Флотационная защита систем технического водоснабжения АЭС от биологических помех

Минин, Дмитрий Вячеславович

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Флотационная защита систем технического водоснабжения АЭС от биологических помех
ВАК РФ 25.00.36, Геоэкология

Автореферат диссертации по теме "Флотационная защита систем технического водоснабжения АЭС от биологических помех"

005014126

МИНИН ДМИТРИЙ ВЯЧЕСЛАВОВИЧ

ФЛОТАЦИОННАЯ ЗАЩИТА СИСТЕМ ТЕХНИЧЕСКОГО ВОДОСНАБЖЕНИЯ АЭС ОТ БИОЛОГИЧЕСКИХ ПОМЕХ

Специальность 25.00.36 - Геоэкология (в строительстве и ЖКХ)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 5 [;;ДР 2012

Москва-2012

005014126

Работа выполнена в Открытом акционерном обществе "Научно-исследовательский институт энергетических сооружений"

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

доктор биологических наук Суздалева Антонина Львовна

Боровков Валерий Степанович, доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО "Московский государственный строительный университет", кафедра гидравлики, профессор

Пак Сергей Платонович, кандидат технических наук,

ОАО "Всероссийский научно-исследовательский институт по эксплуатации атомных электростанций", отдел насосного оборудования и технического водоснабжения, начальник отдела

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное

образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный университет природообустройства»

Защита диссертации состоится 29 марта 2012 года в 1600 часов на заседании диссертационного совета Д 212.138.07 при ФГБОУ ВПО "Московский государственный строительный университет" по адресу: 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д.26, Зал заседания Ученого Совета.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ФГБОУ ВПО "Московский государственный строительный университет".

Автореферат разослан^ февраля 2012года.

Ученый секретарь ,'., - Потапов Александр

диссертационного совета - - ,<> '>-е * - V Дмитриевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. На большинстве российских атомных электростанциях (АЭС) используются оборотные системы технического водоснабжения с водоемами-охладителями (СТВ). СТВ АЭС данного типа состоят из двух частей - закрытой и открытой, условия в которых принципиально различны. Закрытая часть состоит из технических узлов и включает напорные бассейны, водоводы и теплообменное оборудование. Массовое развитие любых организмов, также как и попадание их отмерших частей в СТВ нежелательно и, с эксплуатационной точки зрения, рассматривается как возникновение биологических помех (биопомех), способных вызвать нарушение нормальной работы АЭС. Открытая часть СТВ - водоем-охладитель - является относительно крупным водным объектом многоцелевого пользования, экологическое и санитарно-эпидемиологическое состояние которого должно отвечать действующим природоохранным нормативам. По своему происхождению водоемы-охладители представляют собой либо искусственные водохранилища, либо модифицированные природные водоемы, морфология которых и гидрологический режим изменены в целях обеспечения работы СТВ АЭС. Во всех случаях в водоемах-охладителях формируется биоценозы, уровень биоразнообразия которых сравним с сообществами организмов, существующими в других водоемах водохранилищного и озерного типов.

Обе части СТВ функционально взаимозависимы. Техногенные факторы, обусловленные работой АЭС, оказывают существенное воздействие на формирование экосистемы водоема-охладителя, а внутриводоемные процессы влияют на условия эксплуатации теплообменного и иного оборудования. В результате возникает природно-техническая система (ПТС) "АЭС - водоем-охладитель". Аналогичным образом функционирует ПТС тепловых электростанций (ТЭС), в состав СТВ которых входят водоемы-охладители.

Одной из причин возникновения различных видов биопомех является поступление в закрытую часть СТВ природных взвесей, формирующихся в

водоемах-охладителях и в совокупности обозначаемых термином «сестон». В состав сестона входят как неживые частицы (абиосестон), так и микроскопические организмы, постоянно или временно населяющие толщу воды (биосетон). В число последних входят личинки организмов-обрастателей, из которых наибольшее значение при эксплуатации Российских АЭС и ТЭЦ имеет моллюск дрейссена (Dreissena polymorpha Pallas).

