Качество воды

В В Е Д Е Н И Е

Общее количество воды на земле оценивается в 14000 млн.км³. Однако стационарные запасы пресных вод, пригодных для использования составляют всего 0,3 % объема гидросферы ( около 4 млн.км³ ).

Вода на нашей планете находится в состоянии круговорота. Под действием солнечной энергии вода испаряется с поверхности мирового океана и суши, а затем выпадает в виде атмосферных осадков.

С поверхности мирового океана испаряется около 412 тысяч км³ в год, а количество атмосферных осадков, выпадающих на поверхность морей и океанов, составляют около 310 тыс. км³ в год. Разница и представляет собой речной сток с суши в моря и океаны.

Единовременный запас воды во всех реках земного шара составляет примерно 1200 км³, причем этот объем возобновляется примерно каждые 12 суток.

Речной сток состоит из подземного и поверхносного. Наиболее ценным является подземный источник воды.

В природе не существует воды, которая не содержала бы примесей. Даже атмосферные осадки содержат до 100 мг / л различных загрязнителей.

По степени минерализации вода делится на маломинерализованную (до 200 мг / л солей), среднеминерализованную (200 – 500 мг / л ) и сильноминерализованную(до 1000 мг/л). Природные воды содержат также коллоидные, мелкодисперсные газы – кислород, диоксид углерода (СО₂ ) и другие.

Централизованное снабжение водой городов, поселков и промышленных предприятий представляет собой сложный комплекс технико-экономических и организационных мероприятий. Их рациональное решение определяет уровень санитарного благоустройства городов и поселков, обеспечивает нормальные условия жизни населения, гарантирует бесперебойную работу промышленности.

Запасы пресной воды ограничены и распределены по поверхности и в земной коре неравномерно.

Огромное количество пресной воды необходимо для функционирования промышленных предприятий. Еще большее количество пресной воды используется в сельском хозяйстве, в рыбоводческих хозяйствах. Повышение жизненного уровня населения также требует больших расходов пресной воды на хозяйственные и бытовые нужды. В среднем один человек расходует около 250 литров воды в сутки. Создается диспропорция между естественным запасом пресной воды и ее потреблением. Возникает угроза дефицита воды. В этой связи возникает вопрос о рациональном использовании водных ресурсов.

Для целей водоснабжения используются воды как поверхностных, так и подземных источников. В России около 17 % централизованных систем водоснабжения базируются на использовании подземных вод, которые характеризуются бесцветностью, высокой прозрачностью и значительной минерализацией.

В последние годы органами Санэпиднадзора к качеству питьевой воды предъявляются высокие требования, неукоснительное соблюдение требований СанПИН 2.1.4. 559 – 96 « Вода питьевая » и ГОСТ 2874 – 82 « Водоснабжение населенных мест ». Для выполнения указанных норм часто приходится прибегать к специальным методам обработки воды, таким как умягчение, обезжелезивание, дегазация, стабилизация и другие.

Настоящий дипломный проект посвящен реконструкции водоочистной станции города Электроугли Московской области. До 2002 года водоснабжение этого города осуществлялось исключительно из глубинных водоносных горизонтов. В силу объективных причин эти водоносные горизонты сильно истощились. Крупных поверхностных источников воды на востоке Московской области нет. 1996 году было принято решение о строительстве водовода из Владимирской области. В 2002 году были проложены две нитки водовода по Владимирской области следующим районам Московской области: Орехово – Зуевскому, Павло – Посадскому и Ногинскому. Источник водоснабжения - река Ока - приток Волги.

Процессы подготовки поверхностных и глубинных вод для питьевых целей различаются. В дипломном проекте затрагиваются в основном процессы подготовки поверхностных вод.

Г Л А В А 1

Современное состояние глубинных водоносных горизонтов Московской области.

В Московской области имеется около 70 городов и свыше 100 рабочих поселков городского типа с населением свыше 6 млн. человек. В настоящее время коммунальными и ведомственными водопроводами обеспечены все города и около 80 рабочих поселков с суточной подачей воды около 800 тыс. м³. Протяженность сетей хозяйственно – питьевых водопроводов около 3000 км.

