Результаты исследования воздействия электрического импульсного тока на велигеры дрейссены в водозаборах оросительных систем

Размещено на http://www.allbest.ru/

Results of the study of the impact electric pulse current on the Dreissen veligers in water intakes of irrigation systems

E.D. Khetsuriani

S.M. Vasiliev

Abstract

Introduction. The article is devoted to the innovative technology of zebra zebra control. The paper presents the results of theoretical substantiation and experimental studies of constructive and technological development for protection against biofouling of water pipes, mechanical equipment of pumping stations and sprinkling equipment, which are the main elements of the reclamation system. Materials and methods. The studies were carried out on an experimental setup. In this paper, we consider the protection of reclamation water intakes not only as ensuring the uninterrupted water consumption of the reclamation system, but also as a preliminary measure to improve the quality indicators of irrigation water, save electricity, reduce the cost of additional water treatment and increase the service life of the system equipment. Results and conclusions. As a result of laboratory studies, the main parameters of the protective design and technological development were determined, which have the maximum effect on veligers, which turned out to be field strength, current density, pulse duration and number of pulses. A scheme of an electropulse device has been developed and experimental studies have been carried out on the electrical inactivation of Dreissena veligers in order to prevent biofouling of water pipes, mechanical equipment of pumping stations and sprinkler equipment. It has been experimentally proved that for the inactivation of zebra mussel in surface water intakes, it is possible to recommend a two-channel electropulse device with the following parameters: voltage - 50 kV, capacitor capacitance - 1 ... 2 ^F, pulse repetition rate - 4 ... 6 Hz. With these parameters, zebra veli- gers after 9 pulses of exposure after two hours die by 100%. The expediency of conducting research on water disinfection by the electropulse method at surface water intakes is recommended.

Keywords: Reclamation system, irrigation water, water intake structures, energy saving, shellfish, tiger mussel, dreissen, pumping units, sprinkler machines.

Результаты исследования воздействия электрического импульсного тока на велигеры дрейссены в водозаборах оросительных систем

Е.Д. Хецуриани, С.М. Васильев

Аннотация

борьба дрейссена биообрастание водопровод

Актуальность. Статья посвящена инновационной технологии борьбы с дрейссеной. В работе приводятся результаты теоретического обоснования и экспериментальных исследований конструктивно-технологической разработки по защите от биообрастания водопроводов, механического оборудования насосных станций и дождевальной техники, являющихся основными элементами мелиоративной системы. Материалы и методы. Исследования проводились на экспериментальной установке. В работе защиту мелиоративных водозаборов рассматриваем не только как обеспечение бесперебойного водопотребления мелиоративной системы, но и как предварительную меру улучшения качественных показателей оросительной воды, экономию электроэнергии, сокращение расходов на дополнительную очистку воды и увеличение срока службы оборудования системы. Результаты и выводы. В результате лабораторных исследований определены основные параметры защитной конструктивно-технологической разработки, максимально влияющие на велигеры, которыми оказались напряжённость поля, плотность тока, длительность импульса и количество импульсов. Разработана схема электроимпульсного устройства и проведены экспериментальные исследования по электроинактивации велигеров дрейссены с целью предотвращения биообрастания водопроводов, механического оборудования насосных станций и дождевальной техники. Экспериментально доказано, что для инактивации дрейссены в водозаборах поверхностных вод можно рекомендовать двухканальное электроимпульсное устройство с параметрами: напряжение - 50 кВ, ёмкость конденсатора - 1...2 мкФ, частота следования импульсов - 4.6 Гц. При таких параметрах велигеры дрейссены после 9 импульсов воздействия по истечении двух часов погибают на 100 %. Рекомендовано проведение исследований по обеззараживанию воды электроимпульсным способом на водозаборах поверхностных вод.

Ключевые слова: мелиоративные системы, оросительная вода, водозаборные сооружения, моллюски, тигровая мидия, дрейссена, насосные агрегаты, дождевальные машины.

