CC BY
78
УДК 628.35 : 628.19 : 628.394
АНАЛИЗ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРИМЕНЯЕМЫХ ТЕХНОЛОГИЙ И ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ ЗАЩИТЫ И ВОССТАНОВЛЕНИЯ КАЧЕСТВА ВОДНЫХ ОБЪЕКТОВ
Меркулова Т. Н. - к. т. н.
Гордели Н. Н. - студентка
ФГОУ ВПО "Новочеркасская государственная мелиоративная академия"
В статье приводится анализ эффективности работы над современ-ными средствами защиты водных объектов от загрязнений. Пред -ставлены конструктивные особенности тканевых наплавных конст -рукций, предназначенных для повышения эффективности работы биоинженерных сооружений.
Отечественный опыт применения мягких гидротехнических конструкций (МГК) насчитывает более 50 лет. Производственное использование в водохозяйственном и мелиоративном строительстве МГК получили во второй половине шестидесятых годов прошлого века, основоположниками этого являлись профессора Б.И. Сергеев (Новосибирск, Новочеркасск), А.Л. Можевитинов (Санкт-Петербург), Н.П. Розанов (Москва). Наиболее широкое внедрение в практику мелиоративного и водохозяйственного строительства МГК получили в 70-е годы ХХ столетия. Как показывает анализ литературных источников [1-5], широкому внедрению МГК в производство предшествовали следующие этапы.
Первый этап - появление первых конструктивных и теоретических идей, основанных большей частью на интуитивных представлениях (40-е и 60-е годы ХХ века).
Второй этап - разработка теоретических основ конструирования,
базирующихся на широкомасштабных лабораторных и натурных исследованиях (60-70 годы ХХ века).
Третий этап - дальнейшее развитие теоретической базы по созданию новых конструкций и их расчет при статической и динамической нагрузках, широкомасштабные производственные испытания различных типов МГК и налаживание их серийного изготовления (с середины 70-х годов по настоящее время).
Четвертый этап - широкое внедрение МГК в водохозяйственную, топливно-энергетическую, сельскохозяйственную и другие отрасли народного хозяйства. Дальнейшее эволюционное совершенствование существующих, создание новых конструкций МГК и расширение области их применения в различных технологических схемах управления качеством и защиты водных объектов от загрязняющих веществ.
За последние 25 лет теория, производство и эксплуатация мягких гидротехнических конструкций в отечественной практике достигли четвертого этапа. Одной из основных предпосылок быстрого развития нового конструктивного направления в области водного хозяйства и мелиорации является задача создания теоретической базы расчета и конструирования, при решении которой, возникали значительные трудности.
Во-первых, сложность явлений, наблюдающихся при работе МГК, это вызывает определенные затруднения при математическом описании и исследовании происходящих процессов.
Во-вторых, большинство методов и результатов гидравлики, строительной механики относится к жестким (из традиционных материалов) сооружениям, и переход к МГК потребовал пересмотра установившихся воззрений и гипотез.
Из смежных областей науки, как отмечается в работах профессора В. А. Волосухина, наиболее тесно связаны с теорией мягких оболочек без-моментная теория тонких оболочек, теория пластинок и мембран, теория
изгибания поверхностей, теория висячих систем [2; 4].
Применительно к водохозяйственной отрасли в отечественной практике идея создания "парусного" затвора (прототип плотин мембранного типа) была высказана в 1929 г. и обоснована в 1932 г. авторами отчета Г.Н. Красниковым, Е.С. Кузнецовым, М.А. Липшицем и Н.П. Розановым. Дальнейшее развитие идеи по созданию МГК нашло отражение в работах
A.Г. Воробьева, А.Л. Можевитинова, К.И. Страхова, С.М. Проскурникова. При переходе от первого этапа ко второму наиболее значительны работы О.Г. Затворницкого, Н. Anwar.
На втором и в начале третьего этапа значительный вклад в развитие теории расчета и конструирования внесли работы профессора Б.И. Сергеева, В.А. Волосухина, которые явились основой создания научной школы по разработке и применению МГК в отечественной практике.
На третьем и в начале четвертого этапа в разработку общей технической теории расчета и конструирования МГК наиболее весомый вклад внесли работы В. А. Волосухина, В. Л. Бондаренко, В.Н. Щедрина, Т.П. Каша-рина, Ю.М. Косиченко, Ю.А. Свистунова.
Наряду с этими работами определенный вклад в развитие данного направления внесли работы И.П. Петрова, А.П. Назарова, В.И. Кашарина,
B.Б. Ковшевацкого, В.М. Федорова, А.В. Крошнева, М.И. Пономаренко и др .
