Гиполимнетическая аэрация

В этой статье есть несколько проблем. Помогите улучшить ее или обсудите эти проблемы на странице обсуждения . ( Узнайте, как и когда удалять эти сообщения ) Эта статья может оказаться слишком сложной для понимания большинством читателей .Пожалуйста, помогите улучшить его, чтобы сделать его понятным для неспециалистов , не удаляя технические детали. ( Май 2013 )( Узнайте, как и когда удалить это сообщение ) Данная статья содержит рекламный контент .Пожалуйста, помогите улучшить его, удалив рекламный язык и неуместные внешние ссылки , а также добавив энциклопедический текст, написанный с нейтральной точки зрения . ( Июль 2020 г. )( Узнайте, как и когда удалить это сообщение ) ( Узнайте, как и когда удалить это сообщение )

Глубоководная аэрация , также известная как гиполимнетическая аэрация , описывает подачу кислорода из атмосферы для удовлетворения потребности в кислороде в глубокой воде без нарушения естественной стратификации воды выше. Этот процесс способствует развитию аэробных условий в глубокой воде, что приводит к значительному снижению растворения фосфатов и улучшению минерализации осадков . Научные исследования подтверждают эффективность внедрения технических мер вентиляции для поддержания круглогодичных аэробных условий в глубокой воде, тем самым восстанавливая естественный баланс озер. ^[1]

Во время летнего застоя в стратифицированных эвтрофных озерах в глубокой воде развивается дефицит кислорода. Увеличение поступления питательных веществ повышает трофический уровень этих озер. Питательные вещества способствуют росту поверхностных водорослей и, следовательно, увеличивают потребление кислорода в глубоких зонах, чтобы соответствовать возросшему количеству окислительного разложения возросшего количества падающих органических отходов из поверхностных зон. Следовательно, ил накапливается в анаэробной среде глубокой воды, что приводит к более высоким концентрациям аммония, железа, марганца и токсичного сероводорода в воде. Гиполимнион становится негостеприимным, а анаэробные условия способствуют большему растворению фосфата из отложений в глубокой воде; эти дополнительные нагрузки фосфатных питательных веществ создают дальнейшие осложнения после следующей полной циркуляции. В контексте водохранилищ и плотин, используемых для производства питьевой воды, такое ухудшение качества воды создает значительные проблемы, особенно в отношении соблюдения правил, установленных для обеспечения чистой питьевой воды. Внедрение глубоководной аэрации может помочь предотвратить процесс эвтрофикации.

TIBEAN, также известный как TWBA, является аббревиатурой немецкого термина « Tiefenwasserbelüftungsanlage », что переводится как «система глубоководной аэрации».

Серия TIBEAN включает плавающие или погружаемые механизмы. Эти механизмы состоят из одной или нескольких труб, расположенных выше по течению, где вода аэрируется по мере подъема, дегазационной камеры, для удаления газов из аэрированной воды, и одной или нескольких труб ниже по течению, через которые вентилируемая и дегазированная вода закачивается обратно в гиполимнион. В дегазационной камере можно встроить дополнительные поглотители питательных веществ и/или устройства осаждения питательных веществ.

В нижнем конце установки атмосферный воздух вводится в воду с помощью эжектора . Это заставляет смесь воды и кислорода продвигаться вверх по трубе вверх по течению. Достигнув конца трубы вверх по течению, смесь попадает в камеру дегазации, где остаточные газы отделяются от насыщенной кислородом воды. Газ выпускается в атмосферу, в то время как насыщенная кислородом вода продолжает свой поток по трубе вниз по течению. Выпускное отверстие спроектировано так, чтобы обеспечить плавный, ламинарный поток и горизонтальный отток в гиполимнион. ^{[2] [3]} Расчеты потока и массообмена, проведенные во время технической конфигурации, могут определить оптимальную настройку для данной системы.

Система включает в себя следующие компоненты:

• Плавающие танки
• Труба восходящего потока (напоминающая телескоп)
• Камера дегазации
• Смесительное устройство
• Всасывающее ограждение
• Покрытие забора
• Нисходящая труба
• Поступление кислорода
• Погружной насос с эжектором
• Главные балластные цистерны

TIBEAN может быть изготовлен с использованием таких материалов, как полиэтилен , полипропилен , нержавеющая сталь или алюминиево-марганцевый сплав .

Системы TIBEAN демонстрируют высокую степень изменчивости, удовлетворяя широкий спектр применения. Они предлагают подачу кислорода от 1,5 до 60 кг/ч, могут использоваться на глубине от 5 до 50 метров и обеспечивают расход от 600 до 7500 м ³ /ч.

Использование систем глубоководной аэрации может служить различным целям в зависимости от конкретных приоритетов. К ним относятся:

• Сохранение глубоких зон как аэробных местообитаний для рыб и других организмов. ^{[4] [5]}
• Снижение концентрации питательных веществ в поверхностных водах. ^[1]
• Предотвращение накопления ила, повышенного образования аммиака и образования токсичного сероводорода. ^[1]
• Снижение затрат на производство питьевой воды. ^[1]
• Целенаправленная очистка глубинных вод с использованием коагулянтов.

