Научная статья на тему 'Теоретические и экспериментальные предпосылки процесса осаждения взвеси в низкотемпературной воде Эшкаконского водохранилища'

Теоретические и экспериментальные предпосылки процесса осаждения взвеси в низкотемпературной воде Эшкаконского водохранилища Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

CC BY
168
37
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ВОДОХРАНИЛИЩЕ / КАЧЕСТВО ВОДЫ / МУТНОСТЬ / СКОРОСТЬ ОСАЖДЕНИЯ / ОСВЕТЛЕНИЕ ВОДЫ / RESERVOIR / WATER QUALITY / TURBIDITY / DEPOSITION RATE / WATER CLARIFICATION

Аннотация научной статьи по наукам о Земле и смежным экологическим наукам, автор научной работы — Алешин Виктор Сергеевич, Алешин Александр Викторович

Приведены результаты исследований качества воды Эшкаконского водохранилища. Дано математическое описание процесса осаждения взвешенных частиц в воде водохранилища и построены кривые выпадения взвеси.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по наукам о Земле и смежным экологическим наукам , автор научной работы — Алешин Виктор Сергеевич, Алешин Александр Викторович

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Theoretical and experimental conditions of deposition of particulate matter in the low-temperature water of the reservoir

The results of studies of water quality Eshkakonskogo reservoir. The mathematical description of the process of deposition of suspended particles in the water reservoir and the curves of the suspension rate.

Текст научной работы на тему «Теоретические и экспериментальные предпосылки процесса осаждения взвеси в низкотемпературной воде Эшкаконского водохранилища»

Алешин Виктор Сергеевич

Alyoshin Victor Sergeevich Ростовский государственный строительный университет Rostov State University of Civil Engineering Кафедра водоснабжения и водоотведения Department of Water Supply and Sanitation Профессор / Рrofessor Кандидат технических наук

Алешин Александр Викторович

Alyoshin Alexander Viktorovich Ростовский государственный строительный университет Rostov State University of Civil Engineering Кафедра водоснабжения и водоотведения Department of Water Supply and Sanitation

Доцент / Lecturer Кандидат технических наук E-Mail: elena_tomashuk@mail.ru

Водоснабжение и водоотведение

Теоретические и экспериментальные предпосылки процесса осаждения взвеси в низкотемпературной воде Эшкаконского водохранилища

Theoretical and experimental conditions of deposition of particulate matter in the low-temperature water of the reservoir Еshkakonskogo

Аннотация: Приведены результаты исследований качества воды Эшкаконского водохранилища. Дано математическое описание процесса осаждения взвешенных частиц в воде водохранилища и построены кривые выпадения взвеси.

The Abstract: The results of studies of water quality Eshkakonskogo reservoir. The mathematical description of the process of deposition of suspended particles in the water reservoir and the curves of the suspension rate.

Ключевые слова: Водохранилище, качество воды, мутность, скорость осаждения, осветление воды.

Keywords: Reservoir, water quality, turbidity, deposition rate, water clarification.

***

В природных водах взвешенные вещества могут быть агрегативно-устойчивыми, т.е. состоящими из неизменных по форме и свойствам частиц, или агрегативно-неустойчивыми, свойства и форма частиц которых со временем изменяются. Агрегативно-устойчивые монодисперсные системы, как правило, могут быть получены лишь искусственным путем. К агрегативно-устойчивым полидисперсным системам можно отнести, с некоторыми допущениями, некоагулированную речную воду. Агрегативно-неустойчивой системой является вода, подвергшаяся обработке коагулянтом [1,2].

Водный режим реки Эшкакон определяется продолжительным весеннее-летним половодьем и ливневыми дождями. Основной сток проходит в весеннее-летний период и

образуется за счет выпадения твердых и жидких осадков и таяния высокогорных снегов в верхней части бассейна реки. Исследования качества воды проводились по всей длине водохранилища и в поперечниках. Для этой цели были намечены специальные створы проб воды в них (рис. 1).

Рис. 1. Створы на поверхности водохранилища для отбора и исследований проб воды

1-У11 - поперечные сечения водохранилища; 1-16 - номера отбора проб по створам.

Мутность в меженный период составляла 10 мг/л, а в период паводка достигала максимального значения в 100-170 мг/л (рис.2). Поэтому в период малой мутности в течение 7-9 месяцев в году очистка воды происходит только прямым фильтрованием на водопроводе.

1£М

-‘7'" чек1- ч®'*'

ПкгоъчоА. наг.лоценив, ггснци ‘-■т- - ■--ЭКМ год —в—!?-ЯИ13 гад * 3“ДЮ& год М 4 * 5007 год

—М|—5- 1?0йЙ гад (*-3003 год 7-5'ШО год

Рис. 2. Мутность в водохранилище по годам наблюдений

На рис. 3,4 приводятся концентрация взвешенных веществ и соответствующая скорость потока по сечению 1-І в створе 1 и по сечению ІІ-ІІ в створе 4.

Рис. 3. Изменение концентрации взвешенных веществ и скорости потока в водохранилище по сечению 1-1 в створе 1: 1 - взвешенные вещества в период паводка, 2 - взвешенные вещества в период межени, 3 - скорость в водохранилище в период паводка, 4 - скорость в

водохранилище в период межени

Рис. 4. Изменение концентрации взвешенных веществ и скорости потока в водохранилище по сечению 11-11 в створе 4: 1 - взвешенные вещества в период паводка, 2 - взвешенные вещества в период межени; 3 - скорость в водохранилище в период паводка; 4 - скорость в

водохранилище в период межени

Одним из главных показателей, характеризующих осветление воды в любых очистных сооружениях, является величина выпадения частиц или их гидравлическая крупность.

