Пруд-испаритель минерализованного дренажного стока
POND-EVAPORATOR OF MINERALIZED DRAINAGE FLOW

Предполагаемое изобретение относится к сельскому хозяйству, в частности к орошаемому земледелию, и найдет применение при утилизации минерализованного дренажного стока гидромелиоративных систем. Кроме того может найти применение при испарении сточных вод различного генезиса, минерализация которых сформирована преимущественно минеральными солями.
Известен пруд-испаритель дренажного стока, связанный с подводящим каналом посредством регулирующих сооружений, по поверхности которого размещены плавающие пластины со сквозными отверстиями и вставленными в них акселераторами испарения из гидрофильного капиллярно-пористого материала. Пруд-испаритель разделен перемычками на отсеки интенсифицированного испарения, гидравлически связанные между собой и подводящим каналом. По углам плавающих пластин выполнены отверстия, через которые пропущены вмонтированные в дно отсеков вертикальные стержни длиной, превышающей глубину максимального заполнения отсеков, снабженные фиксаторами верхнего и нижнего положения пластины. Каждая плавающая пластина имеет покрытие из гидрофильного капиллярно-пористого материала, выполненное с выступом за пределы ее нижней поверхности. Кроме того, пруд-испаритель снабжен дополнительными отсеками для аккумуляции и испарения промывной воды (Пат. Р.Ф. №2515041, МПК E02B 11/00, C02F 1/14, опубл. 2014, Бюл. №13).
Недостатками данного пруда-испарителя являются значительные затраты материалов, используемых при изготовлении элементов для увеличения площади испоряющей поверхности, сложность удаления солей с поверхностного и приповерхностного слоев элементов из пористых и капиллярно-пористых материалов.
Известен пруд-испаритель минерализованного дренажного стока, связанный посредством водорегулирующих сооружений с подводящим каналом и снабженный плавающими испаряющими элементами из гидрофильного капиллярно-пористого материала. Плавающие испаряющие элементы выполнены в виде покрытых гидрофильным капиллярно-пористым материалов полых перфорированных барабанов, закрепленных между двумя опорными поплавками с возможностью вращения вокруг своей горизонтальной оси с помощью торцевых полуосей, вставленных в размещенные по длине поплавков втулки, и снабженных механизмом их синхронного поворота на 180° и обратно. (Пат. Р.Ф. №.2527041, МПК Е02В 11/00, C02F 1/14, опубл. 2014, Бюл. №24).
К недостаткам данного технического решения относится возможность механического и биологического засорения акселераторов испарения барабанов с покрытием из капиллярно пористого материала в процессе их эксплуатации, снижающего его адсорбционные свойства; недостаточная эффективность вследствие экранирования поверхности отсеков плавающими испаряющими элементами, препятствующими прогреву воды солнечной радиацией.
Наиболее близким к предлагаемому устройству является пруд-испаритель дренажного стока, связанный посредством водорегулирующих сооружений с подводящим каналом и разделенный на отсеки, расположенные каскадом. Пруд-испаритель снабжен системой ветронаправляющих перегородок, основных и дополнительных, представляющих собой конструкцию из вертикально установленных и скрепленных между собой панелей. Основные перегородки расположены радиально к берегам пруда, а дополнительные - между ними под прямым углом к берегам. Пруд-испаритель дополнительно снабжен устройством для направления воздушного потока к поверхности воды, состоящим из панелей, установленных вдоль береговой линии с возможностью наклона в вертикальной плоскости в сторону водной поверхности пруда (Пат. Р.Ф. №2528006, МПК Е02В 11/00, опубл. 2014, Бюл. №25).
К недостаткам данного пруда-испарителя относится низкая эффективность испарения дренажного стока вследствие использования только одного действующего фактора - увеличенной скорости воздушного потока, площадь испаряющей поверхности, равная площади поверхности контакта воды и воздуха, ограничена размерами пруда-испарителя и остается практически постоянной, причем сам контакт происходит при параллельном протекании воздушных масс над зеркалом воды.
