Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса восстановления качества загрязненных земель и грунтовых вод на современном этапе 10
1.1. Способы определения положения и размеров зоны загрязнения в водоносных горизонтах 11
1.2. Анализ существующих приемов ликвидации растворенной фазы загрязняющего вещества 14
1.3. Оценка способов ликвидации остаточных загрязнений почво-грунтов, насыщенных грунтовыми водами 20
1.3.1. Биомелиорация по восстановлению плодородия почв и грунтовых вод.. 23
1.3.2. Ликвидация остаточных загрязнений горизонта грунтовых вод биологической деструкцией загрязняющего вещества 25
Выводы по главе 37
2. Исследование зон загрязнения земель и грунтовых вод на основе анализа выходных кривых загрязняющих веществ 39
2.1. Теоретический анализ формирования выходных кривых концентраций при откачке загрязненных грунтовых вод (на примере нефтяного загрязнения) 39
2.2. Теоретический анализ выходных кривых концентраций с целью распознавания зон загрязнения земель и грунтовых вод 54
Выводы по главе 60
3. Разработка иммитационно-технологической системы восстановления естественных условий формирования грунтовых вод 61
3.1. Структурный анализ имитационной системы "Качество грунтовых вод" 61
3.2. Разработка математических моделей емкости "Водоносный горизонт" .68
3.2.1. Создание модели движения грунтовых вод 68
3.2.2. Создание модели разложения загрязняющего вещества 74
3.3 Обоснование модели развития микрофлоры 87
Выводы по главе ...90
4. Исследование технологии очистки земель, загрязненных нефтепродуктами и формирование земельно-охранных систем 91
4.1. Этапы технологии очистки земель, загрязненных нефтепродуктами 91
4.1.1. Предварительная оценка масштабов загрязнения земель и формирование земельно-охранной системы 91
4.1.2. Локализация, удаления жидкой фазы нефтяного загрязнения и уточнение положения зоны загрязнения земель 91
4.1.3. Ликвидация нефтяного загрязнения в верхнем слое почвы 94
4.1.4. Ликвидация остаточного нефтяного загрязнения почво-грунтов подповерхностного слоя 94
4.2. Обоснование и разработка технологических схем восстановления качества загрязненных грунтовых вод 95
4.2.1. Анализ основных технологических схем восстановления качества загрязненных грунтовых вод 95
4.2.2. Разработка технологической схемы восстановления качества загрязненных грунтовых вод 99
4.2.3. Сравнительная оценка результатов моделирования по восстановлению качества грунтовых вод с зарубежными аналогами 116
4.3. Формирование земельно-охранной системы 117
Выводы по главе 120
5. Экспериментальное исследование процесса восстановления качества грунтовых вод, загрязненных нефтепродуктами 122
5.1. Характеристика объектов исследований 122
5.2. Методика проведения натурных исследований 123
5.3. Исходные данные исследований , 125
5.4. Статистическая обработка результатов 126
5.5. Результаты исследований 127
5.6. Сравнение результатов теоретических и экспериментальных исследований 129
5.7. Экономическая эффективность работ по ликвидации остаточного загрязнения земель и грунтовых вод... 131
Выводы по главе 133
Предложения производству 134
Выводы 135
Литература 137
Приложения 144
- Анализ существующих приемов ликвидации растворенной фазы загрязняющего вещества
- Теоретический анализ выходных кривых концентраций с целью распознавания зон загрязнения земель и грунтовых вод
- Локализация, удаления жидкой фазы нефтяного загрязнения и уточнение положения зоны загрязнения земель
- Разработка технологической схемы восстановления качества загрязненных грунтовых вод
Введение к работе
Актуальность работы. Проблема охраны и восстановления качества окружающей среды в настоящий момент времени является одной из важнейших решаемых в круге задач направленных на достижение целей устойчивого развития общества.
В связи с бурным развитием нефтяной, химической промышленности и интенсификации сельскохозяйственного производства происходит загрязнение земель в результате аварийных или неконтролируемых утечек при производстве, транспортировке, применении, хранении и утилизации веществ, оказывающих отрицательное воздействие на окружающую среду. Среди прочих загрязняющих земли веществ можно выделить органическую группу, которая представлена нефтью, нефтепродуктами (углеводородами), сельскохозяйственными ядохимикатами (пестициды, гербициды и др.), продуктами химических производств.
По данным докладов Минприроды РФ и Краснодарского краевого комитета по охране окружающей природной среды проблема загрязнения земель, нефтепродуктами и пестицидами по России в целом и в Краснодарском крае в частности стоят в ряду 10 наиболее опасных проблем загрязнения окружающей среды. Выявлен ряд объектов, вызывающих наибольшую опасность.
