Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Городские водные объекты и задачи поддержания качества воды в них 10
1.1. Городская водная среда, ее современная роль и особенности развития 10
1.2. Классификация городских водных объектов 14
1.3. Основные пути поступления загрязнений в городские водные объекты 18
1.4. Основные показатели качества поверхностных вод на урбанизированных территориях 25
1.5. Необходимость и основные способы поддержания нормативного качества воды в водных объектах на урбанизированных территориях 30
1.6. Искусственный водооборот и аэрация водных объектов как простой и эффективный способ поддержания качества воды. Задача оптимизации параметров инженерных систем водооборотаи аэрации 37
Выводы по главе 1. Задачи диссертационного исследования 48
Глава 2. Инженерная система замкнутого насосного водооборота и струйно-вихревой аэрации и особенности выбора ее параметров 52
2.1. Состав основных сооружений системы водооборота и аэрации; факторы выбора компоновки основных сооружений 52
2.2. Некоторые конструктивные аспекты проектирования сооружений и оборудования систем водооборотаи аэрации 61
Выводы по главе 2 67
Глава 3. Обоснование параметров систем водооборота и аэрации по материалоемкости и материальным затратам 68
3.1. Определение производительности системы водооборота и аэрации по растворенному кислороду 68
3.2, Определение производительности системы водооборота и аэрации по нормативному водообмену 74
3.3, Влияние фактора стандартизации размеров водопроводящих труб и номенклатуры водяных насосов на харак тер зависимости материалоемкости системы водооборота 76
3.4. Графический метод оптимизации производительности системы водооборота по материалоемкости 77
Выводы по главе 3 104
Глава 4. Обоснование параметров систем водооборота и аэрации по гидрохимическому эффекту 107
4.1. Возможные режимы работы системы водооборота и аэрации в течение суток, недели и года 107
4.2. Графический метод оптимизации производительности системы водооборота по растворенному кислороду 109
4.3. Расчеты режима работы системы водооборота и аэрации по необходимому гидрохимическому эффекту 115
Выводы по главе 4 ,-. 134
Глава 5. Проекты систем водооборота и аэрации городских водных объектов 136
5.1. Система водооборота и аэрации на обезвоженном участ ке малой реки 136
5.2, Системы водооборота и аэрации на слабопроточных кас кадах прудов 138
5.3. Система водооборота и аэрации на непроточном пруду округлого очертания 149
5.4. Московские водные объекты, на которых целесообразно строительство систем водооборота и аэрации 154
Выводы по главе 5 155
Основные выводы и рекомендации 158
Литература
- Городская водная среда, ее современная роль и особенности развития
- Состав основных сооружений системы водооборота и аэрации; факторы выбора компоновки основных сооружений
- Определение производительности системы водооборота и аэрации по растворенному кислороду
- Возможные режимы работы системы водооборота и аэрации в течение суток, недели и года
Введение к работе
Актуальность работы. Мощное антропогенное воздействие на современную гидросферу в целом и, в частности, на небольшие водные объекты, расположенные на урбанизированных территориях, приводят к необходимости применения специальных инженерных систем для поддержания качества воды, поскольку естественной самоочистительной способности воды оказывается явно недостаточно для переработки массы загрязнений, поступающих в водные объекты с водосборной площади, из атмосферы, с грунтовыми водами. Большое количество водных объектов, требующих очистки и надлежащей эксплуатации, предполагает применение дешевых, но эффективных систем поддержания качества воды. В ряду многочисленных способов искусственного повышения самоочистительной способности воды следует выделить перемешивание и аэрацию водных масс, в результате которых в воде увеличивается содержание растворенного кислорода, обеспечивающего интенсификацию всех процессов биохимической очистки воды.
Инженерные системы водооборота и аэрации уже применяются на нескольких водных объектах Российской Федерации, однако продолжает оставаться нерешенной важная практическая задача определения наиболее эффективных и экономичных параметров отдельных элементов этих систем, среди которых основными являются насосное оборудование, напорные трубопроводы и аэраторы. Эксплуатационная эффективность и стоимость инженерной системы замкнутого насосного водооборота и струйно-вихревой аэрации зависит от многих технических факторов, в том числе компоновочной схемы, числа аэраторов, размеров трубопроводов, типоразмера и числа насосов, конструкции насосной станции.
