автореферат диссертации по строительству, 05.23.16, диссертация на тему:Гидравлические методы насыщения воды растворенным кислородом

Введение.

1. Аэрации воды в водном хозяйстве.

1.1 Естественная аэрация.

12 Диффузия кислорода воздуха в воде.

1.3 Методы и устройства для аэрации воды.

1.3.1 Механические аэраторы.

1.3.2 Пневматические аэраторы.

1.3.3 Гидродинамические аэраторы.

1.3.4 Пневмогидравлические аэраторы.

1.3.5 Кинетические (гидравлические) аэраторы.

1.3.5.1 Струйные аэраторы.

1.3.5.2 Вихревые аэраторы.

1.4 Использование искусственной аэрации для улучшения качества воды водоемов и водотоков.

1.5 Использование аэрации воды в водоподготовке.

1.5.1 Удаление из воды железа.

1.5.2 Удаление из воды растворенных газов.

1.5.3 Уничтожение запахов и привкусов воды.

1.5.4 Удаление марганца из воды.-.

1.6 Использование аэрации воды при очистке сточных вод.

1.6.1 Биологические методы очистки сточньех вод.

1.6.2 Условия растворения и потребления кислорода.

1.6.3 Биохимическая и химическая потребность в кислороде.

1.7 Сооружения для биологической очистки сточных вод.

1.7.1 Биологические пруды.

1.7.2 Поля фильтрации.

1.7.3 Биофильтры.

1.7.4 Аэротенки.

1.8 Выводы.

2. Аэрация воды в водопропускных гидротехнических сооружениях.

2.1 Механизм образования аэрации и структура аэрированного. потока на быстротоках и водосливах.

2.2 Условия начала аэрации на быстротоках и водосливах.

2.3 Аэраторы потока на быстротоках и водосливах.

2.4 Расчет распределения воздуха по глубине потока.

2.4.1 Методика расчета концентрации воздуха.

2.4.2 Расчет местной концентрации вьппе поверхности перехода у > 1ш.

2.4.3 Таблицы для определения параметров при расчете аэрированного потока.

2.5 Расчет гидродинамических параметров неравномерного потока на быстротоке с использованием теории пограничного слоя.

2.5.1 Положение критического сечения на участке развития потока.

2.5.2 Расчетные параметры в условиях равномерного течения на прямолинейном участке.

2.5.3 Створ начала самоаэрации.

2.5.4 Длина начального участка или участка неравномерного движения.

2.5.5 Определение коэффициента местного гидродинамического сопротивления.

2.5.6 Расчет изменения коэффициента скорости по длине быстротока. 5 6 •

2.5.7 Расчет изменений глубины на начальном участке.

2.5.8 Определение средней скорости неаэрированного потока V в любом сечении быстротока.

2.6 Расчет траектории и дальности отлета свободной аэрированной струи.

2.7 Движение пузьфьков воздуха в турбулентном русловом или свободном потоке.

2.8 Расчет расхода воздуха через аэраторы.

2.9 Существующий метод гидравлического расчета проточной полости вихревого аэратора.

2.10 Выводы и задачи исследований.

3. Экспериментальные исследования.

3.1 Описание экспериментальной установки быстротока.

3.2 Описание экспериментальной установки вихревого аэратора.

3.3 Методика проведения экспериментов.

3.3.1 Измерение расхода воды;.

3.3.2 Измерение концентрации растворенного в воде кислорода.

3.3.3 Измерение температуры.

3.3.4 Структурная схема измерительного преобразователя.

3.3.5 Датчик кислорода.

3.3.6 Технические характеристики анализатора жидкости экотест

2000.

3.4 Обработка опытных данных.

3.5 Определение коэффициента массопередачи ( Кьа)-.

3.6 Определение окислительной способности (ОС).

4. Результаты экспериментальных исследовании.

4.1 Результаты исследований быстротока.

4.2 Результаты исследований вихревого аэратора.

4.3 Графоаналитическое определение интервала значений. коэффициента системы Кс.

4.4 вьшоды.

5. Рекомендуемые методы расчета систем аэрации.

5.1 Расчет быстротока с часто расположенными ступенчатыми. аэраторами.

5.2 Способ расчета вихревого аэратора.

5.3 Расчет концентрации растворенного в воде кислорода.

5.4 Пример расчета быстротока с часто расположенными. ступенчатыми аэраторами.

5.5 Выводы.

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 кислорода; графики 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.