Большинство централизованных систем водоснабжения области использует подземные воды, которые забираются с помощью трубчатых колодцев. При этом 80 % всего получаемого количества воды подает на города и поселки городского типа, хотя количество находящихся в них скважин составляет всего 15 % общего их числа в Московской области.

Как показали геологические изыскания потребление подземных вод по Московской области можно довести до 3,5 – 4 млн.м³ в сутки. Однако это требует четкого соблюдения регламентаций в части размещения трубчатых колодцев и соблюдения зон санитарной охраны. Рассредоточение мест размещения водозаборов вызывают некоторые технико-экономические затруднения. Иногда это требует прокладки длинных водопроводов значительного диаметра. Например, для города Коломна потребовалось проложить две нитки водоводов диаметром 500 мм протяженностью 6 километров.

В ряде районов Московской области произошло резкое снижение уровней подземных вод в результате интенсивного водоотбора. Так статический уровень среднего Карбона в городе Раменское до начала эксплуатации составлен 9 м от поверхности земли, а уже в 1996 году он находился в 32 м от поверхности земли.

Около 65 % получаемой подземной воды используется для промышленных целей. Многие предприятия расходуют подземные воды в большом количестве прямотоком для технологических целей, охлаждения машин и оборудования. Значительная часть предприятий Московской области могла бы расходовать для технических нужд воду поверхностных источников без какой либо очистки. Высвободившееся подземные воды могли бы быть использованы для хозяйственно – бытового водоснабжения населения городов и поселков. Поэтому был поставлен вопрос областными организациями о переводе производственного водоснабжения г.г. Жуковский, Раменское, Клин, Электросталь, Химки, Подольск и другие на поверхностные источники с зарегулированным стоком.

В некоторых районах области и в отдельных городах ввиду интенсивного возрастающего использования подземных вод наблюдается их нехватка. В связи с этим выдвигается вопрос о возврате использованной воды в водоносный горизонт или об искусственном обогащении подземных вод путем использования поверхностных с фильтрацией через толщу грунтов как это имеет место в зарубежных странах. Использование для этой цели нагнетательных скважин не может быть принято, т.к. это связано с поступлением в водоносный горизонт поверхностных вод низкого качества.

Для обеспечения надлежащего качества подземных вод важное значение имеет организация зон санитарной охраны источника водоснабжения. Путем создания санитарной зоны, т.е. выделения специальной территории, связанной непосредственно с источником водоснабжения и водопроводными сооружениями, возможность загрязнения и ухудшения качества воды, подаваемой потребителям, сводится до минимума.

Подземный водоносный комплекс Московской области представлен пятью горизонтами каменноугольных палеозойских отложений, представляющих интерес для водоснабжения: водоносный горизонт окской и серпуховской свит нижнего карбона, каширский и мячковско – подольский горизонты среднего карбона, касимовский и гжельский горизонты верхнего карбона.

Водоносные горизонты тульской, угленосной и упинской толщ нижнего карбона, расположенные подокскими известняками, а также горизонты верхнего девона на территории Московской области характеризуются малым водообилием и повышенной минерализацией вод.

Указанные пять водоносных горизонта, используемые для водоснабжения, отделены друг от друга значительными толщами глин, затрудняющими связь вод отдельных горизонтов. Каждый горизонт имеет свои условия формирования вод и различно реагирует на местные условия.

Водоносный горизонт окской и серпуховской свит нижнего карбона мощностью 60 – 70 м представлен известняками и доломитами. На юге области в пониженной части долины р. Ока водоносный горизонт имеет очень большое водообилие. Удельные дебиты скважин часто превышают 50 м³ / час, в то время как в других районах области удельные дебиты скважин этого горизонта редко достигают 25 м³ / час.

Каширский водоносный горизонт среднего карбона мощностью 40 – 60 м, представлен известняками и доломитами с прослойками известковых глин, характеризуется малым изобилием.

Исключение составляет территория города Коломна, где в силу специфических гидрогеологических условий наблюдаются значительные удельные дебиты водозаборных трубчатых колодцев.