Введение

В процессе эксплуатации водозаборных сооружений происходит снижение производительности насосов, обрастание труб дрейссеной. Этот процесс естественный, обусловлен кольматацией рыбозащитных устройств и прифильтровых зон, отложением солей, в основном в результате химической и электрохимической коррозии. Обследование водоприёмных труб телекамерой подтверждает, что кольматация со временем приводит к полному зарастанию перфорации каркаса фильтра рыбозащитных устройств и является основной причиной снижения производительности водозабора в процессе эксплуатации. Эксплуатация водозаборных сооружений с низкой производительностью, вызванной кольматацией фильтров рыбозащитных устройств и всасывающих труб дрейссеной, нерентабельна [1-6, 8].

Наибольший вред системе водопотребления мелиоративной системы и энергоснабжения наносит моллюск - речная дрейссена, дрейссена полиморфная, а также близкородственный вид - Dreissena bugensis, дрейссена бугская, размер личинки в последней стадии перед оседанием достигает до 250 мкм, что позволяет моллюску беспрепятственно проникать в системы через фильтры [2, 4-6]. Высокая численность личинок и комфортная среда обитания способствуют быстрому зарастанию поверхностей трубопроводов, насосного оборудования, мелиоративных каналов, дождевальных машин и т. д. Развиваясь внутри этих мелиоративных систем водопотребления, дрейссена значительно сужает диаметры трубопроводов, отверстия насадков дождевальных машин, вплоть до их полного блокирования.

По информации на сайте www.usgs.gov, в США наибольшая плотность дрейссены (700 000 шт./м2) была зафиксирована в системе водоснабжения электростанции в штате Мичиган. Диаметр трубопровода при этом был сокращен дрейссеной на 2/3 сечения. По оценкам экспертов конгресса США, дополнительные затраты на техническое обслуживание для удаления дрейссены составили в 1993-1999 гг. более 3 млрд. долл.

Применение химических реагентов в открытых водоёмах крайне ограничено вследствие использования воды в питьевом водоснабжении и в орошении сельскохозяйственных культур [1-3, 5, 8], поэтому практически все системы работают без химических реагентов.

Обычно применяется только механическая очистка. Это крайне затратный метод, поскольку требуется остановка работы оборудования всей мелиоративной системы. Также во время механических очисток есть риск повредить элементы системы водопотребления.

Цель работы

Провести экспериментальные исследования по электроинактивации дрейссены электроимпульсным способом для последующей разработки средств защиты от биообрастания механического оборудования и засорения элементов техники полива.

Материалы и методы

В 2017-2020 гг. была проведена оценка технического состояния водозабора (г. Ставрополь), расположенного на Сенгилеевском водохранилище с подачей кубанской воды по Невинномысскому оросительному каналу.

Водозабор совместно с насосной станцией первого подъёма НС-3 в 1971 г. был построен на свайной платформе площадью 236 м2 на расстоянии 80 м от берега водохранилища [2, 3, 8].

Основной проблемой на водозаборном сооружении является обрастание технологического оборудования дрейссеной и, как следствие, снижение эффективности водозабора и увеличение энергозатрат. Дрейссена - двустворчатый моллюск, интенсивно размножаясь в Сенгилееском водохранилище, является активным фильтратом воды, снижает её мутность, и является ценным кормом для многих рыб и раков. В то же время дрейссена выделяет большое количество азота и фосфора, стимулирующее рост водорослей, попадая в погружные насосы, разрушает их, прикрепляясь колониями на внутренних стенках водоводов и на рыбозащитных решётках, увеличивает их гидравлическое сопротивление, т. е. препятствует забору воды насосами [1, 2, 4-6].

При работе Невинномысского оросительного канала в трубах и отстойных сооружениях складываются гидродинамические и гидротермические условия, способствующие не только существованию в них моллюска Dreissena, но и его высокой скорости роста (проточность, постоянный приток кислорода и питательных веществ). Кроме взрослых моллюсков, их личинки (велигеры), попадая с водой из естественных водоёмов в оросительные каналы, расселяются, вызывая обрастание трубопроводов и технологического оборудования.

