Введение к работе
Актуальность работы. На большинстве российских атомных электростанциях (АЭС) используются оборотные системы технического водоснабжения с водоемами-охладителями (СТВ). СТВ АЭС данного типа состоят из двух частей – закрытой и открытой, условия в которых принципиально различны. Закрытая часть состоит из технических узлов и включает напорные бассейны, водоводы и теплообменное оборудование. Массовое развитие любых организмов, также как и попадание их отмерших частей в СТВ нежелательно и, с эксплуатационной точки зрения, рассматривается как возникновение биологических помех (биопомех), способных вызвать нарушение нормальной работы АЭС. Открытая часть СТВ – водоем-охладитель – является относительно крупным водным объектом многоцелевого пользования, экологическое и санитарно-эпидемиологическое состояние которого должно отвечать действующим природоохранным нормативам. По своему происхождению водоемы-охладители представляют собой либо искусственные водохранилища, либо модифицированные природные водоемы, морфология которых и гидрологический режим изменены в целях обеспечения работы СТВ АЭС. Во всех случаях, в водоемах-охладителях формируется биоценозы, уровень биоразнообразия которых сравним с сообществами организмов, существующими в других водоемах водохранилищного и озерного типов.
Обе части СТВ функционально взаимозависимы. Техногенные факторы, обусловленные работой АЭС, оказывают существенное воздействие на формирование экосистемы водоема-охладителя, а внутриводоемные процессы влияют на условия эксплуатации теплообменного и иного оборудования. В результате возникает природно-техническая система (ПТС) “АЭС – водоем-охладитель”. Аналогичным образом функционирует ПТС тепловых электростанций (ТЭС), в состав СТВ которых входят водоемы-охладители.
Одной из причин возникновения различных видов биопомех является поступление в закрытую часть СТВ природных взвесей, формирующихся в водоемах-охладителях и в совокупности обозначаемых термином «сестон». В состав сестона входят как неживые частицы (абиосестон), так и микроскопические организмы, постоянно или временно населяющие толщу воды (биосетон). В число последних входят личинки организмов-обрастателей, из которых наибольшее значение при эксплуатации Российских АЭС и ТЭЦ имеет моллюск дрейссена (Dreissena polymorpha Pallas).
Использование флотации для отделения взвесей из дисперсных систем широко применяется в различных технологических процессах. Этот же механизм может быть использован и для борьбы с биопомехами. Однако, в отличие от технологических дисперсных систем, взвеси, образующиеся в водных объектах, крайне разнообразны по своему фракционному составу и физико-химическим свойствам. Принципиально различается и роль отдельных фракций природных взвесей в возникновении биопомех. Поэтому простое копирование методов флотации, применяемых в техногенных целях, в данном случае нецелесообразно. Эффективная флотационная защита СТВ АЭС должна разрабатываться с учетом специфики экологических механизмов образования природных взвесей. Важным также является вопрос экологической безопасности предложенных методов. Только учет всех этих аспектов позволяет разработать режим работы флотационных устройств, соответствующий их конкретных задачам. Однако, до настоящего, времени целенаправленного изучения этой проблемы не проводилось.
Таким образом, проведение комплексных инженерно-экологических исследований, направленных на создание научной базы, необходимой для разработки методов флотационной защиты СТВ АЭС, в настоящее время представляется достаточно актуальным.
Цель работы – изучение экологических механизмов, приводящих к возникновению биопомех, обусловленных поступлением в систему технического водоснабжения АЭС природных взвесей (сестона), и исследование факторов, определяющих эффективность флотационной защиты.
В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:
-
Анализ экологических механизмов образования биологических помех в СТВ АЭС, обусловленных поступлением в них природных взвесей (сестона).
-
Сравнительная оценка эффективности и экологической безопасности методов, применяемых для борьбы с биопомехами, возникающими в результате развития дрейссены.
-
Системный анализ механизмов формирования дрейссеновых биопомех.
-
Изучение генезиса, состава, характера пространственного и временной динамики природных взвесей в водоеме-охладителе АЭС.
-
Изучение процесса флотации сестона на лабораторной установке и в ходе натурных экспериментов на водоеме-охладителе Курской АЭС.
-
Оценка эффективности метода флотационной защиты на основе комплексного анализа материалов натурных исследований и результатов экспериментов.
-
Разработка научно-методологических основ конструирования флотационных устройств.
