CC BY
14
DOI: https://doi.org/10.23670/IRJ.2019.80.2.007
РАЗРАБОТКА НАПЛАВНОГО СИНТЕТИЧЕСКОГО ФИЛЬТРУЮЩЕГО УСТРОЙСТВА
Научная статья
Иванкова Т.В. *
ФГБОУ ВО «Южно-Российский государственный политехнический институт (НПИ) имени М.И. Платова»
* Корреспондирующий автор (kipkeeva62[at]mail.ru)
Аннотация
В статье приводится обоснование усовершенствованной конструкции наплавного мобильного фильтрующего устройства с высоким качеством фильтрации речной воды для снабжения населенных пунктов. Роль фильтров выполняет мембранная ткань оригинальной структуры, изготовленная из высокопрочных синтетических материалов, устойчивых к гниению и коррозии. Тканевые фильтры обеспечивают предварительную механическую очистку воды от взвешенных частиц, фито- и зоопланктона, непроницаемы для рыб, водорослей и мусора. Экономические затраты на изготовление, установку и эксплуатацию предлагаемого устройства значительно ниже, чем у действующих водозаборов.
Ключевые слова: наплавные конструкции, синтетические материалы, водозабор, механическая очистка.
DEVELOPMENT OF FLOATING SYNTHETIC FILTER DEVICE
Research article
Ivankova T.V. *
Master's degree student, Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI) * Corresponding author (kipkeeva62[at]mail.ru)
Abstract
The article provides the rationale for an improved design of a floating mobile filtering device with high-quality filtration of river water for the supply of settlements. Membrane fabric of the original structure plays the role of a filter, made of high-strength synthetic materials resistant to rotting and corrosion. Fabric filters provide preliminary mechanical purification of water from suspended particles, phyto- and zooplankton, impermeable to fish, algae and debris. The economic costs of manufacturing, installing and operating the proposed device are significantly lower than those of existing water intakes.
Keywords: floating structures, synthetic materials, water intake, mechanical cleaning.
Развитие водного хозяйства сопровождается появлением новых технологий, конструкций и материалов, позволяющих модернизировать и реконструировать существующие гидротехнические сооружения. К числу наиболее актуальных проблем водного хозяйства России относятся: 1) изношенность большей части ранее построенных водозаборных сооружений и проведение их реконструкции; 2) улучшение качества воды для целей ирригации и водоснабжения.
Данная работа выполнена в рамках решения второй проблемы, для которой актуальна разработка эффективных фильтрующих устройств, изготовленных из современных синтетических материалов. Фильтры водозаборов должны осуществлять механическую очистку - задерживать водную взвесь и мусор антропогенного происхождения. Водная взвесь включает различный по происхождению материал: терригенный (частицы песчаной (9,1-1,0 мм) и пелитовой (менее 0,01 мм) размерности); биогенный (фито - и зоопланктон) и хемогенный. Размеры частиц водной взвеси варьируют от долей микрона до нескольких миллиметров.
Разработанное автором наплавное синтетическое фильтровальное устройство (НСФУ) предназначено для использования на реках, водохранилищах, озерах, каналах. Оно может обслуживать хозяйственно-питьевые и технические водозаборы любой производительности - малые (расход менее 1 м3/с), средние (1-6 м3/с) и крупные (более 6 м3/с).
В водозаборных устройствах одним из главных элементов является фильтр, обеспечивающий подачу воды в преднасосные ёмкости, максимально очищенной от посторонних примесей. Конструкции фильтрующих узлов чрезвычайно разнообразны, поскольку они разрабатываются с учетом производительности водозабора, типа водоема и качества воды, климатических условий местности. В настоящее время используются преимущественно следующие типы водоприемников - трубчатые, ряжевые, бетонные и железобетонные. В лесном поясе Европейской части России, где мутность воды рек и озер невелика, используются фильтры трубчатого и барабанного типа. Например, водозаборный фильтр-оголовок ВФ, разработанный компанией «Стронг-Фильтр», успешно эксплуатируется Водоканалом в Главном водозаборе Санкт-Петербурга с 2014 года. Фильтр выполняет две функции - защиту мальков рыб в водоеме и предварительную фильтрацию забираемой воды.