Например, загрязнение земель и грунтовых вод на месте бывшей дислокации военной авиационной базы около г.Энгельса Волгоградской области. Здесь площадь загрязнения земель керосином по приблизительным подсчетам составила 140 га, в которой находится около 6000 тонн горючего. Отрицательное воздействие разлитого горючего только на сегодняшний день повлекло полную гибель садов на площади 50 га и мутационным явлениям у растительности на остальной территории разлива.
В Краснодарском крае, зафиксирован аналогичный случай на месте бывшего расположения военной авиабазы на Ейской косе вблизи Азовского моря. Привлекает особое внимание проблемы трубопроводного транспорта нефти и газа, связанный со строительством и интенсивной эксплуатацией трубопроводов как по территории Краснодарского края, так и по всей России, как потенциальный источник загрязнения земельных и водных ресурсов.
При проникновении загрязняющих веществ в гидролитосферу остается актуальным вопрос определения формы, размеров и положения зоны загрязнения почвенного профиля и грунтовых вод загрязняющим веществом. Процесс распознавания
размеров и положения зон загрязнения должен предшествовать проектированию мероприятий по ликвидации загрязняющих веществ. В ходе распознавания размеров и положения зоны загрязнения делается вывод о целесообразности проведения мероприятий по ликвидации загрязняющих веществ. По данным Лукьяикова, 1998 в России в данном вопросе наблюдается отставание от уровня зарубежных стран [58].
При проникновении техногенного загрязнения в почво-грунт и далее в грунтовые воды часть загрязняющего вещества сорбируется почвогрунтом, а часть собирается на зеркале грунтовых вод. В связи с тем, что грунтовые воды подвергаются сезонным калебаниям, то в период поднятия их уровня происходит повторное загрязнения верхних горизонтов почво-грунта.
Современные технологии ликвидации загрязнений грунтовых вод сводятся в основном к локализации, извлечению и утилизации растворенной (жидкой) фазы загрязняющих веществ. Проблема же ликвидации остаточных загрязнений почв, объем которых в отдельных случаях может достигать до 40% от общего количества загрязняющего земли вещества, решается путем проведения биологической рекультивации. Однако основным недостатком таких технологий является проведение восстановительной рекультивации на специальных полигонах с предварительной экскавацией загрязненной почвы, либо восстанвление загрязненных земель на месте разлива нефтепродуктов, но лишь в поверхностном слое. Вопросы восстановления загрязненных грунтовых вод на глубинах более 1 м, с целью охраны земель остается не достаточно рассмотренными.
Таким образом, создание технологий восстановления загрязненных грунтовых вод с целью охраны земель от техногенных загрязнений представляется актуальной.
Целью настоящей работы является обоснование и разработка технологических схем восстановления качества грунтовых вод для проектирования рекультива-ционных и земельно-охранных систем.
Объектами исследований являются природно-техногенные комплексы, включающие динамику биологического и геохимического балансов, процессы взаимодействия природных и техногенных составляющих - земли подверженные техногенному загрязнению во взаимосвязи с изменением качества грунтовых вод под действием биологической деструкции загрязнений.
Областью исследований является: исследование технологий очистки земель, загрязненных нефтепродуктами и другими загрязняющими веществами, а также разработка методов расчета элементов земельно-охранных систем.
Задачами исследований в соответствии с поставленной целью являются:
исследование зон загрязнения земель и грунтовых вод с целью определения их положения и размеров в плане на основе анализа выходных кривых концентраций загрязняющего вещества в технологической скважине при откачке загрязненных грунтовых вод;
имитационно-тенологическое моделирование восстановления качества загрязненных грунтовых вод на основе биологической деструкции загрязняющего вещества с целью охраны земель;
обоснование и разработка технологических схем восстановления качества загрязненных нефтепродуктами грунтовых вод в натурных условиях для охраны земель.
Методы, использованные в процессе исследований. Для решения поставленных задач использован комплексный метод, включающий:
1. Анализ результатов натурного применения систем восстановления качества за-
грязненных земель и грунтовых вод.
2. Системный анализ природно-техногенной системы восстановления качества за-
грязненных грунтовых вод, использование методологии имитационного моделирования ПТС, применение аппарата математического моделирования и компьютерного программирования.
3. Критический анализ моделирования.
Основные научные положения, выносимые на защиту:
Анализ выходных кривых концентраций загрязняющего вещества в технологической скважине при откачке загрязненных грунтовых вод для распознавания зон загрязнения земель и грунтовых вод, для проектирования технологических схем по восстановлению качества грунтовых вод.
