Содержание к диссертации
Введение
1. Современное состояние проблемы асептического опробования льда и подледниковых водоемов в целях микробиологических исследований 10
1.1. Научные и практические цели микробиологического изучения подледниковых водоемов 11
1.2. Подледниковое озеро Восток (Антарктида) 13
1.3. Существующие способы стерильного отбора микробиологических проб изо льда и глубин моря 16
1.3.1. Основные варианты разрабатываемых технических средств для изучения подледниковых водоемов 21
Выводы по главе 1 25
2. Способы экологически чистого отбора микробиологических проб из подледниковых водоемов 26
2.1.Методы отбора микробиологических проб из подледникового озера Восток 27
2.2. Пробоотборник ПСП-1 29
2.2.1. Расчет параметров дросселя 31
2.3. Пробоотборник ПСП-2 36
2.3.1. Расчет диаметров кассет блока биологических фильтров 40
2.3.2. Программа для выбора оптимальных конструктивных параметров блока биологических фильтров 46
2.4. Процесс отбора микробиологических проб из подледниковых водоемов 48
2.4.1. Подготовка скважины для осуществления отбора пробы из подледникового водоема 49
2.4.2. Стерилизация и сборка узлов пробоотборника 50
2.4.3. Отбор микробиологических проб и подъем пробоотборника на поверхность 51
2.5. Биологические находки из ледяного керна скважины 5Г-1 на станции Восток 52
2.6. Анализ имеющихся биологических фильтров 57
2.7. Методика проведения расчетов 59
2.8. Результаты расчетов 61
Выводы по главе 2 65
3. Содержание исследований 66
3.1. Методика теоретических исследований 66
3.2. Методика экспериментальных исследований 67
3.2.1. Разработка испытательного стенда 68
3.2.2. Методика обработки опытных данных 69
4. Экспериментальные исследования 70
4.1. Кассетный блок биологических фильтров 70
4.2. Лабораторные испытания кассетного блока фильтров 73
4.3. Экспериментальные исследования работы кассетного блока 77
4.4. Сопоставление опытных данных с результатами расчетного анализа... 78
Выводы по главе 4 79
Общие выводь1и рекомендации 80
Список использованной литературы 81
Приложение 1 90
- Существующие способы стерильного отбора микробиологических проб изо льда и глубин моря
- Программа для выбора оптимальных конструктивных параметров блока биологических фильтров
- Методика экспериментальных исследований
- Сопоставление опытных данных с результатами расчетного анализа...
Введение к работе
Актуальность темы: Одним из приоритетных направлений в антарктических исследованиях в ближайшие десятилетия будет комплексное изучение природы подледниковых водоемов, которые были обнаружены сравнительно недавно в Центральной Антарктиде под многокилометровым слоем льда.
Подледниковые водоемы находятся, как правило, ниже уровня моря во впадинах подледникового рельефа, а толщина льда над ними достигает 3-4 км. В настоящее время открыто 67 относительно небольших подледниковых озер и один крупный водоем. Длина этого подледникового водоема, получившего названия «озеро Восток», составляет 230 км, а площадь - около 16 тыс. км2.
Мощность ледника в районе станции Восток составляет 3750 м, а толща воды подо льдом - 670 м. Далее по разрезу между дном озера и поверхностью акустического фундамента наблюдается слой, отождествляемый с донными отложениями, которые имеют сложное строение и суммарную мощность от 90 до 330 м. Предполагается что, озеро пресное, изолированное от окружающей среды в течение миллионов лет, и поэтому оно может содержать живые реликтовые микроорганизмы.
Полученные в настоящее время характеристики подледникового озера Восток указывают наиболее благоприятное место проникновение в озеро. Это станция Восток, где относительно небольшая толщина ледника, значительный слой водной толщи и донных отложений, а также развитая инфраструктура станции для выполнения различных видов научных исследований, в том числе микробиологических.