Дальнейшее развитие нового конструктивного направления в водохозяйственной отрасли характеризуется созданием многообразия конструктивных решений, которые получили широкое применение на практике. Одним из таких конструктивных направлений из семейства МГК является направление, связанное с разработкой и практическим применением тканевых наплавных конструкций.
Тканевые наплавные конструкции (ТНК) представляют собой незамкнутую "цилиндрическую" оболочку, размещаемую в водном потоке,
верхняя кромка которой крепится к системе поверхностных поплавков, а нижняя кромка - к системе донных якорей.
Конструктивная и функциональная особенности ТНК заключаются в максимальной адаптивной способности конструкции к изменениям внешних воздействий и в возможности управлять (регулировать) гидравлической структурой потока в зоне действия сооружения.
В настоящее время применение различных типов ТГК осуществляется при разработке новых или совершенствовании имеющихся технологических схем по регулированию и управлению качественными показателями на водных объектах.
При разработке тех или иных технологических схем управления и регулирования качественными показателями на водных объектах в отечественной практике применительно к конкретным технологическим схемам разрабатывают новые или усовершенствуют существующие конструкции МГК, которых насчитывается более 2000.
Для достаточно широкого круга различных технологических схем регулирования и управления качественными показателями на водных объектах разработаны базовые конструкции, которые включают в себя тканевые наплавные конструкции (ТНК), тканевые конструкции мембранного типа (ТКМ), тканевые конструкции наполняемого типа (ТКН) и гибкое полотнище.
Наиболее широкое применение в разработке новых и совершенствовании существующих технологических схем по регулированию и управлению качественными показателями на водных объектах, как уже отмечалось выше, получили ТНК, которые могут устанавливаться на любых водоемах с глубиной до 15 м и по длине имеют любую протяженность. На практике их длина достигала 1 км (проект Смоленской АЭС).
Если в технологических схемах доочистки сточных вод применяются только сооружения механической и искусственной биологической очист-
ки, снижение загрязняющих взвешенных и органических (по БПК) веществ происходит до 15 мг/л, азота и фосфора в среднем на 40 %. Для очистки сточных вод до нормативных показателей кроме механической и биологической очистки устраивают специальные сооружения доочистки.
Согласно нормативным требованиям, концентрация взвешенных и органических (по БПК) веществ в сточных водах, отводимых в водный объект, должна составить 3-5 мг/л, азота аммонийных солей (по К) и фосфатов (Р205) - 0,5 мг/л, нитритов - до 0,02 мг/л, нитратов - до 10 мг/м [7].
В настоящее время на практике используются следующие сооружения доочистки сточных вод: фильтрующие колодцы, биологические пруды и сооружения искусственной очистки.
Отечественная и зарубежная практика показывает, что биологические пруды с естественной и искусственной аэрацией являются наиболее экономичными в материальных затратах и наиболее надежными в функциональном отношении. В них снижение содержания загрязняющих взвешенных и органических (по БПК) веществ доходит до 5 мг/л, а также наблюдается уменьшение содержания биогенных элементов и бактериальных загрязнений.
Одним из важных технологических элементов биологических прудов является насыщение кислородом водной среды. При использовании обычных (традиционных) конструкций биологических прудов насыщение водной среды кислородом происходит через контакт водной поверхности с воздушной средой, что вызывает необходимость поддержания глубины воды, не превышающей 1 м.
Для увеличения функциональной эффективности (скорости доочист-ки) биологических прудов вводят искусственную аэрацию, что позволяет увеличить глубину воды в прудах до 3,5 м и соответственно уменьшать занимаемые пространственные территории под биологические пруды.
Искусственная аэрация, или насыщение кислородом водной среды,
может производиться гидравлическим путем или искусственным нагнетанием сжатого воздуха по перфорированным трубам в водную среду. Если учитывать современную стоимость энергоносителей, то насыщение водной среды кислородом путем подачи сжатого воздуха становится очень энергоемким и дорогостоящим способом. Поэтому наиболее перспективным является гидравлический способ аэрирования водной среды на биологических прудах.
Гидравлическая аэрация водной среды в биологических прудах предусматривает создание оптимальной гидравлической структуры потока, как в плане, так и по глубине.
При использовании конструкций из традиционных материалов, как показывает анализ опыта их эксплуатации, уровень аэрации повышается незначительно, и функциональная эффективность используемых сооружений в отдельности и биопруда в целом невысокая. Объясняется это тем, что конструкции, выполненные из традиционных материалов (бетона, металла) взаимодействуют с потоком воды в статическом режиме, т.е. пассивно воздействуют на поток воды, проходящий через сооружение.
