Napowietrzanie wody - Water aeration

Fontanny napowietrzają wodę, rozpylając ją w powietrzu.

Napowietrzanie wody to proces zwiększania lub utrzymywania nasycenia tlenem wody zarówno w środowisku naturalnym, jak i sztucznym. Techniki napowietrzania są powszechnie stosowane w zarządzaniu stawami, jeziorami i zbiornikami wodnymi w celu rozwiązania problemu niskiego poziomu tlenu lub zakwitów glonów.

Jakość wody

Napowietrzanie wody jest często wymagane w zbiornikach wodnych, które cierpią z powodu niedotlenienia lub beztlenowości, często spowodowanych działalnością człowieka w górnym biegu rzeki, taką jak zrzuty ścieków, spływy rolnicze lub nadmierne przynęty w jeziorze rybackim. Napowietrzanie można osiągnąć poprzez infuzję powietrza do dna jeziora , laguny lub stawu lub poprzez mieszanie powierzchni z fontanny lub urządzenia przypominającego spray, aby umożliwić wymianę tlenu na powierzchni i uwolnienie gazów, takich jak dwutlenek węgla , metan lub siarkowodór .

Obniżony poziom rozpuszczonego tlenu (DO) jest głównym czynnikiem złej jakości wody. Nie tylko ryby i większość innych zwierząt wodnych potrzebuje tlenu, bakterie tlenowe pomagają w rozkładzie materii organicznej. Gdy stężenie tlenu staje się niskie, mogą rozwinąć się warunki beztlenowe, które mogą zmniejszyć zdolność akwenu do podtrzymywania życia.

Metody napowietrzania

Każdą procedurę, za pomocą której do wody dodaje się tlen, można uznać za rodzaj napowietrzania wody. Istnieje wiele sposobów napowietrzania wody, ale wszystkie dzielą się na dwa szerokie obszary – napowietrzanie powierzchniowe i napowietrzanie podpowierzchniowe . Dla obu podejść dostępnych jest wiele różnych technik i technologii.

Naturalne napowietrzanie

Napowietrzanie naturalne to rodzaj napowietrzania zarówno podpowierzchniowego, jak i powierzchniowego. Może występować przez podpowierzchniowe rośliny wodne. Poprzez naturalny proces fotosyntezy rośliny wodne uwalniają tlen do wody, dostarczając jej tlen niezbędny do życia rybom i bakteriom tlenowym do rozkładania nadmiaru składników odżywczych.

Tlen może zostać wprowadzony do wody, gdy wiatr zaburzy powierzchnię akwenu, a naturalne napowietrzenie może nastąpić poprzez ruch wody wywołany napływającym strumieniem , wodospadem , a nawet silną powodzią .

W dużych zbiornikach wodnych w klimacie umiarkowanym jesienny obrót może wprowadzić wodę bogatą w tlen do hipolimnionu ubogiego w tlen .

Napowietrzanie powierzchni

Aerator powierzchniowy o niskiej prędkości

Napowietrzacz powierzchniowy wolnoobrotowy to urządzenie do napowietrzania biologicznego o wysokiej wydajności. Urządzenia te są często wykonane ze stali zabezpieczonej powłoką epoksydową i generują wysoki moment obrotowy. Mieszanie objętości wody jest doskonałe. Wspólna moc wynosi od 1 do 250 kW na jednostkę przy sprawności (SOE) około 2 kgO2/kw. Aeratory wolnoobrotowe są używane głównie do napowietrzania roślin biologicznych w celu oczyszczania wody. Im wyższa średnica, tym wyższe SOE i mieszanie.

Fontanny

Fontanna składa się z silnika napędzającego obracający się wirnik . Wirnik pompuje wodę z pierwszych kilku stóp wody i wyrzuca ją w powietrze. Proces ten wykorzystuje kontakt powietrze-woda do przenoszenia tlenu. Gdy woda jest wyrzucana w powietrze, rozpada się na małe kropelki. Łącznie te małe kropelki mają dużą powierzchnię, przez którą można przenosić tlen. Po powrocie kropelki mieszają się z resztą wody i w ten sposób przekazują tlen z powrotem do ekosystemu.

