Гидравлические методы насыщения воды растворенным кислородом

Актуальность С 3 по 14 июня 1992 года в Рио-де-Жанейро (Бразилия) проходила конференция ООН по окружающей среде и развитию, которая констатировала невозможность движения развивающихся стран по пути, по которому пришли к своему благополучию развитые страны. Эта модель признана ведущей к экологической катастрофе и в связи с этим провозглашена необходимость перехода мирового сообщества на рельсы устойчивого развития, обеспечивающего должный баланс между решением социально-экономических проблем и сохранением окружающей среды, удовлетворения основных жизненных потребностей ньшешнего поколения с сохранением таких возможностей для будущих поколений. [ 35 ].

По данным ООН и Всемирного банка, уже сегодня 80 стран М1фа сталкиваются с нехваткой пресной воды и 31 государство стоят перед зтЛро-зой серьезного водного кризиса. Как когда-то нефть, вода становится новым ресурсом, который начинает фигурировать в политическом диалоге между странами. [ 62 ].

Республика Колумбия находится на северо-западе Южной Америки, разделена на 32 департамента и 1038 мушщипалитетов с терррггориальной автономией. Колумбийские Анды занимают 30% территории страны, на юго-западе Колумбии горная система развивается на три хребта — Кордильеры. На этой территории живет 63% населения страны, численность которого составляет 37'200.000 миллионов человек.

Законодательство Колумбии об охране окружающей среды и о качестве питьевой воды за последние два десятилетия приведено в соответствие с международными стандартами. В связи с этим возникает необходимость повсеместного строительства станций водоподготовки и очистки сточных вод, а также оздоровление и охрана водоемов и водотоков, которые требуют не только больших капиталовложений, а также привлечения высоко квалифицированных специалистов для создания и адаптации современных технологий, соответствующих реальным экономическим и эксплуатационным возможностям всех районов страны.

Каждый водоем в естественном состоянии населен определенным сообществом организмов, состав и интенсивность энергетического обмена которого определяется климатическими и биотическими факторами. В естественных условиях попадающие в воду рек и озер загрязнения разрушаются микроорганизмами в ходе процесса, который называют самоочищаюшей способностью. Для нейтрализации громадного количества загрязнении, по-падаюпщх в воду в результате деятельности человека, естественной само-очшцающей способности оказьшается недостаточно и основная причина этого — дефицит содержания в воде растворенного кислорода, обеспечивающего происходящие в ней очистительные биологические процессы. [73].

В условиях интенсивного антропогенного воздействия «старение» рек и озер происходит в течение десятилетий вместо сотен и тысяч лет их естественной эвтрофнжации — явления, выражающегося в повьппении уровня продуктивности водных экосистем и сопровождающегося изменением видового состава гидробионтов. В основном этот процесс определяется поступлением в водоемы большого количества органических веществ и биогенных элементов, главным образом, азота и фосфора. Самоочищающая способность рек и озер ограничена и при нагрузках, превьппающих ее, накопление органических и биогенных загрязнении увеличивается прогрессивно, что может привести к полной потере способности водоема к самоочищению.

Основным фактором естественного процесса трансформации вещества и энергии в биосфере, а следовательно и процесса самоочищения, являются живые организмы. Академик В. И. Вернадский указьтал, что нет химической силы, постоянно действующей, а поэтому и более могзшхественной по своим конечным последствиям, чем живые организмы.

Основную роль в самоочищении водоемов играют бактерии, обладающие огромным разнообразием форм метаболизма и развивающиеся при крайне разнообразных условиях среды — температуре, рН, концентрациях кислорода, требующих в качестве питательного субстрата только органические или только минеральные вещества и так далее. Именно широкие мета-' болические возможности бактерий и позволяют вовлекать в круговорот практически все вещества естественного происхождения и многие вещества, синтезированные человеком. [ 7 ].

Из сказанного следует, что насьпцение воды растворенным кислородом является важным элементом в технологии улучшения качества воды на станщшх водоподготовки и очистки сточных вод, а также для оздоровления водоемов и водотоков, поэтому избранная тема диссертации является актуальной.

Цель работы заключается в совершенствовании и исследовании схем и конструкций для аэрации воды с целью повьппения количества растворенного в воде кислорода, используемых в системах по улучшению качества воды (очистка сточных вод, водоподготовка и оздоровления водоемов и водотоков).

При этом указанные схемы и конструкции ориентированы на условия горной и предгорной местности, имеющей естественнью перепады уровней и предполагают применение технологий, исключающих потребление электрической энергии.

Задачи исследований. Для достижения поставленной цели необходимо: .

— на основе изучения существующих схем и конструкции для аэрации воды предложить схемы аэрации, где при использовании кинетической энергии потока происходит интенсивный захват воздуха и этим достигается значительное повьппение количества растворенного в воде кислорода;

— исследовать гидродинамические параметры и окислительную способности (ОС — количество растворенного кислорода в мг/л за один час) предложенных схем и конструкций, сопоставление различных вариантов предложенных конструкций и провести анализ результатов.

— усовершенствовать методы расчета предложенных конструкций для аэрации воды.

— огфеделить задачи дальнейших исследований.

Научная новизна работы заключается в следующем :

— предложении использования конструкций гидротехнических сооружений (быстротока с часто расположенными ступенчатыми аэраторами и контрвихревого гасителя энергии потока), для использования в технологических схемах улучшения качества воды в качестве звена, вьшолняющего функцию аэрационной системы с целью насьпцения воды растворенным кислородом;

— в применении предлагаемых конструкций (быстротока и вихревого аэратора) в технологических схемах по улучшению качества воды, что обеспечивает насьпцение воды растворенным кислородом без потребления электрической энергии за счет использования имеющихся перепадов местности путем создания необходимого напора;

— в усовершенствовании методов инженерного расчета быстротоках часто расположенными ступенчатыми аэраторами и вихревого аэратора;

— в полученных результатах исследований предлагаемых конструкций по их окислительной способности.

Внедрение результатов работы.

На основе полученных результатов измерения количества растворенного кислорода с использованием вихревого аэратора промьппленного. образца, используемого в производственных системах обезжелезования воды предприятием «Звезда — М» внесены изменения в конструкции вихревого аэратора с целью улучшения его окислительной способности.

Практическая ценность работы состоит в следующем :

— в предложенных конструкциях и схемах, которые служат как системы для аэрации воды без потребления электрической энергии, и имеют высокую окислительную способность;

— в усовершенствовании методов инженерного расчета предложенных конструкций и схем.

На защиту выносятся:

— схемы использования гидротехнических сооружений (быстротока и контрвихревого гасителя энергии потока) в качестве системы аэрации с целью насьпцения воды растворенньпл кислородом без потребления электрической энергии;

— конструкция быстротока с часто расположенными ступенчатыми аэраторами для аэрации воды с целью повьппения количества растворенного кислородаграфики и расчетные зависимости концентрации растворенного кислорода в воде в зависимости от продолжительности аэрации.

— усоверщенствованный метод расчета быстротока с часто расположенными ступенчатыми аэраторами;

— усовершенствованный метод расчета вихревого аэратора;

— метод инженерного расчета насыщения воды растворенным кислородом.

Апробация Основные результаты экспериментальных и теоретических исследований диссертационной работы докладьшались на ХХШ и ХХУ научных конференциях Инженерного факультета Российского Университета Дружбы Народов в 1999 и 2001 годах.

Объем работы: диссертация изложена на 160 стр. компьютерного текста и состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 118 наименований. По тексту работы приведено 36 рисунков и 28 таблиц.