В лесостепной и степной зонах России используются иные конструкции водозаборных узлов, включающие отстойники и более сложные фильтровальные устройства. Это связано с повышенной мутностью воды рек, обусловленной преимущественно поверхностным смывом почвенного слоя. Особенно высока мутность речной воды в степной зоне, распаханность которой достигает 90%. В нижнем течении реки Дон мутность воды превышает ПДК (1,5 мг/л) в десятки раз, в 1994 г. было зарегистрировано превышение в 160 (!) раз. В таких условиях возникает чрезмерная грязевая нагрузка на фильтры.
Сравнительный анализ стоимости материалов, строительства и эксплуатационных расходов разных типов водозаборов показал, что наиболее экономичным и, следовательно, перспективным является создание мягких наплавных фильтрационных устройств из синтетических тканей. Всесторонние исследования мягких наплавных
конструкций в период 1973 -2008 гг. выполнялись специалистами Новочеркасской гидротехнической научной школы [2], [3], [4], [5], [6]. Их методы расчета, разработки и совершенствование конструкций, обладающих водоохранными функциями, суммированы в монографии [1]. В кандидатской диссертационной работе [7], выполненной под руководством д-ра техн. наук В.А. Волосухина, приведены результаты теоретических и натурных исследований мягкой наплавной конструкции из капроновых тканей с двухсторонним резиновым покрытием применительно к водозабору насосной станции из канала (Украинская ССР).
В Азербайджанском НИИ водных проблем для водозаборов на реках с высокой мутностью разработан водоприемник-осветлитель с фильтром сложной структуры, который крепится к металлическим понтонам.
Автор статьи, рассмотрев достоинства и слабые стороны упомянутых выше конструкций, предлагает усовершенствованный вариант тканевого фильтра Новочеркасского типа - наплавное синтетическое фильтрационное устройство (НСФУ) [8], [9], [10]. Разработанное устройство предназначено для использования на реках, водохранилищах, озерах, каналах [11]. Оно может обслуживать хозяйственно-питьевые и технические водозаборы любой производительности.
Предлагаемое устройство позволяет уменьшать «грязевую нагрузку» и выполнять механическую предочистку питьевой воды до поступления на водоочистные сооружения (ВОС). Конструкция позволяет эффективно очищать воду от планктона и взвешенных терригенных частиц, не пропуская молодь рыбы, крупный и мелкий мусор при низких затратах на очистку и промывку фильтра [12]. Содержание загрязняющих веществ в ВОС снижается не менее, чем на 80%, что обеспечивает экономию реагентов, уменьшает потребление воды на собственные нужды ВОС и в итоге снижает себестоимость получения воды питьевого качества. Конструкция устройства показана на рис. 1 и 2.
1
Рис. 1 - Поперечный разрез НСФУ
Рис. 2 - Ограждающая стенка НСФУ
Поплавок (1), удерживающий ограждающую (забральную) стенку (2) в вертикальном положении, крепится ко дну водохранилища расчалками (3), которые удерживаются донными анкерами (4). Эластичная забральная стенка по вертикали соединена с донными анкерами (5). Забральная стенка (2) выполнена из эластичного синтетического материала; верхняя ее часть прикреплена к поплавку (1), а нижняя - ко дну водохранилища. При работе НСФУ подъемная сила поплавка (1) обеспечивает подъем (опускание) верхнего подвижного яруса забральной стенки водозабора и подъем (опускание) гибкого сплошного полотнища забральной стенки. Высота стенки (2) выбирается так, чтобы ограждаемая акватория была отделена от водохранилища при любых отметках горизонта воды.
Поплавок - труба гибкая рифленая полиэтиленовая, диаметр 160 мм.
