Аэрация воды
Добавление воздуха в воду

Фонтаны аэрируют воду, распыляя ее в воздухе.

Аэрация воды — это процесс увеличения или поддержания насыщения воды кислородом как в естественной, так и в искусственной среде. Методы аэрации обычно используются в управлении прудами, озерами и водохранилищами для решения проблемы низкого уровня кислорода или цветения водорослей. [1]

Качество воды

Аэрация воды часто требуется в водоемах, которые страдают от гипоксических или аноксических условий, часто вызванных деятельностью человека выше по течению, такой как сброс сточных вод, сельскохозяйственные стоки или чрезмерное закармливание рыболовного озера. Аэрация может быть достигнута путем вливания воздуха на дно озера , лагуны или пруда или путем поверхностного перемешивания с помощью фонтана или распыляющего устройства, чтобы обеспечить обмен кислорода на поверхности и выделение газов, таких как углекислый газ , метан или сероводород . [2]

Снижение уровня растворенного кислорода (РК) является одним из основных факторов плохого качества воды. Кислород нужен не только рыбам и большинству других водных животных, аэробные бактерии помогают разлагать органические вещества. Когда концентрация кислорода становится низкой, могут возникнуть бескислородные условия, которые могут снизить способность водоема поддерживать жизнь.

Методы аэрации

Любая процедура, посредством которой в воду добавляется кислород, может считаться типом аэрации воды. Существует множество способов аэрации воды, но все они делятся на две широкие области — поверхностная аэрация и подповерхностная аэрация . Для обоих подходов доступны различные методы и технологии.

Естественная аэрация

Естественная аэрация — это тип как подповерхностной, так и поверхностной аэрации. Она может происходить через подповерхностные водные растения. Благодаря естественному процессу фотосинтеза водные растения выделяют кислород в воду, обеспечивая ее кислородом, необходимым для жизни рыб и аэробных бактерий для расщепления избыточных питательных веществ. [3]

Кислород может попадать в воду, когда ветер волнует поверхность водоема, а естественная аэрация может также происходить за счет движения воды, вызванного входящим потоком , водопадом или даже сильным наводнением . [ необходима ссылка ]

В крупных водоемах в умеренном климате осенний оборот воды может привести к попаданию богатой кислородом воды в бедный кислородом гиполимнион . [ необходима ссылка ]

Поверхностная аэрация

Низкоскоростной поверхностный аэратор

Низкоскоростной поверхностный аэратор — это устройство для биологической аэрации с высокой эффективностью. Эти устройства часто изготавливаются из стали, защищенной эпоксидным покрытием, и генерируют высокий крутящий момент. Смешивание объема воды превосходное. Обычная мощность составляет от 1 до 250 кВт на единицу с эффективностью (SOE) около 2 кгO2/кВт. Низкоскоростные аэраторы используются в основном для биологической аэрации растений для очистки воды. Чем больше диаметр, тем выше SOE и смешивание.

Фонтаны

Фонтан состоит из средства распыления воды вверх в воздух. Обычно это может быть сделано с помощью двигателя, который приводит в действие вращающееся рабочее колесо . Рабочее колесо качает воду с первых нескольких футов воды и выбрасывает ее в воздух. [4] Этот процесс использует контакт воздуха и воды для передачи кислорода. Когда вода выталкивается в воздух, она распадается на мелкие капли. В совокупности эти мелкие капли имеют большую площадь поверхности, через которую может передаваться кислород. По возвращении эти капли смешиваются с остальной водой и, таким образом, передают свой кислород обратно в экосистему.

Фонтаны являются популярным методом обеспечения поверхностной аэрации из-за эстетичного внешнего вида, который они предлагают. Однако большинство фонтанов не способны производить большую площадь насыщенной кислородом воды. [4] Кроме того, прохождение электричества через воду к фонтану может быть опасным.

Плавающие поверхностные аэраторы

Типичный механический поверхностный аэратор в работе. Часто для этого типа машины сложно аэрировать весь столб воды.
Аэратор с лопастным колесом мощностью в одну лошадиную силу . Разбрызгивание может увеличить скорость испарения воды и, таким образом, повысить соленость водоема.

Плавающие поверхностные аэраторы работают аналогично фонтанам, но они не предлагают такой же эстетичный внешний вид. Они извлекают воду из верхних 1–2 футов водоема и используют контакт воздуха и воды для переноса кислорода. Вместо того, чтобы выталкивать воду в воздух, они разрушают воду на поверхности воды. Плавающие поверхностные аэраторы также питаются от берегового электричества. [4] Эффективность поверхностного аэратора ограничена небольшой площадью, поскольку они не могут добавить циркуляцию или кислород в радиусе более 3 метров. Эта циркуляция и насыщение кислородом затем ограничиваются самой верхней частью водной колонны, часто оставляя нижние части нетронутыми. Низкоскоростные поверхностные аэраторы также могут быть установлены на поплавках.

