Результат интеллектуальной деятельности: ПРУД-ИСПАРИТЕЛЬ ДРЕНАЖНОГО СТОКА

Предлагаемое изобретение относится к сельскому хозяйству, в частности к орошаемому земледелию при утилизации минерализованного дренажного стока гидромелиоративных систем, а также при испарении сточных вод различного генезиса, минерализация которых сформирована преимущественно минеральными солями.

Известен локальный водоприемник для коллекторно-дренажных вод, содержащий ряд параллельно расположенных сообщающихся каналов шириной до 100 м, при этом объем водоприемника и площадь его водной поверхности устанавливают из расчета обеспечения долговременного приема дренажных вод с орошаемых земель (Калантаев В.А. Мелиорация орошаемых земель и охрана окружающей среды // Вопросы рационального использования водно-земельных ресурсов Туркменской ССР. - Ташкент: САНИИРИ, 1987. - С.7-8).

Недостатками данного водоприемника являются ограниченные возможности естественного процесса испарения дренажных вод, которое эффективно только при среднемноголетней разности между испарением с водной поверхности и осадками, не менее чем в 3 раза превышающей годовой слой формируемого дренажного стока. Это существенно увеличивает необходимые размеры водоприемника (Пособие по очистке и утилизации дренажно-сбросных вод. / Л.В.Кирейчева, И.И.Конторович, И.П.Кружилин и др. - М.: РАСХН, ВНИИГиМ, ВНИИОЗ, 1999, с.58).

Известен пруд-испаритель для выпаривания остаточных от опреснения высокоминерализованных рассолов, включающий обвалованную территорию, устроенную в нижней части балки с учетом рельефа местности и предпочтительным направленным уклоном, который состоит из гидравлически сообщающихся между собой отсеков, разделенных земляными перемычками с выполненными в них водовыпусками. В каждом отсеке на дне уложен противофильтрационный экран, а на поверхности пруда на расстоянии 50-100 мм друг от друга размещены и соединены между собой гибкими связями испарительные пластины из пористого, предпочтительно черного материала с высокими капиллярными свойствами (RU Патент №2206511 С1. МПК⁷ C02F 1/14, Опубл. 20.06.2003, Бюл. №17).

Недостатками данного пруда-испарителя являются низкая эффективность и ненадежность работы испарительных пластин, связанная с тем, что по мере накопления выкристаллизовавшихся солей на их поверхности возрастает их масса, что приводит к погружению пластин в минерализованную воду и, соответственно, к снижению интенсивности испарения влаги с их поверхности.

Наибодее близким предлагаемому является устройство для удаления солей из воды с помощью испарительных элементов, выполненных в виде плавающих на поверхности водоема пластин с равномерно расположенными сквозными круглыми отверстиями и вставленными в них цилиндрическими акселераторами (от лат. accelero - ускоряю) испарения из капиллярно-пористого материала, причем нижняя часть каждого акселератора находится ниже поверхности воды до глубины 60-100 мм, а верхняя расположена над поверхностью воды и имеет длину, незначительно превышающую высоту капиллярного поднятия соленой воды в материале, из которого выполнен акселератор. Интенсификация процесса испарения в данном устройстве обеспечена увеличением площади испаряющей поверхности (Abu-Zreig М.М., Abe Y.; Isoda H. Study of salt removal with evaporation drainage method // Canad. Biosystems Engg., 2006; vol. 48. - p.1.25-1.30).

Недостатками данного технического решения являются недостаточная эффективность и большая трудоемкость процесса опреснения, связанные со снижением интенсивности испарения воды по мере накопления акселераторами солей и необходимостью периодического извлечения пластин на берег водоема, снятия и очистки акселераторов от солей, а затем повторной их установки и размещения пластин на поверхности пруда.

Устранить указанные недостатки позволяет предлагаемый пруд-испаритель дренажного стока, связанный с подводящим каналом посредством регулирующих сооружений, по поверхности которого размещены плавающие пластины со сквозными отверстиями и вставленными в них акселераторами испарения из гидрофильного капиллярно-пористого материала, который разделен перемычками на отсеки интенсивного испарения, гидравлически связанные между собой и с подводящим каналом, по углам плавающих пластин выполнены отверстия, через которые пропущены вмонтированные в дно отсеков вертикальные стержни длиной, превышающей глубину максимального заполнения отсеков, снабженные фиксаторами верхнего и нижнего положения пластины, а сам пруд-испаритель снабжен дополнительным отсеком аккумуляции и испарения промывной воды, а также отсеком сбора опресненного дренажного стока с насосной станцией для подачи его потребителю.

Кроме того, каждая плавающая пластина может иметь покрытие из гидрофильного капиллярно-пористого материала, выполненное с выступом за приделы ее нижней поверхности.