Наиболее удобной точкой для проникновения в озеро является скважина 5Г-1, пробуренная на станции Восток. Глубина скважины составляет 3623 м. Комплексные исследования отобранного здесь ледяного керна показали, что с глубины 3538 м и до забоя ледниковая толща сложена конжеляционным льдом
5 - продуктом длительного последовательного намерзания озерной воды на нижнюю поверхность ледника. Непробуренную часть ледникового покрова от забоя скважины до границы лед-поверхность озера слагает конжеляционный лед.
По подсчетам российского гляциолога чл.-кор. РАН И.А. Зотикова на каждый квадратный километр тающей нижней поверхности льда будет выделяться около 20 тыс. м3 воздуха в год. Под действием давления более 30 МПа, возникающего из-за тяжести льда, весь воздух должен раствориться в воде и каждый литр ее будет содержать 0,1 л воздуха. Таким образом, в подледниковых водоемах создаются условия для поддержания жизни.
Во льду с глубин 3551м и 3607м были обнаружены три вида термофильных бактерий, аналоги которых развиваются в гидротермальных источниках активных областей океанов и континентов при температурах 40-60С.
В связи с этим выдвигается гипотеза о существовании в подледниковых озерах простейших форм жизни, не требующих процесса фотосинтеза. Не исключается также возможность обнаружения простейших микроорганизмов, попавших в озеро при таянии ледника с нижней его поверхности, возраст которых составляет несколько млн. лет. Наличие же живых микроорганизмов во льду в состоянии анабиоза экспериментально установлено и признано учеными практически всех стран, проводящих исследования в Антарктиде.
Конечно, это только начальные результаты, но они позволяют предположить существование биологических процессов, протекающих в полностью изолированной экосистеме. Исследование подледниковых озер, в частности озера Восток, может послужить основой для формирования более полного представления о начальных этапах развития жизни на Земле и представить доказательства или опровергнуть ту или иную гипотезу о происхождении жизни на нашей планете. Они позволят исследовать возможность существования жизни в столь экстремальных условиях или
убедиться в ее отсутствии в подледниковых водоемах. То есть озеро Восток это уникальная «капсула из далекого прошлого», открыв которую ученые смогли бы решить множество сложнейших нерешенных проблем в истории нашей планеты [8,21,23,29,38].
Доказательство существования жизни подо льдом возможно только путем решения ряда чисто технических задач, касающихся, прежде всего, вскрытия подледникового озера и проведения отбора проб подледниковой воды с соблюдением всех необходимых требований стерильности. На данном этапе общепризнанных методов отбора проб из подледниковых водоемов не существует. Этим объясняется актуальность работ по обоснованию и разработке эффективной технологии скважинного способа отбора микробиологических проб из подледниковых водоемов, исключающих их загрязнение.
Цель работы - научное обоснование эффективной технологии и создание технических средств для экологически чистого скважинного отбора проб из подледниковых водоемов.
Идея работы состоит в осуществлении отбора микробиологических проб непосредственно в озере путем фильтрации подледниковой воды через биологический фильтр скважинного пробоотборника, конструкция которого обеспечивает изоляцию отбираемой пробы от окружающей среды.
Задачи исследования. Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих конкретных задач:
анализ существующих методов и вариантов асептического отбора микробиологических проб и оценка их применимости при исследовании подледниковых водоемов;
разработка методики проведения экспериментов и обработки опытных данных по оценке влияния гидродинамических процессов на работу кассетного блока фильтров скважинного пробоотборника;
* разработка эффективной технологии и технических средств для
отбора проб из подледниковых водоемов;
разработка программы для ПК на основе полученных аналитических зависимостей и выполнение расчетного анализа степени влияния факторов, определяющих процесс отбора проб;
обоснование рациональной конструкции скважинного пробоотборника и изготовление опытного макета кассетного блока биологических фильтров;
* определение оптимальных режимов отбора проб, обеспечивающих
необходимые условия фильтрации больших объемов воды.