Расчалки - трос металлополимерный прозрачный (толщина 6,0 мм).
Донные анкера - мешки, выполненные из синтетической ткани, в которые закачивается песчаная пульпа.
Забральная стенка (фильтрующая воду) - синтетическое полотнище, изготовленное из полипропиленовых нитей, толщина которых различна по направлениям главных напряжений. Кольцевые нити тканевого полотнища вдвое тоньше меридиональных, что обеспечивает оптимальное напряженно-деформированное состояние при различных сочетаниях постоянных, временных, кратковременных и особых нагрузок.
В НСФУ предлагается использовать полипропиленовую ткань марки «Текспол», плотностью 40/40 г/м2 и водопроницаемостью при водяном столбе 10х10 см равной 10 л/м2/с.
Полипропиленовое волокно и изготовленная из него ткань имеет следующие характеристики (исследован случай больших перемещений, когда фиксировались начальное и конечное состояния, а перемещения были соизмеримы с геометрическими размерами устройства):
- относительная деформация - растяжение (ех и е2 ) в рабочем состоянии может достигать 10%, 15%; разрушение наступает при растяжении свыше 30%.
Рис. 3 - Главные напряжения в тканевом материале [13]
Главные напряжения Ть (кПа), Т2 (кПа) в тканевом полипропиленовом материале в конечном деформированном
состоянии определялись численными методами (рис.3, 4).
т
Главные меридиональные напряжения ( 01 = —, Кпа), где ^ - толщина полипропиленовых нитей в меридиональном направлении, мм;
1 2 - толщина полипропиленовых нитей в кольцевом направлении, мм. Главные кольцевые напряжения (а2 = —, Кпа) вычисляются по выражениям:
Т1=;
др
(г 2 - «2);
2г*5Ш0
1*Г)
Условия прочности для тканевого материала:
< ^
<
Допускаемые усилия [Тдоп, —; Т2оп, -;]
м м
зависят от относительных деформаций по главным направлениям ( и )
тдоп=й (£1 , £2 ), Т2оп=й (£1 , £2 )
г^доп ^доп
определяются экспериментально,
где ф - коэффициент надежности, учитывающий длительную прочность (ее снижение), учет динамических нагрузок, технологию изготовления; фе[1,5...2,5].
В технических условиях на полипропиленовые тканевые материалы приводятся предельные значения допускаемых напряжений И^™ и И^™ по результатам заводских отпускных испытаний (не менее 20 образцов для одной партии материала).
В разработанном фильтрующем водозаборном устройстве, в отличие от используемых ныне аналогов, исключены металлические элементы (труба, тросовые расчалки). В 80-е годы XX века забральную стенку выполняли из водонепроницаемых капроновых тканей с двусторонним резиновым покрытием. Этот материал имеет высокую стоимость (1 м2 - от 1,2 до 2 тыс. руб.) по сравнению с полипропиленовой тканью в НСФУ (1 м2 - от 40 до 120 руб.).
К достоинствам устройства относятся:
1) компактность, легкость, гибкость, высокая кратковременная и длительная прочность, гнилостойкость;
2) при монтаже в месте установки отпадает необходимость применения мощных механизмов;
3) простота и сравнительно невысокая стоимость промывки устройства гидравлическим способом или водовоздушными струями;
4) соответствие конструкции фильтра эффективным рыбозащитным устройствам [14, 15];
5) экономический эффект от внедрения предлагаемого НСФУ заключается в снижении капиталовложений на его изготовление, расхода материалов и трудозатрат. Существенно снижаются затраты и в период эксплуатации.
Выводы:
1. Одной из приоритетных задач водного хозяйства является улучшение качества фильтрующих устройств на водозаборных узлах при уменьшении капитальных и эксплуатационных затрат.
2. Предложено наплавное фильтрующее синтетическое устройство (НСФУ) водозаборных установок, превосходящее эксплуатируемые фильтры по качеству очищения воды, а по стоимости изготовления более дешевое.