Новый технический результат от применения предложения состоит в обеспечении восстановления адсорбирующей способности акселераторов испарения промывкой без проведения их демонтажа путем периодического затопления менее минерализованной водой и в значительной интенсификации процесса опреснения дренажного стока.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где

На фиг.1 изображена принципиальная схема пруда-испарителя дренажного стока, вид в плане и разрез по А-А.

На фиг.2 - сечение Б-Б на фиг.1.

На фиг.3 - принципиальная схема конструкции плавающей пластины с акселераторами испарения, вид в плане и разрез по В-В, при условии различного положения уровня воды в отсеке пруда-испарителя: Н - уровень воды в отсеке пруда, на начальной стадии цикла процесса интенсифицированного испарения; H₁ - высота расположения плавающей пластины с акселераторами испарения над дном отсека после опорожнения отсека; Н₂ - уровень воды в отсеке накопителя на стадии промывки акселераторов испарения от солей.

Пруд-испаритель дренажного стока (фиг.1) сопряжен с каналом 1, оборудованным перегораживающими 2, 3 и входными 4, 5 регулирующими сооружениями и разделен на отсеки 6 и 7 для интенсифицированного испарения минерализованного дренажного стока, отсек 8 - для аккумуляции опресненных вод с насосной станцией 9, для их подачи потребителю, отсек 10 - для сбора, хранения и естественного испарения сбросных вод из отсеков 6, 7, а так же части минерализованного дренажного стока из канала 1, не поступающего в отсеки 6, 7, после их периодического заполнения. Пруд-испаритель содержит сбросную сеть 11 в виде канала, гидравлически связанную на входах водовыпускными регулирующими сооружениями 12, 13 с отсеками 6 и 7 интенсифицированного испарения, а на выходе - с отсеком 10, водовыпускные регулирующие сооружения 14, 15 из отсеков 6 и 7 с трубопроводами 16 и 17, последовательно гидравлически связывающие между собой отсеки интенсифицированного испарения 6, 7, и отсек 8 для аккумуляции опресненных вод.

Подводящий канал 1 занимает командное положение по отношению к отсекам 6, 7, 8 и 10 (фиг.2). Отсеки 6, 7, 8 и 10 размещены на плоской местности и/или на местности с предпочтительно односторонним уклоном от отсека 6 к отсеку 10 и разделены между собой земляными перемычками 18, имеют горизонтальное спланированное дно и противофильтрационное покрытие 19.

В отсеках 6 и 7 входные регулирующие сооружения 4 и 5 соответственно гидравлически связаны посредством трубопроводов 20 и 21 с перфорированными трубопроводами 22 и 23 для равномерной подачи воды в отсеки, размещенными в нижней части распределительных каналов 24 и 25 с противофильтрационным покрытием (не показано).

Каждый отсек 6, 7 интенсифицированного испарения содержит размещенные по всей водной поверхности на определенном расстоянии друг от друга плавающие испарительные пластины 26 (фиг.1 и 3) с равномерно расположенными сквозными круглыми отверстиями 27 и вставленными в них цилиндрическими акселераторами испарения 28 из гидрофильного капиллярно-пористого материала, каждая из которых зафиксирована от перемещения в горизонтальной плоскости и ограничена в перемещении по вертикали механизмом фиксации.

Каждая пластина 26 по углам снабжена четырьмя вертикальными отверстиями 31 диаметром d, а механизм фиксации выполнен в виде четырех вертикальных стержней 32 диаметром d₁<d из антикоррозионного материала, пропущенных через эти отверстия, нижний конец которых закреплен на дне 33 отсеков 6 и 7 пруда-испарителя, причем длина стержней 32 превышает возможную глубину заполнения отсеков 6 и 7. Каждый стержень 31 фиксирующего механизма имеет ограничители нижнего и верхнего положения пластины 26, которые выполнены в виде неподвижно закрепленных на каждом стержне 32 нижней 34 и верхней 35 шайб диаметром d₂>d.

Каждая пластина 26 может быть снабжена дополнительным покрытием 29 из гидрофильного капиллярно-пористого материала с отверстиями для акселераторов испарения 28 и краями 30, длина которых превышает толщину пластины 26 (т.е., погруженными в воду).

Пруд-испаритель дренажного стока может работать в двух режимах:

интенсифицированного испарения (режим 1) и интенсифицированного испарения и опреснения (режим 2).

Пруд-испаритель дренажного стока в режиме интенсифицированного испарения (режим 1) работает следующим образом.

В период работы гидромелиоративных систем (апрель - октябрь для зоны орошаемого земледелия Юга Европейской части России) минерализованный дренажный сток поступает в подводящий канал 1, при этом перегораживающее регулирующее сооружение 2 открыто, перегораживающее регулирующее сооружение 3 закрыто, а входные регулирующие сооружения 4 и 5 открыты. Через сооружения 4 и 5 по трубопроводам 20 и 21 и перфорированным трубопроводам 22 и 23 происходит заполнение отсеков 6 и 7 до заданной глубины, на 3 - 5 см ниже высоты расположения верхних шайб 35 механизмов фиксации пластин 26.