-
Разработка проекта системы флотационной защиты СТВ АЭС. Оценка эффективности метода флотационной защиты.
Объект исследования – оборотная система технического водоснабжения АЭС, включающая насосные станции, теплообменное оборудование АЭС и водоем-охладитель с его биотическими составляющими.
Предмет исследования – флотационный метод защиты системы технического водоснабжения АЭС от биологических помех, обусловленных поступлением сестона и развитием дрейссены.
Рабочая гипотеза исходит из того, что природные взвеси (сестон), формирующиеся в водоеме-охладителе или поступающие в него из внешних источников, попадая с током воды в закрытую часть в СТВ АЭС, являются причиной образования комплекса биопомех. Особую значимость имеет проникновение в технические агрегаты свободноплавающей микроскопической личинки моллюска, входящей в состав природной сестона. Флотационная защита СТВ АЭС, являющаяся эффективной и экологически безопасной по сравнению с другими методами, применяемыми для борьбы с дрейссеной. Состав сестона весьма разнороден, принципиально отличается и роль отдельных видов частиц в формировании биопомех. По этой причине конструирование устройств флотационной защиты и оптимизация режима их работы должны осуществляться с учетом параметров, характеризующих природные взвеси.
Научная новизна диссертационной работы состоит в том, что впервые проведено целенаправленное комплексное изучение экологических механизмов образования биопомех, обусловленных поступлением в СТВ АЭС природных взвесей (сестона), результаты которого создают научно-методологическую основу для конструирования и эксплуатации устройств флотационной защиты. Разработана методика оценки эффективности метода флотационной защиты.
Практическая значимость диссертационной работы определяется возможностью использования ее результатов в качестве научно-методологической основы для:
конструирования промышленных установок флотационной защиты от биопомех и оптимизации режима их эксплуатации;
оценки экологической безопасности эксплуатации устройств флотационной защиты;
проектирования систем технического водоснабжения энергетических и промышленных объектов;
разработки профилактических и превентивных мероприятий, по снижению интенсивности образования в водоемах-охладителях природных взвесей, вызывающих биопомехи в работе СТВ АЭС;
разработки природоохранных нормативов и регламентов использования промышленных установок флотационной защиты СТВ АЭС от биопомех.
Обоснованность и достоверность результатов, полученных в работе, подтверждается данными натурных наблюдений и сопоставительным анализом результатов лабораторных экспериментов и натурных исследований в природно-технической системе.
Обоснованность и достоверность результатов, сформулированных в работе, подтверждается:
достоверностью исходной информации для анализа, определяемой использованием выборки большого объема собственных данных натурных и лабораторных исследований;
использованием апробированных и общепринятых методик измерений и статистических методов для обработки полученных результатов.
На защиту выносятся следующие положения:
-
Природные взвеси при попадании с током воды в закрытую часть СТВ АЭС являются причиной возникновения комплекса биопомех и вызывают значимые трудности в эксплуатации оборудования, а при определенных условиях могут привести к возникновению аварийной ситуации.
-
При разработке методов флотационной защиты личинки дрейссены следует рассматривать как важнейшую составляющую биосестона, характеризующуюся системой параметров, которые необходимо учитывать при конструировании и эксплуатации устройств флотационной защиты.
-
Система флотационной защиты СТВ АЭС должна включать несколько барьеров, размещенных на входе в водоем-охладитель и на входе в закрытую часть СТВ, поскольку сестон может содержать как автохтонную, так и аллохтонную составляющую.
-
Флотационная защита является более экологически безопасным способом борьбы с дрейссеновыми биопомехами, по сравнению с применяющимися с этой же целью химическими, физическими и биологическими методами.
Апробация работы. Результаты работы докладывались на 11ой, 12ой и 13ой Международный научно-технический конференциях студентов и аспирантов Московского энергетического института (Технического университета) (Москва, 2005, 2006 и 2007); на научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых "Молодые – наукам о Земле" Российского государственного геологоразведочного университета имени Серго Орджоникидзе (Москва, 2008).
Публикация. По теме диссертации опубликовано 9 работ, в том числе три статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.
Объем и структура работы. Диссертация изложена на 140 страницах машинописного текста и состоит из введения, 6 глав, выводов, списка литературы. Диссертация включает 28 таблиц, 35 рисунков. Список литературы содержит 128 наименований работ, из них – 108 на русском языке.
