СПОСОБ УМЕНЬШЕНИЯ РАСТВОРЕННОГО ОРГАНИЧЕСКОГО ВЕЩЕСТВА В ВОДЕ ИЗ ПОВЕРХНОСТНОГО ВОДОИСТОЧНИКА Российский патент 1998 года по МПК C02F1/74 C02F7/00 

Изобретение относится к экологии поверхностных водоисточников, системам полива, орошения, водоочистки и эксплуатации насосных и гидравлических станций.

Известный способ эксплуатации гидравлических устройств и, в частности, гидромашин, приводит к массовой гибели гидробионтов в результате воздействия на них паровой кавитации, сопровождающей работу гидравлических устройств [1] . При этом гидробионты, разрушаясь до микронных и субмикронных размеров, образуют растворенное органическое вещество (РОВ), являющееся питательной средой для бактерий, способствуя их бурному развитию и, как следствие, загниванию воды за водоотводящим трактом и нарушению экологического баланса, поскольку жизнедеятельность гидробионтов обеспечивает самоочищение водоисточника, а мертвые, но неразрушившиеся организмы поедаются более высокоорганизованной фауной в отличие от РОВ.

Известны способы впуска воздуха в гидротурбину [2]. Однако ни тот, ни другой способы, предусматривая впуск воздуха непосредственно в зону рабочего колеса гидромашины, с одной стороны, не обеспечивают его рассеивания по сечению потока, а с другой стороны, не связываются с наличием и величиной биомассы РОВ и соответственно не позволяют влиять на содержание РОВ в воде.

Известен также способ защиты водных микроорганизмов, эмбрионов и мальков рыб от гибели из-за кавитации в водоводах гидросооружений [3], включающий равномерную подачу в водовод воздуха в зависимости от развития кавитационного процесса в гидромашине, определяемого по интенсивности кавитационного шума.

Недостатком данного известного способа, как показали натурные исследования на гидротурбинных и насосных установках, является то, что между кавитационным шумом и интенсивностью кавитационного процесса, а тем более интенсивностью гибели и разрушения гидробионтов, однозначной связи нет. В результате этого обеспечить оптимальное количество подаваемого воздуха по интенсивности кавитационного шума практически невозможно. Кроме того, недостатком указанного известного способа является также то, что на эффективность аэрации потока оказывает существенное влияние сезонное изменение биомассы и изменение видового состава гидробионтов. При резком летне-осеннем росте биомассы (в ряде случаев на 1 - 2 порядка) защита планктона от гибели аэрацией потока оказывается практически неэффективной по техническим и экономическим причинам, вследствие необходимости резкого увеличения расхода воздуха. В то же время посредством подачи определенного не столь значительного объема воздуха проблема предотвращения полного разрушения до состояния растворенного органического вещества значительной части гидробионтов решается без затруднений.

Предлагаемый способ позволяет восстановить экологический баланс водоисточника путем минимизации растворенного органического вещества, образующегося при работе гидравлического устройства, и улучшить кормовую базу рыбного хозяйства.

Действие предлагаемого способа основано на том, что насыщение воды, протекающей через гидравлическое устройство, определенным образом свободного воздуха изменяет ее физико-механические свойства и, увеличивая на 2 - 3 порядка сжимаемость воды, уменьшает напряжения растяжения - сжатия в потоке и соответственно снижает кавитационные воздействия на планктонные и другие микроорганизмы и, тем самым, предотвращает полное разрушение гидробионтов, хотя и не исключает, в ряде случаев, их частичной гибели. В результате этого уменьшается образование растворенного органического вещества в воде, сводятся к минимуму процессы гниения и, как следствие, предотвращается нарушение экологического баланса.

Предложенный способ уменьшения растворенного органического вещества в воде из поверхностного водоисточника включает забор воды из водоисточника, подвод ее к гидравлическому устройству по водоподводящему тракту, пропуск воды через гидравлическое устройство и последующий отвод ее по водоотводящему тракту, а также подачу воздуха в водоподводящий тракт посредством аэратора и взятие проб, при этом количество подаваемого воздуха дозируют в соответствии с соотношением:
,
где q_возд - подача воздуха, приведенного к 1 ат, м³/с;
K - коэффициент, учитывающий конструктивные особенности системы аэрации, K = 0,6 - 3,0;
C - коэффициент видового состава гидробионтов, C = 0,4 - 1,5;
d - коэффициент, учитывающий преимущественные размеры гидробионтов, d = 0 - 1,0;
q_воды - расход воды, пропускаемый через гидроустановку, м³/с;
B - полная биомасса гидробионтов, поступающих в водоподводящий тракт, приходящаяся на 1 м³ воды, г/м³;
B_ров - биомасса растворенного в воде органического вещества в водоотводящем тракте, приходящаяся на 1 м³ воды, г/м³.