Устранить указанные недостатки позволяет предлагаемый пруд-испаритель минерализованного дренажного стока, связанный посредством водорегулирующих сооружений с подводящим каналом, разделенный на отсеки, снабженные системой вертикально установленных ветронаправляющих перегородок и устройством для направления воздушного потока к поверхности воды, в котором согласно изобретению, отсеки снабжены конструктивными модулями, размещенными в пределах отсеков пруда-испарителя и на его берегу, и содержащие опорную раму, с балками, на которых вертикально закреплены испарительные элементы в виде спирали шнека из гидрофильного открыто-пористого материала, при этом на берегу пруда установлена насосная станция, напорный трубопровод, которой подключен к распределительным трубопроводам, проложенным по балкам и снабженным водовыпусками у каждого испарительного элемента. Кроме того, опорная рама каждого конструктивного модуля размещена на фундаментных блоках выше поверхности воды или берега, кроме того каждый испарительный элемент имеет черный или близкий к нему по отражательной способности цвет, а в нижней части испарительного элемента смонтировано устройство для сбора солей, и кроме того, конструктивный модуль, расположенный на берегу, снабжен системой отвода возвратных вод в отсеки пруда-испарителя.
Новый технический результат от предполагаемого изобретения заключается в том, что снабжение пруда конструктивными модулями с испарительными элементами в виде спирали шнека из гидрофильного открыто-пористого материала в сочетании с ветронаправляющими перегородками и подачей дренажной воды на поверхность спирали шнека из водовыпусков обеспечивает интенсификацию процесса испарения за счет увеличения площади испаряющей поверхности и улучшения тепломассобмена между воздушными потоками и увлажненными испарительными элементами, форма которых, обеспечивает независимость интенсивности испарения от направления ветра.
Предлагаемое изобретение поясняется чертежами, где представлены: на фиг. 1 - принципиальная схема пруда-испарителя дренажного стока, вид в плане; на фиг. 2 приведен продольный А - А разрез на фиг. 1; на фиг 3 - принципиальная схема конструктивного модуля для интенсификации испарения (вид в плане); на фиг. 4 - продольный Д - Д разрез фиг. 3; на фиг. 5 - схема системы отвода возвратных вод от конструктивных модулей для интенсификации испарения, расположенных на берегу, в отсеки пруда-испарителя; на фиг. 6 - выделения соли NaCl на поверхности модели испарительного элемента из капиллярно-пористого материала (фотография). на фиг. 7 - поперечный Б - Б разрез на фиг. 1 ветронаправляющей перегородки; на фиг. 8 - поперечный В - В разрез на фиг. 1 устройства для регулирования направления воздушного потока в вертикальной плоскости.
Пруд-испаритель соединен с дренажным коллектором подводящим каналом 1, который занимает командное положение по отношению к пруду, разделенному перемычкой 2, снабженной водопропускным сооружением 3, на отсеки 4 и 5, расположенные в виде каскада (фиг. 1 и 2). Отсек 5 снабжен водосбросным трубопроводом 6 с задвижкой.
На берегах пруда установлена ветронаправляющая система, включающая основные перегородки 7, радиально расположенные по направлению к отсекам 4, 5 пруда-испарителя, и дополнительные перегородки 8, установленные между основными под прямым углом к берегам пруда-испарителя. Вдоль береговой полосы пруда-испарителя смонтировано устройство 9 для направления воздушного потока к поверхности воды.
Перегородки 7, 8 (фиг. 1) ветронаправляющей системы состоят из панельных конструкций, представляющих собой скрепленные между собой листы 10 из прочного материала, установленные вертикально с помощью опор 11 и растяжек 12 с анкерным креплением 13 (фиг. 7). В степных районах аридной зоны длина перегородок может составлять 50 - 70 и более метров при высоте 5-7 метров.
Устройство 9 вдоль береговой линии для направления воздушного потока, сконцентрированного ветронаправляющей системой, к поверхности пруда, состоит (фиг. 8) из панелей 14, размещенных на опорах 15 и снабженные системой тросов 16 с анкерами 17, обеспечивающих возможность наклона панелей 14 в вертикальной плоскости в сторону водного зеркала пруда-испарителя. Угол наклона панелей 14 к зеркалу воды равен tgα=Н/L, где Н - высота размещения панелей на опоре; L - расстояние от опоры до противоположного берега.
В пределах отсеков 4 и 5 пруда-испарителя и на его берегах (фиг. 1) преимущественно равномерно размещены конструктивные модули 18 и 19 для интенсификации испарения, гидравлически связанные посредством распределительной сети трубопроводов 20 с насосной станцией 21 с водозаборами из отсеков 4 и 5.
Конструктивные модули для интенсификации испарения в пределах отсеков 4, 5 - 18 и на берегу - 19 (фиг. 4) содержат опорную раму 22, например, в виде параллелепипеда, размещенную выше поверхности воды или поверхности земли на фундаментных блоках 23, испарительные элементы 24 в виде спирали шнека (фиг. 5), закрепленные вертикально на балках 25 и гидравлически связанные с распределительной сетью трубопроводов 20 и насосной станцией 21 посредством системы подводящих трубопроводов 26, водовыпусков 27 и питающих емкостей 28.
