Аэрация воды
Аэрация воды — это процесс увеличения или поддержания насыщения воды кислородом как в естественной, так и в искусственной среде. Методы аэрации обычно используются при управлении прудами, озерами и водохранилищами для решения проблемы низкого уровня кислорода или цветения водорослей. [1]
Качество воды
[ редактировать ]Аэрация воды часто требуется в водоемах, которые страдают от гипоксических или бескислородных условий, часто вызванных деятельностью человека вверх по течению, такой как сброс сточных вод, сельскохозяйственные стоки или чрезмерная наживка в озере для рыбалки. Аэрация может быть достигнута за счет нагнетания воздуха на дно озера , лагуны или пруда или путем перемешивания поверхности фонтаном или распылительным устройством, обеспечивающим обмен кислорода на поверхности и выделение газов, таких как углекислый газ , метан. или сероводород . [2]
Снижение уровня растворенного кислорода (РК) является основной причиной плохого качества воды. Кислород необходим не только рыбам и большинству других водных животных, аэробные бактерии помогают разлагать органические вещества. Когда концентрация кислорода становится низкой, могут развиться бескислородные условия, которые могут снизить способность водоема поддерживать жизнь.
Методы аэрации
[ редактировать ]Любую процедуру добавления кислорода в воду можно считать разновидностью аэрации воды. Существует много способов аэрации воды, но все они делятся на две большие области – поверхностная аэрация и подземная аэрация . Для обоих подходов доступны различные методы и технологии.
Естественная аэрация
[ редактировать ]Естественная аэрация представляет собой разновидность как подповерхностной, так и поверхностной аэрации. Это может произойти через подземные водные растения. В ходе естественного процесса фотосинтеза водные растения выделяют в воду кислород, обеспечивая ее кислородом, необходимым для жизни рыб, а аэробные бактерии расщепляют излишки питательных веществ. [3]
Кислород может попадать в воду, когда ветер нарушает поверхность водоема, а естественная аэрация может также происходить за счет движения воды, вызванного набегающим потоком , водопадом или даже сильным наводнением .
В крупных водоемах умеренного климата осенний оборот может привести к попаданию богатой кислородом воды в бедный кислородом гиполимнион .
Поверхностная аэрация
[ редактировать ]Низкоскоростной поверхностный аэратор
[ редактировать ] |
Низкоскоростной поверхностный аэратор представляет собой устройство для биологической аэрации с высокой эффективностью. Эти устройства часто изготавливаются из стали, защищенной эпоксидным покрытием, и создают высокий крутящий момент. Смешивание объема воды превосходное. Общая мощность варьируется от 1 до 250 кВт на единицу с КПД (SOE) около 2 кгO2/кВт. Низкоскоростной аэратор используется в основном для аэрации биологических установок для очистки воды. Чем больше диаметр, тем выше СОЭ и перемешивание.
Фонтаны
[ редактировать ]Фонтан представляет собой устройство, разбрызгивающее воду вверх в воздух. Обычно это можно сделать с помощью двигателя, приводящего в движение вращающееся рабочее колесо . Импеллер перекачивает воду с первых нескольких футов воды и выбрасывает ее в воздух. [4] В этом процессе используется контакт воздуха и воды для переноса кислорода. Когда вода поднимается в воздух, она разбивается на мелкие капли. В совокупности эти маленькие капли имеют большую площадь поверхности , через которую может передаваться кислород. По возвращении эти капли смешиваются с остальной водой и таким образом передают кислород обратно в экосистему.
Фонтаны являются популярным методом аэрации поверхностей из-за эстетичного внешнего вида. Однако большинство фонтанов не способны производить большую площадь насыщенной кислородом воды. [4] Кроме того, прокладка электричества через воду к фонтану может представлять угрозу безопасности.
Аэраторы с плавающей поверхностью
[ редактировать ]
Аэраторы с плавающей поверхностью работают аналогично фонтанам, но они не имеют такого же эстетичного внешнего вида. Они добывают воду из верхних 1–2 футов водоема и используют контакт воздуха и воды для переноса кислорода. Вместо того, чтобы выбрасывать воду в воздух, они разрушают воду на поверхности воды. Аэраторы с плавающей поверхностью также питаются от береговой электроэнергии. [4] Эффективность поверхностных аэраторов ограничена небольшой площадью, поскольку они не могут обеспечить циркуляцию или кислород в радиусе более 3 метров. Эта циркуляция и насыщение кислородом затем ограничиваются самой верхней частью водного столба, часто оставляя нижние части незатронутыми. На поплавках также можно установить низкоскоростные поверхностные аэраторы.