Имитационно-технологическая модель восстановления качества грунтовых вод посредством деструкции загрязняющего вещества в натурных условиях для охраны земель подверженных техногенным загрязнениям.
Технологические схемы восстановленші качества загрязненных грунтовых вод в натурных условиях для охраны земель подверженных техногенным загрязнениям.
Результатами исследовании являются:
- Способ определения положения зон загрязнения земель и грунтовых вод на основе
анализа выходных кривых концентраций загрязняющего вещества в технологиче
ской скважине при откачке загрязненных грунтовых вод;
Имитационно-технологическая модель восстановления качества грунтовых вод посредством биологической деструкции загрязняющего вещества;
Методы проектирования технологических схем восстановления качества загрязненных нефтепродуктами грунтовых вод для охраны земель от техногенных загрязнений.
Достоверность научных положений и выводов обосновывается:
доказательством научных положений теоретическими выкладками, аналитическими расчетами и сопоставительным анализом конкретных примеров;
достаточно высоким сходством результатов теоретических исследований с результатами теоретических исследований других авторов и натурных примеров.
Научная новизна и значение работы заключается в формировании научно обоснованных подходов, направленных на сохранение и восстановление экологического потенциала земель подверженных техногенным загрязнениям на основе разработки технологических схем восстановления качества грунтовых вод.
Практическое значение работы заключаемся в следующем:
Разработан способ определения положения зон загрязнения земель и грунтовых вод на основе анализа выходных кривых концентраций загрязняющего вещества в технологической скважине при откачке загрязненных грунтовых вод;
Разработан комплекс компьютерного программного обеспечения, позволяющий автоматизировать рассмотрение процессов участвующих в биовосстановлении качества грунтовых вод;
Разработано компьютерная программа, позволяющая автоматизировать процесс проектирования технологических схем восстановления качества загрязненных грунтовых вод для охраны земель от техногенных нефтяных загрязнений.
Реализация работы. Результаты работы в части математического моделирования процессов распространения фронтов поршневого вытеснения с учетом микродисперсии применены для построения карты линий тока и движения загрязненных вод в зоне гидравлического питания Троицкого группового водозабора подземных вод. Также результаты работы применены при проектировании мероприятий по недопущению загрязнения подземных вод водами Троицкого йодного завода.
Разработан проект ликвидационно-монитороинговой системы по контролю за состоянием ".емель и грунтовых вод и восстановлению их качества в случае аварийных утечек нефти путем биологической дестр/кции в районе прохождения строящегося нефтепровода "Суходольная - Родионовская" Мало-Каменского месторождения
подземных вод. Проект включен в рабочий проект строительства нефтепровода и согласован с Департаментом Госсанэпиднадзора Министерства здравоохранения РФ.
Апробация работы. Результаты исследований докладывались на научных конференциях Кубанского госагроуниверситета (КубГАУ) в 1996, 1997, 1998 и 1999 годах; на второй школе-семинаре молодых ученых Кубани (г. Краснодар) в 1997 г. В полном объеме работа обсуждалась на расширенном заседании кафедры гидравлики и сельскохозяйственного водоснабжения КубГАУ в 1999 г.
По результатам исследований была заявлена работа на Конкурс на лучшую научно-техническую разработку среди молодежи по проблемам топливно-энергетического комплекса "ТЭК-2000". По итогам Конкурса работа награждена третьей премией, отмечена благодарностью министра энергетики РФ.
Публикации, По результатам работы опубликовано 7 научных работ.
Объем работы. Диссертационная работа изложена на 161 странице машинописного текста, включая введение, пять глав, выводы, 54 рисунков, 10 таблиц, список литературы из 122 наименований, из них 5 зарубежных авторов, 5 приложений.
Работа выполнена з период обучения автора в очной аспирантуре на кафедре гидравлики и сельскохозяйственного водоснабжения Кубанского государственного аграрного университета 1995 - 1998 гг.
Анализ существующих приемов ликвидации растворенной фазы загрязняющего вещества
Теоретически при аварийной утечке загрязняющих веществ, в частности нефтепродуктов их распространение с дневной поверхности через зону аэрации в грунтовые воды подчиняется классическим законам инфильтрации. То есть теоретически инфг. іьтрующиеся в водоносный горизонт загрязненные воды должны образовывать купол депрессии и накапливаться в виде круглых линз на зеркале грунтовых вод, по пути загрязняя верхние слои почво-грунта.