Fontanny są popularną metodą napowietrzaczy powierzchniowych ze względu na estetyczny wygląd, jaki oferują. Jednak większość fontann nie jest w stanie wytworzyć dużej powierzchni natlenionej wody. Również doprowadzenie prądu przez wodę do fontanny może stanowić zagrożenie dla bezpieczeństwa.

Pływające aeratory powierzchniowe

Typowy mechaniczny aerator powierzchniowy w pracy. Dla tego typu maszyny często trudno jest napowietrzyć cały słup wody.
Aerator z kołem łopatkowym o mocy 1 KM . Rozpryskiwanie może zwiększyć szybkość parowania wody, a tym samym zwiększyć zasolenie akwenu.

Aeratory z pływającą powierzchnią działają w podobny sposób jak fontanny, ale nie oferują tego samego estetycznego wyglądu. Wydobywają wodę z pierwszych 1–2 stóp zbiornika wodnego i wykorzystują kontakt powietrze-woda do przenoszenia tlenu. Zamiast wyrzucać wodę w powietrze, rozbijają wodę na powierzchni wody. Pływające aeratory powierzchniowe są również zasilane energią elektryczną z lądu. Aeratory powierzchniowe są ograniczone do niewielkiej powierzchni, ponieważ nie są w stanie zapewnić cyrkulacji ani tlenu w promieniu znacznie większym niż 3 metry. Ta cyrkulacja i natlenianie jest następnie ograniczone do pierwszej części słupa wody, często pozostawiając części dolne nienaruszone. Aerator powierzchniowy wolnoobrotowy można również zainstalować na pływakach.

Aeratory łopatkowe

Aeratory z kołem łopatkowym wykorzystują również kontakt powietrze-woda do przenoszenia tlenu z powietrza w atmosferze do zbiornika wodnego. Najczęściej stosuje się je w akwakulturze (chów zwierząt wodnych lub uprawa roślin wodnych na żywność). Zbudowane z piasty z dołączonymi łopatkami, te aeratory są zwykle zasilane przez przystawkę odbioru mocy ciągnika ( PTO ), silnik gazowy lub silnik elektryczny . Zwykle montuje się je na pływakach . Elektryczność zmusza łopatki do obracania się, ubijając wodę i umożliwiając transfer tlenu przez kontakt powietrze-woda. Gdy każda nowa część wody jest ubijana, pochłania tlen z powietrza, a następnie po powrocie do wody przywraca go wodzie. Pod tym względem napowietrzanie kołem łopatkowym działa bardzo podobnie do aeratorów powierzchni pływających.

Napowietrzanie podpowierzchniowe

Napowietrzanie podpowierzchniowe ma na celu uwolnienie bąbelków na dnie zbiornika wodnego i umożliwienie im podniesienia się dzięki sile wyporu. Systemy napowietrzania rozproszonego wykorzystują bąbelki do napowietrzania i mieszania wody. Wypieranie wody z wypchnięcia pęcherzyków spowoduje mieszanie, a kontakt pomiędzy wodą i pęcherzykiem spowoduje przenoszenie tlenu.

Napowietrzanie strumieniowe

Napowietrzanie podpowierzchniowe można osiągnąć za pomocą aeratorów strumieniowych , które zasysają powietrze na zasadzie Venturiego i wtłaczają powietrze do cieczy.

Napowietrzanie grubo bąbelkowe

Napowietrzanie gruboziarniste to rodzaj napowietrzania podpowierzchniowego, w którym powietrze jest pompowane z lądowej sprężarki powietrza . przez wąż do jednostki umieszczonej na dnie zbiornika wodnego. Urządzenie usuwa grube pęcherzyki (o średnicy ponad 2 mm), które w kontakcie z wodą uwalniają tlen, co również przyczynia się do mieszania warstw warstwowych jeziora. Wraz z uwolnieniem dużych pęcherzyków z układu następuje turbulentne przemieszczenie wody, które powoduje jej wymieszanie. W porównaniu z innymi technikami napowietrzania, napowietrzanie grubo-pęcherzykowe jest bardzo nieefektywne pod względem przenoszenia tlenu. Wynika to z dużej średnicy i stosunkowo małej łącznej powierzchni jego bąbelków.

