Гидромеханический способ улучшения качества воды в водных объектах

ГИДРОМЕХАНИЧЕСКИИ СПОСОБ УЛУЧШЕНИЯ КАЧЕСТВА ВОДЫ В ВОДНЫХ ОБЪЕКТАХ

Орехов Г.В.

В условиях глобальных масштабов технократической деятельности человека: химического, теплового и биологического загрязнения природных вод, возникающий в водоемах отрицательный кислородный баланс обусловливает появление серьезных экологических последствий для внутриводоемных процессов, а также является причиной технических и экономических трудностей при водопользовании.

Кислородный режим водоемов относится к числу важнейших факторов, определяющих интенсивность процессов самоочищения и формирования биологической продуктивности водных экосистем.

Химическое и тепловое загрязнение водоемов, превращение рек в каскады водохранилищ, межрегиональная переброска стока, возрастающие масштабы эвтрофирования преобразуют весь комплекс гидрологических, гидрохимических и гидробиологических процессов в природных экосистемах, запуская механизмы нарушения экологического равновесия и процессов саморегулирования в гидробиоценозах.

Результатом этого явились значительное ухудшение качества природных вод вследствие снижения их способности к самоочищению, повсеместное возникновение изменений в гидросфере-части биосферы, наиболее чувствительно воспринимающей все стороны хозяйственной деятельности человека. В связи с этим возникла необходимость целенаправленного формирования кислородного баланса водоемов как эффективного метода активизации процессов самоочищения. С этой точки зрения искусственная аэрация природных вод как мероприятие, реально осуществимое на основании современной технической оснащенности, с каждым годом все более привлекает внимание специалистов различного профиля.

Существует три основных способа аэрации водных объектов: гидромеханический, химический и биологический. Два последних способа имеют ограниченный и специфический круг применения. Гидромеханический способ искусственной аэрации является наибо-

ВЕСТНИК 4/2008

лее эффективным средством доставки кислорода в водные объемы, и в связи с этим, наиболее массовым.

Переход воздуха в воду характеризуется следующими условно разделенными этапами:

- выход воздуха на границу двух сред за счет быстро протекающих в газе процессов диффузии и конвекции;

- переход газа через пограничный слой с ограниченной скоростью (диффузия);

- переход воздуха с пограничного слоя в толщу воды, в основном за счет конвекции со скоростью, прямо пропорциональной интенсивности перемешивания и разбавления водной массы.

На организации и обеспечении оптимальных по технико-экономическим и экологическим показателям условий протекания указанных явлений основываются принципы действия основных видов аэраторов- гидромеханических.

Интенсивность перехода (кислорода) воздуха в воду, характеризующая массобмен,

J = f ( AC; D; /

зависит от ряда факторов, по-разному влияющих на эффективность функционирования аэраторов:

В приведенной функциональной зависимости:

- AC = (Сн - С) - дефицит кислорода в воде-разность между концентрацией кислорода при 100 процентном насыщении воды Сн и текущей концентрацией - Ct;

- D - коэффициент переноса кислорода или коэффициент диффузии;

- Fф / Wф - отношение площади контактирования фаз «газ-жидкость» Fф к объему аэрируемой жидкости Wф.

Интенсификация массообменных процессов в технологических процессах осуществляется по следующим основным направлениям:

- увеличение удельной поверхности контакта фаз;

- повышение эффективности перемешивания;

- совершенствование способов осуществления контакта фаз;

- повышение скорости относительного движения фаз;

- использование нестационарных (по профилям скоростей, концентраций, температур) режимов межфазного обмена, достижение

высоких мгновенных значений коэффициентов передачи;

- проведение процессов массообмена в условиях гидродинамической

неустойчивости межфазной поверхности.

Важнейшую роль в массообменном процессе аэрации водных масс играют пульсационные движения жидкости, возникающие из-за турбулентного характера течений в аэрационных установках.

В отличие от ламинарного режима, для турбулентного характерно наличие пульсационных составляющих скорости, давления, концентрации, связанных с нестационарной природой этого вида движения. Таким образом, при турбулентном режиме основным механизмом, благодаря которому осуществляется перемешивание в направлениях, не совпадающих с направлениями осредненного течения, является хаотическое пульсационное движение элементов жидкости, определяемое как турбулентный перенос. В соответствии с этими представлениями перенос в турбулентном потоке описываются уравнениями диффузиями, в которых вместо коэффициента молекулярной диффузии вводится величина, характеризующая интенсивность пульсационных движений или степень турбулизации потока - коэффициент турбулентного переноса (диффузии). Отличительная особенность коэффициента турбулентной диффузии заключается в том, что он не является физической константой, как коэффициент молекулярной диффузии, а зависит от характеристик потока. Турбулентная диффузия связана известными зависимости с турбулентными пульсациями скорости потока.

Таким образом интенсификация массообменных процессов напрямую связана с поиском таких течений, которые могут формировать турбулентные поля максимально возможной интенсивности.

Среди различных конструкции аэраторов, использующих гидромеханический способ аэрации, большой интерес представляют контрвихревые системы.

