Бессточные водоемы Казахстана. Том 2. Качество воды - София Романова

Далее будут изложены материалы многолетних полевых и лабораторных исследований, проведенных автором по оценке накипеобразующих свойств ВО, КЕК и оз. Балкаш. Результаты, приведенные в настоящем разделе, являются первой попыткой подытожить и обобщить имеющиеся по затронутым вопросам материалы и этим в какой-то мере внести вклад в решение проблемы «теплового загрязнения» водоемов РК, а также целенаправить дальнейшие исследования.

2.1 Основные требования, предъявляемые к качеству воды водохранилищ-охладителей

Основными требованиями, предъявляемыми к качеству охлаждающей воды, являются: температура, способная обеспечивать нормальное охлаждение теплообменной аппаратуры; отсутствие в системе охлаждения отложений минерального и биологического характера, а также коррозии металлического оборудования.

Основной причиной образования накипи и минеральных отложений являются, прежде всего, карбонатные соли кальция и магния. Но не всегда гидрокарбонатные соли разлагаются при нагревании воды в теплообменниках. Распад происходит только при превышении предельно-допустимой величины данного состава охлаждающей воды. Поэтому критерием для оценки накипеобразующих свойств воды служат следующие величины: жесткость (общая, карбонатная, некарбонатная, предельно-допустимая); стабильность воды на выпадение карбоната кальция или его растворения вследствие наличия в воде агрессивного диоксида углерода. Кроме названных величин, для оценки свойств накипеобразования воды ВО приходится изучать и состояние карбонатно-кальциевого равновесия. Известно, что бикарбонаты вместе с карбонатными ионами, ионами кальция, растворенным диоксидом углерода являются основными компонентами карбонатной системы. С карбонатной системой непосредственно связаны ионы водорода и косвенно весь комплекс растворенных веществ.

Карбонатная система, как уже отмечалось в связи с оз. Балкаш (см. том 1, раздел 3, [10]), является важнейшей системой химических равновесий в природных водах. От ее состояния зависит направление и интенсивность процессов, протекающих в водоеме. Кроме того, карбонатная система, как мы уже знаем, в природных водах имеет исключительно большое значение для протекающих в них биологических процессов. Состоянием карбонатно-кальциевого равновесия определяются также и агрессивные свойства воды. Компоненты равновесия находятся между собой в определенных количественных соотношениях, и изменение одного из них непременно влечет за собой изменение других. Факторы, влияющие на устойчивость карбонатного равновесия, в природе очень изменчивы. С изменением их устоявшееся состояние равновесия нарушается и устанавливается новое.

Для характеристики отклонений данной системы от устойчивого равновесия могут быть использованы две взаимосвязанные величины: содержание СО2, избыточное против равновесного (называемая агрессивным диоксидом углерода), и степень насыщенности воды карбонатом кальция. Для исследования состояния карбонатно-кальциевого равновесия кроме данных об ионном составе и минерализации воды приходится определять: величину рН, температуру воды и расчетным путем находить содержание в воде свободного, равновесного и агрессивного СО2, а также степень насыщенности воды карбонатом кальция. О степени насыщенности судят по отношению наблюдаемого произведения активностей ионов

Са2+ и СО 32 к теоретической величине произведения растворимости СаСО3. При расчетах приходится учитывать температурные изменения всех констант.

От степени насыщенности воды СаСО3 зависит способность воды растворять или выделять в осадок СаСО3, т.е. ее накипе-образующие свойства. О.А. Алекиным и Н.П. Моричевой были выяснены факторы, нарушающие пересыщенность раствора карбонатом кальция. К ним относятся: твердые тела, играющие роль затравки; обломочный карбонат кальция; частицы известковых раковин; остатки растительности. При исследовании оз. Балкаш было показано, что наиболее важными процессами, способствующими пересыщению и возможному осаждению карбоната кальция являются: а) увеличение температуры, уменьшающее растворимость карбоната кальция и диоксида углерода; б) испарение, увеличивающее концентрацию ионов кальция и карбонатную щелочность; в) перемещение пересыщенных карбонатом кальция вод в области, где присут-ствуют центры кристаллизации; г) фотосинтез, который снижает содержание диоксида углерода и, следовательно, увеличивает концентрацию карбонатов; д) бактериальная деятельность, приводящая к увеличению значений рН, вследствие образования ионов аммония и слабых оснований.

