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

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.

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 СО 2, 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 СО 2, а также степень насыщенности воды карбонатом кальция. О степени насыщенности судят по отношению наблюдаемого произведения активностей ионов

Са 2+ 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 СаСО 3и наблюдается определенный недостаток СО 2до растворенного количества при данных условиях. Если же в результате каких-либо процессов содержание СО 2в растворе будет увеличиваться (дыхание, разложение органических веществ), то карбонатное равновесие также нарушится, причем пропорционально увеличивается содержание углекислоты и, следовательно, ее диссоциированные формы.

Изучение СО 2в 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 СО 2в 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 10 6, в отводящем – 75,9 10 6ммоль/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.