Электронный научный журнал
Современные проблемы науки и образования
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,737

ЭКОЛОГИЧЕСКОЕ ОБУСТРОЙСТВО ВОДНЫХ ОБЪЕКТОВ НА ОСНОВЕ ВОЛНОВЫХ АЭРАТОРОВ ПОТОКА

Кузнецова Ю.А. 1 Ржепкин А.Ю. 1
1 ФГБОУ ВПО «Поволжский государственный технологический университет»
Предложена конструкция устройства для аэрации вод, работающая под действием ветровых волн на поверхности водоема. Для оценки эффективности работы предложенного устройства в прикладной программной среде MathCAD построена и реализована расчетная модель процессов, происходящих в аэраторе. Программа позволяет определить объем растворенного воздуха в трубке устройства, изменение давления воздуха в корпусе аэратора, скорость распространения волн давления в трубке аэратора, объем вытесняемого воздуха за период работы устройства. Для выбранных параметров вычислен объем вытесняемого воздуха за произвольный период работы устройства в зависимости от частоты колебаний и влияния гидроударных процессов. На основе уравнений Стритера – Фелпса в среде MathCAD построена модель кислородного баланса при наличии загрязнения. Получена зависимость концентрации кислорода от времени для принятых условно начальных параметров. Программа позволяет выполнить расчет для конкретных значений параметров, полученных в результате натурных измерений.
экология водоемов
аэрация жидкости
кислородный баланс
диффузия кислорода в жидкость
волновой аэратор
1. Габтрахманов И.Н. Проект волнового аэратора водоемов и водотоков / И.Н. Габтрахманов, научный руководитель – Ю.А. Кузнецова // «Научному прогрессу – творчество молодых», международная молодежная научная конференция по естественнонаучным и техническим дисциплинам (2012; Йошкар-Ола). 20–21апр. 2012 г. [Текст]: [материалы и доклады]: в 3 ч. / редкол.: В.А. Иванов [и др.]. – Йошкар-Ола: Поволжский государственный технологический университет, 2012. – С. 207-208.
2. Караушев А.В. Практические рекомендации по расчету разбавления сточных вод в реках, озерах, водохранилищах / А.В. Караушев, А.Я. Шварцман, М.А. Бесценная. – Л.: ГГИ, 1973. – 101 с.
3. Овсянников В.Г. Поверхностные механические аэраторы для биохимиче¬ской очистки сточных вод / В.Г. Овсянников // Тр. ВНИИ ВОДГЕО. – 1970. – Вып 23. – С. 57-58.
4. Попкович Г.С. Системы аэрации сточных вод / Г.С. Попкович, Б.Н. Репин. – М.: Стройиздат, 1968. – 136 с.
5. Родзиллер, И.Д. Научные и инженерные основы прогнозирования качества воды водоемов и их защита от загрязнения сточными водами / И.Д. Родзиллер. – М.: Наука, 1976. – 247 с.
6. Рябов А.К. Искусственная аэрация природных вод / А.К. Рябов, Л.А. Сиренко. – Киев: Наукова думка, 1982. – 202 с.
7. Усаковский В.М. Инерционные насосы / В.М. Усаковский. – М.: Машиностроение, 1973. – 200 с.

Одним из направлений совершенствования систем инженерно-экологического обустройства поверхностных водоемов и водотоков является создание эффективных, автономных и недорогих средств аэрации жидкости [3, 4, 6]. При попадании загрязнения в водоток начинается процесс его окисления, на что затрачивается растворенный в воде кислород. В результате концентрация кислорода в воде может значительно понизиться, что приводит к эвтрофированию водного объекта. Аэрация водоемов ускоряет окислительные процессы, тем самым способствуя их очищению.

В одномерном приближении процессы, формирующие кислородный баланс в реке при наличии органических загрязнений, описываются дифференциальными уравнениями [2]:

;

,

где – площадь поперечного сечения русла, м2; – расход воды, м3/с; – коэффициент скорости биохимического окисления загрязнения,1/c; – коэффициент скорости реаэрации, 1/c; – коэффициент продольной диффузии, м2/с; – биохимическое потребление растворенного кислорода, кг/м3; – концентрация растворенного кислорода, кг/м3; – концентрация растворенного кислорода выше створа выброса загрязнения, кг/м3.