Аэраторы лопастные
[ редактировать ]В лопастных аэраторах также используется контакт воздух-вода для переноса кислорода из атмосферного воздуха в водоем. Чаще всего они используются в сфере аквакультуры (разведение водных животных или выращивание водных растений в пищу). Эти аэраторы, состоящие из ступицы с прикрепленными лопастями, обычно приводятся в действие от отбора мощности трактора ( ВОМ ), газового двигателя или электродвигателя . Их, как правило, устанавливают на поплавках . Электричество заставляет лопасти вращаться, взбивая воду и обеспечивая перенос кислорода через контакт воздух-вода. [4] Сбивая каждый новый участок воды, он поглощает кислород из воздуха, а затем, возвращаясь в воду, возвращает его воде. В этом отношении лопастная аэрация работает очень похоже на аэраторы с плавающей поверхностью.
Подземная аэрация
[ редактировать ]Подповерхностная аэрация направлена на высвобождение пузырьков на дне водоема и позволяет им подняться за счет силы плавучести. В системах диффузной аэрации используются пузырьки для аэрации и перемешивания воды . Вытеснение воды в результате изгнания пузырьков вызовет перемешивание, а контакт между водой и пузырьком приведет к переносу кислорода. [5]
Струйная аэрация
[ редактировать ]Подповерхностную аэрацию можно осуществить с помощью струйных аэраторов , которые всасывают воздух по принципу Вентури и впрыскивают его в жидкость. [ нужна ссылка ]
Грубая пузырьковая аэрация
[ редактировать ]Грубопузырчатая аэрация — это тип подземной аэрации, при котором воздух накачивается береговым воздушным компрессором . [6] через шланг к агрегату, расположенному на дне водоема. Устройство удаляет крупные пузырьки (диаметром более 2 мм), [7] которые выделяют кислород при контакте с водой, что также способствует перемешиванию стратифицированных слоев озера. При выходе крупных пузырьков из системы происходит турбулентное вытеснение воды, в результате чего вода перемешивается. [5] По сравнению с другими методами аэрации крупнопузырчатая аэрация очень неэффективна с точки зрения переноса кислорода. Это связано с большим диаметром и относительно небольшой совокупной площадью поверхности пузырьков. [5]
Мелкопузырчатая аэрация
[ редактировать ]
Мелкопузырчатая аэрация – эффективный способ переноса кислорода в водоем. [8] Береговой компрессор накачивает воздух через шланг, который соединен с подводной аэрационной установкой. К устройству прикреплено несколько диффузоров. Эти диффузоры имеют форму дисков, пластин, трубок или шлангов, изготовленных из кварцевого стекла, пористого керамического пластика, ПВХ или перфорированных мембран из каучука EPDM (этилен-пропилен-диеновый мономер) . [4] Воздух, прокачиваемый через мембраны диффузора, выбрасывается в воду. Эти пузырьки известны как мелкие пузырьки . Агентство по охране окружающей среды определяет мелкие пузырьки как все, что меньше 2 мм в диаметре. [7] Этот тип аэрации имеет очень высокую эффективность переноса кислорода (ОТЕ), иногда достигающую 15 фунтов кислорода/(лошадиная сила*час) (9,1 килограмма кислорода/(киловатт*час)). [4] В среднем при аэрации диффузным воздухом рассеивается примерно 2–4 кубических фута воздуха в минуту (56,6–113,3 литров воздуха в минуту), но некоторые работают на уровнях всего 1 кубический фут/мин (28,3 л/мин) или столь же высоких. как 10 кубических футов в минуту (283 л/мин).
Диффузная аэрация мелкими пузырьками позволяет максимизировать площадь поверхности пузырьков и, таким образом, передавать больше кислорода в воду на объем пузырьков. Кроме того, пузырькам меньшего размера требуется больше времени, чтобы достичь поверхности, поэтому увеличивается не только площадь поверхности, но и время, которое каждый пузырь проводит в воде, что дает ему больше возможностей переносить кислород в воду. Как правило, меньшие пузырьки и более глубокая точка выделения обеспечивают более высокую скорость переноса кислорода. [9]
Одним из недостатков мелкопузырчатой аэрации является то, что мембраны керамических диффузоров иногда могут засоряться и их необходимо очищать, чтобы они работали с оптимальной эффективностью. Кроме того, они не обладают способностью перемешивать толщу воды, как и другие методы аэрации, такие как крупнопузырчатая аэрация. [4]
Дестратификация озера
[ редактировать ]( См. также дестратификацию озера )
Циркуляторы обычно используются для перемешивания пруда или озера и, таким образом, уменьшения термического расслоения . Как только циркулирующая вода достигает поверхности, граница раздела воздух-вода облегчает перенос кислорода в воду озера.