При изменении уровней воды в биологическом пруде (увеличение или уменьшение глубин) установленное сооружение не меняет своих геометрических параметров и соответственно изменяется (становится меньше) его функциональная работоспособность по насыщению водной среды кислородом.
В случае возникновения аварийной ситуации на технологических элементах системы очистки сточных вод, когда возможен залповый выброс загрязненных вод в биологический пруд доочистки, конструкции из традиционных материалов не способны в необходимой мере защитить акваторию пруда от планового распространения неочищенных сточных вод по акватории пруда с последующим их попаданием непосредственно в водный объект. Так, например, при анализе инженерной схемы ботаниче-
ской площадки, которая используется для доочистки промышленных сточных вод, все ограждающие элементы выполнены из традиционных материалов, что не позволяет в полной мере эффективно управлять гидравлической структурой потока при прохождении его через секции. В процессе эксплуатации ограждающие и разделительные элементы такой ботанической площадки быстро изнашиваются и требуют значительных ресурсных затрат на их восстановление для поддержания функциональной работоспособности сооружения в целом.
Наряду с проходящими процессами доочистки сточных вод в биологических прудах также протекают процессы самоочищения. Установлено, что процессы самоочищения функционально зависят от ряда параметров, определяющих интенсивность внутриводоемных процессов. Так, на скорость самоочищения от органических веществ влияют: температура воды, концентрация растворенного кислорода, биомасса, произрастающая в пруде, и активность микрофлоры.
Следовательно, чтобы управлять процессами самоочищения (ускорять, замедлять), необходимо создавать определенные гидравлические, температурные и др. условия, направленные на увеличение или уменьшение насыщения воды кислородом, изменение температуры в слоях водной среды, интенсификацию роста биомассы и активности микрофлоры или, наоборот, их снижения.
Управление процессами насыщения водной среды кислородом, изменение температуры в слоях водной среды может быть достигнуто различными сооружениями или устройствами, которые размещаются на водной акватории биопруда. Анализ конструкций из традиционных материалов и конструкций, выполненных из высокопрочных тканевых материалов, показывает, что конструкции из тканевых материалов (ТГК) по всем техническим и функциональным параметрам превосходят конструкции из традиционных материалов.
Отличительными конструктивными особенностями ТГК являются: гибкость, мобильность, трансформируемость при изменениях нагрузок, высокая адаптивная способность к изменяющейся внешней среде, в данном случае водной, и др.
Для управления гидравлической структурой потока, насыщения кислородом водной среды, перемешивания донных слоев (с более низкой температурой) с поверхностными слоями (более теплыми) по всей площади биологического пруда могут быть использованы мягкие наплавные конструкции. Применительно к выполняемым функциональным задачам наиболее приемлемыми являются ТНК, которые принимаются в качестве базовых для совершенствования технологий доочистки сточных вод, защиты водной среды биологического пруда от загрязнения при аварийных сбросах неочищенных сточных вод и интенсификации процессов самоочищения воды на биологических прудах после технологических процессов очистки и доочистки сточных вод.
Список литературы
1. Гареев, А. М. Оптимизация водоохранных мероприятий в бассейне реки (географо-экологический аспект) / А. М. Гареев. - СПб. : Гидрометеоиздат, 1995. -200 с.
2. Волосухин, В. А. Геометрические уравнения тканевых оболочек при больших перемещениях : учеб. пособие / В. А. Волосухин. - Новочеркасск : НИМИ, 1993. - 30 с.
3. Волосухин, В. А. Тканевые и сетчатые конструкции в водном хозяйстве : учеб. пособие / В. А. Волосухин, В. Л. Бондаренко. - Новочеркасск : НИМИ, 1994. -100 с.
4. Волосухин, В. А. Основы теории и методы расчета тканевых сооружений мелиоративных систем : Монография / В. А. Волосухин, В. А. Кузнецов. - Новочеркасск : НГМА, 2001. - 266 с.
5. Воробьев, А. Г. О расчете мягкой наливной плотины / А. Г. Воробьев // Вопросы гидротехники : Тр. НИИВТа. - Новосибирск, 1968. - Вып. 38. - С. 47-56.
6. Восстановление и охрана малых рек: Теория и практика : под ред. К. К. Эдельштейна, М. И. Сахаровой ; пер. с англ. А. Э. Габриэляна, Ю. А.Смирнова. - М. : Агропромиздат, 1989. - 317 с.
7. Абрамович, И. А. Обоснованность нормативных требований к качеству очистки сточных вод / И. А. Абрамович // Водоснабжение и санитарная техника. - 1996. - № 1. - С. 17-18.