Для ряда практических задач можно предположить, что формирование качества воды не зависит от конвективного переноса и диффузии вещества, тогда процесс кислородного баланса в реке при наличии загрязнения описывается дифференциальными уравнениями Стритера – Фелпса [5]:

где , – дефицит и концентрация кислорода, кг/м3; – коэффициент скорости биохимического окисления загрязнения, 1/c; – коэффициент скорости реаэрации, 1/c.

Величины коэффициентов и можно определить по данным натурных исследований или по эмпирическим зависимостям из уравнения Г. В. Стритера [2, 5] следует:

, где – начальная концентрация загрязняющего вещества, кг/м3; – концентрация того же вещества через время (сут), кг/м3.

Коэффициент скорости реаэрации характеризует скорость поступления кислорода из атмосферы при постоянной температуре. Этот процесс протекает до полного насыщения воды кислородом в пределах его растворимости при данных значениях температуры и давления.

Шедшилл, Элмор, Букингем [5] предложили определять коэффициент реаэрации по зависимости:

,

где – средняя скорость потока, м/с; – средняя глубина русла, м.

Анализ процесса диффузии кислорода в жидкость

Математическая модель изменения концентрации кислорода в воде при наличии загрязнений построена на основе уравнений Стритера – Фелпса [5] и балансового подхода Дж. Форрестера и реализована в программной среде MathCAD (рис. 2).

Рис. 2. Программа и результаты расчета зависимости концентрации кислорода от времени

В приведенном расчете приняты следующие значения исходных параметров:

- текущее время с;

- период определения БПК сут;

- продольный коэффициент турбулентной диффузии м2/с;

- средняя глубина потока м;

- продольная скорость водного потока м/с;

- фоновая концентрация загрязнения водного объекта кг/м3;

- концентрация загрязнения в створе выброса загрязнения кг/м3.

При необходимости расчет может быть выполнен для конкретных значений параметров, полученных в результате натурных измерений.

Конструкция устройства для аэрации вод

Предлагаемая конструкция (рис. 1) представляет собой поверхностный аэратор, работающий по принципу поршневого насоса, в качестве вытеснителя в котором выступает свободная поверхность жидкости, изменяющая свое положение за счет ветровых волн на поверхности водоема или водотока. В качестве корпуса может использоваться пластиковая бутыль, к которой присоединяется трубка для отвода и воздушный клапан для забора воздуха [1].

Рис. 1. Принцип работы волнового аэратора [1]:

а – фаза вытеснения воздуха из корпуса; б – фаза заполнения корпуса воздухом;

1 – клапан; 2 – корпус; 3 – трубка; 4 – груз

Работоспособность устройства была проверена в ходе лабораторных экспериментов в гидравлическом лотке лаборатории гидротехнических сооружений ФГОУ ВПО «ПГТУ». Результаты измерения концентрации кислорода при работе устройства хорошо согласуются с данными расчетов эффективности работы устройства представленными ниже.

Оценка эффективности работы предлагаемого устройства

Для расчета параметров аэраторов построена модель, использующая теорию возникновения гидроударных процессов в трубопроводе, при периодическом изменении давления в воздушной полости на одном из его концов [7].

Ниже приведена программа расчета параметров аэратора в программной среде MathCAD. Особенностью составленной в среде MathCAD программы расчета является возможность подбора материала трубки (вариант_1 – полиэтилен; вариант_2 – винипласт; вариант_3 – стеклопласт; вариант_4 – резина) с автоматическим вычислением модуля упругости, коэффициента Пуассона и плотности. Выбор материала осуществляется присвоением соответствующему материалу значения равного единице. При отсутствии варианта в качестве материала программой автоматически выбирается вариант_1 – полиэтилен.

