В аеробних умовах переважає окислення речовин, що сприяє самоочищенню водного середовища і посилення стійкості до забруднення. При цьому біогенні речовини, важкі метали, органічні забруднюючі сполуки в складі суспензій (мінерали, детрит, органічні залишки організмів) переходять з водної фази в донні відкладення. При дефіциті кисню у водоймах виникають заморні явища, окислювальні процеси сповільнюються, обумовлюючи погіршення якості води, відбувається накопичення в ній марганцю, заліза, амонійного азоту, неорганічного фосфору, органічних сполук, а також підвищення токсичності водного середовища. Переважна більшість водних мешканців - аеробні організми, тому зниження вмісту кисню нижче критичних значень призводить до їх загибелі.

Коли мова йде про руслові водосховища, то для них характерні наступні екологічні проблеми: зниження швидкостей течій, замулення ложа, ерозія берегів, накопичення органічних речовин. Внаслідок недостатнього перемішування водних мас і освітлення, в них взимку і влітку біля дна спостерігається дефіцит розчиненого кисню. Тут формуються анаеробні умови які сприяють міграції речовин з донних відкладень, які стають джерелом вторинного забруднення водної товщі. В умовах кліматичних змін цей процес може ускладнюватися через збільшення температури води, як одного з вагомих чинників у формуванні дефіциту кисню в літній час.

У випадку коли на руслових водосховищах встановлені гідроелектростанції, то часто забір води відбувається із значних глибин, де вода слабко насичена киснем. Це, в свою чергу, викликає у водних екосистемах, які розташовані нижче греблі ГЕС зниження концентрації розчиненого у воді кисню з усіма відповідними негативними наслідками.

З метою попередження негативних явищ, які викликає нестача розчиненого у воді кисню, і з метою покращення екологічного стану гідроекосистем було розроблено багато способів аерації водної товщі . За однією з класифікацій їх можна поділити на чотири типи: гравітаційні або кінетичні (водоспади, пороги та водоскиди), дифузійні (пневматичні), гідродинамічні (турбінні) та механічні. Існують конструкції, у яких поєднуються різні типи аераторів. За місцем розташування аераційні установки поділяють на поверхневі та придонні. Позитивний вплив аераційних установок розглянуто у ряді наукових публікацій, присвячених даній проблемі. Недоліками пропонованих установок поза аквакультурою є не тільки висока вартість реалізації, а і проблема забезпечення живленням для роботи, обслуговуванням, складністю практичної реалізації аерації коли йде мова про значні об’єми води на відкритих водоймах.

Актуальним рішенням цих проблем на рівнинних річках, які зарегульовані ГЕС, є організація аерації води безпосередньо на гідроагрегатах електростанцій, коли відбувається насичення киснем води що проходить гідроагрегати. Тим самим вирішується проблема критичного дефіциту кисню у нижче розташованих гідроекосистемах. Існує ціла низка робіт із вивчення питання впровадження аерації на різних гідроагрегатах електростанцій.

Напевно найпоширенішими є аерація у камері гідротурбіни або аерація води перед надходженням до турбіни. Якщо аерація відбувається до гідротурбіни, то у цьому випадку відбувається ще і аераційний захист гідробіонтів. За рахунок аерації потоку, що йде на робоче колесо турбіни, досягається різке зниження перепадів тиску і виключається кавітація в камері робочого колеса, де при звичайних режимах з цієї причини гине частина планктону і риб. Застосування режиму аераційного захисту дозволяє значно зменшити загибель і травмування гідробіонтів, які проходять проточний канал турбіни без пошкоджень. Окрім цього поліпшуються експлуатаційні характеристики турбін: виключається кавітаційна ерозія, знижуються вібрації і шум, зменшується знос устаткування, тощо.

Досвід аерації в різних умовах і на різного типу турбінах з метою поліпшення ситуації із розчиненим киснем у руслах річок нижче ГЕС розглянуто у відповідних оглядах. На конференціях та у технічних звітах автори свідчать, що аерація гідротурбіни - це ефективний метод підвищення вмісту розчиненого кисню у скидних водах.

На сьогодні у світі продовжуються роботи із вивчення інновацій в процесах аерації на гідроелектростанціях та тривають роботи із подальшого обладнання старих гідроелектростанцій системами аерації.