В связи с изложенным выше представляется весьма целесообразной разработка методов обоснования выбора параметров сооружений и оборудования систем водооборота и аэрации, создание которых весьма актуально в современных условиях экологической реконструкции городской гидросферы.
Цель работы — разработка научно обоснованного инженерного метода экологической реконструкции загрязненных водных объектов на урбанизированных территориях. Основные задачи работы:
- выявить и проанализировать основные факторы, влияющие на состав и компоновку сооружений систем водооборота и аэрации городских водных объектов, на параметры и характеристики основного технологического оборудования;
- разработать методику обоснования выбора параметров систем водооборота и аэрации по критериям материалоемкости и материальным затратам;
- разработать методику обоснования выбора параметров систем водооборота и аэрации по критерию гидрохимического эффекта;
- проанализировать опыт проектирования систем водооборота и аэрации для малых городских водных объектов и разработать рекомендации по расширенному использованию этого опыта.
Конкретное личное участие автора в получении результатов исследований заключается в:
1. Выполнении аналитического обзора современного состояния и источников загрязнения городских водных объектов.
2. Обосновании экологической и экономической эффективности применения инженерных систем водооборота и аэрации в качестве постоянно действующих схем поддержания качества воды в городских водных объектах.
3. Разработке методик обоснования выбора параметров систем водооборота и аэрации по критериям материалоемкости и материальных затрат, а также по гидрохимическому эффекту.
4. Инженерном анализе параметров сооружений и оборудования систем водооборота и аэрации, реализованных и запроектированных для ряда малых водных объектов на урбанизированных территориях. Достоверность научных положений, выводов и практических рекомендаций, сформулированных в диссертации, подтверждается:
- достоверностью исходной информации для последующего анализа, определяемой использованием обширных фактических отечественных и зарубежных данных по экологическому состоянию городских водных объектов;
- использованием опробованных научных методов оценки экологического состояния и анализа причин загрязнения водных объектов;
- тщательным учетом физических и экономических характеристик материалов и оборудования, применяемых при разработке проектов систем водооборота и аэрации городских водных объектов.
Научная новизна результатов диссертации заключается в:
- формулировании научно-практического положения о необходимости постоянного поддержания качества воды в городских водных объектах с помощью специальных инженерных систем;
— разработке графических методов подхода к решению вопроса о выборе наивыгоднейших параметров сооружений и оборудования систем водооборота и аэрации городских водных объектов;
- предложении о назначении графика функционирования систем водо оборота и аэрации с учетом факторов, не относящихся к проблемам жизнедеятельности экосистемы водоема (рекреационный режим, та рифы на электроэнергию и т. п.), основанном на использовании свойства инерционности экосистемы.
Практическая значимость и ценность научной работы определяются возможностью непосредственного использования разработанных методов расчета и рекомендаций в практике проектирования специализированных организаций, занимающихся проблемами экологической реконструкции городских водных объектов.
Городская водная среда, ее современная роль и особенности развития
В крупном современном городе водные объекты поддерживают гомеостаз ландшафта, выполняют санитарно-биологическую, климатообразую-щую, культурно-историческую, рекреационную функции [19, 114, 132].
Особенностью водного объекта, находящегося в ландшафтно-архитектурной системе крупного города, в отличие от природного водного объекта, является то, что в отношении его не могут быть допущены процессы эвтрофикации. Эвтрофикация есть процесс постепенного изменения типа экосистемы: от речной, озерной, прудовой — к болотной. В настоящий момент человек способен воздействовать на этот процесс — либо ускорять, либо замедлять и даже останавливать. Горожане привыкают к тому, что на знакомом им месте находится пруд или озеро, и никакие ссылки на естественные процессы в водных объектах не смогут убедить их, что администрация города не виновата в том, что пруд умирает на их глазах. Городские водные объекты "обречены" существовать столько, сколько существует сам город, и их судьба всецело находится в руках квалифицированных специалистов [10, 13,31,71, 106].