Методика исследований. Решение поставленных задач осуществлялось методом математического и расчетного анализа, а также путем экспериментальных исследований в лабораторных условиях. Этапы выполнения исследований:
обзор, анализ и обобщение материалов научных исследований по
указанной проблеме, обоснование цели и задач исследования; «о
обоснование способа экологически чистого отбора проб из
подледниковых водоемов на примере подледникового озера Восток;
построение и анализ математической модели гидродинамических процессов, происходящих в скважинном пробоотборнике при отборе проб;
разработка конструкции основного узла пробоотборника -кассетного блока биологических фильтров и эффективных режимных
^ параметров его работы;
экспериментальные исследования гидродинамических процессов при работе кассетного блока биологических фильтров;
компоновка пробоотборника и определение технологии отбора проб из подледниковых водоемов по результатам экспериментальных исследований.
# Основные защищаемые положения:
1. Технология отбора микробиологических проб скважинным пробоотборником, содержащим блок фильтров кассетного типа с параллельным подсоединением кассет, обеспечивает высокую эффективность опробования воды при минимально низком содержании в ней микрофлоры за счет увеличенной суммарной площади фильтров и увеличения объема исследуемой жидкости, многократно превышающей объем самого пробоотборника.
іі, 2. Обеспечение необходимого значения суммарной площади биологического
фильтра может быть достигнуто за счет равномерного распределения потока исследуемой жидкости в параллельно подключенных кассетах при величине кольцевого зазора в пробоотборнике, пропорциональной корню кубическому из отношения объемного расхода потока к падению давления в кассетах.
Научная новизна заключается в теоретическом и технико-технологическом обосновании возможности экологически чистого непрерывного отбора микробиологических проб из подледниковых водоемов, вскрытых глубокими скважинами, за счет применения скважинного пробоотборника, обеспечивающего пропускание объема опробуемой жидкости, многократно превышающего его внутренний объем.
Достоверность основных научных положений, выводов и рекомендаций, разработанных в диссертации, подтверждается достаточным объемом экспериментальных исследований в лабораторных условиях и удовлетворительной совпадением расчетных и опытных данных.
Практическая ценность диссертации состоит в разработке скважинного пробоотборника и методики микробиологического опробования подледниковых водоемов.
Реализация результатов работы. Испытания экспериментального образца
f основного узла пробоотборника - блока биологических фильтров показали
9
ф надёжность его работы при показателях, близких к расчётным, что позволяет
подготовить пробоотборник для экологически чистого отбора
микробиологических проб из подледникового озера на станции Восток в Антарктиде, запланированное на ближайший период работы Российской антарктической экспедиции.
Личный вклад автора заключается в постановке задач исследования и
разработке методов их решения, организации и выполнении теоретических и
экспериментальных исследований, а также разработке технических средств и
+ъ технологии.
Апробация работы. Основные положения и результаты исследований диссертации докладывались на научных конференциях молодых ученых «Полезные ископаемые России и их освоение» (СПб, СПГГИ(ТУ), 1999-2002.); международной научной конференции «Исследования и охрана окружающей среды Антарктики» (СПб, ГНЦ РФ - ААНИИ, 2002.); научной конференции «Современное состояние и перспективы развития механизации и электрификации горного и нефтегазового производства» (СПб, СПГГИ(ТУ), 2004.); «II Ферсмановской научной сессии Кольского отделения РМО» (Апатиты, 2005.); российско-французком семинаре «Восток 2005» (СП6~, 2005.); кафедре техники и технологии бурения скважин СПГГИ (ТУ) (2004.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 работ. На технические решения получен патент РФ на изобретение.
Структура и объем диссертационной работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав и заключения, изложенных на 110 страницах машинописного текста, включает 25 рис., 5 табл., список использованной литературы из 85 наим., в том числе 18 зарубежных.
