Введение

Добавление воздуха в воду

Водная аэрация – это процесс повышения или поддержания насыщения воды кислородом как в природных, так и в искусственных условиях. Методы аэрации широко применяются для управления прудами, озерами и водохранилищами с целью решения проблем, связанных с низким содержанием кислорода или цветением водорослей.

Качество воды

Водяная аэрация часто необходима в водоемах, страдающих от гипоксических или аноксических условий, которые часто вызываются деятельностью человека выше по течению, такой как сброс сточных вод, сельскохозяйственный сток или чрезмерное использование прикормки в рыболовных прудах. Аэрация может достигаться путем подачи воздуха на дно озера, лагуны или пруда, либо за счет перемешивания поверхности с помощью фонтана или распылителя, обеспечивающего обмен кислородом на поверхности и высвобождение газов, таких как углекислый газ, метан или сероводород. Кислород может поступать в воду при волнении поверхности водоема ветром, а естественная аэрация также может происходить за счет движения воды, вызванного притоком, водопадом или даже сильным паводком. В крупных водоемах умеренного климата осенняя циркуляция может привносить обогащенную кислородом воду в кислородно-дефицитный гиполимнион.

Низкоскоростной поверхностный аэратор

Низкоскоростной поверхностный аэратор – это устройство для биологической аэрации с высокой эффективностью. Эти устройства часто изготавливаются из стали, защищенной эпоксидным покрытием, и создают высокий крутящий момент. Обеспечивается превосходное перемешивание водного объема. Типичная мощность варьируется от 1 до 250 кВт на единицу, при эффективности (SOE) около 2 кгO2/кВт. Низкоскоростные аэраторы в основном используются для аэрации биологических очистных сооружений. Чем больше диаметр аэратора, тем выше SOE и эффективность перемешивания.

Фонтаны

Фонтан состоит из устройства для подъема воды в воздух в виде струи. Обычно это достигается с помощью двигателя, приводящего во вращение рабочее колесо (импеллер). Рабочее колесо перекачивает воду с поверхности и выбрасывает ее в воздух. В этом процессе контакт воды с воздухом способствует переносу кислорода. Поднимаясь в воздух, вода разбивается на мелкие капли. Совокупность этих капель имеет большую площадь поверхности, что обеспечивает эффективный перенос кислорода. Возвращаясь в воду, капли смешиваются с остальной массой и отдают кислород экосистеме. Фонтаны – популярный способ аэрации воды, благодаря их эстетичному виду. Однако большинство фонтанов не способны обеспечить насыщением кислородом большую площадь водоема.

Вентиляция струями

Подповерхностная аэрация может быть осуществлена с использованием струйных аэраторов, которые, по принципу Вентури, нагнетают воздух и вводят его в жидкость.

Аэрация грубыми пузырями

Грубая пузырьковая аэрация – это тип подповерхностной аэрации, при котором воздух подается от берегового воздушного компрессора через шланг к устройству, расположенному на дне водоема. Устройство выпускает крупные пузырьки (диаметром более 2 мм), которые высвобождают кислород при контакте с водой, что также способствует перемешиванию слоистых вод. Выброс крупных пузырьков из системы вызывает турбулентное вытеснение воды, приводящее к перемешиванию. Компрессор на берегу подает воздух через шланг, соединенный с подводным аэрационным устройством. К устройству прикреплены диффузоры, которые могут иметь форму дисков, пластин, труб или шлангов, изготовленных из стекловолокна, пористой керамики, ПВХ или перфорированных мембран из ЭПДМ (этиленпропилендиенового мономера). Одним из недостатков аэрации мелкими пузырьками является то, что мембраны керамических диффузоров могут иногда засоряться и требуют очистки для поддержания оптимальной эффективности. Кроме того, они не способны перемешивать водную толщу так эффективно, как другие методы аэрации, например, грубая пузырьковая аэрация. Для повышения уровня кислорода используются два специализированных судна McTay Marine – баржи Thames Bubbler и Thames Vitality, в рамках непрерывной работы по очистке реки, которая теперь является домом для 115 видов рыб и сотен беспозвоночных, растений и птиц.

Чесапикская бухта

Аналогичные варианты были предложены для восстановления Чесапикского залива, где основная проблема заключается в нехватке фильтрующих организмов, таких как устрицы, ответственных за поддержание чистоты воды. Исторически популяция устриц в заливе насчитывала десятки миллиардов, и они очищали весь объем залива за несколько дней. Из-за загрязнения, болезней и чрезмерного вылова их популяция сейчас составляет лишь малую часть исторического уровня. Вода, которая раньше была прозрачной на несколько метров, теперь настолько мутная и заилена, что человек, идущий по мелководью, может потерять из виду свои ноги, не дождавшись, пока намокнут колени. Кислород обычно поступает в воду от подводной растительности посредством фотосинтеза, но загрязнение и отложения сократили популяции растений, что привело к снижению уровня растворенного кислорода и сделало некоторые участки залива непригодными для аэробных водных организмов. Растения и фильтрующие организмы находятся в симбиотических отношениях: растения обеспечивают кислородом, необходимым для размножения подводных организмов, а фильтрующие организмы, в свою очередь, очищают воду, обеспечивая растениям достаточный доступ к солнечному свету. Исследователи предложили искусственную оксигенацию воды как способ улучшить ее качество. Аэрация гипоксических водоемов представляется привлекательным решением, и она успешно применялась многократно на пресноводных прудах и небольших озерах. Однако никто еще не реализовывал проект аэрации такого масштаба, как устье реки. С 2016 года участок залива площадью 353 гектара, соединенный с Рок-Крик, подвергается аэрации с помощью трубопроводов. Система изначально представляла собой установку крупнопузырьковой аэрации, предназначенную главным образом для дестратификации, создавая оксидную зону площадью 74 гектара. В 2019 году система была модернизирована до инжекторов мелкопузырьковой аэрации для более эффективной подачи кислорода непосредственно в воду.

Аэрация для очистки воды

Многие процессы очистки воды используют различные формы аэрации для поддержания биологических окислительных процессов. Типичным примером является активированный ил, который может использовать мелкопузырчатую или крупнопузырчатую аэрацию, либо механические аэрационные конусы, поднимающие смешанную жидкость со дна очистного резервуара и выбрасывающие её в воздух, где происходит захват кислорода.