Drobne napowietrzanie pęcherzyków

Napowietrzanie drobnopęcherzykowe jest skuteczną techniką napowietrzania pod względem transferu tlenu ze względu na dużą wspólną powierzchnię pęcherzyków.

Napowietrzanie drobnopęcherzykowe to skuteczny sposób na przeniesienie tlenu do zbiornika wodnego. Sprężarka na brzegu pompuje powietrze przez wąż, który jest podłączony do podwodnej jednostki napowietrzającej. Do urządzenia dołączone są liczne dyfuzory. Dyfuzory te mają kształt dysków, płyt, rurek lub węży wykonanych z krzemionki wiązanej szkłem, porowatego tworzywa ceramicznego , PVC lub perforowanych membran wykonanych z gumy EPDM (monomer etylenowo-propylenowo-dienowy) . Powietrze pompowane przez membrany dyfuzora jest uwalniane do wody. Te bąbelki są znane jako drobne bąbelki . EPA tworzy drobne pęcherzyki jak cokolwiek mniejszy niż 2 mm średnicy. Ten rodzaj napowietrzania ma bardzo wysoką wydajność transferu tlenu (OTE), czasami nawet 15 funtów tlenu / (konie mechaniczne * godz.) (9,1 kg tlenu / (kilowat * godz.)). Średnio rozproszone napowietrzanie powietrza rozprowadza około 2–4 cfm (stopy sześcienne powietrza na minutę) (56,6–113,3 litra powietrza na minutę), ale niektóre działają na poziomach tak niskich, jak 1 cfm (28,3 l/min) lub tak wysokich jako 10 cfm (283 l/min).

Napowietrzanie drobnopęcherzykowe z dyfuzją jest w stanie zmaksymalizować powierzchnię pęcherzyków, a tym samym przenieść więcej tlenu do wody na pęcherzyk. Dodatkowo, mniejsze pęcherzyki potrzebują więcej czasu, aby dotrzeć do powierzchni, więc nie tylko powierzchnia jest zmaksymalizowana, ale także czas, jaki każdy pęcherzyk spędza w wodzie, co daje więcej możliwości przenoszenia tlenu do wody. Z reguły mniejsze pęcherzyki i głębszy punkt uwalniania będą generować większą szybkość transferu tlenu.

Jedną z wad drobnopęcherzykowego napowietrzania jest to, że membrany dyfuzorów ceramicznych mogą czasami się zapychać i muszą być czyszczone, aby utrzymać ich optymalną wydajność. Nie posiadają również zdolności mieszania, jak również innych technik napowietrzania, takich jak napowietrzanie grubo-pęcherzykowe.

Destratyfikacja jeziora

( Zobacz także destratyfikacja jeziora )

Cyrkulatory są powszechnie używane do mieszania stawu lub jeziora, a tym samym zmniejszają stratyfikację termiczną . Gdy cyrkulująca woda dotrze do powierzchni, granica faz powietrze-woda ułatwia przenoszenie tlenu do wody w jeziorze.

Zarządzający zasobami naturalnymi i środowiskiem od dawna borykają się z problemami spowodowanymi termicznym rozwarstwieniem jezior. Wymieranie ryb jest bezpośrednio związane z gradientami termicznymi, stagnacją i pokrywą lodową. Nadmierny wzrost planktonu może ograniczać rekreacyjne wykorzystanie jezior i komercyjne wykorzystanie wody jeziornej. Poważna stratyfikacja termiczna w jeziorze może również negatywnie wpłynąć na jakość wody pitnej . Dla zarządzających rybołówstwem na przestrzenne rozmieszczenie ryb w jeziorze często niekorzystnie wpływa stratyfikacja termiczna, aw niektórych przypadkach może pośrednio powodować duże wymieranie ryb ważnych rekreacyjnie.