*
Существующие способы стерильного отбора микробиологических проб изо льда и глубин моря
Бурение ледникового покрова на станции Восток начато сотрудниками тогда Ленинградского, а ныне Санкт-Петербургского горного института еще в 1969г. Основной задачей этих работ было получение непрерывной колонки льда (керна) для изучения строения, структуры, вещественного состава и динамики ледникового покрова Антарктиды.
Серийное оборудование для бурения скважин на глубину в несколько километров в Антарктиде по организационным и экономическим соображениям не может быть использовано, поэтому были разработаны специальные буровые снаряды на грузонесущем кабеле. При проходке снежнофирновых и ледовых отложений весьма эффективно был применен разработанный специалистами СПГГИ, комплект буровых снарядов: термобуровой снаряд для бурения «сухой» (не залитой низкотемпературной заливочной жидкостью) скважины ТЭЛГА-14М, термобуровые снаряды ТБЗС-152 и ТБЗС-112 для бурения с заливкой и электромеханические буровые снаряды КЭМС-152 и КЭМС-112. В результате на станции Восток пробурены три глубокие скважины, глубина которых превышает 2000 м: скважина №1 глубиной 2202 м (1985 г.), скважина №2 глубиной 2546 м (1989 г.). В 1999 г. на станции «Восток» была пробурена самая глубокая скважина во льду, глубиной 3623 м.
Керн, извлеченный из этих и других, не таких глубоких пробуренных на станции Восток, скважин подвергался многочисленным исследованиям -гляциологическим, геофизическим, микробиологическим, геохимическим и др. При проведении микробиологических исследований льда основное внимание было уделено соблюдению двух основных условий [2]:
- исключению попадания в пробу посторонней микрофлоры;
- обеспечению на всех этапах опробования таких условий, при которых находящиеся во льду микроорганизмы сохраняли бы свою жизнеспособность. Первое условие обычно достигается за счет стерилизации поверхности исследуемого образца известными методами термической, химической или лучевой стерилизации. Однако, при работе со льдом ни один из этих способов непригоден. Например, при термической стерилизации, которая является наиболее надежным и распространенным методом, на поверхности льда при сколь угодно высокой температуре всегда будет сохраняться пленка воды с температурой, близкой к 0С, в которой может сохраниться жизнеспособная посторонняя микрофлора.
Поэтому был предложен способ микробиологического отбора проб льда, вообще не требующий предварительной стерилизации его поверхности. Он заключается в повторном бурении по керну с помощью специальной установки для стерильного отбора проб из ледяного керна УСЛ-ЗМ [9]. Эта установка позволяет выплавлять внутреннюю часть образца льда (керна), при этом наружная его часть служит надежным экраном, изолирующим пробу от окружающей среды, так как доказано, что лед при отсутствии жидкой фазы и трещин непроницаем для микроорганизмов.
Наиболее ответственным моментом при отборе стерильной пробы является создание чистого участка на поверхности исследуемого образца, через который осуществляется отбор пробы. В установке УСЛ-ЗМ для этого предусмотрено специальное скалывающее устройство. Получение чистого участка поверхности скалыванием предпочтительнее любого другого метода, так как при этом не происходит контакта скалывающего инструмента с поверхностью скола и вероятность ее заражения посторонней микрофлорой сводится к минимуму.
Важнейшим условием квалифицированного отбора микробиологических проб является обеспечение заданного температурного режима на всех этапах опробования. Температура, близкая к 100С, является безусловно губительной для всех микроорганизмов, но некоторые из них могут погибнуть уже при
Поэтому технология отбора микробиологической пробы была разработана таким образом, чтобы максимальная температура на рабочей поверхности нагревателя не превышала 20С. Реальная же температура, замеренная на поверхности нагревателя с помощью хромель-копелевой термопары, оказалась в пределах от 6,2С до 13С.