Московско – подольский водоносный горизонт верхнего карбона мощностью около 45 м представлен доломитами и известняками с многочисленными прослойками известковых глин. В зоне, прилегающей к южной границе его распространения, встречаются участки, где он состоит, в основном, из глин, являясь практически безводным. В местах, где водоносный горизонт покрыт гжельскими отложениями, удельные дебиты трубчатых колодцев не превышают 15 м³ / час, а там, где гжельские отложения отсутствуют и водоносный горизонт располагается на небольшой глубине, удельные дебиты достигают 60 м³ / час ( например город Щелково ).

Гжельский водоносный горизонт верхнего карбона мощностью около 75 м состоит из доломитов и известняков с очень редкими и маломощными прослойками мергеля и известняковой глины. Горизонт имеет хорошо развитую трещиноватостъ и большое водообилие. Удельные дебиты трубчатых колодцев иногда превышают 60 м³ / час. В пределах Клинско - Дмитровской гряды удельные дебиты уменьшаются до 10 – 20 м³ / час.

В северной, восточной и на большей центральной части области отложения карбон покрыты толщей верхнеюрских глин мощностью от 10 до 60 м ( район города Истры ). Верхнеюрские глины служат водоупорной кровлей для вод карбона и создает напорность этих вод. В значительной части распространения верхнеюрских глин на них лежат пески и глины волжского яруса верхней юры и нижнего мела мощностью до 30 м (110 м в пределах Клинско–Дмитровской гряды).

Нижне – и верхнемеловые пески волжского яруса содержат огромные запасы подземных вод. Однако использовать эти воды для централизованного водоснабжения крайне трудно, т.к. пески очень мелкозернистые и глинистые с плохой водоотдачей. Вопрос использования этих вод является очень актуальным. Особенно в северных районах области.

Качество меловых вод, как правило, удовлетворительное. Они относятся к гидрокарбонатному типу с плотным остатком 200–300 мг /л, но часто содержат большие количества железа (до 10 мг /л). В опоковидных песчаниках верхнего мела и трепелах встречаются воды, которые в Загорском районе питают родники и колодцы. Такие воды слабоминерализованные, гидрокарбонатного типа с плотным остатком в пределах 150-200 мг / л.

Анализируя водоносный комплекс Московской области можно сделать вывод, что условия захвата подземных вод каменноугольных отложений чрезвычайно разнообразны. Поэтому глубины трубчатых колодцев, конструкция фильтров и оборудование варьируется в широких пределах.

По условиям залегания водоносных горизонтов, по качеству вод территорию области можно разделить на семь гидрогеологических районов.

1. Южный район имеет трубчатые колодцы, питающиеся водами серпуховской и окской свит нижнего карбона, глубиной 40 – 120 м с удельным дебитом до 15 м³ / час. Статические уровни воды в колодцах располагаются на глубине от 10 до 70 м. Плотные остатки вод не превышают 600 мг / л, содержание фтора около 1 мг / л.

2. Водозаборные скважины Юго – западного региона питаются водами каширского водоносного горизонта среднего карбона и серпуховской и окской свит нижнего карбона, Каширский водоносный горизонт характеризуется, как правило, небольшим водообилием. Удельные дебиты скважин составляют 2 – 3 м³ /час. В верхних слоях горизонта плотный остаток вод не превышает 300 мг / л, а содержание фтора порядка 0,5 мг / л. В нижних слоях плотный остаток до 500 мг / л. а фтор до 3 мг /л.

Водоносный горизонт нижнего карбона более водообилен. Удельные дебиты здесь достигают 5 – 7 м³ / час. Характерно, что минерализация вод нижнего карбона уменьшается с юго – востока на северо – запад. В юго – восточных частях района плотный остаток достигает 900 мг / л, содержание фтора составляет 2,5 – 3 мг / л, значительно возрастает сульфатность вод. В северо – западных частях района плотный осадок не превышает 400 мг /л, а количество фтора в воде до 1 мг /л.

2. Большой центральный район занимает значительную часть территории области. Трубчатые колодцы района питаются главным образом водами мячковско – подольского водоносного горизонта, реже – каширского водоносного горизонта среднего карбона и горизонтов нижнего карбона. В этом районе колодцы следует закладывать на мячковско – подольский горизонт, который характеризуется большим водообилием, чем нижнележащие горизонты. Удельный дебит скважин рекомендуемого горизонта достигает 15 м³ /час.