Использование флотации для отделения взвесей из дисперсных систем широко применяется в различных технологических процессах. Этот же механизм может быть использован и для борьбы с биопомехами. Однако, в отличие от технологических дисперсных систем, взвеси, образующиеся в водных объектах, крайне разнообразны по своему фракционному составу и физико-химическим свойствам. Принципиально различается и роль отдельных фракций природных взвесей в возникновении биопомех. Поэтому простое копирование методов флотации, применяемых в техногенных целях, в данном случае нецелесообразно. Эффективная флотационная защита СТВ АЭС должна разрабатываться с учетом специфики экологических механизмов образования природных взвесей. Важным также является вопрос экологической безопасности предложенных методов. Только учет всех этих аспектов позволяет разработать режим работы флотационных устройств, соответствующий их конкретным задачам. Однако, до настоящего времени целенаправленного изучения этой проблемы не проводилось.

Таким образом, проведение комплексных инженерно-экологических исследований, направленных на создание научной базы, необходимой для разработки методов флотационной защиты СТВ АЭС, в настоящее время представляется достаточно актуальным.

Цель работы - изучение экологических механизмов, приводящих к возникновению биопомех, обусловленных поступлением в систему технического водоснабжения АЭС природных взвесей (сестона), и исследование факторов, определяющих эффективность флотационной защиты.

В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:

1. Анализ экологических механизмов образования биологических помех в СТВ АЭС, обусловленных поступлением в них природных взвесей (сестона).

2. Сравнительная оценка эффективности и экологической безопасности методов, применяемых для борьбы с биопомехами, возникающими в результате развития дрейссены.

3. Системный анализ механизмов формирования дрейссеновых биопомех.

4. Изучение генезиса, состава, характера пространственной и временной динамики природных взвесей в водоеме-охладителе АЭС.

5. Изучение процесса флотации сестона на лабораторной установке и в ходе натурных экспериментов на водоеме-охладителе Курской АЭС.

6. Оценка эффективности метода флотационной защиты на основе комплексного анализа материалов натурных исследований и результатов экспериментов.

7. Разработка научно-методологических основ конструирования флотацнонных устройств.

8. Разработка проекта системы флотационной защиты СТВ АЭС. Оценка эффективности метода флотационной защиты.

Объект исследования - оборотная система технического водоснабжения АЭС, включающая насосные станции, теплообменное оборудование АЭС и водоем-охладитель с его биотическими составляющими.

Предмет исследования — флотационный метод защиты системы технического водоснабжения АЭС от биологических помех, обусловленных поступлением сестона и развитием дрейссены.

СТВ АЭС, является эффективной и экологически безопасной по сравнению с другими методами, применяемыми для борьбы с дрейссеной. Состав сестона весьма разнороден, принципиально отличается и роль отдельных видов частиц в формировании биопомех. По этой причине конструирование устройств флотационной защиты и оптимизация режима их работы должны осуществляться с учетом параметров, характеризующих природные взвеси.

Научная новизна диссертационной работы состоит в том, что впервые проведено целенаправленное комплексное изучение экологических механизмов образования биопомех, обусловленных поступлением в СТВ АЭС природных взвесей (сестона), результаты которого создают научно-методологическую основу для конструирования и эксплуатации устройств флотационной защиты. Разработана методика оценки эффективности метода флотационной защиты.

Практическая значимость диссертационной работы определяется возможностью использования ее результатов в качестве научно-методологической основы для:

- конструирования промышленных установок флотационной защиты от биопомех и оптимизации режима их эксплуатации;

- оценки экологической безопасности эксплуатации устройств флотационной защиты;

- проектирования систем технического водоснабжения энергетических и промышленных объектов;

- разработки профилактических и превентивных мероприятий, по снижению интенсивности образования в водоемах-охладителях природных взвесей, вызывающих биопомехи в работе СТВ АЭС;

разработки природоохранных нормативов и регламентов использования промышленных установок флотационной защиты СТВ АЭС от биопомех.