В Україні питання штучної аерації води на гідроелектростанціях досі не піднімалось. В першу чергу можливість застосування аерації слід розглядати для Дніпровського каскаду водосховищ, які акумулюють та забезпечують транзит величезних об’ємів води. Окрім типових для річкових водосховищ проблем, для водосховищ Дніпра характерне масове і тривале «цвітіння» води, що ще більше загострює проблему дефіциту кисню в придонних шарах води і посилення процесів вторинного забруднення водних мас. Враховуючи світовий позитивний досвід запровадження аерації на гідроагрегатах ГЕС, доречно розглянути таку можливість і для головної водної артерії нашої держави.

Метою нашої роботи було на прикладі Каховської ГЕС вивчити технічну можливість аерації води що проходить крізь гідроагрегат та попередньо оцінити ефективність процесу аерації.

Була розроблена Програма випробувань аераційної установки з компресором потужністю 75 кВт, яка забезпечувала подачу стисненого повітря (тиск 2 атм) за допомогою перфорованої труби в супутній потік води на глибині 10,4 м в районі сміттєутримуючої решітки шостого гідроагрегату Каховської ГЕС. Відповідно до розробленої Програми екологічних вимірювань та відбору проб води дослідження проводили на трьох точках: Точка 1 – до гідроагрегатів, в колодязі в районі сміттєутримуючої решітки, Точка 2 – на водовипуску з гідроагрегату і Точка 3 – на відстані 65 м від водовипуску з гідроагрегату.

На точках відбору проб визначали вміст розчиненого кисню і вимірювали температуру води. З однієї точки відбирали дві проби із інтервалом 10-20 хвилин окремими зануреннями батометра. Повторність відбору проб з одного занурення батометру – 2. Порядок відбору проб води, зберігання та їх транспортування виконували відповідно з нормативними документами: ДСТУ ISO 5667-2 «Настанови щодо методів відбирання проб», ДСТУ ISO 5667-3 «Настанови щодо зберігання та поводження с пробами», ДСТУ ISO 5667-6 «Настанови щодо відбирання проб з річок та струмків». Додатково враховуючи вимоги Інструкції з відбирання, підготовки проб води і ґрунту для хімічного та гідробіологічного аналізу гідрометеорологічними станціями і постами (Затверджена наказом ДСНС України 19.01.2016 № 30) .

Кваліфікований аналіз води було виконано Лабораторією моніторингу вод і ґрунтів Басейнового управління водних ресурсів нижнього Дніпра Державного агентства водних ресурсів України (свідоцтво про визнання технічної компетентності № LB 28/19 від 16 січня 2019 року).

Визначення концентрації розчиненого кисню та вимірювання температури здійснено за наступними методиками: МВВ № 081/12-0008-01 (Поверхневі та очищені стічні води. Методика виконання вимірювань масової концентрації розчиненого кисню методом йодометричного титрування за Вінклером) і МВВ № 081/12-0311-06 (Методика виконання вимірювань температури).

Випробування аераційної установки відбулось 22 серпня під час якого проведено кваліфікований відбір проб води і вимірювання температури. Для аналізу отриманих даних були застосовані статистичні методи [32], з використанням програми для статистичної обробки даних PAST v.3.26.

Оброблені дані з протоколів вимірювань розчиненого кисню зведено у Таблицю та представлено у вигляді діаграми на рисунку.

Результати вимірювань концентрації розчиненого кисню на трьох станціях відбору проб на Каховській ГЕС під час проведення випробувань аераційної установки:

З таблиці видно, що при проходженні води крізь гідроагрегати із включеною аераційною установкою спостерігається підвищення концентрації розчиненого у воді кисню на точках 2 і 3 в порівнянні із вихідною концентрацією (7,40 мгО2/дм3) кисню до гідроагрегату (Точка 1). Найбільша концентрація розчиненого кисню була відмічена на третій точці (на відстані 65 м від водовипуску) відбору проб: 7,69 і 7,76 мгО2/дм3, відповідно при першому і другому навантаженні. На другій точці (водовипуск із гідроагрегату) концентрація розчиненого кисню була меншою: 7,60 мгО2/дм3  при першому і 7,45 мгО2/дм3 при другому навантаженні. Ми це пояснюємо тим, що на другій точці відбору візуально направлений потік води не прослідковувався, спостерігались інтенсивна турбуленція і зворотні течії,  а беручи до уваги, що під час аерації пухирці повітря після виходу із гідротурбін миттєво не спливають, а продовжують ще деякий час знаходитись у товщі води і поступово підійматись до поверхні, можна припустити, що насичення води киснем продовжується ще певну відстань, що і призводить до більших значень на більш віддаленій третій точці. Є свідчення інших авторів, що за результатами польових випробувань значна частина кисню переходить до розчиненого стану не одразу, і рівень розчиненого кисню все ще може збільшуватись аж до 300 м нижче за течією від електростанції.