Методика отбора проб предусматривает многоступенчатую систему контроля чистоты отбора пробы на всех этапах, начиная с предварительной стерилизации бурового снаряда и инструмента, использования контрольных тест-культур, наносимых на поверхность ледяного керна перед отбором пробы и кончая запаиванием стеклянной колбы с отобранной пробой до отсоединения ее от установки УСЛ-ЗМ. Обязательным условием является также отбор контрольной пробы из исследуемого отрезка керна после скалывания части образца для получения чистого участка его поверхности.
Поскольку микроорганизмы попадают в лед в момент его образования, их возраст соответствует возрасту льда, в котором они обнаружены. Исходя из средней величины осадконакопления (в пересчете на воду) возраст льда в районе станции Восток на глубинах около 3500 м составляет более полумиллиона лет.
Выполненные Бобиным Н.Е., Кудряшовым Б.Б. и Абызовым С.С. полевые и лабораторные исследования позволили экспериментально доказать возможность сверхдлительного анабиоза у микроорганизмов с сохранением способности к восстановлению жизненных функций при попадании в благоприятные для жизни условия. Это подтверждено научным открытием «Явление сверхдлительного анабиоза у микроорганизмов» [2].
Технология стерильного отбора проб изо льда для микробиологических исследований к настоящему моменту позволила провести исследование практически всей толщи антарктического льда. Она признана специалистами микробиологами многих стран (США, Япония, Франция и др.). Но применительно к отбору проб подледниковой воды она непригодна, так как основана на использовании наружного слоя льда в керне в качестве экрана, изолирующего внутреннюю часть керна, из которой отбирается проба, от окружающей среды. При отборе микробиологических проб из воды подо льдом необходима разработка принципиально иных методов опробования.
Для отбора проб воды для последующего микробиологического исследования разработано большое количество различных технических средств, но все они направлены на исследование воды только открытых водоемов, причем с небольших глубин. Единственным наиболее приемлемым вариантом для наших исследований могут являться технические средства для отбора микробиологических проб с глубин моря, так как у нас тоже, как и там наблюдаются большие давления и большая глубина погружения приборов.
В настоящее время основными приборами для взятия проб воды с глубин моря служат батометры, представляющие собой цилиндрические сосуды с клапанами или крышками, закрывающимися под водой на заданной глубине. Наиболее употребителен батометр морской БМ-48. Батометр (рис. 1.4) имеет длину 65 см, массу 4,3 кг, емкость 1л, он состоит из латунного цилиндра 4, окрашенного в белый или серый цвет. На обоих концах цилиндра имеются крановые затворы 2 со щелевидными отверстиями длиной около 60 и шириной 12 мм. Трение кранов регулируется спиральными бронзовыми пружинами, которые прижимаются к кранам гайками. К расширенным концам обоих кранов прикреплены два параллельных рычага 8, посредством которых краны закрываются и открываются. Концы рычагов соединены на шарнирах со штоком 12, этим достигается одновременность действия обоих кранов. Для предохранения запорных кранов от самопроизвольного открывания на штоке имеется конусный выступ, который при опрокидывании батометра заскакивает за прикрепленную к батометру пластинку 11 и тем самым прочно удерживает краны в закрытом состоянии. Прибор крепится к тросу с помощью зажимного устройства 9 на нижнем конце батометра и спускового устройства 1 на верхнем конце. Ударом посыльного груза, скользящего по тросу, батометр опрокидывается и закрывается на заданной глубине.
Программа для выбора оптимальных конструктивных параметров блока биологических фильтров
Основной задачей при разработке программы являлось выполнение условия равенства перепадов давления на всех кассетах (2.23), для этого в ней предусматривается ввод: наружного диаметра верхней кассеты Д, внутреннего диаметра корпуса блока D, диаметра канала потока d, см. (рис.2.7), а также т-количество кассет в пробоотборнике, шт. В результате после проведения расчета определяются наружные диаметры всех кассет блока и суммарная площадь биологического фильтра содержащегося во всех кассетах блока (рис.2.8). В главном диалоговом окне программы выполнен расчет для пяти кассет блока, из расчета видно что общая площадь используемого биологического фильтра (при пяти кассетах) составляет 205,8 см при этом габаритные размеры пробоотборника остаются постоянными и не превышают размеров имеющейся, пробуренной стандартным комплексом оборудования, скважины.