Однако на практике происходит иначе. Загрязненные грунтовые воды распределяются в водоносном горизонте не равномерно как по форме образующейся зоны загрязнения, так и по положению относительно источника проникновения в почву. Такое положение определяется основными факторами или их совокупностями: - неоднородность геологической среды в зоне аэрации и водоносном горизонте; - сложение почв и пород, наличие в них пустот, трещиноватости и макропористости; - наличием движения грунтового потока и гидродинамической дифференциации подземных вод; - неравномерным поступлением г,т рязняющего вещества в водоноенный горизонт (при стекании аварийных разливов по рельефу); - и некоторые другие. Положение и размеры зоны загрязнения водоносного горизонта является исходной информацией при планировании мероприятий по ликвидации загрязнений земель. Учет положения и размеров зоны загрязнения позволяет: - оценить масштабы и ущерб техногенных загрязнений земель и грунтовых вод; - правильно спланировать мероприятия по ликвидации загрязняЕощих веществ; - не допустить незапланированного загрязнения зоны аэрации и грунтовых вод в процессе ликвидации загрязнения. Как видно проблема определения положения и размеров зоны загрязнения грунтовых вод является актуальной, позволяющей эффективно управлять процессом востановления загрязненных земель и грунтовых вод. Из существующих современных способов определения положения и размеров зоны загрязнения можно выделить лва основных: 1. Аэрокосмическое зондирование с последующим дешифрированием полученных данных. Оба метода сопровождаются полевым почвенно-мелиоративным обследованием. Аэрокосмическое зондирование представляет собой комплекс дистанционных методов исследования, включающих: - многозональную и спектрозональную аэрофотосъемку; - тепловуЕО инфракрасную съемку; - перспективную аэрофотосъемку; - космическую фото-, сканерную, телевизионную, радиолокационную съемку. Перечисленные виды съемок проводятся с искусственных спутников Земли, орбитальных станций, пилотируемых космических кораблей, некоторые с самолетов и вертолетов. Процесс дешифрирования полученных данных проводится по схеме: предполе-вое дешифрирование (первичный анализ данных), полевое дешифрирование на местности и камеральное дешифрирование (выполнение экстраполяции и получение окончательных результатов). Недостатком способа аэрокосмического зондирования для целей ораспознава-ния зон загрязнения подземных вод являются: 1. Часто неправильное дешифрирование материалов; 2. Невозможность проведения зондирования на застроенных территориях, территориях интенсивного техногенного использования, залесенных территориях. 3. Высокая себестоимость способа. Способ геофизических исследований включает в себя: - электропрофилирование; - вертикальное электрическое зондирование; - магнитометрию. Геофизические методы основываются на определении в почвенно-геологической среде изменяющихся в зависимости от рода почв и пород, засоленности и загрязнения среды скорости распространения электромагнитных волн, с последующей интерпретацией полученных результатов. Геофизические способы исследований зон загрязнения почво-грунтов и грунтовых вод должны проводится в комплексе с бурением сети геологических скважин для определения состава пород водоносного горизонта. Основные недостатки способа геофизических исследований: 1. Неточность в интерпретации результатов исследований; 2. Сложность проведения работ в гидрогеологической среде; 3. Проходка дополнительных геологических выработок; 4. Относительно высокая себестоимость, Анализ существующих способов распознавания (заверки) зон загрязнения водоносного горизонта показывает их недостаточную эффективность и высокую себестоимость. Мало изученными остаются вопросы гидрогеодинамических аспектов определения положения и размеров зон загрязнения земель и грунтовых вод.
Эффективное решение проблемы может предложить изучение изменения концентрации загрязняющего вещества в технологической скважине при ликвидационной откачке из водоносного горизонта загрязненных грунтовых вод. Это обусловлено тем, что существуют научные предпосылки зависимости изменяющейся во времени концентрации загрязняющего вещества в технологической скважине при откачке. Преимуществом такого подхода является то, что определение положения и размеров зоны загрязнения может быть определено непосредственно в процессе откачки загрязненных вод без проведения дополнительных изыскательских мероприятий, что делает в общем ликвидационные работы комплексными, а следовательно повышает их эффективность и уменьшает себестоимость.