Управляющие природными ресурсами и окружающей средой уже давно сталкиваются с проблемами, вызванными термической стратификацией озер. [2] [10] Гибель рыбы напрямую связана с температурными градиентами, застоем и ледяным покровом. [11] Чрезмерный рост планктона может ограничить рекреационное использование озер и коммерческое использование озерной воды. [12] При сильной термической стратификации озера качество питьевой воды также может ухудшиться. [13] [14] Для менеджеров рыболовства термическая стратификация часто отрицательно влияет на пространственное распределение рыбы в озере и в некоторых случаях может косвенно вызывать массовую гибель рыбы, важной для рекреационных целей. [11]
Одним из широко используемых инструментов для уменьшения серьезности этих проблем управления озером является устранение или уменьшение термической стратификации посредством аэрации. [2] Для уменьшения или устранения термического расслоения использовались многие типы аэрационного оборудования. Аэрация добилась определенного успеха, хотя она редко оказывалась панацеей. [10]
Масштабные проекты
[ редактировать ]Баржи для оксигенации Темзы
[ редактировать ]Во время сильного дождя канализационные трубы Лондона переливаются в Темзу , в результате чего уровень растворенного кислорода резко падает и угрожает видам, которые там обитают. [15] Два специализированных судна McTay Marine , оксигенационные баржи Thames Bubbler и Thames Vitality используются для пополнения уровня кислорода в рамках продолжающейся борьбы за очистку реки, в которой сейчас обитают 115 видов рыб и еще сотни беспозвоночных, растений и птиц. [15]
Кардифф Бэй
[ редактировать ]Концентрация растворенного кислорода в Кардиффском заливе поддерживается на уровне 5 мг/л или выше. Сжатый воздух перекачивается с пяти объектов вокруг залива через ряд армированных сталью резиновых трубопроводов, проложенных по руслам залива и рек Тафф и Эли. Они подключены примерно к 800 диффузорам. Иногда этого оказывается недостаточно, и администрация порта использует передвижную баржу для оксигенации, построенную McTay Marine , где жидкий кислород в резервуаре хранится . Жидкий кислород пропускают через испаритель с электрическим подогревом, а газ впрыскивают в поток воды, которая перекачивается из отсека и возвращается в него. Баржа способна растворить до 5 тонн кислорода за 24 часа. [16]
Чесапикский залив
[ редактировать ]Подобные варианты были предложены для восстановления Чесапикского залива , где основной проблемой является отсутствие фильтрующих организмов, таких как устрицы, ответственных за поддержание чистоты воды. Исторически популяция устриц в заливе исчислялась десятками миллиардов, и они распространили весь объем залива за считанные дни. [ нужна ссылка ] Из-за загрязнения, болезней и чрезмерного сбора урожая их численность составляет лишь часть исторического уровня. Вода, которая когда-то была прозрачной на несколько метров, теперь настолько мутная и наполнена осадками, что кулики могут потерять из виду свои ноги еще до того, как им промокнут колени. [ нужна ссылка ] Кислород обычно поставляется подводной водной растительностью посредством фотосинтеза , но загрязнение и отложения привели к сокращению популяций растений, что привело к снижению уровня растворенного кислорода, что сделало районы залива непригодными для аэробной водной жизни. В симбиотических отношениях растения обеспечивают кислород, необходимый для размножения подводных организмов, а взамен фильтраторы поддерживают воду чистой и, таким образом, достаточно прозрачной, чтобы растения имели достаточный доступ к солнечному свету. Исследователи предложили оксигенацию искусственным путем в качестве решения, которое поможет улучшить качество воды. Аэрация гипоксических водоемов кажется привлекательным решением, и она неоднократно успешно опробовалась на пресноводных прудах и небольших озерах. Однако никто не предпринимал такого масштабного проекта аэрации, как устье реки . [17]
Часть залива площадью 353 гектара, соединенная с Рок-Крик, аэрируется с помощью труб с 2016 года. Система начиналась как крупнопузырчатая система, предназначенная в основном для дестратификации, создающая кислородную зону площадью 74 га. В 2019 году он был модернизирован до мелкопузырчатых инжекторов для прямой подачи большего количества кислорода. [18]
Аэрация водоподготовки
[ редактировать ]Во многих процессах очистки воды используются различные формы аэрации для поддержки биологических окислительных процессов. Типичным примером является активный ил , в котором может использоваться мелко- или крупнопузырчатая аэрация или механические аэрационные конусы, которые всасывают смешанную жидкость из дна очистного резервуара и выбрасывают ее через воздух, где в жидкости захватывается кислород.
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Кук, Дж. Деннис; Уэлч, Юджин Б.; Петерсон, Спенсер; Николс, Стэнли А., ред. (2005). Восстановление и управление озерами и водохранилищами . Бока-Ратон, Флорида: CRC Press. п. 616. ИСБН 9781566706254 .