Модуль упругости материала плавника, Па,

Коэффициент Пуассона,

Плотность материала, кг/м3,

В расчетах в среде MathCAD приняты следующие исходные данные:

- ускорение свободного падения м/с2;

- диаметр трубки м;

- толщина стенок трубки м;

- длина трубки м;

- площадь сечения трубки м2;

- изменение объема бутыли при волновых колебаниях м3;

- коэффициент растворимости воздуха при нормальных условиях ;

- плотность воды при температуре 20?С кг/м3;

- плотность воздуха при температуре 20?С кг/м3;

- скорость звука в воздухе м/c;

- давление насыщающих паров при температуре 20 град Па;

- модуль упругости жидкости Па;

- частота колебаний бутыли 1/с;

- период работы аэратора мин.

Далее приводятся результаты расчета, полученные для волнового аэратора с полиэтиленовой трубкой (вариант_1).

Скорость водо-воздушной смеси в трубке м/с.

Объем воды в трубке м3.

Объем растворенного воздуха в трубке м3.

Плотность водо-воздушной смеси кг/м3.

Напор насыщающих паров при температуре 20?С м.

Изменение давления воздуха в бутыли при изотермическом законе

м.

Изменение напора воздуха в бутыли при изотермическом законе

м.

Напор в трубке с учетом противодавления водяных паров , м.

Модуль упругости смеси , Па.

Скорость распространения по трубке волн изменения давления

м/с

Отношение модуля упругости смеси к модулю упругости материала трубки

Скорость ударной волны в трубке, м/с.

Повышение напора в первой фазе колебания бутыли (прямой гидравлический удар)

м.

Ударный параметр трубки .

Через время после уменьшения объема воздуха в трубке с возникает волна понижения напора , определяемая с учетом потерь напора в трубке, м.

Распространение этой волны вызовет образование в трубке скорости движения воды в обратном направлении м/с.

Падение напора м.

Волна понижения давления больше исходного напора в трубке , поэтому в трубке произойдет разрыв потока и установится напор

м.

Число выбросов воздуха за период работы аэратора .

Объем вытесняемого воздуха за период работы аэратора

м3.

Выводы

1. Для оценки потребности в кислороде и вычисления количества аэраторов заданной производительности построена математическая модель кислородного баланса при наличии загрязнения на основе уравнений Стритера – Фелпса. Реализация модели в среде MathCAD позволяет оценить величину и скорость биохимического потребления растворенного кислорода в зависимости от времени действия загрязнения.

2. Разработана конструкция устройства для аэрации вод на основе утилизации полиэтиленовых бутылей, включающая корпус, трубку для подачи воздуха, воздушный клапан, удерживающий груз, работающая под действием ветровых волн на поверхности водоема.

3. Построена и реализована в среде MathCAD модель процессов, происходящих в аэраторе, включающая выбор параметров материала трубки, ее геометрических характеристик и режима работы бутыли при волновых воздействиях. Вычислены объем растворенного воздуха, изменение давления воздуха в бутыли при изотермическом процессе, давление в газоотводной трубке с учетом противодавления насыщенных водяных паров, скорость распространения волн давления и скорость ударной волны.

4. Для оценки эффективности работы предлагаемого устройства вычислен объем вытесняемого воздуха за произвольный период работы аэратора в зависимости от частоты колебаний и влияния гидроударных процессов.

Рецензенты:

Полянин И.А., д.т.н., профессор, зав. кафедрой транспортно-технологических машин, ФГБОУ ВПО «Поволжский государственный технологический университет», г. Йошкар-Ола.

Царев Е.М., д.т.н., профессор, профессор кафедры технологии и оборудования лесопромышленных производств ФГБОУ ВПО «Поволжский государственный технологический университет», г. Йошкар-Ола.


Библиографическая ссылка

Кузнецова Ю.А., Ржепкин А.Ю. ЭКОЛОГИЧЕСКОЕ ОБУСТРОЙСТВО ВОДНЫХ ОБЪЕКТОВ НА ОСНОВЕ ВОЛНОВЫХ АЭРАТОРОВ ПОТОКА // Современные проблемы науки и образования. – 2014. – № 5.;
URL: http://science-education.ru/ru/article/view?id=14801 (дата обращения: 19.08.2019).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.252