Однако в природе обычно образуются растворы, пересыщенные в отношении СаСО3 и наблюдается определенный недостаток СО2 до растворенного количества при данных условиях. Если же в результате каких-либо процессов содержание СО2 в растворе будет увеличиваться (дыхание, разложение органических веществ), то карбонатное равновесие также нарушится, причем пропорционально увеличивается содержание углекислоты и, следовательно, ее диссоциированные формы.

Изучение СО2 в водоемах представляет очевидную важность, однако данных по ее содержанию в водах различных объектов чрезвычайно мало. Эти данные, накопленные в достаточном количестве, позволят перейти к прогнозированию концентрации СО2 в природных водах, находящихся в различных физико-географических зонах и в любые гидрологические сезоны, как это было показано на примере оз. Балкаш.

В связи с изменчивостью факторов, влияющих на карбонатное равновесие, все время создаются условия, сдвигающие его в одну или другую сторону. Влияние этих факторов на карбонатно-кальциевое равновесие изучено на примере водо-хранилищ-охладителей Литовской ГРЭС и Украины.

Сброс подогретых вод в водохранилище Литовской ГРЭС, воздействуя на газовый режим, обуславливает сдвиг карбо-натно-кальциевого равновесия. В зависимости от степени и направления сдвига технические качества воды могут настолько измениться, что она становится непригодной для охлаждения конденсаторов. При подогреве воды и уменьшении растворимости карбоната кальция в трубках конденсаторов появляется возможность образования осадка, что уменьшает эффективность охлаждения, требует очистки сооружений, приводящей к их износу. Г.А. Лаумянскас и Ю.Ю. Снукишкис, исследуя режим ионного состава воды водохранилища-охладителя Литовской ГРЭС, определили, что максимальное количество карбонат-ионов (в заборном канале – 65,9 106, в отводящем – 75,9 106 ммоль/л) содержится в августе при температуре воды 21 и 30 °C. С увеличением концентрации карбонатных ионов изменяется и степень насыщенности воды карбонатом кальция (S/St). Если в заборном канале в период вегетации S/St не превышала 11,6, то в отводящем она достигала 15,9. В летний период в связи с интенсивным поглощением диоксида углерода при фотосинтезе, его концентрация снижается до аналитического нуля. Из-за дефицита диоксида углерода равновесие сдвигается вправо. При таких условиях вода из весеннего относительно устойчивого метастабильного состояния (S/St=1,2-5,3) переходит в нестабильное, начинается выделение твердой фазы, о чем свидетельствует образование слоя осадков карбоната кальция на листьях подводных растений в этой части водоема. В зоне водохранилища с небольшими скоростями течения и малым тепловым взаимодействием с транзитным потоком сезонное изменение карбонатно-кальциевого равновесия зависит в значительной степени от метеорологических факторов.

Летом в поверхностном слое воды концентрация диоксида углерода не превышает 1,5 мг/л, концентрация гидрокарбонатов в стабильной зоне, по сравнению с занятой транзитным потоком, уменьшается (убыль достигает 1,5 %). Это свидетельствует о смещении карбонатно-кальциевого равновесия вправо, вследствие чего концентрация карбонатных ионов увеличивается до 55 106 ммоль/л и величина рН воды достигает 8,60. Вода становится нестабильной с положительным индексом насыщения карбонатом кальция (S/St =10). Часть НСО3 и Са2+ – ионов, как и в искусственно подогретой зоне, выводится из поверхностного слоя в виде СаСО3, который мигрирует в нижние горизонты. С глубиной концентрация растворенного СО2 растет и, когда она достигает величины равновесной концентрации, вода стабилизируется (карбонат кальция из такой воды не выделяется и не растворяется), т.к. концентрация СО 32- ионов соответствует произведению активностей Са2+ и СО 32-. В слое воды ниже температурного скачка концентрация растворенного СО2, достигает 15 мг/л. Это значительно больше равновесной концентрации, которая в глубинных горизонтах водоема составляет 5,4-7,5 мг/л, в результате чего равновесие смещается влево. Концентрация СО 32 – ионов уменьшается до 2,7 106 ммоль/л, что влечет за собой понижение значений рН до 7,40. Вода становится нестабильной с отрицательным индексом насыщения карбонатом кальция: S/St = 0,38. В ней содержится до 8,8 мг/л агрессивного СО2. Такая вода способна растворять мигрирующий с поверхностных горизонтов карбонат кальция. Таким образом, несмотря на пересыщенность поверхностных слоев воды карбонатом кальция, возможность осаждения твердой фазы исключается.