РАЗРАБОТКА НАПЛАВНОГО СИНТЕТИЧЕСКОГО ФИЛЬТРУЮЩЕГО УСТРОЙСТВА | Опубликовать статью РИНЦ

РАЗРАБОТКА НАПЛАВНОГО СИНТЕТИЧЕСКОГО ФИЛЬТРУЮЩЕГО УСТРОЙСТВА

Научная статья

Иванкова Т.В. *

ФГБОУ ВО «Южно-Российский государственный политехнический институт (НПИ) имени М.И. Платова»

* Корреспондирующий автор (kipkeeva62[at]mail.ru)

Аннотация

В статье приводится обоснование усовершенствованной конструкции наплавного мобильного фильтрующего устройства с высоким качеством фильтрации речной воды для снабжения населенных пунктов. Роль фильтров выполняет мембранная ткань оригинальной структуры, изготовленная из высокопрочных синтетических материалов, устойчивых к гниению и коррозии. Тканевые фильтры обеспечивают предварительную механическую очистку воды от взвешенных частиц, фито- и зоопланктона, непроницаемы для рыб, водорослей и мусора. Экономические затраты на изготовление, установку и эксплуатацию предлагаемого устройства значительно ниже, чем у действующих водозаборов.

Ключевые слова: наплавные конструкции, синтетические материалы, водозабор, механическая очистка.

DEVELOPMENT OF FLOATING SYNTHETIC FILTER DEVICE

Research article

Ivankova T.V. *

Master’s degree student, Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI)

* Corresponding author (kipkeeva62[at]mail.ru)

Abstract

The article provides the rationale for an improved design of a floating mobile filtering device with high-quality filtration of river water for the supply of settlements. Membrane fabric of the original structure plays the role of a filter, made of high-strength synthetic materials resistant to rotting and corrosion. Fabric filters provide preliminary mechanical purification of water from suspended particles, phyto- and zooplankton, impermeable to fish, algae and debris. The economic costs of manufacturing, installing and operating the proposed device are significantly lower than those of existing water intakes.

Keywords: floating structures, synthetic materials, water intake, mechanical cleaning.

Развитие водного хозяйства сопровождается появлением новых технологий, конструкций и материалов, позволяющих модернизировать и реконструировать существующие гидротехнические сооружения. К числу наиболее актуальных проблем водного хозяйства России относятся: 1) изношенность большей части ранее построенных водозаборных сооружений и проведение их реконструкции; 2) улучшение качества воды для целей ирригации и водоснабжения.

Данная работа выполнена в рамках решения второй проблемы, для которой актуальна разработка эффективных фильтрующих устройств, изготовленных из современных синтетических материалов. Фильтры водозаборов должны осуществлять механическую очистку – задерживать водную взвесь и мусор антропогенного происхождения. Водная взвесь включает различный по происхождению материал: терригенный (частицы песчаной (9,1-1,0 мм) и пелитовой (менее 0,01 мм) размерности); биогенный (фито – и зоопланктон) и хемогенный. Размеры частиц водной взвеси варьируют от долей микрона до нескольких миллиметров.

Разработанное автором наплавное синтетическое фильтровальное устройство (НСФУ) предназначено для использования на реках, водохранилищах, озерах, каналах. Оно может обслуживать хозяйственно-питьевые и технические водозаборы любой производительности – малые (расход менее 1 м³/с), средние (1-6 м³/с) и крупные (более 6 м³/с).

В водозаборных устройствах одним из главных элементов является фильтр, обеспечивающий подачу воды в преднасосные ёмкости, максимально очищенной от посторонних примесей. Конструкции фильтрующих узлов чрезвычайно разнообразны, поскольку они разрабатываются с учетом производительности водозабора, типа водоема и качества воды, климатических условий местности. В настоящее время используются преимущественно следующие типы водоприемников – трубчатые, ряжевые, бетонные и железобетонные. В лесном поясе Европейской части России, где мутность воды рек и озер невелика, используются фильтры трубчатого и барабанного типа. Например, водозаборный фильтр-оголовок ВФ, разработанный компанией «Стронг-Фильтр», успешно эксплуатируется Водоканалом в Главном водозаборе Санкт-Петербурга с 2014 года. Фильтр выполняет две функции – защиту мальков рыб в водоеме и предварительную фильтрацию забираемой воды.