Аэраторы с лопастным колесом

Аэраторы с лопастным колесом также используют контакт воздух-вода для переноса кислорода из воздуха в атмосфере в водоем. Чаще всего они используются в области аквакультуры (разведение водных животных или выращивание водных растений для еды). Эти аэраторы, состоящие из ступицы с прикрепленными лопастями, обычно приводятся в действие валом отбора мощности трактора ( ВОМ ), газовым двигателем или электродвигателем . Они, как правило, устанавливаются на поплавках . Электричество заставляет лопасти вращаться, взбивая воду и обеспечивая перенос кислорода через контакт воздух-вода. [4] Когда каждый новый участок воды взбивается, он поглощает кислород из воздуха, а затем, возвращаясь в воду, восстанавливает его в воде. В этом отношении аэрация с лопастным колесом работает очень похоже на плавающие поверхностные аэраторы.

Подземная аэрация

Подповерхностная аэрация стремится выпустить пузырьки на дне водоема и позволить им подняться силой плавучести. Системы диффузной аэрации используют пузырьки для аэрации, а также для перемешивания воды. Вытеснение воды из-за выталкивания пузырьков приведет к смешиванию, а контакт между водой и пузырьком приведет к переносу кислорода. [5]

Струйная аэрация

Подземная аэрация может быть достигнута с помощью струйных аэраторов , которые всасывают воздух с помощью принципа Вентури и впрыскивают его в жидкость. [ необходима цитата ]

Крупнопузырьковая аэрация

Крупнопузырьковая аэрация — это тип подповерхностной аэрации, при которой воздух закачивается из наземного воздушного компрессора . [6] через шланг в установку, размещенную на дне водоема. Установка выталкивает крупные пузырьки (более 2 мм в диаметре), [7] которые выделяют кислород при контакте с водой, что также способствует перемешиванию стратифицированных слоев озера. При выделении крупных пузырьков из системы происходит турбулентное перемещение воды, что приводит к перемешиванию воды. [5] По сравнению с другими методами аэрации крупнопузырьковая аэрация очень неэффективна в плане переноса кислорода. Это связано с большим диаметром и относительно небольшой общей площадью поверхности ее пузырьков. [5]

Мелкопузырьковая аэрация

Мелкопузырьковая аэрация является эффективным методом аэрации с точки зрения переноса кислорода за счет большой общей площади поверхности пузырьков.

Мелкопузырьковая аэрация — эффективный способ переноса кислорода в водоем. [8] Компрессор на берегу перекачивает воздух через шланг, который соединен с подводным аэрационным блоком. К блоку прикреплено несколько диффузоров. Эти диффузоры имеют форму дисков, пластин, трубок или шлангов, изготовленных из связанного стеклом кремнезема, пористого керамического пластика, ПВХ или перфорированных мембран, изготовленных из каучука EPDM (этиленпропилендиеновый мономер) . [4] Воздух, прокачиваемый через мембраны диффузора, выпускается 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 (OTE), иногда достигающую 15 фунтов кислорода / (лошадиная сила * час) (9,1 килограмма кислорода / (киловатт * час)). [4] В среднем, диффузионная аэрация воздуха обеспечивает диффузию приблизительно 2–4 кубических футов воздуха в минуту (56,6–113,3 литров воздуха в минуту), но некоторые работают на уровнях от 1 кубического фута в минуту (28,3 л/мин) до 10 кубических футов в минуту (283 л/мин).

Мелкопузырьковая диффузная аэрация способна максимизировать площадь поверхности пузырьков и, таким образом, переносить больше кислорода в воду на объем пузырька. Кроме того, более мелкие пузырьки требуют больше времени, чтобы достичь поверхности, поэтому не только максимизируется площадь поверхности, но и время, которое каждый пузырек проводит в воде, что дает ему больше возможностей переносить кислород в воду. Как правило, более мелкие пузырьки и более глубокая точка высвобождения будут генерировать большую скорость переноса кислорода. [9]

Одним из недостатков мелкопузырчатой ​​аэрации является то, что мембраны керамических диффузоров иногда могут засоряться и должны очищаться, чтобы поддерживать их работу с оптимальной эффективностью. Кроме того, они не обладают способностью перемешивать столб воды так же хорошо, как другие методы аэрации, такие как крупнопузырчатая аэрация. [4]

Дестратификация озера

( См. также дестратификация озера )

Циркуляторы обычно используются для перемешивания пруда или озера и, таким образом, уменьшения температурной стратификации . Как только циркулирующая вода достигает поверхности, интерфейс воздух-вода облегчает перенос кислорода в воду озера.