- ^ Перейти обратно: а б с Лаки, Роберт Т. (1972). «Методика устранения термической стратификации в озерах». Журнал Американской ассоциации водных ресурсов . 8 (1): 46–49. Бибкод : 1972JAWRA...8...46L . дои : 10.1111/j.1752-1688.1972.tb05092.x .
- ^ Бреннан, Скотт; Уитготт, Джей (2005). Окружающая среда: наука, лежащая в основе историй . Сан-Франциско, Калифорния: Пирсон (Бенджамин Каммингс). п. 426. ИСБН 0-8053-4427-6 .
- ^ Перейти обратно: а б с д и ж г Такер, Крейг (сентябрь 2005 г.). «Аэрация пруда» . Южный региональный центр аквакультуры. Публикация SRAC № 3700. Архивировано из оригинала 17 июля 2011 г.
- ^ Перейти обратно: а б с Боллс, Стивен А. «Моделирование систем аэрации сточных вод для выявления возможностей энергосбережения» (PDF) . Процесс Энерджи Сервисиз, ООО .
- ^ «Аэрация и циркуляция озера» (PDF) . Агентство по охране окружающей среды штата Иллинойс . Проверено 13 сентября 2009 г.
- ^ Перейти обратно: а б «Информационный бюллетень о технологии очистки сточных вод: тонкопузырчатая аэрация» (PDF) . Вашингтон, округ Колумбия: Агентство по охране окружающей среды США, Управление водных ресурсов. Сентябрь 1999 г. EPA 832-F-99-065. Архивировано из оригинала (PDF) 13 мая 2011 года.
- ^ «Сокращение содержания фосфора и азота – Управление водосбором – Clean-Flo» . www.clean-flo.com . 2023 . Проверено 25 февраля 2024 г.
- ^ Тапархуди, Вара (2002). «Применение лопастных аэраторов и системы рассеянного воздуха в системе ферм по выращиванию креветок замкнутого цикла» (PDF) . Виттхаясан Касецарт (Саха Виттхаясат) . 36 : 408–419 . Проверено 26 апреля 2020 г. .
- ^ Перейти обратно: а б Лаки, Роберт Т. (1972). «Реакция физических и химических параметров на устранение термической стратификации в резервуаре». Журнал Американской ассоциации водных ресурсов . 8 (3): 589–599. Бибкод : 1972JAWRA...8..589L . дои : 10.1111/j.1752-1688.1972.tb05181.x .
- ^ Перейти обратно: а б Лакей, Роберт Т.; Холмс, Дональд В. (1972). «Оценка двух методов аэрации для предотвращения вымерзания». Прогрессивный рыбовод . 34 (3): 175. doi : 10.1577/1548-8640(1972)34[175:EOTMOA]2.0.CO;2 .
- ^ Лакей, Роберт Т. (1973). «Влияние дестратификации искусственного водоема на фитопланктон». Журнал Федерации контроля загрязнения воды . 45 (4): 668–673. JSTOR 25037806 . ПМИД 4697461 .
- ^ Лакей, Роберт Т. (1973). «Влияние искусственной дестратификации на зоопланктон в озере Парвин, штат Колорадо». Труды Американского общества рыболовства . 102 (2): 450–452. Бибкод : 1973ТрАФС.102..450Л . doi : 10.1577/1548-8659(1973)102<450:EOADOZ>2.0.CO;2 .
- ^ Лакей, Роберт Т. (1973). «Изменение донной фауны при дестратификации искусственного водоема». Исследования воды . 7 (9): 1349–1356. Бибкод : 1973WatRe...7.1349L . дои : 10.1016/0043-1354(73)90011-0 .
- ^ Перейти обратно: а б «Сказка о двух реках» . Новости Би-би-си . 20 апреля 2001 года . Проверено 13 сентября 2009 г.
- ^ «Растворенный кислород в Кардиффском заливе» . Великобритания: Агентство по охране окружающей среды. Архивировано из оригинала 8 июня 2009 года . Проверено 7 октября 2010 г.
- ^ Научно-технический консультативный комитет (STAC) программы Чесапикского залива. «Смогут ли ветряные мельницы спасти залив?» (PDF) . .chesapeake.org .
- ^ Лэпэм, Лаура Л.; Хоббс, Эдвард А.; Теста, Джереми М.; Привет, Эндрю; Форсайт, Мелинда К.; Ходжкинс, Кейси; Шевчик, Кертис; Харрис, Лора А. (11 августа 2022 г.). «Влияние искусственной аэрации на поток метана в атмосферу из притока Чесапикского залива» . Границы в науке об окружающей среде . 10 . дои : 10.3389/fenvs.2022.866152 .
| Базы данных органов управления : Национальные |
|---|