В связи с перечисленными выше проблемами возникает необходимость периодической чистки труб в период остановки водозабора, а также разработки прогрессивных методов очистки или предотвращения системы трубопроводов от биообрастаний. Толщина слоя обрастания дрейссеной внутренней или внешней поверхности водопроводов за год составляет 25...50 мм. Борьба с дрейссеной на водозаборе г. Ставрополь осуществляется двумя методами:

зарыблением, с целью сокращения дрейссены в водохранилище;

механической очисткой накопительных резервуаров и внешней поверхности водоподъёмных труб.

Через 2-3 года водоподъёмные трубы с обрастаниями внутренней поверхности дрейссеной из-за крайне затратной механической очистки заменяются новыми, так как их пропускная способность снижается в два и более раза. Обрастание зачастую может быть значительным. Это может привести к критическим потерям напора во всасывающей системе водозабора и, как следствие, к нарушению работы насосных станций.

Анализируя вышесказанное, можем сказать, что водозабор не является предварительно водозаборно-очистным сооружением и экологически безопасным сооружением, так как:

отсутствуют технические средства защиты водозабора от дрейссены;

зарыбление водохранилища, как показала практика, малоэффективно для борьбы с обрастанием дрейссеной технологического оборудования водозабора.

На водозаборе г. Ставрополь с производительностью 190 тыс. м3/сут из-за отсутствия защитных устройств от биообрастания ежегодно на борьбу с дрейссеной расходуется более 60 млн руб. (издание «Блокнот Ставрополь», 29.12.2020). Указанные обстоятельства требуют разработки инженерно-экологических решений, снижающих негативное воздействие моллюска дрейссены на работу водозаборных сооружений, трубопроводных систем, дождевальных машин и технологического оборудования мелиоративной системы. Для разработки защитного устройства мелиоративных систем от биообрастания проанализированы существующие способы борьбы с дрейссеной. На основе результатов анализа существующих способов защиты от дрейссены обозначились четыре базовых способа: биологический, химический, физико-химический и физический. В таблице 1 представлены положительные и отрицательные стороны характеристик технических способов защиты от дрейссены на мелиоративных системах [1, 2, 7, 8, 10].

Подробно был проанализирован электрогидравлический способ. При электро- гидравлическом эффекте (эффект Юткина) в жидкости протекает ток разряда, достигающий десятков и сотен килоампер, наблюдается температура порядка 10 000 К. Благодаря малой сжимаемости жидкости, происходит повышение давления до значений порядка 1000 МПа. Это давление передается во все стороны, создает ударную волну в жидкости. В результате действия такой огромной энергии в воде происходит уничтожение живых организмов. В качестве примера установки электрогидравлического воздействия можно указать «Средство активной защиты акваторий со стабилизированными параметрами электрогидравлического удара» (рисунок 1), авторы: Г.Н. Щербаков, М.А. Анцелевич, Д.Н. Удинцев (патент на изобретение № 2325061).

Таблица 1. Характеристика способов защиты от дрейссены оборудования в системах технического водоснабжения

Главным преимуществом установки электрогидравлического эффекта является создание в зоне обработки высокой температуры и давления при низких затратах электроэнергии. Недостатком электрогидравлического способа является сложность конструкции и малая зона поражения, что затрудняет широкое применение данного метода в водозаборах мелиоративной системы, так как в таких системах водозаборные трубы в основном имеют диаметр сечения от 500.. .1500 мм. Как следует из анализа используемых в настоящее время способов борьбы с негативным влиянием дрейссены на водопроводы, ни один из способов не может быть универсальным из-за разнообразия конструкций водозаборных технологических комплексов, климатических и экологических условий. Следовательно, существует необходимость дальнейшего совершенствования способов борьбы с негативным влиянием дрейссены на водозаборах.