Спираль шнека 29 в нижней части снабжена устройством для сбора солей, выполненным в виде отрезка прямоугольной полосы 30 с емкостью 31 (фиг. 4).
Каждый водовыпуск 27 производит подачу воды в емкость 28 в объеме, обеспечивающем увлажнение спирали шнека 29. Каждая питающая емкость 28 имеет вид цилиндрического стакана, в дне которого выполнен ряд отверстий (не показаны), равномерно распределенных по радиусу дна емкости 28, для увлажнения спирали шнека 29.
Емкости 31 для сбора солей имею перфорацию дна для стока рассолов, их устанавливают в пределах нижнего пояса (не показан) опорной рамы 22 под каждым испарительным элементом 24, захватывая зону под элементом 30 спирали шнека 29.
Конструктивный модуль 19 для интенсификации испарения в пределах берега пруда-испарителя имеет аналогичную конструкцию и дополнен системой отвода возвратных вод в отсеки 4 и 5 (фиг. 5) в виде заглубленной приемной емкости 33 под каждым модулем и связанным с ней отводным водоводом 34.
Пруд-испаритель дренажного стока функционирует следующим образом: В период работы гидромелиоративных систем (апрель - октябрь для зоны орошаемого земледелия Юга Европейской части РФ) минерализованный дренажный сток из коллектора поступает по каналу 1 в отсек 4, где происходит его испарение и перепуск через водопропускное сооружение 3 в перемычке 2 в отсек 5, расположенный ниже по каскаду, а в отсек 4 подается свежая порция дренажного стока. В отсеке 5 происходит дальнейшая концентрация дренажного стока. Полученный концентрированный раствор отводится из пруда-испарителя по трубопроводу 6 при открытии задвижки. В течение теплого периода года цикл заполнения, концентрирования испарением и отведения сконцентрированного дренажного стока повторяется несколько раз.
Интенсификацию испарения в результате усиления скорости воздушного потока обеспечивают основные перегородки 7 ветронаправляющей системы, расположенные радиально к пруду-испарителю. Они осуществляют концентрацию воздушного потока и увеличивают его скорость над поверхностью воды в отсеках 4 и 5. Стабилизацию требуемого направления сконцентрированного воздушного потока обеспечивают дополнительные перегородки 8, размещенные между основными 7 под прямым углом к берегам.
Для повышения турбулентности движения воздушного потока непосредственно над водной поверхностью пруда и в пределах конструктивных модулей 18 служат панели 14, установленные на опорах 15 вдоль береговой линии пруда.
Насосная станция 21 забирает минерализованную воду из отсеков 4, 5 и по распределительной сети 20 подает ее к конструктивным модулям 18 и 19 для интенсификации испарения. В пределах модулей 18 и 19 вода по системе трубопроводов 26 через водовыпуски 27 поступает в питающие емкости 28, а затем через отверстия в дне емкостей 28 (не показаны) - на верхнюю часть поверхности каждой спирали шнека 29 испарительного элемента 24, увлажняя спираль шнека 29 и создавая условия для интенсивного испарения воды при любых направлениях ветра.
В зависимости от поставленной задачи: а) преимущественно концентрирование рассолов; б) получение солей и концентрирование рассолов, используют различный характер увлажнения испарительных элементов 24 во времени - постоянно (задача «а») и периодически (задача «б»). Возвратные воды в обоих случаях сбрасывают обратно в отсеки 4 и 5.
Поступление солей в емкости 31 обеспечивается в результате осыпания с поверхности элементов 29 и 30 под действием сил гравитации и ветра - фиг. 6.
По мере наполнения емкостей 31 соли удаляют механическим путем, обезвоживают центрифугой, высушивают, размельчают, фасуют в водонепроницаемую упаковку и хранят для будущего использования.
Таким образом, снабжение пруда конструктивными модулями с испарительные элементы в виде спирали шнека из гидрофильного открыто-пористого материала в сочетании с ветронаправляющими перегородками и подачей дренажной воды на поверхность спирали шнека из водовыпусков, обеспечивает интенсификацию процесса испарения за счет увеличения площади испаряющей поверхности и улучшения тепломассобмена между воздушными потоками и увлажненными испарительными элементами, форма которых обеспечивает независимость интенсивности испарения от направления ветра.