Частица взвеси, находящаяся в воде отстойного сооружения, движется не по горизонтали, а по равнодействующей, образованной горизонтальной скорости потока и скоростью осаждения самой частицы, обусловленной ее силой тяжести. Движение частиц в объеме водохранилища под действие силы тяжести происходит равномерно и направлено вертикально вниз.

Величина скорости осаждения взвеси в водной среде определяется размерами, формой, плотностью частиц, шероховатостью их поверхности и другими факторами.

При осаждении мелких частиц, а также частиц, обладающих небольшой плотностью сопротивления, испытываемого частицами, пропорционально скорости в первой степени. При этом основными силами сопротивления жидкости падению частиц является вязкость воды в водохранилище.

Если в воде осаждаются крупные частицы, сопротивление их падению пропорционально скорости во второй степени. В этом случае главное влияние имеют силы инерции.

При осаждении частиц средних размеров сопротивление жидкости определяется как силами вязкости, так и силами инерции, и оно пропорционально скорости в степени больше единицы, но меньше двух.

Для всех перечисленных случаев в общем виде сопротивление жидкости выразится уравнением, полученным Релеем:

р = р • ф • и2 • а2 (1)

где Б - сопротивление, которое испытывает частица, осаждаясь в воде; р - плотность воды; ф - коэффициент сопротивления; u - скорость осаждения частиц.

Для случая осаждения мелких частиц Стоксом выведена формула, отражающая линейную зависимость между сопротивлением жидкости и скоростью выпадения частиц:

F = 3 пд • и • а (2)

где ц - вязкость воды.

Если сравнить формулы (1,2), то выражение для коэффициентного сопротивления при линейном законе будет иметь вид:

Ф = 3щ1Р1иа =3 п/к* (3)

где:

Ке = р^и% (4)

Следовательно, при линейном законе ф = { (Ке). При равномерном осаждении частиц взвеси в воде силы, действующие на частицу, уравновешенны. Значит, сила тяжести должна быть равна силе сопротивления.

Силы тяжести в воде определяются по формуле:

р = (р- рг) •д • (па3)/б (5)

где р - плотность частицы.

Тогда в общем случае для частиц всех размеров имеем:

(р-рг)'д'(па3)/6 = р1-Ф^2-а2 (6)

Откуда:

и = 4((П/б^£т1)'д'(а/4)) (7)

А для случая линейной зависимости:

и = д/ 18д • (Р - Рг) • а2 (8)

Как показали экспериментальные исследования многих авторов, верхняя граница

линейной зависимости определяется числом Рейнольдса, и равна единице. В зоне

квадратичной зависимости коэффициент сопротивления ф становится величиной постоянной, не зависящей от Яе.

Эта формула применима лишь для частиц, имеющих эквивалентный диаметр не более

0,12 мм при скорости осаждения менее 1 см/с и 1=10° С. Осаждение взвеси в виде зависимости между относительным количеством выпавшей и продолжительностью осаждения графически характеризуется «кривой выпадения взвеси», которая для монодисперсной взвеси будет иметь вид наклонной прямой линии.

Взвешенные частицы в речной воде полидисперсны с большим диапазоном размеров частиц, поэтому кривые выпадения взвеси получали только экспериментально, отстаивая исследуемую воду в группе цилиндров с различным временем отстаивания, с последующим отбором осадка из цилиндров через равные промежутки времени с определением его весового количества. В этом случае кривая выпадения взвеси будет иметь вид плавной кривой (рис.5).

монодисперсная

взвесь

полидисперсная

взвесь

^мин

Рис. 5. Кривые выпадения взвеси

По таким кривым можно найти не только относительное количество взвеси, но и процентное содержание различных фракций. На основании полученных зависимостей для агрегативно-устойчивых взвесей можно также определить расчетные скорости ее осаждения и процент задержания взвешенных частиц или заданный эффект осветления воды.

Выводы:

1. Эксперименты показали, что при осаждении частиц средних размеров, сопротивление жидкости можно выразить уравнением Дж.У.Рэлея;

2. В речной воде взвешенные частицы полидисперсны, имеют различные размеры, поэтому кривые выпадения взвеси можно получить только экспериментами, выраженными в виде плавной кривой;

3. На основании экспериментальных данных для агрегативно-устойчивых взвесей можно определить расчетные скорости ее осаждения, процент выпадения взвешенных частиц и заданный эффект осветления низкотемпературной воды.

ЛИТЕРАТУРА

1. Лысов В.А., Бутко Д.А., Родионова А.Б. Выбор реагентов для осветления промывных вод фильтров // Материалы междунар. научн.-практ. конференции «Строительство - 2008», Ростов-на-Дону: РГСУ,2008;

2. Турянский И.П., Сапрыкин Д.В. Исследование эффективности очистки питьевой воды // Материалы междунар. научн.-практ. конференции «Строительство -2008», Ростов-на-Дону: РГСУ,2008.

Рецензент: Марочкин Алексей Алексеевич, доцент, кандидат технических наук, ООО «Акватрат»,г.Ростов-на-Дону.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.