Рисунок 1. Средство защиты акваторий со стабилизированными параметрами электрогидравлического удара: 1 - источник электрической энергии; 2 - кабельная линия; 3 - соединительное устройство; 4 - линейная часть; 5 - блок формирования импульсов; 6 зарядное устройство; 7 - накопитель энергии; 8 - коммутатор; 9 - герметичная оболочка; 10 - рабочая жидкость; 11 - живой организм

Рисунок 2. Схема экспериментальной установки: 1 - пульт управления; 2 - высоковольтный трансформатор-выпрямитель; 3 - электрический конденсатор; 4 - воздушный разрядник; 5 - электродные пластины; 6 - разрядная ванна

Наиболее перспективным способом борьбы с дрейссеной на водозаборах предлагается электроимпульсный способ, поскольку он при соответствующих параметрах электрического импульса полностью уничтожает велигеров на входе в водозабор, не изменяет химический состав воды, сохраняет пропускную способность водозабора, предотвращает перерасход электроэнергии, имеет простую конструкцию и обладает большой зоной поражения, в чем и заключается его новизна в отличие от электрогид- равлического способа Д.А. Юткина.

Для проведения эксперимента по воздействию импульсных токов на дрейссену была изготовлена экспериментальная установка, схема которой представлена на рисунке 2.

Материалы и методы

При достижении на конденсаторе напряжения 30 кВ через воздушный разрядник 5 в разрядной ванне 6 происходит электрический разряд. Внутренние размеры разрядной ванны Д х Ш х В - 311 х 157 х 210 мм. Две взаимно противоположные и параллельные стороны ванны, изготовленные из нержавеющей, стали, являлись электродами, а другие две стороны ванны, изготовленные их стекла, использовались для визуального наблюдения за велигерами. Геометрия ванны обеспечивала одинаковую плотность разрядного тока во всех точках объёма воды.

Для проведения исследований осуществлялся отбор велигеров на зарыбленном Кадамовском пруду (Ростовская область) на расстоянии 3-4 м от берега на глубине не более 1 м с помощью планктонного сачка, изготовленного из капроновой ткани с мелкой ячейкой. Следует отметить, что отбор велигеров в пруду носит сезонный характер, что замедляет исследования, а выращивание велигеров в лабораторных условиях требует больших затрат для создания им практически естественных условий обитания. Был проведён тестовый эксперимент степени воздействия электрических импульсов на велигеров дрейссены и науплий артемии. Эксперимент показал практическую одинаковость результатов реакций велигеров и науплий на электрический импульсный ток, что позволило использовать науплии для научных исследований, так как их подготовка для опытов может проходить в лабораторных условиях в течение 2-3 дней. Практическая одинаковость результатов реакции велигеров и науплий на электрический импульсный ток проверялась отдельным экспериментом на выживаемость велигеров и науплий после контакта с электрическим импульсным током (наблюдения проводились в специально изготовленных аквариумах в течение нескольких суток). Концентрация особей велигеров или науплий в пробах находилась в пределах 50...100 шт. в 1 л воды. Определялась концентрация особей с помощью медицинского щприца объемом 500 мл, куда набирали велигеров (науплий) вместе с водой, из специально изготовленной установки для искусственного выращивания дрейссены, и потом с помощью планктонного сачка, изготовленного из капроновой ткани с мелкой ячейкой сита, процеживались и помещались в литровую колбу с пробной водой.

Тотальный подсчёт велигеров (науплий) нерационален, так как оптимизация параметров электрических импульсов определялась по полной гибели велигеров в пробе при минимальных затратах электроэнергии. Наблюдения за гибелью велигеров осуществлялось с помощью лупы, модель «Горизонт 10» увеличение кратное 10, диаметр 30 мм, материал - стекло. Шок определяли визуально в результате осаждения всех ве- лигеров (науплий) на дно экспериментальной установки после включения экспериментальной установки и действия электрических импульсов.