По завершении заполнения отсеков 6 и 7 входные регулирующие сооружения 4 и 5 закрывают, а перегораживающее регулирующее сооружение 3 открывают, минерализованный дренажный сток поступает по каналу 1 в последний отсек 10 накопителя-испарителя, где аккумулируется и подвергается естественному испарению.

В результате заполнения отсеков 6 и 7 пластины 26 всплывают, минерализованная вода под действием капиллярных сил поступает в гидрофильный капиллярно-пористый материал акселераторов 28 испарения на высоту капиллярного подъема и покрытия 29 каждой пластины 26. Под воздействием солнечного излучения, ветра и за счет многократного увеличения площади испаряющей поверхности по сравнению с площадью зеркала воды в отсеках 6 и 7 происходит интенсифицированное испарение, которое сопровождается извлечением солей из дренажного стока в капиллярно-пористый материал и на его поверхность акселераторов 28 испарения и покрытий 29. По мере заполнения капилляров и поверхностей акселераторов 28 и покрытий 29 отложениями солей интенсивность испарения постепенно снижается. В каждом конкретном случае продолжительность эффективной работы акселераторов испарения зависит от адсорбционной емкости используемого капиллярно-пористого материала, минерализации, химического состава дренажного стока, динамики солнечной радиации, скорости ветра, температуры и влажности воздуха, температуры воды за рассматриваемый период и определяется, например, в результате испытаний в камере искусственной погоды, предшествующих созданию пруда-испарителя.

По истечении периода активного испарения закрывают перегораживающее регулирующее сооружение 3 на канале 1, открывают входные регулирующие сооружения 4 и 5 и подают дренажный сток в отсеки 6 и 7, заполняя их до уровня, превышающего верхнюю кромку акселераторов 20 испарения на высоту 3-5 см (фиг.3). При этом в пределах отсеков 6 и 7 происходит затопление всех пластин 26 с акселераторами испарения 28, так как их перемещение вверх ограничено верхними шайбами 35 механиза фиксации, и последующее растворение солей, отложившихся в капиллярно-пористом материале аксельраторов и пластин из-за значительно более низкой их концентрации во вновь поступивших водах дренажного стока, что восстанавливает его адсорбционную емкость. Процесс растворения отложившихся солей происходит в приповерхностном слое воды, который при наличии ветра активно перемешивается в результате ветрового волнения.

При заполнении отсеков 6 и 7 до требуемого уровня входные регулирующие сооружения 4 и 5 закрывают, а перегораживающее регулирующее сооружение 3 открывают, минерализованный дренажный сток поступает по каналу 1 в последний отсек 10 накопителя-испарителя, где аккумулируется и подвергается естественному испарению.

После завершения процесса растворения отложившихся в капиллярно-пористом материале акселераторов 28 и покрытий 29 солей всех пластин 26 водовыпускные регулирующие сооружения 12 и 13 открывают и воду из отсеков 6 и 7 отводят по сбросной сети 11 в отсек 10 пруда-испарителя. Пластины 26, по мере опорожнения отсеков 6 и 7, перемещаются вниз до уровня, ограниченного положением нижних шайб 34 механизмов фиксации, что позволяет избежать деформации нижней части акселераторов 28 испарения об дно отсеков.

Далее описанный выше цикл повторяют многократно в течение периода работы гидромелиоративных систем и поступления дренажного стока по каналу 1.

Функционирование пруда-испарителя в режиме интенсифицированного испарения и опреснения воды (режим 2) отличается от описанного выше режима 1 тем, что вначале заполняют только отсек 6 (при закрытом перегораживающем сооружении 2 и открытом входном сооружении 4), из которого после завершения периода активного испарения и извлечения солей оставшуюся частично опресненную воду из отсека 6 через открытое водовыпускное сооружение 14 по трубопроводу 16 сбрасывают в отсек 7, в котором процессы интенсифицированного испарения воды и извлечения солей продолжаются. По их завершении опресненная вода отводится из отсека 7 через водовыпускное сооружение 15 и трубопровод 17 в отсек 8, где аккумулируется и с помощью насосной станции 9 подается потребителю. Далее процес опреснения, аккумуляции опресненной воды в отсеке 8 и отведения ее потребителю повторяется вновь в течение периода работы гидромелиоративных систем и поступления дренажного стока по каналу 1.

Таким образом, предлагаемая конструкция пруда-испарителя позволяет значительно повысить эффективность процесса опреснения дренажных стоков и снизить трудоемкость восстановления адсорбирующей способности акселераторов испарения промывкой без проведения их демонтажа, что также значительно повышает эффективность работы пруда-испарителя.

К позитивным качествам заявленного технического решения следует также отнести низкие затраты энергии за счет применения самотечного режима работы пруда-испарителя и использования возобновляемых источников энергии (солнечной энергии и энергии ветра) при реализации процесса интенсифицированного испарения.