Обоснованность и достоверность результатов, полученных в работе, подтверждается данными натурных наблюдений и сопоставительным анализом результатов лабораторных экспериментов и натурных исследований в природно-технической системе.

Обоснованность и достоверность результатов, сформулированных в работе, подтверждается:

- достоверностью исходной информации для анализа, определяемой использованием выборки большого объема собственных данных натурных и лабораторных исследований;

— использованием апробированных и общепринятых методик измерений и статистических методов для обработки полученных результатов.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Природные взвеси при попадании с током воды в закрытую часть СТВ АЭС являются причиной возникновения комплекса биопомех и вызывают значимые трудности в эксплуатации оборудования, а при определенных условиях могут привести к возникновению аварийной ситуации.

2. При разработке методов флотационной защиты личинки дрейссены следует рассматривать как важнейшую составляющую биосестона, характеризующуюся системой параметров, которые необходимо учитывать при конструировании и эксплуатации устройств флотационной защиты.

3. Система флотационной защиты СТВ АЭС должна включать несколько барьеров, размещенных на входе в водоем-охладитель и на входе в закрытую часть СТВ, поскольку сестон может содержать как автохтонную, так и аллохтонную составляющую.

4. Флотационная защита является экологически более безопасным способом борьбы с дрейссеновыми биопомехами, по сравнению с применяющимися с этой же целью химическими, физическими и биологическими методами.

Апробация работы. Результаты работы докладывались на 11™, 12ш и 13™ Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов Московского энергетического института (Технического университета) (Москва, 2005, 2006 и 2007); на научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых "Молодые - наукам о Земле" Российского государственного геологоразведочного университета имени Серго Орджоникидзе (Москва, 2008).

Публикация. По теме диссертации опубликовано 9 работ, в том числе три статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Объем и структура работы. Диссертация изложена на 140 страницах машинописного текста и состоит из введения, шести глав, выводов, списка литературы. Диссертация включает 28 таблиц, 35 рисунков. Список литературы содержит 128 наименований работ, из них - 108 на русском языке.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дано обоснование актуальности выполненных исследований, сформулированы цель и задачи работы, а также ее рабочая гипотеза, показана научная новизна и практическая значимость полученных результатов, обозначена их достоверность.

В первой главе анализируются биологические помехи, возникающие в водоемах-охладителях АЭС и ТЭС.

Биологические помехи в СТВ АЭС можно разделить на три основные группы:

- биопомехи, возникающие при эксплуатации водоемов, откуда производится забор воды. Они выражаются в изменении так называемых "проектных характеристик водоема-охладителя" (площади зеркала, теплообмена на разделе фаз вода воздух и др.);

- биопомехи в системе водоводов технического водоснабжения;

- биопомехи, возникающие непосредственно в теплообменном оборудовании.

Механизм развития всех видов биопомех, так или иначе, связан с процессами, протекающими в водоеме-охладителе.

Дрейссеновые биопомехи имеют особое значение при эксплуатации СТВ. Существует два основных механизма образования биопомех, связанных с дрейссеной, которые вызывают затруднения при эксплуатации СТВ. Во-первых, это обрастание живыми моллюсками водоводов и различного оборудования. Во-

