов. Существующие способы очистки скважин оказались малоэффективными из-за комплексного характера обрастаний. Как известно, ферробакте-рии сохраняют свою активность даже в кислой среде [6], в связи с чем даже кислотная обработка не устраняет указанной проблемы. Для обеспечения нормальных условий работы на комбинате ежегодно перебуривается до 10 скважин.
В июне 2006 года технология электрохимического воздействия была использована для восстановления производительности 4 водозаборных скважин. Время обработки одной скважины составило 5 суток. После электрохимической обработки была произведена прокачка скважин эрлифтом до осветления откачиваемой воды. Время прокачки - 40-50 минут. Произведенные замеры дебита и удельного дебита показали, что дебит увеличился по одной из скважин до проектной величины, а по остальным трем - превысил проектные значения на 10-15%. Произошло также снижение величин удельного дебита, позволяющее сделать вывод о раскольматации прифильтровой зоны. Для предотвращения осадкообразования (при последующей эксплуатации) скважины были оснащены устройством, обеспечивающим импульсное воздействие электротоком на фильтр и прифильтровую зону. В настоящее время скважины работают стабильно без снижения производительности.
Аналогичные работы были выполнены при восстановлении производительности скважин на водозаборах Липецкой генерирующей энергокомпании. Состав кольматирующих осадков идентичен составу осадков дренажных скважин Новолипецкого металлургического комбината. Двухлетние наблюдения за работой скважин показали, что из 8 скважин одна не действовала из-за полной потери пропускной способности фильтра, две потеряли свою производительность на 80%, а пять - на 50-70%. После электрохимической обработки 6 скважин восстановили свою производительность до проектного значения, 2 скважины довели ее до 120%.
Технология электрохимического воздействия использовалась на Светловском водозаборе (Калининградская обл.), Губ-кинской ТЭЦ, Курской птицефабрике, где водовмещающие породы были представлены среднезернистыми песками, а состав кольматирующих осадков характеризовался отсутствием железобактерий и наличием окислов кремния (56-62%), железа (18-24%), алюминия (2-3%), кальция (2-4%) и др. Все скважины увеличили свою производительность на 100-115%.
Электрохимическая обработка скважин в Белгородской области, где кольматирующие осадки состояли в основном из окислов кремния, кальция, и железа, также позволила получить хорошие результаты.
Всего за период внедрения электрохимическим способом обработано 260 скважин, из которых 200 полностью восстановили производительность до проектного значения, 4 - на 90% от проектного дебита, 56 увеличили производительность на 110-114%. Применение периодического тока позволяет эффективно защитить металлические изделия от коррозионного разрушения. Защита от коррозии весьма актуальна для производств, использующих протяженные металлические коммуникации [7-8].
Внедрение «Способа защиты от коррозии металлической поверхности, находящейся в грунте или другой токопроводя-щей среде» (положительное решение ФГУ ФИПС по заявке на патент №2006105522) осуществлялось при защите водовода в г. Воронеж. Водоснабжение города часто нарушается из-за аварий водовода. Было установлено, что основной причиной разрушения водовода являются коррозионные процессы, обусловленные биологической, химической и электрохимической видами коррозии. Защита водовода осуществлялась путем подачи периодического электрического тока с частотой 200 Гц на защищаемый водовод. Устройство для подачи электрического тока обеспечивало подачу отрицательного потенциала, равного потенциалу коррозии, на водовод в первый полупериод и половинного значения положительного потенциала во второй полупериод. Пятилетние наблюдения за состоянием водовода показали, что коррозионные процессы отсутствуют.
Лабораторные исследования показывают, что периодический электрический ток может с успехом применяться в горнорудной промышленности для нейтрализации кислых и щелочных стоков обогатительного производства, в хвосто-хранилищах и водоосветительных прудках ГОКов, для электрохимической очистки сточных вод от нефтепродуктов и тяжелых металлов. При этом, затраты электроэнергии по сравнению с известными способами электрохимической очистки сокращаются в 10-30 раз.
Электрохимическое воздействие периодическим злектри-ческим током позволит отказаться от применения дорогостоящих реагентов и уменьшить отрицательное воздействие на окружающую природную среду. В газовой промышленности эту технологию возможно применять для защиты коммуникаций от коррозии, регенерации водозаборных скважин и т. д., а в металлургии - для очистки от окалины металлических изделий. Применение электрохимического воздействия периодическим злектрическим током позволяет осуществить эффективную защиту от оседания накипи на нагретых поверхностях, а также от химических и биологических обрастаний, что может быть использовано для защиты днищ судов.
ЛИТЕРАТУРА:
1. Алексеев В.С., Коммунар Г.М. Кольматаж фильтров и прифильтровых зон водозаборных скважин, - «Водныересурсы», 1974, №5, с.170-174.
2. Алексеев В.С., Волков Ю.И., Юдин А.Г. Методические рекомендации по выбору оптимальных параметров фильтров и оценка межремонтного периода дренажных
скважин. Белгород. ВИОГЕМ, 1985.
3. Холодный Н.Г. Железобактерии, -М., изд. АН СССР, 1953,223 с.
4. Прикладная Электрохимия, Под ред. Д.т.н. Томилова, -М.: Химия, 1984, 520 с.
5. Дамаскин Б.Б., Петрий ОА. Основы теоретической электрохимии, -М.: Высшая школа, 1984,239 с.
6. Кудрявцев Н.Т. Прикладная электрохимия, -М: Химия, 1975,552с.
7. Шук Н.П. Курс теории коррозии и защиты металлов, -М.: Металлургия, 1976,472с.
8. Защита от коррозии, старения и биоповреждений машин, оборудования и сооружений. Справочник в двух томах, под общей ред. А.А. Герасименко, -М.: Машиностроение, 1987, 688 с.