при этом биомассу B_ров растворенного в воде органического вещества определяют как разность между полной биомассой поступающих из водоподводящего тракта на гидравлическое устройство гидробионтов и общей биомассой живых, поврежденных и мертвых организмов в водоотводящем тракте. Для этого отбор биопроб производят в местах водоподводящего и водоотводящего трактов, где поток не имеет большой неравномерности поля скоростей и застойных зон, как непосредственно в местах отбора, так и на участках между местами отбора проб и гидравлическим устройством.

На фиг. 1 - схема гидроустановки; на фиг.2 - график зависимости процентной гибели гидробионтов (по биомассе) и содержания РОВ в зависимости от относительного расхода воздуха; на фиг. 3 - график изменения коэффициента учета влияния видового состава; на фиг.4 - график изменения коэффициента учета влияния диаметра и площади форсунок подачи воздуха; на фиг.5 - график изменения коэффициента центра учета влияния размеров гидробионтов.

Предложенный способ иллюстрируется фиг.1. На фиг.1 изображена схема гидроустановки. Схема включает водозабор 1, соединенный через водоподводящий тракт 2 с гидромашиной 3. Отвод воды осуществляется водоотводящим трактом 4. На водоотводящем тракте 2 между водозабором 1 и гидромашиной 3 установлен аэратор 5 с дозатором 5а, регулирующим подачу воздуха.

Предложенный способ состоит в следующем. От водозабора 1 через водоподводящий тракт 2 вода с содержащимися в ней гидробионтами поступает к гидромашине 3, при этом дозатором 5а через аэратор 5 в водоподводящий тракт 2 с целью предотвращения образования растворенного органического вещества (РОВ) в воде дисперсно подают воздух в количестве, дозируемом в зависимости от видового состава (C) и преимущественных размеров (d) гидробионтов, их полной биомассы (B) в водоподводящем тракте, биомассы РОВ (B_ров) в водоотводящем тракте и расхода воды (q_воды), пропускаемой через гидроустановку, в соответствии с соотношением

При этом отбор проб производят в местах А и Б, где поток не имеет большой неравномерности поля скоростей и застойных зон, причем это обстоятельство имеет важное значение, т.к. во многом определяют качество проб, по которым определяют содержание B_ров в воде. Биомассу B_ров получают как разность полной биомассы (B) гидробионтов в единице объема воды в водоподводящем тракте 2 и общей биомассы живых, поврежденных и мертвых организмов в водоотводящем тракте 4. В зависимости от величины давления воды в зоне установки аэратора подают сжатый воздух (компрессором) или воздух поступает самовсасыванием под действием вакуума.

Так, например, на графике фиг.2, построенном по данным промышленных исследований на Сестрорецкой водопроводной насосной станции С.-Петербурга, показаны изменения биомассы погибшего зоопланктона B_г (%) - кривая "а", и изменение содержания биомассы растворенного в воде органического вещества B_ров (%) - кривая "б", образованного полностью разрушившимися гидробионтами (зоопланктоном) в зависимости от относительного расхода воздуха , выражаемого отношением объема подаваемого воздуха q_возд (м³/с) в единицу времени к объему воды, протекающей через проточный тракт q_воды (м³/с), т.е.

Как следует из графика, с увеличением подачи воздуха в 5 раз гибель гидробионтов уменьшается на 25 - 30%, содержание же РОВ в воде, образованного полностью разрушившимися гидробионтами, уменьшается в 5 - 6 раз.

Также на фиг.3, 4, 5 соответственно показаны характерные изменения значений коэффициентов C - влияния видового состава, K - влияния диаметра и площади отверстий форсунок и d - влияния размеров гидробионтов, учитываемых при определении оптимальной подачи воздуха и полученных по результатам обработки данных промышленных исследований на Усть-Илимской ГЭС и Сестрорецкой насосной станции.