Длительность электрического импульса определялась произведением ёмкости конденсатора на активное сопротивление воды в разрядной ванне, в которой находились велигеры. Измерение активного сопротивления разрядной ванны проводилось на переменном токе с использованием вольтметра (класс точности 0,5) и амперметра (класс точности 0,5). Амплитуда тока при разряде конденсатора определялась делением амплитуды напряжения на конденсаторе на активное сопротивление воды в разрядной ванне, а амплитуда плотности тока определялась делением амплитуды тока на площадь

сечения воды в разрядной ванне. В пробах, в которых после электроимпульсной обработки некоторые велигеры оживали, проводилось визуальное наблюдение в течение нескольких часов.

Результаты и обсуждение

Для эксперимента брались пробы воды из р. Тузлов, осмотической установки, водопроводной и в 10% водном растворе NaCl.

Результаты лабораторных исследований по влиянию электрических импульсов на велигеры представлены в таблице 2.

По данным таблицы многофакторный эксперимент проводился при 4 параметрах среды (воды) и 7 параметрах электрического импульса, из которых 3 находились на постоянном уровне, т.е. 8 переменных факторов, в итоге по трем первым опытам получен одинаковый результат (100 % гибель через 2 ч) при этом изменения параметров в опытах отличались на несколько порядков: R от 1155,5 до 37 Ом; I от 26 до 810 А; J от 0,118 до 3,7 А/см2; т от 578 до 18,5 мкс. Окончательным результатом при 4 параметрах среды (воды) и 7 параметрах электрического импульса явилась полная инактивация ве- лигеров (науплий), при этом оптимизировалось количество импульсов тока, время действия на состояние велигеров и сопротивление среды.

Таблица 2. Результаты лабораторных экспериментов

Результаты электроимпульсной обработки велигеров показали, что полная инактивация дрейссены после 9 импульсов происходит через два часа. Все велигеры, обработанные в 10 % водном растворе NaCl девятью электрическими импульсами, остались живыми. Этот результат обосновывает экранизацию воздействия электрического тока на вилигеры в высокоминерализованной воде.

На рисунке 4 представлены результаты эксперимента в графичесой форме после электрического шока 3, 6 и 9 импульсами с напряжением 30 кВ в воде из реки Тузлов.

На рисунке 5 представлена предлагаемая схема электроимпульсной установки с турбинным гидроприводом для переоборудования берегового, ковшового или островного водозаборных сооружений.

Принцип работы водозабора: при включении насоса 1 через рыбозащитную решётку 6 и турбину 5 вода с велигерами дрейссены поступает в изолированный водоприёмник 2 с положительными электродами 3 и отрицательными электродами 4, на которые от генератора импульсных токов 8 с заданной частотой подаются электрические импульсы для инактивации велигеров и других водных биотов в водоприёмнике. Турбина 5 вращает щётку 7 для очистки рыбозащитной и сороудерживающей решётки 6. В качестве источника импульсов тока можно использовать генератор импульсных токов ГИТ50-2,5 х 2/ 4С с техническими характеристиками: напряжение сети 380В; потребляемая мощность 16,5 кВт; энергия на канал разряда 2,5 кДж; количество каналов разряда 2; частота разрядов 4 Гц; выходное напряжение 20 - 50 кВ; габариты В-ШТ 1550х775х510 мм; масса 2300 кг.

Рисунок 4. Время существования оживших велигеров после электрического шока в воде реки Тузлов. Количество электроимпульсов: 1 - 3 шт.; 2 - 6 шт.; 3 - 9 шт.

Рисунок 5. Схема водозабора с электроинактивацией дрейссены: 1 - насос; 2 - водоприёмник электроинактивацией водной биоты; 3 - положительный электрод; 4 -отрицательный электрод; 5 - гидротурбина; 6 - решётка рыбозащитная и сороудерживающая; 7 - щётка для очистки решётки; 8 - генератор импульсных токов

Выводы

Результаты статистического анализа данных проведенных лабораторных исследований показали уровень достоверности связи параметров электрических импульсов и их влияния на велигеров дрейссены при основных параметрах электрических импульсов, максимально влияющие на вилигеры: напряжённость поля, плотность тока, длительность импульса и количество импульсов.