В лесостепной и степной зонах России используются иные конструкции водозаборных узлов, включающие отстойники и более сложные фильтровальные устройства. Это связано с повышенной мутностью воды рек, обусловленной преимущественно поверхностным смывом почвенного слоя. Особенно высока мутность речной воды в степной зоне, распаханность которой достигает 90%. В нижнем течении реки Дон мутность воды превышает ПДК (1,5 мг/л) в десятки раз, в 1994 г. было зарегистрировано превышение в 160 (!) раз. В таких условиях возникает чрезмерная грязевая нагрузка на фильтры.

Сравнительный анализ стоимости материалов, строительства и эксплуатационных расходов разных типов водозаборов показал, что наиболее экономичным и, следовательно, перспективным является создание мягких наплавных фильтрационных устройств из синтетических тканей. Всесторонние исследования мягких наплавных конструкций в период 1973 -2008 гг. выполнялись специалистами Новочеркасской гидротехнической научной школы [2], [3], [4], [5], [6]. Их методы расчета, разработки и совершенствование конструкций, обладающих водоохранными функциями, суммированы в монографии [1]. В кандидатской диссертационной работе [7], выполненной под руководством д-ра техн. наук В.А. Волосухина, приведены результаты теоретических и натурных исследований мягкой наплавной конструкции из капроновых тканей с двухсторонним резиновым покрытием применительно к водозабору насосной станции из канала (Украинская ССР).

В Азербайджанском НИИ водных проблем для водозаборов на реках с высокой мутностью разработан водоприемник-осветлитель с фильтром сложной структуры, который крепится к металлическим понтонам.

Автор статьи, рассмотрев достоинства и слабые стороны упомянутых выше конструкций, предлагает усовершенствованный вариант тканевого фильтра Новочеркасского типа – наплавное синтетическое фильтрационное устройство (НСФУ) [8], [9], [10]. Разработанное устройство предназначено для использования на реках, водохранилищах, озерах, каналах [11]. Оно может обслуживать хозяйственно-питьевые и технические водозаборы любой производительности.

Предлагаемое устройство позволяет уменьшать «грязевую нагрузку» и выполнять механическую предочистку питьевой воды до поступления на водоочистные сооружения (ВОС). Конструкция позволяет эффективно очищать воду от планктона и взвешенных терригенных частиц, не пропуская молодь рыбы, крупный и мелкий мусор при низких затратах на очистку и промывку фильтра [12]. Содержание загрязняющих веществ в ВОС снижается не менее, чем на 80%, что обеспечивает экономию реагентов, уменьшает потребление воды на собственные нужды ВОС и в итоге снижает себестоимость получения воды питьевого качества. Конструкция устройства показана на рис. 1 и 2.

Рис. 1 – Поперечный разрез НСФУ

Рис. 2 – Ограждающая стенка НСФУ

Поплавок (1), удерживающий ограждающую (забральную) стенку (2) в вертикальном положении, крепится ко дну водохранилища расчалками (3), которые удерживаются донными анкерами (4). Эластичная забральная стенка по вертикали соединена с донными анкерами (5). Забральная стенка (2) выполнена из эластичного синтетического материала; верхняя ее часть прикреплена к поплавку (1), а нижняя – ко дну водохранилища. При работе НСФУ подъемная сила поплавка (1) обеспечивает подъем (опускание) верхнего подвижного яруса забральной стенки водозабора и подъем (опускание) гибкого сплошного полотнища забральной стенки. Высота стенки (2) выбирается так, чтобы ограждаемая акватория была отделена от водохранилища при любых отметках горизонта воды.

Поплавок – труба гибкая рифленая полиэтиленовая, диаметр 160 мм.