Менеджеры по природным ресурсам и окружающей среде уже давно сталкиваются с проблемами, вызванными термической стратификацией озер. [2] [10] Гибель рыб напрямую связана с термическими градиентами, застоем и ледяным покровом. [11] Чрезмерный рост планктона может ограничить рекреационное использование озер и коммерческое использование озерной воды. [12] При сильной термической стратификации в озере качество питьевой воды также может быть неблагоприятно затронуто. [13] [14] Для менеджеров по рыболовству пространственное распределение рыб в озере часто неблагоприятно влияет термическая стратификация, а в некоторых случаях может косвенно вызывать массовую гибель рекреационно важной рыбы. [11]

Одним из часто используемых инструментов для снижения серьезности этих проблем управления озером является устранение или уменьшение термической стратификации посредством аэрации. [2] Многие типы аэрационного оборудования использовались для уменьшения или устранения термической стратификации. Аэрация имела определенный успех, хотя она редко оказывалась панацеей. [10]

Крупномасштабные проекты

Баржи для оксигенации Thames

Во время сильного дождя канализационные трубы Лондона переполняются в реку Темзу , в результате чего уровень растворенного кислорода резко падает и создается угроза для видов, которые она поддерживает. [15] Два специальных судна McTay Marine , баржи-оксигенаторы Thames Bubbler и Thames Vitality, используются для пополнения уровня кислорода в рамках продолжающейся борьбы за очистку реки, которая теперь поддерживает 115 видов рыб и сотни других беспозвоночных, растений и птиц. [15]

Кардиффский залив

Концентрация растворенного кислорода в заливе Кардифф поддерживается на уровне или выше 5 мг/л. Сжатый воздух закачивается из пяти мест вокруг залива через ряд армированных сталью резиновых трубопроводов, проложенных по дну залива и рекам Тафф и Эли. Они подключены примерно к 800 диффузорам. Иногда этого недостаточно, и Управление порта использует мобильную баржу для оксигенации, построенную McTay Marine, с жидким кислородом, хранящимся в резервуаре. Жидкий кислород пропускается через испаритель с электрическим нагревом, и газ впрыскивается в поток воды, который закачивается из залива и возвращается в него. Баржа способна растворить до 5 тонн кислорода за 24 часа. [16]

Чесапикский залив

Похожие варианты были предложены для реабилитации Чесапикского залива , где основной проблемой является нехватка фильтрующих организмов, таких как устрицы, ответственных за чистоту воды. Исторически популяция устриц залива составляла десятки миллиардов, и они циркулировали по всему объему залива за считанные дни. [ требуется цитата ] Из-за загрязнения, болезней и чрезмерного вылова их популяция составляет лишь часть исторического уровня. Вода, которая когда-то была прозрачной на протяжении нескольких метров, теперь настолько мутная и наполнена осадками, что кулик может потерять из виду свои ноги еще до того, как намокнут колени. [ требуется цитата ] Кислород обычно поступает из подводной водной растительности посредством фотосинтеза , но загрязнение и осадки сократили популяции растений, что привело к снижению уровня растворенного кислорода, сделав 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 для того, чтобы растения имели достаточный доступ к солнечному свету. Исследователи предложили оксигенацию искусственными средствами в качестве решения для улучшения качества воды. Аэрация гипоксических водоемов кажется привлекательным решением, и она была успешно опробована много раз на пресноводных прудах и небольших озерах. Однако никто не реализовал проект аэрации такого масштаба, как эстуарий . [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, создавая 74-га кислородную зону. Она была модернизирована в 2019 году до мелкопузырчатых инжекторов, чтобы напрямую поставлять больше кислорода. [18]

Аэрация водоподготовки

Многие процессы очистки воды используют различные формы аэрации для поддержки биологических окислительных процессов. Типичным примером является активированный ил , который может использовать мелко- или крупнопузырьковую аэрацию или механические аэрационные конусы, которые вытягивают смешанную жидкость из основания резервуара для обработки и выбрасывают ее через воздух, где кислород захватывается жидкостью.