В работе приведены показатели воздействия электрического импульса на ве- лигеров с целью борьбы с негативным влиянием дрейссены в оросительных системах. Результаты эксперимента показали, что для инактивации дрейссены в водозаборах поверхностных вод можно рекомендовать двухканальное электроимпульсное устройство с параметрами: напряжение - 50 кВ, ёмкость конденсатора - 1-2 мкФ, частота следования импульсов - 4-6 Гц. При таких параметрах велигеры дрейссены после воздействия девятью импульсами тока по истечении двух часов погибают на 100 %. При различной плотности велигеров в воде, изменений качества воды или условий эксплуатации систем орошения необходимо внести коррекцию частоты импульсов тока.

В работе защиту мелиоративных водозаборов рассматриваем не только как обеспечение бесперебойного водопотребления мелиоративной системы, но и как предварительную меру улучшения качественных показателей оросительной воды, экономии электроэнергии на 30-40 %, сокращения расходов на дополнительную очистку воды 4050 % и увеличения срока службы оборудования системы.

Рекомендовано проведение исследований по оптимизации параметров в условиях многофакторного эксперимента и при работе устройство в различной плотности велигеров для практического использования разработки. Подана заявка на полезную модель.

Библиографический список

1. Бондаренко В.Л., Дьяченко В.Б. Оценка экологического состояния бассейновой геосистемы в процессах использования водных ресурсов // Проблемы региональной экологии. 2005. № 2. С. 86-92.

2. Доклад об экологической ситуации в Астраханской области в 2018 г. // Служба природопользования и охраны окружающей среды Астраханской области. Астрахань, 2019.

3. Зарубин В.В., Ткачев А.А. Методы водораспределения в каналах оросительных систем // Мелиорация и водное хозяйство. Пути повышения эффективности и экологической безопасности мелиораций земель Юга России: сб. тр. по материалам Всерос. науч.-практ. конф. (Шумаковские чтения). Новочеркасск, 2017. С. 229-232.

4. Методологические основы развития специализируемого типа природно-технических систем использования водных ресурсов / Е.А. Семёнова, В.Л. Бондаренко, Е.Д. Хецуриани [и др.] // Вестник Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета. Серия: Строительство и архитектура. 2020. № 2 (79). С. 63-73.

5. Хецуриани Е.Д., Бондаренко В.Л. Основы методологии создания природно-технических систем по использованию водных ресурсов в многоцелевом водоснабжении городских хозяйств и населенных пунктов // Вестник Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета. Серия: Строительство и архитектура. 2018. № 54 (73). С. 148-155.

6. Хецуриани Е.Д., Бондаренко В.Л., Хецуриани Т.Е. Оценка главенствующей роли системной целостности в обеспечении экологической безопасности в зонах влияния водозаборного технологического комплекса городского хозяйств // Известия высших учебных заведений. Строительство. 2018. № 9 (717). С. 83-90.

7. Assessment of qualitative indicators of drinking water and their influence on human health, as ecological safety factor of population [Electronic resource] / V.L. Bondarenko, E.D. Khetsuriani, A.I. Yliasov [et al.] // E3S Web of Conferences. 2019. Vol. 126. 00067.

8. Development of a decision support system at the stages of pre-project research and design of irrigation systems based on the methodology of functional modeling IDEFo / S.M. Vasiliev, V. Slabunov, O. Voevodin, A. Slabunova // Irrigation and drainage. 2020. Vol. 69. I. 4. P. 546-558.

9. Development of protective measures providing environmental safety in areas affected by water-intake constructions of urban households [Electronic resource] / V.L. Bondarenko, E.D. Khetsuriani, A.I. Yliasov [et al.] // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2019. Vol. 698. 077053. https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1757-899X/698/7/077053/pdf.

10. Innovative design solutions to ensure the environmental safety in the existing water intake technological complexes of water systems for urban farms / E.D. Khetsuriani, V.L. Bondarenko, A.I. Yliasov, E.A. Semenova // IOP Conference Series: materials Science and Engineering. 2019. Vol. 698. № 055040. https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1757-899X/698/5/055040/pdf.

Размещено на Allbest.ru