Увеличение количества кассет до десяти штук приводит к увеличению площади используемого биологического фильтра до 413,82 см2, и так далее. В результате проведенного расчета (при пяти кассетах) получили размеры наружных диаметров всех пяти кассет, с учетом этого кассетный блок биологических фильтров имеет вид (рис.2.9).
После проведения расчета по определению наружных диаметров кассет блока биологических фильтров необходимо провести проверку опытным путем параллельной работы всех кассет. Выполнение данной цели требует выполнения ряда практических задач: разработка конструкторской документации для изготовления макета кассетного блока биологических фильтров;
изготовление макета кассетного блока с учетом, полученных при расчете, наружных диаметров всех кассет;
разработка схемы опытного стенда для проверки параллельности работы всех кассет блока;
компоновка узлов опытного стенда и проведение лабораторных испытаний; анализ полученных результатов.
Весь процесс отбора микробиологических проб из подледниковых водоемов является сложной инженерно-технической задачей, решение которой осуществляется в несколько этапов:
1. Подготовка имеющейся, пробуренной во льду, глубокой скважины для осуществления отбора пробы скважинным пробоотборником из подледникового водоема.
2. Стерилизация и сборка узлов пробоотборника, обеспечивающая изоляцию и качество отбираемой пробы.
3. Отбор микробиологических проб и извлечение пробоотборника на поверхность.
4. Демонтаж пробоотборника и передача его основного узла кассетного блока фильтров в микробиологическую лабораторию. 49 Каждый из перечисленных этапов играет важную роль в получении точных конечных результатов микробиологического анализа воды из подледникового водоема. Учитывая это, подробно рассмотрим все эти этапы.
Как уже отмечалось ранее, наиболее удобной точкой для проникновения в подледниковое озеро Восток является скважина 5Г-1, пробуренная на российской антарктической станции Восток. Глубина скважины на данный момент достигла отметки 3623 м, а до поверхности подледникового озера остается всего порядка 130 м. В настоящее время в рамках Федеральной целевой научно-технической программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям науки и техники гражданского назначения» учеными СПГГИ и ААНИИ была разработана технология экологически чистого вскрытия подледникового озера Восток [61]. Предложенная технология подразумевает, при вскрытии подледникового озера, заполнение скважины подледниковой водой до выравнивания давлений, столба подледниковой жидкости и столба заливочной жидкости находящейся в скважине. В результате чего озеро изолируется, вновь замерзшим, льдом из воды подледникового водоема, что тем самым исключает попадание заливочной жидкости в воду озера.
Таким образом, после вскрытия подледникового озера специальным комплексом оборудования, пробоотборник на грузонесущем кабеле опускается в скважину до контакта с вновь замерзшим льдом, далее включается нижний нагреватель и пробоотборник попадает в озеро, талая вода, образующаяся при плавлении льда, является естественным стерилизатором наружной поверхности пробоотборника. В результате пробоотборник при погружении в озеро не нарушает уникальную водную экосистему.
Все узлы пробоотборника выполнены из материалов допускающих их нагрев до 200С с целью их стерилизации. Особое внимание уделяется стерилизации и сборке основного узла пробоотборника - кассетного блока, куда помещаются необходимые для микробиологического анализа фильтры.
Для выполнения всех необходимых условий стерильности предполагается использование имеющейся на станции Восток микробиологической лаборатории, которая имеет все необходимое оборудование (термостат, сушильный шкаф, насос и УФ лампы для стерилизации воздуха и наружных поверхностей оборудования и инструмента)[2].