Вопросы связанные с определением минерализации вод в водозаборной скважине при подтягивании к ней областей повышенной минерализации грунтовых вод рассмотрены в работе В.М. Гольдберга [36]. Следует отметить, что В.М. Гольдберг не решал вопросы определения положения и размеров зон загрязнения водоносных горизонтов, поэтому его работам характерны: 1. Зоны повышенной минерализации (которые можно приравнять к зонам загрязнения) подземных вод представлены границами раздела условно чистых и загрязненных вод, т.е. приняты условия безграничных бассейнов загрязненных вод. Для целей же определения положения зон загрязнения водоносных горизонтов важнее рассмотреть замкнутые по размерам зоны загрязнения. 2. В силу того, что рассматривались безграничные бассейны условно чистых и загрязненных вод изменение концентрации в зоне загрязнения в процессе движения к водозаборной скважине не рассмотрены. В целом же гидрогеологический аспект решения поставленной проблемы нуждается в дальнейшей детальной проработке. Учитывая вышеизложенный анализ способов определения положения и размеров зон загрязнения водоносных горизонтов можно сделать вывод, что данная проблема на современном этапе развития инженерной науки остается недостаточно изученной, а создание способов ее решения требует дальнейшего рассмотрения и является актуальной. Таким образом одной из задач исследований данной работы является исследование зон загрязнения водно-почвенной среды на основе анализа изменения концентрации загрязняющего вещества в водозаборной скважине при ликвидационной откачке загрязненных вод.
Теоретический анализ выходных кривых концентраций с целью распознавания зон загрязнения земель и грунтовых вод
Условный переход сравнивающий текущее время t с временем прогноза Т. Если текущее время t меньше времени прогноза Т, то программа возвращается к началу цикла и продолжает вычисления выходной концентрации при новом значении те кущего времени. Если текущее время t больше времени прогноза Т, то программа завершае {. аботу. В результате выполнения программы создается база данных зависимости значений выходных концентраций от времени с момента начало откачки t = 0 до наступления времени прогноза t = Т. База данных сохраняется в файле обменного формата, что позволяет проводить ее обработку в стандартных программах, например Microsoft Excel, которые позволяют представить изменение выходных концентраций загрязняющего вещества в скважине по времени в виде графика - выходной кривой концентраций. Отличительными особенностями предлагаемого способа построения выходных кривых концентраций загрязняющих веществ в водозаборных скважинах являются: 1. Способ позволяет рассматривать в качестве зон загрязнения как ограниченные (замкнутые) по форме конечных размеров, так и области представленные границами раздела условно загрязненных и условно чистых вод. Описанные в литературе способы, в частности способ методике В.М. Гольдберга [35], рассматривают в основном области повышенной минерализации (концентраций) представленные границами раздела условно загрязненных и условно чистых вод (прямолинейные, круговые и др.). 2. Расчет выходной концентрации в водозаборной скважине основывается на определении изменяющихся во времени площади зоны загрязнения и угла входа вод зоны загрязнения в водозаборную скважину. Способ В.М. Гольдберга основывается на определении времени попадания первых порций загрязненных вод в водозаборную скважину.
Сопоставление результатов расчетов по предлагаемому способу и способу В.М. Гольдберга в условиях, когда зоны загрязнения представлены границами раздела условно загрязненных и условно чистых вод, показывают высокую степень совпадения, что говорит о правильности выбранного подхода в предлагаемом способе к решению поставленной задачи исследований.
Рассмотрим пример. Водоносный горизонт представлен песками мощностью 20 м и пористостью 0,1, содержит пресные и соленые воды. На расстоянии 500 м от границы раздела запроектирован водозабор производительностью 3000 м /сут. Концентрация условно пресных вод 0,5 мг/л, условно соленых - 5 мг/л. Дать прогноз изменения концентрации воды на водозаборе на срок 20 лет (7300 суток) [34 стр. 92, 93].
Как видно из сопоставления данных расчетов по двум методикам наблюдается высокая степень сходства результатов с расхождением не более 0,76 %, что говорит достоверности предложенных принципов прогноза изменения концентрации загрязняющего вещества в скважине при откачке загрязненных грунтовых вод из водоносного горизонта. Высокая степень сходства результатов с расхождением не более 1 % наблюдается и для других расчетных примеров.
Зона загрязнения земель и грунтовых вод в отличие от зоны загрязнения на поверхности моря не фиксируется визуально. Применение средств визуального мониторинга (аэро, космическая фотосъемка) сопряжено со значительными финансовыми затратами и не во всех случаях эффективно, особенно на застроенных или залесенных территориях. Для целей планирования ликвидационных мероприятий необходима информация о местоположении и размерах зоны загрязнения водоносного горизонта.
Анализ выходных кривых концентраций загрязняющих веществ в водозаборных скважинах при ликвидационных откачках показывает возможность определения положения и размеров зоны загрязнения. Рассмотрим зону загрязнения в плане. При откачке одной скважиной зона загрязнения движется в сторону скважины изменяя свою размеры и форму. Изменение концентрации во времени фиксируется в форме выходной кривой C(t). На рис. 2.123 показан контур зоны загрязнения А в начале откачки и контур В через некоторое время после откачки для круглой зоны загрязнения а также идеализированная выходная кривая концентраций C=C(t). Скважина расположена в точке W. Для практики важно знать размеры зоны загрязнения. Пока скважина находится внутри зоны загрязнения концентрация на выходной кривой относительно постоянна (кривая 0-1). Когда левая ближняя к скважине граница 1 оказывается в скважине, то концентрация на выходной кривой уменьшается во времени по кривой 1-2. Кривая 1-2 соответствует изменению формы зоны загрязнения при приближении к скважине.