Глубокая аэрация обеспечивает существенное снижение затрат и позволяет проводить дополнительную техническую обработку гиполимнетической воды, особенно в контексте производства питьевой воды. ^[1] Поскольку питьевая вода обычно добывается из-под термоклина в водохранилищах, повышение качества гиполимнетической воды напрямую влияет на производство питьевой воды. Глубокая аэрация может дать следующие эффекты, касающиеся соблюдения правил питьевой воды и применимых предельных значений:

Пороговое значение pH питьевой воды составляет 6,5–9,5. Значения pH за пределами нейтрального диапазона (pH 6,5–7,5) считаются критическими, поскольку они указывают на коррозионное поведение воды. Слабокислая вода (pH 4–6,5) имеет тенденцию вызывать коррозию оцинкованных железных труб, а также медных и асбестоцементных труб ^[6] в процессе, известном как кислотная коррозия. Незащищенные стальные трубы, как правило, не подходят для использования при более низких значениях pH, поскольку они способствуют удалению цинкового слоя. ^[7] Природные холодные воды обычно демонстрируют слегка щелочную реакцию из-за равновесных концентраций растворенного диоксида углерода в форме ионов бикарбоната и ионов карбоната, а также растворенных солей и газов. Более высокие щелочные значения pH (pH 9–14) в присутствии кислорода могут привести к кислородной коррозии. Буферные растворы добавляются в сырую воду при производстве питьевой воды для предотвращения кислотной или кислородной коррозии. Эффект стабилизации pH гиполимнетической аэрации может снизить потребность в этих буферных растворах, тем самым снижая эксплуатационные расходы. ^[1]

Пороговые значения для концентраций железа и марганца в питьевой воде составляют 200 мкг/л и 50 мкг/л соответственно. Хотя железо и марганец являются важными микроэлементами в питьевой воде, слегка повышенные концентрации этих элементов нежелательны с технической и гигиенической точки зрения. ^[6] В условиях низкого содержания кислорода железо и марганец растворяются в виде ионов, причем большинство из них существует в виде растворимых соединений железа или марганца. При очень высоких концентрациях вода может иметь желтый цвет. При аэрации процесс окисления приводит к образованию трехвалентного железа и марганца, вызывая красно-коричневые и черные осадки соответственно. Эти осадки могут привести к появлению пятен на воде, мутности и пятен на белье. Они также могут накапливаться в трубах, что приводит к сужению и отложению отложений на арматуре. Уровни железа выше 0,3 мг/л и уровни марганца выше 0,5 мг/л могут придавать воде неприятный металлический привкус. ^[6] Создавая аэробную среду в гиполимнионе, глубокая аэрация воды способствует окислению и осаждению растворенных соединений железа и марганца до того, как вода подвергнется дальнейшей обработке на подходящем объекте для производства питьевой воды. Такой подход помогает снизить эксплуатационные расходы, связанные с удалением растворенных соединений железа и марганца.

Количество и подвижность видов железа также влияют на окислительно-восстановительный цикл фосфора. ^[8] Двухвалентные соединения железа, происходящие из анаэробных слоев осадка, постепенно диффундируют и подвергаются окислению в пограничной зоне между аэробной водой и анаэробным осадком. Эти соединения накапливаются в верхнем слое осадка. Степень этого накопления влияет на эффективность аэробной границы осадок-вода как диффузионного барьера для фосфата. ^[1]

Как упоминалось ранее, глубоководная аэрация способна значительно снижать концентрацию питательных веществ. Наличие аэробных условий способствует процессам нитрификации и последующей денитрификации , способствуя удалению азота из системы. ^[1] Окисление восстановленных веществ, таких как сероводород и метан, как химическим, так и микробным путем, а также усиленная деградация органических веществ могут помочь смягчить образование ила. Поддержание аэробных условий в глубоководных слоях также играет решающую роль в снижении окислительно-восстановительно-контролируемого повторного растворения фосфора из осадка и содействии повторному осаждению высвобождаемого фосфора. Следовательно, глубоководная аэрация дает дополнительное преимущество в снижении затрат, связанных с производством питьевой воды, за счет устранения необходимости в стадиях денитрификации или снижения зависимости от дорогостоящих флокулянтов. ^[1]

Процесс проектирования глубоководных аэрационных установок состоит из нескольких этапов. Для начала проводится морфометрическое измерение водоема для оценки профиля глубины и определения технических требований к проектированию. Это измерение необходимо для определения оптимального местоположения механизма. Точный технический проект включает оценку различных параметров, таких как концентрации питательных веществ, температурная стратификация, уровни pH, временные изменения концентрации кислорода, а также выполнение расчетов, связанных со скоростью потока, величинами переноса массы и распределением взвешенных твердых частиц в гиполимнионе. Эти измерения и расчеты имеют решающее значение для точного и эффективного проектирования системы глубоководной аэрации.