Воды Мячковско – подольского водоносного горизонта характеризуются плотным остатком до 500 мг / час, содержанием фтора обычно до 1 мг / л и относятся к гидрокарбонатному или гидрокарбонатно-сульфатному типу. Участки территории, приуроченные к районам залегания мезозойский фосфоритных отложений характеризуются водами с содержанием фтора до 5 мг /л.

2. В малом центральном районе трубчатые колодцы питаются водами Касимовского горизонта верхнего карбона и Мячковско – Подольского горизонта среднего карбона. Касимовский горизонт у южной границы района имеет мощность 10 – 20 м, к северу мощность его увеличивается до 45 м. Водообилие горизонта возрастает с юга на север, где удельный дебит скважин достигает 20 м³ / час. Воды горизонта имеют слабую минерализацию, плотный остаток не выше 300 мг/л, количество фтора до 0,6 мг л.

Мячковско - Подольский горизонт характеризуется небольшим водообилием, удельные дебиты достигают 10 м³ / час. Воды характеризуются значительной сульфатностью и минерализацией. Плотный остаток достигает до 1650 мг / л, содержание фтора составляет 5,5 мг /л.

2. В восточном районе для водоснабжения используются воды гжельского и касимовского водоносных горизонтов верхнего карбона. Гжельский и касимовский горизонты характеризуются средним водообилием, удельные дебиты скважин превышают 20 м³ / час. Воды обоих водоносных горизонтов слабоминерализованные, гидрокарбонатные с плотным остатком до 300 мг / л, количество фтора до 0,6 мг /л. В наиболее низменных участках района встречаются скважины, воды которых имеют плотный остаток порядка 500 мг /л, повышенную сульфатность, а содержание фтора достигает 1,5 мг /л.

Воды среднего и нижнего карбона этого района непригодны для водоснабжения из – за высокой минерализации (плотный остаток свыше 3000 мг / л ).

2. В Клинско – Дмитровском районе водозаборные колодцы питаются водами гжельского и касимовского горизонтов верхнего карбона. Воды гжельского горизонта гидрокарбонатного типа характерны слабой минерализацией, плотный остаток до 350 мг /л, содержание фтора до 0,3 мг /л. Водообилие скважин очень переменно (10 – 20 м³ /час ).

Касимовский горизонт имеет воду гидрокарбонатного типа с несколько большей минерализацией, содержание фтора до 1,2 мг /л.

2. Для водоснабжения в приволжском гидрогеологическом районе используются воды гжельского водоносного горизонта верхнего карбона. Удельные дебиты скважин обычно равны 10 – 20 м³ / час, плотный остаток 400 – 700 мг /л, содержание фтора до 2 мг /л.

Из характеристик гидрогеологических районов области видно. Что наиболее трудные условия получения подземных вод наблюдается в юго – западном подземных вод наблюдаются в юго – западном и малом центральном районах, где касимовский горизонт верхнего карбона и мячковско – подольский горизонт среднего карбона характеризуются малым водообилием, вода отличается большей жесткостью ( до 30 мг – экв / л ) и значительным содержанием фтора (до 4 мг /л ).

В каждом гидрогеологическом районе наряду с общими условиями использования подземных вод имеются отклонения. Например, в благоприятном большом центральном районе вблизи города Кунцево отмечается отсутствие мячковско – подольского горизонта, а водоносные горизонты Каширский и Нижнего карбона характеризуются малым водообилием, а вода – большим содержанием фтора (до 5 мг /л ).

Другим выводом из анализа качества вод гидрогеологических районов области является следующее. Степень минерализации воды и содержание фтора увеличиваются по мере погружения горизонта, т.е. в направлении его падения, следовательно для получения более пресной воды с меньшим содержанием фтора водозаборные колодцы необходимо бурить на водоносный горизонт карбона, залегающий ближе к поверхности земли, если это возможно по санитарным условиям.