Если откачивающая скважина окажется за пределами зоны загрязнения (рис.2.12s), то на выходной кривой имеется начальный участок 0-1, где концентрация равна нулю. Нулевая концентрация говорит о том, зона загрязнения приближается к скважине. Затем на выходной кривой зона загрязнения сначала растет по кривой 1-2. Точка 3 соответствует моменту наибольшей ширины зоны загрязнения. Уменьшение концентрации на участке 3-2 говорит о постепенном сужении зоны загрязнения , а точка 2 соответствует наибольшему удалению контура зоны загрязнения.
Если на поверхности земли нет следов загрязнения, то невозможно указать с какой стороны от скважины расположена зона загрязнения. Можно с уверенность сказать, что область Z в которой полностью расположена зона загрязнения имеет радиус не превышает 0-2.
Когда скважина располагается в центре зоны загрязнения (частный случай рис. 2.1211) выходная кривая представляет собой прямую параллельную оси времени t и отстающую от нее по оси концентраций на величину начальной концентрации в зоне загрязнения и резко падающую до нуля после полной закачки зоны загрязнения (рис. 2.13). В этом случае можно с уверенностью сказать, что радиус зоны загрязнения определяется временем 0-2, а концентрация вещества в ней была равна Снач.
Если в течении продолжительного времени выявлено, что выходная кривая концентраций стремится к асимптотическому значению (рис. 2.6, 2.9), то имеет место зона загрязнения представленная безграничным бассейном.
Локализация, удаления жидкой фазы нефтяного загрязнения и уточнение положения зоны загрязнения земель
Часть растворенного кислорода адсорбируется, а часть перемещается в растворенном виде в следующее сечение. Адсорбированный кислород частично расходуется на процесс разложения загрязняющего вещества а не востребованная часть остается и накапливается с течением времени в адсорбированном состоянии в почво-грунте. По мере снижения БПК концентрация адсорбированного кислорода растет стремясь к асимптотическому значению - предельной адсорбционной емкости почво-грунта.
В сечении "1" концентрация растворенного в воде кислорода формируется за счет поступающего остатка кислорода после его адсорбции в сечении "О". Можно выделить три этапа развития процесса. 1 этап. После поступления в сечение " 1" первых порций растворенного кислорода в сечение "1" он частично адсорбируется почвогрунтом (в количествах определяемых коэффициентом адсорбции) а затем его остаток перемещается в сечение "2". Адсорбированный кислород частично расходуется на разложение загрязняющего вещества (в количествах определяемых коэффициентом разложения) а его остаток накаливается в почвогрунте. На графике изменения концентрации растворенного кислорода (рис. 3.9) в сечении "1" происходит скачок от нулевого значения до значения концентрации остатка растворенного кислорода в сечении "О" после его адсорбции. 2 этап. Происходит равномерное поступление растворенного кислорода в сечение " 1" из сечения "О" и его равномерная адсорбция. На графике изменения концентрации растворенного кислорода (рис. 3.9) наблюдается прямая линия параллельная оси времени. Адсорбция кислорода происходит равномерно, его расход на разложение не превышает объем адсорбции (т.к. д ), поэтому на графике изменения концентрации адсорбированного кислорода (рис. 3.10) наблюдается рост концентрации. 3 этап. В сечении "0" БПК становится равным нулю и концентрация адсорбция в этом сечении становится равной предельной адсорбционной емкости почвогрунта. Это обуславливает рост концентрации растворенного кислорода в сечении " 1" которая стремится к асимптотическому значению к концу процесса разложения загрязняющего вещества. Рост концентрации адсорбированного кислорода как и сечении "О" происходит после полного разложения загрязняющего вещества до значения предельной адсорбционной емкости кислорода почвогрунта. Изменение БПК, концентраций растворенного и адсорбированного кислорода происходит по схеме сечения " 1" Как видно из рис.3.11, в связи с тем, что адсорбция кислорода системой поч-вогрунт-микрофлора не мгновенный и обусловлен константой Генри адсорбции кислорода распространение фронта зарядки водоносного горизонта запаздывает за распространением фронта поршневого вытеснения воды. Как отмечалось ранее, процесс развития микрофлоры напрямую не учитывается в моделировании процесса разложения вещества. Деструкция вещества описывается кислородными моделями. Однако, в ряде случаев существует необходимость контролировать процесс развития микрофлоры для уточнения параметров (констант) деструкции (разложения). Процесс роста микрофлоры проходит по через несколько фаз [20]: 1. Латентная (лаг-фаза), при которой микроорганизмы приспосабливаются к среде. 