Расчалки – трос металлополимерный прозрачный (толщина 6,0 мм).

Донные анкера – мешки, выполненные из синтетической ткани, в которые закачивается песчаная пульпа.

Забральная стенка (фильтрующая воду) – синтетическое полотнище, изготовленное из полипропиленовых нитей, толщина которых различна по направлениям главных напряжений. Кольцевые нити тканевого полотнища вдвое тоньше меридиональных, что обеспечивает оптимальное напряженно-деформированное состояние при различных сочетаниях постоянных, временных, кратковременных и особых нагрузок.

В НСФУ предлагается использовать полипропиленовую ткань марки «Текспол», плотностью 40/40 г/м² и водопроницаемостью при водяном столбе 10х10 см равной 10 л/м²/с.

Полипропиленовое волокно и изготовленная из него ткань имеет следующие характеристики (исследован случай больших перемещений, когда фиксировались начальное и конечное состояния, а перемещения были соизмеримы с геометрическими размерами устройства):

– относительная деформация – растяжение (  и ) в рабочем состоянии может достигать 10%, 15%; разрушение наступает при растяжении свыше  30%.

Рис. 3 – Главные напряжения в тканевом материале [13]

 

Главные напряжения T₁, (кПа), T₂ (кПа) в тканевом полипропиленовом материале в конечном деформированном состоянии определялись численными методами (рис.3, 4).

Главные меридиональные напряжения ( , Кпа), где t₁ – толщина полипропиленовых нитей в меридиональном направлении, мм;

t₂ – толщина полипропиленовых нитей в кольцевом направлении, мм.

Главные кольцевые напряжения , Кпа) вычисляются по выражениям:

Условия прочности для тканевого материала:

Допускаемые усилия 

зависят от относительных деформаций по главным направлениям 

 определяются экспериментально,

где φ – коэффициент надежности, учитывающий длительную прочность (ее снижение), учет динамических нагрузок, технологию изготовления; φ∈ [1,5…2,5].

В технических условиях на полипропиленовые тканевые материалы приводятся предельные значения допускаемых напряжений    по результатам заводских отпускных испытаний (не менее 20 образцов для одной партии материала).

В разработанном фильтрующем водозаборном устройстве, в отличие от используемых ныне аналогов, исключены металлические элементы (труба, тросовые расчалки). В 80-е годы XX века забральную стенку выполняли из водонепроницаемых капроновых тканей с двусторонним резиновым покрытием. Этот материал имеет высокую стоимость (1 м² – от 1,2 до 2 тыс. руб.) по сравнению с полипропиленовой тканью в НСФУ (1 м² – от 40 до 120 руб.).

К достоинствам устройства относятся:

1) компактность, легкость, гибкость, высокая кратковременная и длительная прочность, гнилостойкость;

2) при монтаже в месте установки отпадает необходимость применения мощных механизмов;

3) простота и сравнительно невысокая стоимость промывки устройства гидравлическим способом или водовоздушными струями;

4) соответствие конструкции фильтра эффективным рыбозащитным устройствам [14, 15];

5) экономический эффект от внедрения предлагаемого НСФУ заключается в снижении капиталовложений на его изготовление, расхода материалов и трудозатрат. Существенно снижаются затраты и в период эксплуатации.

Выводы:

1. Одной из приоритетных задач водного хозяйства является улучшение качества фильтрующих устройств на водозаборных узлах при уменьшении капитальных и эксплуатационных затрат.
2. Предложено наплавное фильтрующее синтетическое устройство (НСФУ) водозаборных установок, превосходящее эксплуатируемые фильтры по качеству очищения воды, а по стоимости изготовления более дешевое.
3. В России на начало 2018 г. было зафиксировано 28,3 тыс. водопользователей. Опыт работы автора (свыше 10 лет) в сфере мониторинга гидротехнических сооружений показывает, что предлагаемое фильтрационное устройство может заинтересовать около 20 тыс. водохозяйственных объектов России.

Конфликт интересов Не указан.

Conflict of Interest None declared.