В то же время малые реки, озера и пруды на территории крупного города подвергаются мощному антропогенному воздействию. Возрастание хозяйственной деятельности, использование рек, озер и их водосборных площадей, изъятие значительной части стока, отведение в реки загрязненных сточных вод приводят к прогрессирующему снижению качества воды [15, 22, 26, 51, 73,91,103,127].
Водность малых городских водотоков катастрофически снизилась вследствие безвозвратного отбора воды на бытовые и производственные нужды.
Гидрологический режим изменился в связи с обезлесиванием значительной части водосборной площади, стали более интенсивными весенние талые и дождевые паводки и уменьшились меженние расходы воды [21, 35, 41, 98, 144, 146, 149]. Качество воды ухудшилось из-за сброса в реки загрязненных вод после их бытового и промышленного использования [20, 33, 64, 77, 79, 80,104,107,129,142,143,151].
Интенсивное использование водных объектов для отвода поверхностного стока обуславливает сверхнормативный уровень их загрязненности, прежде всего по нефтепродуктам и взвешенным веществам (в 5-15 раз выше предельно допустимых норм) [53, 73, 95].
В черте города содержание загрязняющих веществ в малых реках по большинству показателей увеличивается в 2-3 раза по сравнению с фоновым в результате поступления загрязненных поверхностных и частично производственных сточных вод. Еще более плачевное состояние наблюдается с непроточными и малопроточными водными объектами, в которые, помимо упомянутых источников, поступает масса загрязнений из воздуха, до предела насыщенного выхлопными газами автомобильного транспорта [81,90,127].
Современное состояние водных объектов города характеризуется значительными изменениями их природных свойств и угнетением оставшихся в естественном состоянии рек и ручьев, что приводит к невозможности осуществлять в полной мере необходимые виды водопользования [69, 70].
Отсутствие очистных сооружений на водовыпусках водосточной сети, на которых устроены аварийные водовыпуски системы городской канализации, создает потенциальную опасность нарушения санитарно-эпидемиологического режима водных объектов города [75].
Качество воды в водных объектах, состояние дна препятствует использованию их в целях любительского рыболовства и проведению спортивных мероприятий. Неблагоприятное состояние прибрежных территорий, береговой линии и санитарно-эпидемиологическая обстановка на большинстве во доемов не позволяют использовать их для целей рекреации и отдыха [19, 20, 31,36,39,50,91].
Наличие несанкционированных свалок, открытые водовыпуски системы водостока, застройка пойменных территорий нарушают естественную ландшафтную структуру прибрежных и городских территорий. Нарушение естественных функций дренирования вызывает прогрессирующее подтопление городской территории во время выпадения интенсивных атмосферных осадков [14, 15, 73, 75, 90, 143].
Состояние большинства водных объектов и инженерных сооружений на них не соответствует современному уровню и темпам благоустройства городских территорий. Уникальная гидрографическая сеть города вместе с прилегающими территориями постепенно утрачивает функции экологического каркаса Природного комплекса [13, 20, 36, 51, 77,114,139].
Трудно надеяться на то, что в предстоящий обозримый период ситуация заметно улучшится по каким-либо организационным и тем более естественным причинам.
Только на территории крупнейшего в России города Москвы имеется около 140 малых рек и ручьев и 438 водоемов естественного и искусственного происхождения. Общая протяженность малых рек и ручьев в черте города, без учета реки Москвы, составляет 588 км, в том числе протяженность открытых русел — 315 км, Общая площадь водного зеркала прудов — более 1 тыс. га [100, 103].
Полностью открытые русла имеют только 44 реки и ручья, представляющих значительную экологическую и ландшафтно-рекреационную ценность для города. Полностью забраны в коллекторы 39 водотоков; остальные реки имеют открытые и закрытые участки русла [103, 104].