2. Экспоненциальная фаза, при которой происходит бурный рост микроорганизмов. 3. Фаза замедленного роста микроорганизмов. 4. Фаза стационарного роста микроорганизмов. 5. Фаза отмирания микроорганизмов. При внесении микробной культуры в питательную среду клетка вступает в лаг-фазу, продолжительность которой зависит от степени адаптированности микроорганизмов к питательной среде. В значительной части лаг-фазы скорость роста постепенно возрастает до своей максимальной величины, которая достигается к началу следующей фазы развития - экспоненциальной. Зависимость скорости роста микроорганизмов от концентрации биомассы N и питательной среды S имеет следующий вид [20]: Однако кривые роста и отмирания еще не полностью отражает все изменения, происходящие в культуре. Вслед за изменением состава среды происходит физиологическое изменение клеток, когда они проходят определенный цикл развития от момента образования и «молодости» до «старости» и отмирания [20]. Типичный результат моделирования предстарлен на рис. 3.11. Определение значений констант ц, ц. , а, аа, ад, р, С0а пред, С0Р преД! km, ko.s выполняется в ходе специальных экспериментов в лабораторных условиях или прямо в ходе работ по биовосстановлению. Техника экспериментальных работ здесь тесно переплетается с построением экспериментальных кривых концентраций и с их стремлением в специально выбранных системах координат. В зависимости от полученных экспериментальных кривых могут изменяться не только отдельные уравнения но и имитационная модель. Однако, как уже отмечалось, для инженерных расчетов удобно пользоваться моделями растворенного кислорода, в которой константы аир определяются в ходе экспериментальных исследований с учетом кинетики роста микрофлоры. 1. В результате анализа систем восстановления качества загрязненных грунтовых вод для охраны земель от техногенных загрязнений установлено, что они представляют собой природно-техногенные системы, моделирование которых подчиняется принципам создания имитационно-технологических систем. 2. Для моделирования ПТС по охране земель от техногенных загрязнений за счет воостановления естественных условий формирования грунтовых вод создана имитационно-технологическая система "Качество грунтовых вод". 3. Проведен структурный анализ ИТС, которой который показал, что в ее основе лежат модели описывающие процессы циркуляции воды в системе продуктивная скважина - поверхностный резервуар - инфильтрационный колодец - водоносный горизонт - продуктивная скважина, превращения загрязняющего вещества, растворения и адсорбции кислорода, развития микрофлоры. 4. Создана модель движения грунтовых вод в системе продуктивная скважина - поверхностный резервуар - инфильтрационный колодец - водоносный горизонт -продуктивная скважина. Исследовано впервые распространение фронта зарядки водоносного горизонта водой при различных вариантах формирования водозабор-но-поглощающих систем. 5. Созданы впервые модели кинетики превращения загрязняющего вещества, растворения и адсорбции кислорода, развития микрофлоры применительно к условиям циркуляции воды в почвенно-грунтовой среде, для обоснования и прогнозирования процессов участвующих в восстановлении качества грунтовых вод.
Разработка технологической схемы восстановления качества загрязненных грунтовых вод
Если загрязняющее вещество относительно не растворимо и имеет плотность отличную от плотности воды, например нефтепродукты, в таком случае прибегают к методу раздельного извлечения вещества.
Так в случае с нефтепродуктами в связи с тем, что их плотность меньше плотности воды то они будут скапливаться на поверхности депрессионной кривой при откачки. При этом воду и нефтепродукты откачивают разными насосами, установленными на различную глубину. В ходе откачки строится выходная кривая концентраций в водозаборной скважине. По результатам откачки определяют радиальную ширину (ширину по линии тока) зоны загрязнения водоносного горизонта и расстояние от центра скважины до зоны загрязнения.
В случае загрязнения земель размеры и положения зоны загрязнения визуально определить практически невозможно, а если возможно (с помощью аэрофотосъемки, космической съемки), то сопряжено со значительными капиталовложениями. Поэтому предварительно, после проведения почвенно-мелиоративных изысканий, на основе анализа проникновения загрязняющего вещества в зону аэрации и грунтовые воды определяют возможные размеры и положение зоны загрязнения, а по результатам анализа выходной кривой концентраций загрязняющего вещества в водозаборной скважине уточняют их радиальные (по линиям тока от центра водозаборной скважины) составляющие. Подробно вопросы определения размеров и положения зоны загрязнения рассмотрены в гл. 2.