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Кук, Г. Деннис; Уэлч, Юджин Б.; Петерсон, Спенсер; Николс, Стэнли А., ред. (2005). Восстановление и управление озерами и водохранилищами . Бока-Ратон, Флорида: CRC Press. стр. 616. ISBN 9781566706254.
  2. ^ abc Lackey, Robert T. (1972). «Метод устранения термической стратификации в озерах». Журнал Американской ассоциации водных ресурсов . 8 (1): 46– 49. Bibcode : 1972JAWRA...8...46L. doi : 10.1111/j.1752-1688.1972.tb05092.x.
  3. ^ Бреннан, Скотт; Уитготт, Джей (2005). Окружающая среда: наука, стоящая за историями . Sun Francisco, Калифорния: Pearson (Бенджамин Каммингс). стр. 426. ISBN 0-8053-4427-6.
  4. ^ abcdefg Такер, Крейг (сентябрь 2005 г.). "Аэрация пруда". Южный региональный центр аквакультуры. Публикация SRAC № 3700. Архивировано из оригинала 17 июля 2011 г.
  5. ^ abc Bolles, Steven A. "Моделирование систем аэрации сточных вод для выявления возможностей экономии энергии" (PDF) . Process Energy Services, LLC .
  6. ^ "Lake Aeration and Circulation" (PDF) . Агентство по охране окружающей среды Иллинойса . Получено 13 сентября 2009 г. .
  7. ^ ab "Информационный листок по технологиям очистки сточных вод: мелкопузырьковая 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 г.
  8. ^ «Снижение содержания фосфора и азота — управление водоразделом — Clean-Flo». www.clean-flo.com . 2023 . Получено 25 февраля 2024 .
  9. ^ Тапархуди, Вара (2002). «Применение аэраторов с лопастным колесом и системы диффузионного воздуха в системе замкнутого цикла выращивания креветок» ( PDF) . Witthayasan Kasetsart (Sakha Witthayasat) . 36 : 408–419 . Получено 26 апреля 2020 г.
  10. ^ ab Lackey, Robert T. (1972). «Реакция физических и химических параметров на устранение термической стратификации в водохранилище». Журнал Американской ассоциации водных ресурсов . 8 (3): 589– 599. Bibcode : 1972JAWRA...8..589L. doi : 10.1111/j.1752-1688.1972.tb05181.x.
  11. ^ ab Lackey, Robert T.; Holmes, Donald W. (1972). «Оценка двух методов аэрации для предотвращения замора». The Progressive Fish-Culturist . 34 (3): 175. doi :10.1577/1548-8640(1972)34[175:EOTMOA]2.0.CO;2.
  12. ^ Лэки, Роберт Т. (1973). «Влияние дестратификации искусственного водохранилища на фитопланктон». Журнал Федерации по контролю за загрязнением воды . 45 (4): 668– 673. JSTOR  25037806. PMID  4697461.
  13. ^ Лэки, Роберт Т. (1973). «Влияние искусственной дестратификации на зоопланктон в озере Парвин, штат Колорадо». Труды Американского рыболовного общества . 102 (2): 450– 452. Bibcode : 1973TrAFS.102..450L. doi : 10.1577/1548-8659(1973)102<450:EOADOZ>2.0.CO;2.
  14. ^ Лэки, Роберт Т. (1973). «Изменения донной фауны во время дестратификации искусственного водохранилища». Water Research . 7 (9): 1349– 1356. Bibcode : 1973WatRe...7.1349L. doi : 10.1016/0043-1354(73)90011-0.
  15. ^ ab "A tale of two rivers". BBC News . 20 апреля 2001 г. Получено 13 сентября 2009 г.
  16. ^ "Растворенный кислород в заливе Кардифф". Великобритания: Агентство по охране окружающей среды. Архивировано из оригинала 8 июня 2009 года . Получено 7 октября 2010 года .
  17. ^ Научно-технический консультативный комитет (STAC) Программы Чесапикского залива. «Могут ли ветряные мельницы спасти залив?» (PDF) . .chesapeake.org .
  18. ^ Лэпхэм, Лора Л.; Хоббс, Эдвард А.; Теста, Джереми М.; Хейес, Эндрю; Форсайт, Мелинда К.; Ходжкинс, Кейси; Шевчик, Кертис; Харрис, Лора А. (11 августа 2022 г.). «Влияние искусственной аэрации на поток атмосферного метана из приливного притока Чесапикского залива». Frontiers in Environmental Science . 10 . doi : 10.3389/fenvs.2022.866152 .
Взято с "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Водная_аэрация&oldid=1266092713#Лопастные_аэраторы"