Сборка кассетного блока фильтров, после предварительной стерилизации всех его деталей в автоклаве, должна производится в специальном стерильном боксе. Где в каждую кассету блока помещается биологический фильтр, далее необходимое количество кассет параллельно подсоединяют друг к другу и помещают в корпус кассетного блока. К собранному кассетному блоку подсоединяют электромагнитные клапаны, находящиеся в закрытом состоянии и только после этого помещают кассетный блок в пробоотборник, обеспечивая тем самым стерильность внутренней поверхности блока и исключая попадание микроорганизмов внутрь.
Пробоотборник содержит также еще один важный при отборе проб, узел стерилизации которого необходимо уделить особое внимание это насос посредствам которого исследуемая жидкость будет прокачиваться через фильтр. Конструкция пробоотборника подразумевает использование всасывающего насоса, причем насос будет располагаться после кассетного блока, что необходимо выполнить для условия чистоты отбираемой пробы, таким образом, подледниковая вода попадает в полости насоса только после фильтрации. Стерилизация полостей насоса необходима, для того чтобы вода после пробоотбора не загрязняла подледниковый водоем, поскольку простерилизованая вода перекачивается обратно в подледниковый водоем.
Методика экспериментальных исследований
В основу теоретических исследований гидродинамических процессов, происходящих в блоке биологических фильтров кассетного типа пробоотборника ПСП-2, положена методика аналитических исследований, разработанная профессором Кудряшовым Б.Б., и известные закономерности гидродинамики, в случае ламинарного и турбулентного режима движения жидкости.
Использованные при постановке и решении задач допущения и упрощения не искажают физического смысла и не оказывают существенного влияния на точность результатов, что позволяет получить достаточно простые конечные аналитические выражения и расчетные формулы, пригодные для инженерных целей.
Допустимость этих упрощений проверялась путем сравнения полученных значений с экспериментальными данными.
Результаты лабораторных исследований обрабатывались современными методами математической статистики.
Изучение влияния конструктивных факторов и внешних условий на гидродинамические процессы, происходящие в блоке биологических фильтров, проводились с помощью расчетного анализа и графических построений. Расчеты проводились с применением современной ПЭВМ типа Pentium по специально разработанной программе.
Целью экспериментальных исследований являлась: проверка надежности и работоспособности отдельных узлов и механизмов, а также проверка теоретических зависимостей, описывающих гидродинамические процессы в блоке биологических фильтров, при непосредственном отборе пробы воды из подледникового водоема, получение исходных данных для проектирования и разработки пробоотборника.
В экспериментальных исследованиях предусматривались два этапа.
Первый этап - лабораторные исследования работы кассет блока при их последовательном соединении.
Второй этап - испытания макета блока биологических фильтров на экспериментальном стенде.
В соответствии с целью исследования в процессе проведения экспериментальных работ решаются следующие задачи:
1. Разработка и изготовление испытательного стенда.
2. Испытание макета блока биологических фильтров и выбор оптимальных конструктивных параметров кассет блока.
3. Экспериментальная проверка полученных аналитических зависимостей.
4. Выбор оптимальных режимных параметров и отработка технологии процесса скважинного отбора проб из подледниковых водоемов. 3.2.2. Разработка испытательного стенда
При компоновке узлов испытательного стенда, основной задачей было доказать, что при последовательном соединении кассет блока их работа осуществляется параллельно. Это доказательство можно осуществить путем замера объема воды, проходящей через каждую отдельно взятую кассету блока. Для этих целей были внесены изменения в конструкцию блока биологических фильтров, а именно выполнены дополнительные отверстия в корпусе блока для отвода воды из каждой кассеты, произведена изоляция потоков жидкости, выходящих из каждой кассеты, друг от друга, за счет использования дополнительных уплотнений между кассетами и внутренней стенкой корпуса блока, установлена заглушка на центральное выходное отверстие. В результате получили следующую схему работы блока на испытательном стенде (рис.3.1).