Jednym z powszechnie stosowanych narzędzi zmniejszania nasilenia problemów związanych z zarządzaniem jeziorami jest wyeliminowanie lub zmniejszenie stratyfikacji termicznej poprzez napowietrzanie. W celu zmniejszenia lub wyeliminowania stratyfikacji termicznej stosowano wiele rodzajów urządzeń napowietrzających. Napowietrzanie odniosło pewien sukces, choć rzadko okazywało się panaceum.

Barki natleniające

Podczas ulewnych deszczów londyńskie rury burzowe przelewają się do Tamizy , powodując gwałtowny spadek poziomu rozpuszczonego tlenu i zagrażając gatunkom, które wspierają. Dwa wyspecjalizowane statki McTay Marine , barki tlenowe Thames Bubbler i Thames Vitality, są wykorzystywane do uzupełniania poziomu tlenu w ramach trwającej bitwy o oczyszczenie rzeki, która obecnie obsługuje 115 gatunków ryb i setki innych bezkręgowców, roślin i ptaków.

Stężenie rozpuszczonego tlenu w Cardiff Bay jest utrzymywane na poziomie lub powyżej 5 mg/l. Sprężone powietrze jest pompowane z pięciu miejsc wokół Zatoki przez szereg wzmocnionych stalą rurociągów gumowych ułożonych w korytach Zatoki oraz rzek Taff i Ely. Są one podłączone do około 800 dyfuzorów. Czasami to jest niewystarczające i Zarząd Portu korzysta z mobilnej barki natleniającej zbudowanej przez McTay Marine z ciekłym tlenem przechowywanym w zbiorniku. Ciekły tlen jest przepuszczany przez elektrycznie podgrzewany parownik, a gaz jest wstrzykiwany do strumienia wody, który jest pompowany z i zawracany do zatoki. Barka jest w stanie rozpuścić do 5 ton tlenu w ciągu 24 godzin.

Zaproponowano podobne opcje, aby pomóc w rehabilitacji Zatoki Chesapeake, gdzie głównym problemem jest brak organizmów filtrujących, takich jak ostrygi, odpowiedzialnych za utrzymywanie wody w czystości. Historycznie populacja ostryg w Zatoce liczyła dziesiątki miliardów, a oni rozesłali cały tom z Zatoki w ciągu kilku dni. Ze względu na zanieczyszczenie, choroby i nadmierne zbiory ich populacji stanowią ułamek ich historycznego poziomu. Woda, która kiedyś była przez metry czysta, jest teraz tak mętna i osadzona, że ​​brodzący mogą stracić z oczu stopy, zanim zmoczą kolana. Tlen jest zwykle dostarczany przez „podwodną roślinność wodną ” (SAV) w drodze fotosyntezy, ale zanieczyszczenia i osady również zmniejszyły populację roślin. Powoduje to zmniejszenie poziomu rozpuszczonego tlenu, czyniąc obszary zatoki nieprzydatnymi dla życia wodnego. W relacji symbiotycznej rośliny dostarczają tlen niezbędny do namnażania się organizmów podwodnych, w zamian filtratory utrzymują wodę w czystości, a tym samym na tyle przejrzystą, aby rośliny miały wystarczający dostęp do światła słonecznego. Naukowcy zaproponowali, że natlenianie za pomocą sztucznych środków jako rozwiązanie, które pomoże poprawić jakość wody. Napowietrzanie niedotlenionych zbiorników wodnych wydaje się atrakcyjnym rozwiązaniem i zostało wielokrotnie wypróbowane na stawach słodkowodnych i małych jeziorach. Jednak nikt nie podjął się tak dużego projektu napowietrzania jak ujście rzeki .

Napowietrzanie uzdatniania wody

Wiele procesów uzdatniania wody wykorzystuje różne formy napowietrzania w celu wspomagania biologicznych procesów utleniania. Typowym przykładem jest osad czynny, który może wykorzystywać drobne lub gruboziarniste napowietrzanie pęcherzykowe lub mechaniczne stożki napowietrzające, które wyciągają zmieszany płyn z podstawy zbiornika do obróbki i wyrzucają go przez powietrze, gdzie w płynie jest porywany tlen.

Zobacz też

Bibliografia