Как отмечалось в гл. 1 основой технологий восстановления качества загрязненных грунтовых в натурных условиях использующих метод биовосстановления является возможность переноса электронного акцептора (растворенного кислорода) и питательных веществ и наличие патогенных микроорганизмов способных в результате своего метаболизма подвергать разложению загрязняющие вещества.
Основными гидрогеологическими характеристиками почвогрунтовой среды необходимыми для создания системы восстановления качества грунтовых вод являются коэффициент фильтрации (проницаемости) почвогрунта, активная пористость почво-грунта с учетом недостатка водонасыщения, мощность водоносного горизонта.
В большинстве техногенные аварийные загрязнения в большинстве случаев происходят на территориях с известными гидрогеологическими характеристиками, определенных в ходе ранее проводимых инженерно-геологических изысканий проектов. Однако если таких данных нет, то прибегают к известным методам гидрогеологических опробований.
Коэффициент фильтрации а через него проницаемость определяют рядом методов, однако наиболее приемлемыми являются методы откачки и метод налива, поскольку они позволяют определять коэффициент фильтрации в процессе откачки нефтяного загрязнения. Указанные методы широко используются в практике гидрогеологических изысканий и рассмотрены в соответствующей литературе [30, 113 и др.]
Определение состава местной микрофлоры и питательных веществ необходимых для ее активного роста проводится в результате специальных биохимических исследований в результате которых определяются константы кинетики процессов растворения, адсорбции кислорода, разложения загрязняющего вещества.
Таким образом, итогом подготовительный этап моделирования технологической схемы по ликвидации остаточного загрязнения земель заключается в определении исходных данных: положение зоны загрязнения, осредненная концентрация загрязняющего вещества в зоне загрязнения, гидрогеологические характерне.лки поч-вогрунтовой среды, характеристики кинетики развития местной микрофлоры.
Зная характеристики водоносного горизонта - коэффициент фильтрации (проницаемости), коэффициент эффективной пористости и его мощность можно смоделировать проектное решение работы технологической схемы восстановления качества загрязненных грунтовых вод. Моделирование начинается с выбора водоотборно-поглощающей системы. Выбор водоотборно-поглощающей системы В зависимости от размеров зоны загрязнения располагают водоотборные и поглощающие устройства в ее плане. В качестве водоотборного устройства чаще всего используются водозаборные скважины, хотя эти устройства могут быть представлены и другими видами - грунтовые колодцы, дренажные выработки и т.д. Поглощающие устройства также могут быть различны по устройству - скважины, поглощающие галереи и каналы и другие. В технологических схемах с раздельным водозаборным и водоподающим устройством в качестве водоотборного устройства целесообразно использовать одиночную технологическую водоотборную скважину, в качестве поглощающих рассмотрим: 1. Одиночную поглощающую скважину; 2. Несколько поглощающих скважин; 3. Кольцевой поглощающий канал; 4. Поглощающая галерея. Распространение фронта зарядки рабочей водой водоносного горизонта в технологических схемах с водоотборной скважиной различными типами поглощающих устройств представлены на рис. 4.5 - 4.8. В основе моделирования варианта схемы лежат принципы: 1. Размеры области покрытия водоносного горизонта водой в пгане зависят от расстояния между водоотборной скважиной и погпощающими устройствами и размеров (линейной протяженности) поглощающих устройств. 2. Производительность технологической водоотборной скважины и суммарная приемистость поглощающих устройств должна быть равна. 3. Время зарядки водоносного горизонта определяется размерами скоростью покрытия раствором мелиорантов зоны загрязнения. Расчет систем с раздельными водоотборными и поглощающими устройствами ведется в процессе многократного компьютерного моделирования. Целью моделирования является выявление наиболее удачного сочетания устройства системы ее рабочих параметров (производительности водоотборной скважины, приемистости поглощающих устройств, расположения и размеров системы устройств в плане зоны загрязнения). Необходимо отметить, что скорость распространения фронта зарядки водоносного горизонта раствором мелиорантов по различны направлениям от поглощающего устройства неравномерно. Скорость распространения наиболее велика на линии тока направленной от поглощающего устройства к водоотборной скважине и уменьшаясь от этого направления в обе стороны становится наименьшим в направлении противоположном направлению поглощающее устройство - водоотборная скважина (см. рис. 4.6). Такое положение необходимо будет учитывать на дальнейших этапах проектирования.