3. В России на начало 2018 г. было зафиксировано 28,3 тыс. водопользователей. Опыт работы автора (свыше 10 лет) в сфере мониторинга гидротехнических сооружений показывает, что предлагаемое фильтрационное устройство
может заинтересовать около 20 тыс. водохозяйственных объектов России.
Конфликт интересов Conflict of Interest
Не указан. None declared.
Список литературы / References
1. Волосухин В. А. Строительные системы охраны водных ресурсов с использованием конструкций из тканевых материалов [Текст]: монография / В. А. Волосухин, В. Л. Бондаренко. - Новочеркасск, НГМА, 2008. - 164 с.
2. Бондаренко В. Л. Технологические системы управления качеством воды на водных объектах [Текст]: монография / В. Л. Бондаренко, В. А. Волосухин. - Новочеркасск, НИМИ, 1995. - 104 с.
3. Волосухин В. А. Руководство по расчету и применению наплавных конструкций [Текст] / В. А. Волосухин, В. Л. Бондаренко, И. А. Зинов. - Новочеркасск, НИМИ, 1993. - 30 с.
4. Волосухин В. А. Научные основы управления температурным режимом водохранилища-охладителя тепловых и атомных электростанций [Текст]: монография / В. А. Волосухин, М. И. Пономаренко. - Новочеркасск: Лик, 2008. -258 с.
5. Волосухин В. А. Совершенствование технологии формирования температурного режима водохранилища-охладителя тепловых и атомных электростанций [Текст]: монография / В. А. Волосухин, М. И. Пономаренко, М. А. Волынов; Всерос. НИИ гидротехники и мелиорации. - Новочеркасск: Лик, 2008. - 242 с.
6. Бондаренко В. Л. Мягкие конструкции для регулирования качества воды на водных объектах [Текст]: авфтореф. дис. ... д-ра техн. наук. - Екатеринбург, РосНИИВХ, 1997. - 46 с.
7. Зинов И. А. Мембранные наплавные гидротехнические конструкции из тканевых материалов [Текст]: авторф. дис. ... канд. техн. наук. - Новочеркасск, НГМА, 1996. - 24 с.
8. Иванкова Т. В. Рациональное использование водных ресурсов длительно эксплуатируемого Симферопольского водохранилища на реке Салгир, Республика Крым [Текст] / Т. В. Иванкова // Строительство и архитектура. - 2017. - Т. 5. - № 4. - С. 212-218.
9. Иванкова Т. В. Рациональное использование водных ресурсов длительно эксплуатируемого Партизанского водохранилища на реке Альма, Республика Крым [Текст] / Т. В. Иванкова // В сборнике: Профессионал года 2018; сборник статей VII Международного научно-практического конкурса. - Пенза, Наука и Просвещение, 2018. - С. 142149.
10. Иванкова Т.В. Водообеспеченность Республики Крым: состояние, проблемы, перспективы [Текст] / Т.В. Иванкова // Технологии очистки воды «ТЕХН0В0Д-2018»: материалы XI Межд. науч.-практ. конф.; Красная Поляна, г. Сочи, 11-14 декабря 2018 г. / Юж.-Рос. гос. политехн. ун-т. (НПИ) имени М.И. Платова - Новочеркасск: Лик, 2018. - С. 21 - 29.
11. Иванкова Т. В/ Природно-хозяйственные структуры малых речных бассейнов горного рельефа и пути их развития: инновации, оптимизация или реставрация / Т. В. Иванкова, П. А. Кипкеева, Ю. Я. Потапенко //Вестник Академии наук Республики Башкортостан. 2018. Т. 26 № 1 (89). С. 67-75.
12. Иванкова Т. В. Социально-экологические аспекты использования водных ресурсов сельскохозяйственных регионов Евразии [Текст]: монография / Т. В. Иванкова. - Москва: РУСАЙНС, 2017. - 186 с.
13. Пшеничнов Г. И. Теория тонких упругих сетчатых оболочек и пластинок / Г. И. Пшеничнов. - М.: Наука, 1982. - 352 с.