Данные, полученные в результате экспериментальных исследований, обрабатывались методами математической статистики. При изучении гидродинамических процессов отбора проб в блоке биологических фильтров и в пробоотборнике в целом, выделялись систематические и случайные погрешности. Математическая теория погрешностей показывает, что можно уменьшить влияние этих погрешностей на окончательный результат измерений, если много раз повторить наблюдения в одних и тех же условиях, при этом необходимое и достаточное количество повторных замеров (п) определялось из выражений
Сопоставление опытных данных с результатами расчетного анализа...
Для этих целей на лабораторном стенде были установлены следующие условия:
1. Насос ЭЦН-91Б работал в установившемся режиме.
2. Все кассеты блока были изолированы друг от друга посредствам дополнительных уплотнений и имели отдельные приемные емкости.
3. Время работы каждой кассеты было постоянным и составило 30 с.
Для определения объемного расхода воды через каждую кассету блока проведена серия опытов. В табл.4.1 приведены величины объемного расхода.
Как видно из полученных результатов, объемный расход, проходящий через каждую кассету блока практически постоянен, все кассеты блока работают параллельно. Таким образом нам удалось доказать опытным путем пропорциональную зависимость размеров кассет блока от заранее заданных величин диаметров корпуса и верхней кассеты блока.
Первый этап экспериментальных исследований подтвердил правильность выполнения расчетов для определения конструктивных размеров кассетного блока это дает нам возможность перейти ко второму этапу экспериментальных исследований. 43. Экспериментальные исследования работы кассетного блока
Второй этап экспериментальных исследований заключался в выборе наиболее приемлемого типа биологического фильтра, который обеспечивал бы оптимальную работу кассетного блока, а также пробоотборника в целом в условиях приближенных к условиям исследуемого подледникового водоема.
Для этих целей в каждую кассету блока поместили фильтр, далее произвели прокачивание через него воды, замерили объемный расход жидкости через каждую кассету в течении 30 с. Результаты экспериментальных исследований сведены в табл. 4.2.
В результате при сравнении полученных результатов с расчетными получили (рис.4.4) подтверждение выбора мембранного фильтра для проведения отбора микробиологических проб из подледниковых водоемов с помощью пробоотборника ПСП-2, как наиболее эффективного при процессе фильтрации исследуемой жидкости. Выводы по главе 4
1. Результаты экспериментальных исследований подтверждают работоспособность основного узла пробоотборника - кассетного блока биологических фильтров.
2. Опытные данные, полученные в лабораторных условиях, дают качественное совпадение с расчетными данными по формулам, полученным аналитическим путем.
3. Отклонение расчетных данных от осредненных опытных не превышает ±10%, что вполне допустимо.
4. Для детального изучения процесса пробоотбора из подледниковых водоемов и отработки режимных параметров работы пробоотборника требуется проведение полевых испытаний натурного образца разработанного оборудования, что необходимо выполнить в условиях приближенных к антарктическим.
1. Разработанная технология отбора проб из подледникового водоема с помощью скважинных пробоотборников обеспечивает исследование проб воды неограниченного объема.
2. Предложенный способ экологически безопасного отбора проб из подледниковых водоемов может быть реализован на практике с помощью разработанного и защищенного патентом на изобретение №2244913, Б.И.№2, пробоотборника ПСП-2.
3. Данные, полученные при проведении лабораторных исследований процесса отбора проб из подледниковых водоемов, свидетельствуют о достоверности полученного приближенного аналитического решения и пригодности разработанной на его основе методики расчетов для обоснования конструктивных параметров кассетного блока биологических фильтров и проектирования режимов пробоотбора.
4. Разработанная математическая модель процесса отбора микробиологической пробы с помощью кассетного блока фильтров определяет режимы пробоотбора с учетом условий в подледниковых водоемах.
5. Проведенные исследования подтверждают эффективность отбора пробданным методом и позволяют наметить пути дальнейшего совершенствования скважинного пробоотборника и технологии отбора проб с его применением.