Состав основных сооружений системы водооборота и аэрации; факторы выбора компоновки основных сооружений
Наиболее важными для выбора основных параметров системы водооборота и аэрации городских водных объектов представляются следующие факторы.
1. Производительность системы водооборота и аэрации по расходу воды должна быть достаточной для оказания заметного эффекта по нейтрализации БШС и преодоления дефицита растворенного кислорода.
2. Производительность системы водооборота и аэрации по расходу воды и напору должна быть достаточной для обеспечения перемешивания воды во всем водном массиве, предотвращения образования застойных зон, равномерного распределения по акватории масс воды, насыщенных растворенным кислородом.
3. Мощность электродвигателей насосов и количество потребляемой ими электроэнергии должны находиться в разумных пределах, имея в виду ограниченные финансовые возможности, которые могут быть предусмотрены эксплуатирующими организациями для системы водооборота и аэрации.
4. Производительность системы водооборота и аэрации должна быть выбрана таким образом, чтобы имелся определенный резерв (по растворенному кислороду), который мог бы быть использован при возникновении критических ситуаций: сильный запах в жаркое время года; сильное цветение воды; особенно большой наплыв посетителей, залповый сброс загрязнений и т. п.
5. Основные параметры системы водооборота и аэрации должны соответствовать компоновочным и техническим требованиям ее создания — по размещению основных элементов; типу и количеству насосных агрегатов; числу аэрационных установок и т. п.
В техническом отношении система водооборота и аэрации представляет собой напорную насосную гидравлическую систему, замкнутую через массив воды в водном объекте. Аэрация (насыщение воды растворенным кислородом воздуха) в этой системе обеспечивается гидравлическими вихревыми аэраторами, устанавливаемыми в конце напорной линии насоса. Вихревые аэраторы (приложение 2) рекомендуются нами в силу их очень благоприятных технологических и экономических качеств, однако они не являются единственными устройствами, способными осуществлять эффективную аэрацию воды. Вместо или наряду с вихревыми аэраторами могут применяться аэраторы других типов, фонтаны, перепады уровней воды и другие способы аэрации.
Перемешивание воды во всем ее проектном объеме обеспечивается двумя разными путями в зависимости от особенностей водного объекта.
На участках рек и проточных каскадов прудов перемешивание обеспечивается за счет увеличения проточности при добавлении искусственно перекачиваемого расхода воды к естественному. В непроточных каскадах прудов и отдельных прудах перемешивание обеспечивается за счет инициирования вторичного течения. В каскадах прудов вторичное течение формируется в виде продольного течения из верхней ступени каскада в нижнюю. В непроточных прудах форма вторичного течения может определяться плановыми очертаниями водного зеркала. В случае продолговатого очертания пруда естественной формой вторичного течения будет продольное течение от одного конца пруда до другого; при небольшой ширине пруда перемешивание может затронуть весь массив воды в пруду. При округлом очертании пруда продольного движения может оказаться недостаточно для вовлечения в движение воды, находящейся вдалеке от вторичной струи, и в этом случае целесообразнее будет организация медленного вращения воды в пруду за счет соответствующего направления водовоздушной струи из камеры смешения струйно-вихревого аэратора или нескольких аэраторов. Состав сооружений системы водооборота и аэрации определяется ее основными назначениями; в систему входят: 1) водозабор (водоприемник); 2) всасывающий (подводящий) трубопровод от водозабора до насосной станции; 3) насосная станция или отдельно расположенный насос; 4) напорный трубопровод (трубопроводы) от насосной станции до аэраторов; 5) вихревые аэраторы в акватории водоема на стационарных или плавучих опорных конструкциях или на берегу.
На выбор компоновки сооружений системы водооборота и аэрации влияет множество факторов, основными из которых являются: 1. технологическая схема создания искусственного течения в водном объекте; 2. направление потока грунтовых вод, если этот поток пересекает массив воды в пруду; 3. ландшафти о-архитектурная организация пространства, окружающего водный объект, наличие на берегах капитальных строений, автомобильных дорог и других ограничений для нового строительства и др.