При использовании подземных вод большое значение имеет содержание в них железа. В подземных водах на территории Московской области железо содержится в грунтовых водах и в самом верхнем горизонте каменноугольных отложений. В грунтовые воды, приуроченные к четвертичным отложениям, железо попадает из железистых соединений преимущественно лимонитов, а в воды межпластовых и каменноугольных отложений – из пород континентальной толщи верхнегорских отложений, содержащих пириты.

На участках, где четвертичные отложения (или отложения пород континентальной толщи ) залегают на водоносном горизонте карбона при отсутствии юрских глин, воды этих отложений проникают в трещиноватыеизвестняки, вызывая ожелезивание глубоких вод до10 мг /л и более ( например Можайский район ).

В водах нижних водоносных горизонтов железо находится в небольших количествах, обычно не более 0,3 мг / л, что является вполне приемлемым.

Однако даже при отсутствии континентальных отложений и наличии юрских глин часты случаи получения воды со значительным содержанием железа из – за недостатков конструкции скважин, если глины пройдены насквозь колонной обсадных труб и ожелезенные воды четвертичных отложений проникают в скважину.

Различные соединения железа содержатся в коре выветривания карбона, поэтому верхние его слои толщиной 2–3 м надлежит надежно перекрывать обсадными трубами даже с подбашмачной цементацией. Соединения железа наблюдаются и в глинах, разделяющих, касимовский и гжельский горизонты верхнего карбона. Их также следует изолировать глухими участками труб. Наблюдаются случаи, когда трубчатые колодцы дают воду с большим содержанием железа в результате неправильного крепления их обсадными трубами. При неплотном соприкосновении стенок колодца с верхнеюрскими глинами по затрубным пространствам в него проникают воды четвертичных отложений, содержащие значительное количество железа.

Интересно отметить, что в подземных водах железо почти всегда встречается вместе с серо водородом. Сероводород переводит окисное, нерастворимое в воде железо, в закисное – растворимое. В водопроводных сооружениях сероводород улетучивается, закисное железо под действием кислорода воздуха переходит в окисное, а затем в выпадающий в осадок гидрат окиси железа. Появление сероводорода в подземных водах можно объяснить за счет гниения органических соединений. В связи с этим на территории, где в подземные воды проникают органические вещества в воде обнаруживается сероводород и железо (районы г.г. Люблино и Люберцы ). Воды с повышенным содержанием железа отличаются значительной окисляемостью. Это также справедливо для восточных районов области, где имеются большие площади, занятые торфяником.

В Московской области используют почти исключительно водоносные горизонты, достаточно хорошо защищенные водонепроницаемой кровлей глин. Несмотря на это известны несколько случаев ухудшения качества подземных вод из –за нарушения защищенности водоносного горизонта от интенсивных поверхностных загрязнений или по причине редкого возрастания водоотбора. Так в городе Люберцы и его окрестностях на части территории качество подземных вод значительно изменилось. Например, содержание хлоридов с 3–5 мг / л возросло до 70–120 мг / л содержание железа возросло в 6–10 раз и составляет порядка 4–5 мг / л.

Однако, несмотря на значительное изменение химического состава подземных вод, в бактериологическом отношении их качество осталось неизменно высоким. Изменение качества подземных вод в данном случае можно объяснить влиянием Люберецких полей фильтрации в результате некоторого нарушение защитных слоев на территории города, а также заметно возрос отбор воды.

Ярким примером нежелательного ухудшения качества подаваемых вод в результате загрязнения являются случай на заводе « Акрихин » (поселок Купавна ). На территории завода были пробурены еще в 1935 г два трубчатых колодца, снабжавшие водой завод и жилой поселок. Первоначально вода полностью отвечала требованиям ГОСТа на питьевую воду, однако вскоре колодцы стали подавать воду неудовлетворительного качества с большим количеством органики и неприятными специфическими вкусом и запахом с явными признаками производственных стоков завода. Это вынудило к бурению новых трубчатых колодцев для хозяйственно – питьевого водоснабжения. Последние пробурены на территории поселка на расстоянии 3 – 4 км от действующих. Заводские скважины были выведены на производственное водоснабжение и избежание распространения загрязнений по водоносному горизонту их пришлось усиленно откачивать. Причиной загрязнение подземных вод действительно явились