Рис. Діаграма середніх значень вмісту кисню (мг/дм3) на трьох точках відбору проб, вуса (whisker) – похибка середнього арифметичного.

Для оцінки статистичної значущості різниці між середніми арифметичними значеннями на різних точках досліджень з різними навантаженнями було застосовано критерій Манна-Уітні. При порівнянні середніх значень концентрацій кисню на третій і першій точках значення р-критерію Манна-Уітні було меншим 0,03, тобто різниця є статистично значущою, що дає змогу впевнено стверджувати про результативність процесу аерації як при першому так і другому навантаженнях.

Для оцінки ефективності аерації застосовують спеціальний показник (E) – ефективність передачі кисню (oxygen transfers efficiency) або ефективність аерації:

E=C_d-C_oC_s-C_o×100%

де C_d  – концентрація розчиненого у воді кисню після аерації, C_o  – концентрація розчиненого у воді кисню до аерації, C_s  – рівноважна концентрація розчиненого у воді кисню.

Ефективність аерації залежить від вихідного дефіциту розчиненого кисню, способу аерації (конструкція та місце надходження повітря), відсотку повітря у воді, величини витрат води, температури води, тощо [36]. Із досвіду працюючих у світі установок у більшості випадків ефективність аерації складає 10-50%.

Для природних поверхневих об’єктів відомо, що чим більше дефіцит, тим сильніше відбувається поглинання кисню з повітря. Результати експериментів  вказують, що швидкість насичення води киснем при струмовій аерації значно уповільнюється із зростанням насиченості. Це підтверджується і іншими результатами експериментів, коли аналізували насичення киснем знекисненої води різними аераторами. З даних видно, що швидкість розчинення кисню у воді знижується при зростанні його концентрації у воді. В роботі зазначається, що «ефективність аерації різко падає коли концентрація наближається до рівноважної». 

В результаті розрахунку ефективності аерації під час випробувань на шостому гідроагрегаті Каховської ГЕС отримані доволі високі значення ефективності аерації, так за результатами вимірювань у Т.3 при першому навантаженні E = 32,6%, а при другому E = 40,4%. Враховуючи те, що вихідна концентрація кисню доволі близька до рівноважної (насичення 89,3%), а це, як розглядалось вище, суттєво ускладнює процес розчинення кисню, можна зробити висновок про значну продуктивність аераційної установки.

Ефективність аерації, як зазначалось вище, залежить від багатьох чинників і нажаль теоретично розрахувати ефективність аерації в умовах значного дефіциту кисню вкрай складно і тому лише експериментальні дослідження в умовах низького насичення води киснем зможуть в повній мірі оцінити роль застосування системи аерації води. Ще одним важливим моментом є те, що рівень розчиненого кисню все ще може збільшуватись нижче за течією електростанції внаслідок повільного спливання дрібних пухирців повітря. Тобто під час наших випробувань ми можливо зафіксували не максимальне насичення, і тільки додаткові дослідження дадуть відповідь на це питання.

Таким чином, отримано позитивний досвід можливості аерації води яка проходить крізь гідроагрегати ГЕС, під час випробувань аераційної установки на шостому гідроагрегаті Каховської ГЕС досягнуто збільшення вмісту розчиненого кисню у воді нижче ГЕС. Аераційна установка продемонструвала значну ефективність процесу аерації в умовах високого вихідного насичення води киснем. Отримані результати та аналіз досвіду застосування аераційних установок у світі дозволяють розглядати аерацію як ефективний засіб у критичних для гідроекосистем умовах і рекомендувати подальше вивчення питання впровадження аераційних установок на агрегатах ГЕС України.

Автори:

Кучер С.В., заступник директора департаменту з комерції Укргідроенерго

к.геогр.н. Гуляєва О.О., провідний фахівець з питань екології Укргідроенерго

к.б.н. Усов О.Є.

Зі списком використаної літератури ви можете ознайомитись за посиланням