Выбор места расположения водозабора в случае создания системы водооборота на участке малой реки или на каскаде прудов имеет однозначное решение — водозабор должен располагаться по возможности в самой низкой точке (по течению) водного объекта.
В случае создания системы водооборота на продолговатом пруду водозабор должен располагаться у одного из концов пруда, желательно у того конца, ближе к которому располагается зона инфильтрации вод пруда в грунтовый поток, уже пересекший массив воды в пруду.
Определение производительности системы водооборота и аэрации по растворенному кислороду
Сутью процесса искусственной аэрации является подача в воду воздуха, из которого в воде растворяется кислород. При использовании вихревых аэраторов количество поступающего в воду воздуха определяется конструкцией аэратора; для расчетов количество воздуха может быть принято равным объемному расходу воды, поскольку для рассматриваемых условий значение коэффициента эжекции (отношение объемного расхода воздуха, засасываемого в аэратор, к объемному расходу проходящей через аэратор воды) может быть принято равным единице, по результатам многолетних опытов и натурных измерений, выполненных МГСУ [43, 46].
В случае применения вихревых аэраторов формирование масс воды, обогащенной растворенным кислородом, происходит в два этапа.
На первом этапе вода, перекачиваемая насосами, проходит проточную полость аэратора, где интенсивно протекающие гидроаэродинамические процессы обеспечивают наиболее эффективное растворение кислорода воздуха в воде. Как показали выполненные ранее исследования, количество растворяемого в проточной полости аэратора кислорода заметно зависит от исходного дефицита кислорода в воде, поступающей в систему водооборота. При наличии дефицита растворенного кислорода его содержание на выходе из камеры смешения аэратора составляет около 8 мгОг/л. Одновременно снижается и значение биохимической потребности в кислороде (БПК).
Как показали выполненные ранее измерения, из подаваемого в воду кислорода в вихревых аэраторах растворяется от 2% до 30%; большие значения отно 69 сятся к случаям аэрирования сильно загрязненных вод (БПК5 100мгО2/л), меньшие — к случаям аэрирования вод, имеющих низкие значения БПК5 (БПК5 и 0), но с дефицитом растворенного кислорода ( 1-2 мг02/л).
На основании анализа полученных ранее результатов лабораторных и натурных исследований эффективности растворения кислорода в воде в системах со струйно-вихревыми аэраторами [30, 32, 46, 61, 85, 134] в настоящей работе рекомендуется следующая эмпирическая формула для определения удельного количества кислорода т, растворяющегося в аэраторе в зависимости от значения БПКП0ЛН: тзБПКполя+4)5 мг02/л_ (ЗЛ) На втором этапе струйно-вихревой аэрации дополнительное растворение кислорода происходит в зоне интенсивного взаимодействия струи воды, насыщенной пузырьками воздуха и уже имеющей повышенное содержание растворенного кислорода, с прорабатываемым массивом воды. Зона распространения наиболее обогащенной растворенным кислородом воды может быть определена по результатам выполненных ранее [12, 34, 42, 47, 123] исследований по распространению аэрированной струи в массиве воды. По результатам этих исследований были сделаны следующие выводы.
1. Характеристики аэрированной струи определяются формирующими струю аэрационными аппаратами. В случае применения вихревых аэраторов характеристики струи, кроме этого, определяются высотным положением места выпуска струи из аэратора по отношению к поверхности прорабатываемого массива воды. Погружение сопла аэратора под уровень прорабатываемого массива воды неблагоприятно отражается на воздухосодержании и глубине распространения аэрированной струи, и, если для этого нет каких-либо особых причин, не рекомендуется при проектировании систем струйной аэрации с вихревыми аэраторами. Существует оптимальная высота расположения h сопла аэратора, равная примерно (0,8-1,6) его диаметра D0 и обеспечивающая формирование струи и наивысшим воздухосодержанием, отли 70 чающуюся максимальной глубиной h распространения и максимальным объемом прорабатываемого массива.