14. Боронина В. Ф. Фильтрующий водоприем как способ рыбозащиты на водозаборных сооружениях коммунального и промышленного водоснабжения. Автореф. дисс. канд. техн. наук ВАК 05.23.04. Пенза, 2000.
15. Ткачев В. Г. Новые технологии, применяемые при реконструкции водозаборных сооружений с целью совершенствования рыбозащитных устройств. Проблемы ядерной, радиационной и экологической безопасности. Глобальнаяядерная безопасность / В. Г. Ткачев, Л. В. Постой, 2015, №2 (15). С. 24-29.
Список литературы на английском языке / References in English
1. Volosuhin V. A. Stroitel'nyye sistemy okhrany vodnykh resursov s ispol'zovaniyem konstruktsiy iz tkanevykh materialov [Construction Systems for Protection of Water Resources Using Constructions Made of Fabric Materials [Text]: Monograph] / V. A. Volosuhin, V. L. Bondarenko. - Novocherkassk, NGMA, 2008. - 164 p. [In Russian]
2. Bondarenko V. L. Tekhnologicheskiye sistemy upravleniya kachestvom vody na vodnykh ob"yektakh [Technological Systems for Managing Water Quality in Water Bodies [Text]: Monograph] / V. L. Bondarenko, V. A. Volosukhin. -Novocherkassk, NIMI, 1995. - 104 p. [In Russian]
3. Volosuhin V. A. Rukovodstvo po raschetu i primeneniyu naplavnykh konstruktsiy [Guidelines for Calculation and Application of Floating Structures [Text]] / V. A. Volosuhin, V. L. Bondarenko, I. A. Zinov. - Novocherkassk, NIMI, 1993. -30 p. [In Russian]
4. Volosuhin V. A. Nauchnyye osnovy upravleniya temperaturnym rezhimom vodokhranilishcha-okhladitelya teplovykh i atomnykh elektrostantsiy [Scientific Basis for Temperature Control of Reservoir-Cooler of Thermal and Nuclear Power Plants [Text]: Monograph] / V. A. Volosuhin, M. I. Ponomarenko. - Novocherkassk: Lick, 2008. - 258 p. [In Russian]
5. Volosuhin V. A. Sovershenstvovaniye tekhnologii formirovaniya temperaturnogo rezhima vodokhranilishcha-okhladitelya teplovykh i atomnykh elektrostantsiy [Tekst]: monografiya [Improving Technology of Forming Temperature Mode of Reservoir-Cooler of Thermal and Nuclear Power Plants [Text]: Monograph] / V. А. Volosuhin, M. I. Ponomarenko, M. A. Volynov; // All-Russian Scientific Research Institute of Hydrotechnics and Land Reclamation - Novocherkassk: Lick, 2008. - 242 p. [In Russian]
6. Bondarenko V. L. Myagkiye konstruktsii dlya regulirovaniya kachestva vody na vodnykh ob"yektakh [Soft designs for regulating the quality of water in water bodies [Text]]: Thesis of PhD in Engineering - Ekaterinburg, RosSRIVH, 1997. - 46 p. [In Russian]
MewdyHapodHbiu HayuHO-uccnedoBamenbCKuU wypHan. ■ № 2 (80) • 0eBpanb
7. Zinov I. A. Membrannyye naplavnyye gidrotekhnicheskiye konstruktsii iz tkanevykh materialov [Membrane floating hydraulic structures made of fabric materials [Text]]: Thesis of PhD in Engineering / I. A. Zinov - Novocherkassk, NGMA, 1996. - 24 p. [In Russian]
8. Ivankova T. V. Ratsional'noye ispol'zovaniye vodnykh resursov dlitel'no ekspluatiruyemogo Simferopol'skogo vodokhranilishcha na reke Salgir, Respublika Krym [Rational Use of Water Resources of Simferopol Reservoir on Salgir River for Long Time, Republic of Crimea [Text]] / T. V. Ivankova // Stroitel'stvo i arkhitektura [Construction and architecture]. -