Коэффициент C (фиг. 3), учитывающий видовой состав гидробионтов, имеет меньшую величину (C=0,4), если в водоподводящем тракте присутствует преимущественно микрозоопланктон (МЗП) и большее значение (C = 1,5), если с водой поступает преимущественно фитопланктон (ФП) и рачковый зоопланктон.

Как следует из приведенного на фиг. 4 графика, коэффициент K (учитывающий конструктивные особенности системы аэрации и, в частности, размеры отверстий форсунок d (мм) и соотношение площадей отверстий форсунок F_отв и воздухоподводящей трубы F_тр) изменяется в диапазоне от 3,0 до 0,6, причем, чем меньше диаметр отверстий форсунок, тем больше значение коэффициента K и, соответственно, требуемая подача воздуха. Так, при отношении F_отв/F_тр = 1 и диаметре отверстий 5 мм K = 1, а при d_отв = 2,5 мм K возрастает до 1,3.

Для более крупного зоопланктона с характерными размерами 0,5 - 1,2 мм, например рачкового, величина коэффициента d, учитывающего преимущественные размеры гидробионтов, близка к 1,0, тогда как для мелких гидробионтов с размерами 0,05 - 0,1 мм, например коловраток, значение d близко к 0.

Положительный эффект от реализации заявляемого способа заключается в уменьшении в 5 и более раз образования в воде РОВ, что позволяет за счет исключения процессов гниения РОВ восстановить экологический баланс водоисточника. Предотвращение же полного разрушения значительной части гидробионтов позволяет соответственно увеличить долю гидробионтов, поедаемых рыбой, т.е. увеличить кормовую базу рыбного хозяйства.

Использование: очистка поверхностных водоисточников. Сущность: способ включает забор воды из поверхностного водоисточника, подвод ее к гидромашине по водоподводящему тракту, пропуск воды через гидромашину (гидравлическое устройство) и последующий отвод ее по водоотводящему тракту, а также подачу воздуха в водоподводящий тракт посредством аэратора и взятие проб, причем воздух подают в количестве, дозируемом в соответствии с соотношением, приведенным в формуле изобретения. При этом величину биомассы растворенного органического вещества определяют как разность между полной биомассой поступающих из водоподводящего тракта на гидравлическое устройство гидробионтов и общей биомассой живых, поврежденных и мертвых организмов в водоотводящем тракте, а отбор проб производят в местах водоподводящего и водоотводящего трактов, где поток не имеет большой неравномерности поля скоростей и застойных зон как непосредственно в местах отбора, так и на участках между местами отбора проб и гидравлическим устройством. 1 з.п.ф-лы, 5 ил.

1. Способ уменьшения растворенного органического вещества в воде из поверхностного водоисточника, включающий забор воды из водоисточника, подвод ее по подводящему тракту к гидравлическому устройству, пропуск воды через гидравлическое устройство и водоотводящий тракт, а также подачу аэратором воздуха в водоподводящий тракт и взятие биопроб, отличающийся тем, что количество подаваемого воздуха дозируют в соответствии с соотношением
q_{в о з д} 0,002 • К • С • q_{в о д ы} (В / В_р о в)^1 + d,
где q_{в о з д} подача воздуха, приведенного к 1 атм, м³/с;
К коэффициент, учитывающий конструктивные особенности системы аэрации, К 0,6 3,0;
С коэффициент видового состава гидробионтов, С 0,4 1,5;
d коэффициент, учитывающий преимущественные размеры гидробионтов, d 0 1;
q_{в о д ы} расход воды, пропускаемой через гидроустановку, м³/с;
В полная биомасса гидробионтов, поступающих в водоподводящий тракт, приходящаяся на 1 м³ воды, г/м³;
В_р о в биомасса растворенного в воде органического вещества в водоотводящем тракте, приходящаяся на 1 м³ воды, г/м³,
при этом биомасса растворенного в воде органического вещества определяется как разность между полной биомассой поступающих из водоподводящего тракта на гидравлическое устройство гидробионтов и общей биомассой живых, поврежденных и мертвых организмов в водоотводящем тракте. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что отбор биопроб производят в местах водоподводящего и водоотводящего трактов, где поток не имеет большой неравномерности поля скоростей и застойных зон непосредственно в местах отбора и на участках между местами отбора проб и гидравлическим устройством.