Появление идеи, положенной в конструкцию контрвихревых систем аэрации, обусловлено двумя эффектами закрученных, коак-сиально расположенных течений. Первый - наличие приосевого разрыва сплошности с низким давлением в закрученном потоке жидкости и возникновение в этом разрыве воздухотранспортирую-щей способности при выходе этого потока в атмосферу. Второй -наличие значительного запаса энергии в виде зоны повышенной турбулентности на участке взаимодействия закрученных потоков, который может быть использован для диспергации воздушной струи и образования множества мелких воздушных пузырьков с большой площадью поверхности контакта фаз. Это очень важно, так как интенсивность диффузионного потока 1 через границу раз-

ВЕСТНИК МГСУ

4/2008

дела воздух-вода , как уже отмечалось выше, пропорционально площади контакта

Течение противоположно закрученных и коаксиально расположенных потоков характеризуется повышенной турбулентностью. В зоне взаимодействия двух потоков (см. рис.1.) возникают интенсивные сдвиговые напряжения в слоях жидкости. Системы с взаимодействующими противоположно закрученными потоками или контрвихревые системы за счет процессов диссипации могут гасить до 95-98% первоначальной энергии потока, определяемой напором. В начальном (входном) створе цилиндрической камеры наблюдается высокий градиент тангенциальной составляющей скорости пото-д и

ка воды по радиусу ^ ^ , практически стремящейся к бесконечности в сдвиговом слое на границе макровихрей (здесь и - окружная скорость потока в цилиндрической камере, г - радиус камеры). Это приводит к появлению вторичных вихрей, которые в свою очередь генерируют вихри следующего порядка малости и т.д. В зоне гашения энергии возникает интенсивная турбулентность. Диапазон частот весьма широк - от нескольких десятков герц до 400-500Гц. Такая структура течения двухфазных потоков предусматривает интенсивный массообмен, при этом широкий диапазон частот колебательных процессов в жидкости создает предпосылки для резонансных явлений, при которых массообмен интенсифицируется.

Лабораторные и натурные исследования рабочего процесса аэраторов показали, что уровень пульсации скорости, который определяет степень турбулентности движущейся водной среды достигает сверхвысоких значений. Так, среднеквадратичный нормированный стандарт пульсации окружной скорости доходит до 0,8. Важно отметить, следующее обстоятельство - уровень пульсаций высок и равномерен по всему сечению потока, что является отражением высокой скорости процесса турбулентной диффузии. Для сравнения скажем, что уровень турбулентности тривиальных высокоскоростных потоков воды составляет, как правило, 0,1-0,15.

Среди известных искусственно созданных течений жидкости не найдётся пожалуй ещё такого, где интенсивность пульсаций скорости были бы выше, чем в рассматриваемом типе течения.

Благодаря особым свойствам, которыми обладают закрученные потоки, создается эффективный механизм транспортирования воздуха в объем жидкости, используя турбулентность. В результате сложного массообменного процесса, происходящего в цилиндрической камере (зоне взаимодействия), вода насыщается кислородом воздуха (за счет диффузии) и аэрируется.

Далее, аэрированный поток попадает в водный массив, обеспечивая глубинную проработку объема за счет затопленных аэрированных струй, возникающих при работе аэратора. Глубина проработки, а так же зона распространения аэрации зависит от кинетической энергии выходящего из камеры смешения потока, от геометрических характеристик аэратора и от скорости движения прорабатываемого объема воды.

В замкнутых водоемах без проточности, а это в первую очередь относится к водоемам на урбанизированных территориях городов и поселков, аэрированные затопленные струи создают общую циркуляцию масс воды, вовлекая в процесс аэрации значительную часть объема. Этот фактор весьма важен для решения общей задачи улучшения качества воды в данном водоеме за счет насыщения кислородом. Он помогает бороться со стратификацией, вовлекая в процесс перемешивания различные по глубине слои воды.

Направленное регулирование кислородного режима за счет искусственной аэрации - наиболее эффективный путь оздоровления водоемов и управления внутриводоемными процессами для предотвращения отрицательных последствий нарушения экологического равновесия в водных экосистемах. Сейчас совершенно очевидным является тот факт, что без затрат дополнительной энергии невоз-

ВЕСТНИГ 4/2008

можно поддерживать этот процесс на должном уровне. Искусственная аэрация, как важнейшее водоохранное мероприятие, должна получить дальнейшее развитие за счет поиска новых инженерных решений, повышающих ее эффективность путем снижения энергоемкости и улучшения массообменных процессов.

К таким конструкциям можно отнести и описанный выше контрвихревой аэратор, идеи которого, заложенные в конструкцию, делают его весьма перспективным. На сегодняшний день уже работает ряд водооборотных установок, улучшающих и поддерживающих качество водоемов, в основе которых находится контрвихревой аэратор, являющийся эффективным средством доставки кислорода в массив воды.

Литература

1.Систер В.Г., Мартынов Ю.В. Принципы повышения эффективности теп-ломассобмеииых процессов. Издательство Н. Бочкаревой, 1998г.

2. Орехов Г.В. Использование искусственной аэрации на водоемах. Тезисы доклада. Научно-техническая конференция "Гидроэнергетика. Новые разработки и технологии". С.-Петербург. 7-9 декабря 2005г.

3. Волшаник В.В., Орехов Г.В., Зуйков А.Л., Карелии В.Я. Инженерная гидравлика закрученных потоков жидкости. "Гидротехническое строительство" 2000г., №11, стр. 23-26.

Ключевые слова: гидравлика закрученных потоков жидкости, контрвихревой аэратор, аэрация, массообменный процесс, тепломассоб-мен. насыщение кислородом, гидромеханический способ искусственной аэрации, турбулентность, качество водоемов.

Рецензент: профессор д.т.н. В.В.Волшаник