2. Изменение угла наклона аэрированной струи приводит к существенному изменению объема перемешивания. Существует зона оптимальных углов наклона (от 20 до 40 градусов к горизонту), при которых объем перемешивания имеет максимальные значения. Предпочтительной с точки зрения затраты энергии на функционирование аэрационной установки является аэрация, в том числе перемешивание воды, с помощью более аэрированной струи.
Судя по данным рис. 3.1 [123], длина 1 распространения видимой (пузырьковой) зоны аэрированной струи для принятых нами аэраторов может составить до 120 i/D0) а глубина погружения примерно h/D0. Следует заметить, что после того, как струю покинут все пузырьки воздуха, она будет продолжать свое движение со скоростью примерно 20 см/с, разнося порции воды, обогащенной растворенным кислородом, на значительное расстояние от места выпуска аэрированной струи в воду.
Возможные режимы работы системы водооборота и аэрации в течение суток, недели и года
Для работы насосов системы водооборота и аэрации нужна энергия. В общем случае, может использоваться любой источник первичной энергии. Например, в МГСУ испытывалась автономная установка с собственным электрическим приводом, питаемым энергией от ветроколеса, и разработана установка с прямым приводом насосного колеса от ветродвигателя. В Московском энергетическом институте испытана аэрационная установка с насосом, питаемым электроэнергией от солнечных фотоэлектрических батарей. Существуют мощные аэрационные установки с приводом от дизельных двигателей.
Однако представляется, что в условиях плотной городской застройки наиболее применимыми будут электронасосы, питаемые от городских электроэнергетических сетей. Это значит, что режим работы насосов системы водооборота и аэрации теоретически может быть не связан с какими-либо ограничениями, вызванными особенностями энергопитания, и может выбираться с учетом технологических требований к системе водооборота. Исходя из этого, можно предусматривать работу системы в постоянном или прерывистом режиме, определяемым потребностями водного объекта в растворенном кислороде и кратности водообмена.
В то же время, необходимость финансовых затрат на оплату потребляемой электроэнергии определяет целесообразность более глубокого анализа возможных режимов работы системы водооборота, в котором должны быть оценены два фактора — экологические последствия приостановки на какое-то время действия системы водооборота и аэрации и эффективность включения системы водооборота и аэрации в такое время (суток), когда тарифы на электроэнергию ниже.
К сожалению, ни из литературных источников, ни из анализа собственных исследований не удалось получить информации об изменениях количества растворенного кислорода в воде в городских водных объектах за сравнительно короткие промежутки времени, измеряемые часами или, в крайнем случае, сутками. Опыт эксплуатации городских водных объектов косвенно свидетельствует, что экосистема пруда достаточно инерционна и не подвержена существенным изменениям в течение промежутков времени, измеряемых несколькими часами,
Если согласиться со справедливостью такого предположения, можно говорить о том, что с целью экономии финансовых затрат на оплату электроэнергии целесообразно не эксплуатировать систему водооборота круглосуточно, а выключать ее через некоторые промежутки времени, длительность которых должна быть такой, чтобы к концу периода остановки системы содержание растворенного кислорода в воде не снизилось бы ниже допустимых значений.
Исходя из этого, наиболее предпочтительными условиями для включения системы водооборота можно было бы считать: - работу в ночное время в часы низкого ночного тарифа на электроэнергию при наличии в городе подобного двухставочного тарифа; - работу в выходные и праздничные дни при большом наплыве посетителей на берега водного объекта рекреационного назначения; - работу в жаркие летние дни при опасности снижения содержания растворенного кислорода в связи со снижением его растворимости в воде; - работу в случае аварийного загрязнения воды в водном объекте и в других подобных случаях.
Имея в виду сказанное, ниже выполнены расчеты и построения с целью определения удельных показателей производительности системы водооборота и аэрации по растворенному кислороду — основной "продукции" функционирования системы — для разных по продолжительности периодов времени. В том числе предполагается, что большинство городских водоемов, не выполняющих особую экологическую, рекреационную или технологическую нагрузку, не будут требовать искусственной аэрации в зимний период года.