2017. - V. 5. - No. 4. - P. 212-218. [In Russian]
9. Ivankova T. V. Ratsional'noye ispol'zovaniye vodnykh resursov dlitel'no ekspluatiruyemogo Partizanskogo vodokhranilishcha na reke Al'ma, Respublika Krym [Rational Use of Water Resources of Long-operated Partizansky Reservoir on Alma River, Republic of Crimea [Text]] / T. V. Ivankova // V sbornike: Professional goda 2018; sbornik statey VII Mezhdunarodnogo nauchno-prakticheskogo konkursa. - Penza, Nauka i Prosveshcheniye [Collection: professional of 2018; collection of articles of the VII International Scientific and Practical Competition. - Penza, Science and Enlightenment], 2018. - P. 142-149. [In Russian]
10. Ivankova T. V. Vodoobespechennost' Respubliki Krym: sostoyaniye, problemy, perspektivy [Water availability of the Republic of Crimea: state, problems, prospects [Text]] / T. V. Ivankova // Tekhnologii ochistki vody «TEKHNOVOD-2018»: materialy XI Mezhd. nauch.-prakt. konf.; Krasnaya Polyana, g. Sochi, 11-14 dekabrya 2018 g [Technology of water purification "TECHNOVOD-2018": materials XI Int. scientific-practical conf. Krasnaya Polyana, Sochi, December 11-14, 2018 / South-Rus. State Polytechnic univ. (NPI) named after M. I. Platov - Novocherkassk: Lick, 2018. - P. 21-29. [In Russian]
11. Ivankova T. V. Prirodno-khozyaystvennyye struktury malykh rechnykh basseynov gornogo rel'yefa i puti ikh razvitiya: innovatsii, optimizatsiya ili restavratsiya [Natural-Economic Structures of Small River Basins of Mountain Relief and Ways of their Development: Innovation, Optimization or Restoration] / T. V. Ivankova, P. A. Kipkeeva, Y. Ya. Potapenko // Vestnik Akademii nauk Respubliki Bashkortostan [Bulletin of the Academy of Sciences of the Republic of Bashkortostan].
2018. Vol. 26 No. 1 (89). P. 67-75. [In Russian]
12. Ivankova T. V. Sotsial'no-ekologicheskiye aspekty ispol'zovaniya vodnykh resursov sel'skokhozyaystvennykh regionov Yevrazii [Social and Environmental Aspects of Use of Water Resources of Agricultural Regions of Eurasia] [Text]: Monograph / T. V. Ivankov. - Moscow: RUSAINS, 2017. - 186 p. [In Russian]
13. Pshenichnov G. I. Teoriya tonkikh uprugikh setchatykh obolochek i plastinok [Theory of Thin Elastic Mesh Shells and Plates] / G. I. Pshenichnov. - M.: Science, 1982. - 352 p. [In Russian]
14. Boronin V. F. Fil'truyushchiy vodopriyem kak sposob rybozashchity na vodozabornykh sooruzheniyakh kommunal'nogo i promyshlennogo vodosnabzheniya. [Filtering Water Intake as Method of Fish Protection on Water Intake Facilities of Municipal and Industrial Water Supply]. Thesis of PhD in Engineering HAC 05.23.04. Penza, 2000. [In Russian]
15. Tkachev V. G. Novyye tekhnologii, primenyayemyye pri rekonstruktsii vodozabornykh sooruzheniy s tsel'yu sovershenstvovaniya rybozashchitnykh ustroystv [New technologies used in the reconstruction of water intake structures in order to improve fish protection devices] / V. G. Tkachev, L. V. Postoj // Problemy yadernoy, radiatsionnoy i ekologicheskoy bezopasnosti. Global'nayayadernaya bezopasnost' [Problems of nuclear, radiation and environmental safety. Global nuclear security], 2015, No.2 (15). P. 24-29. [In Russian]