вторых, это образование так называемых «влекомых наносов», образующихся из фрагментов раковин отмерших моллюсков («ракуши»), С потоком воды эти наносы поступают в водоводы и аккумулируются в узлах СТВ и других видах оборудования, в том числе и там, где условия не позволяют развиваться живым моллюскам. Микроскопические личинки дрейссены способны оседать на поверхность подводных предметов на нескольких стадиях развития, которые обозначают терминами велнгер (размер от 50-60 до 110 мкм) и велнконх (размер до 225-300 мкм). Наличие личинок дрейссены в планктоне (и, соответственно, период их оседания на поверхности конструкций и сооружений) приурочено к теплому времени года. Личинки дрейссены встречаются на разных глубинах, но наибольшая их численность отмечена в поверхностных слоях. Наиболее перспективным способом борьбы с дрейссеновым обрастанием гипотетически является не уничтожение уже прикрепившихся моллюсков, а их недопущение до защищаемого оборудования. Именно такой механизм и предполагает развитие флотационной защиты.

Выделяют четыре основных группы борьбы с дрейссеновыми биопомехами: механические, физические, химические и биологические, между которыми существуют комбинированные подходы.

Сопоставляя эффективность использования различных способов борьбы с дрейссеновыми биопомехами в СТВ АЭС, можно вкратце резюмировать: - Существенный эффект достигается при применении экологически небезопасных методов (например, использование биоцидов).

Достигнутый эффект носит кратковременный характер (например, требуется периодическая покраска противообрастающими покрытиями, механическая чистка).

Методы направлены только на один из видов дрейссеновых биопомех (например, окраска водоводов большого диаметра противообрастающими покрытиями на СТВ Курской АЭС, не смогла предотвратить накопление влекомых наносов на фильтрах и в других технических узлах).

Флотационная защита лишена всех указанных недостатков, она основана на извлечении из толщи воды сестона, в состав которого входят личинки дрейссены. Эффект флотационной защиты носит превентивный и комплексный характер. В данном случае происходит не уничтожение нежелательных организмов или их остатков, а недопущение их проникновения внутрь технических устройств. Иными словами осуществляется борьба с причинами, а не с последствиями этих явлений.

Во второй главе рассмотрены объекты, материалы и методы исследования.

Основным фактическим материалом для работы послужили результаты натурных наблюдений и экспериментальных исследований, проведенных в 20062009 гг. на Курчатовском водохранилище, являющимся водоемом-охладителем Курской АЭС. Сбор материала по составу и сезонной динамике природных взвесей (сестона) осуществлялся в рамках программы многолетнего биолого-химического мониторинга Курчатовского водохранилища.

Отбор проб проводился во все сезоны года. В соответствии с унифицированной методикой исследования экологического состояния водоемов-охладителей, пробы отбирались в водных массах циркуляционного течения, периферических автохтонных и аллохтонных водных массах (рисунок 1).

При исследовании сестона впервые использовался дифференцированный метод визуального просчета частиц, позволяющий получить материалы, характеризующие все его основные фракции.

Испытания экспериментальных устройств флотационной защиты проводились в 2006-2008 гг. в двух различных частях акватории водоема-охладителя. Кроме того, был осуществлен комплекс исследований, проведенных в лаборатории экологических проблем энергетики Центра гидравлических исследований ОАО «НИИЭС».

Все материалы наблюдений и экспериментов были получены лично автором диссертационной работы, либо при его непосредственном участии в составе группы исследователей, участвовавших в проведении комплексного биолого-химического мониторинга водоема-охладителя Курской АЭС.

Рисунок 1. Схема водных масс водоема-охладителя Курской АЭС (цифрами обозначены номера постоянных станций отбора проб). ШШ. - водная масса циркуляционного течения; - периферические водные массы;

- аллохтонная водная масса источника подпитки

В третьей главе рассмотрен механизм развития дрейссеновых обрастаний в СТВ Курской АЭС и прогностическая оценка эффективности мер защиты.

Несмотря на существующее общее представление о формировании дрейссеновых обрастаний, описанное в многочисленных научных публикациях, системно этот процесс не рассматривался. Практически все исследования проводились эмпирическим путем, с целью изучения какого-то отдельного аспекта проблемы (например, рост биомассы моллюсков). Вместе с тем, для того, чтобы обосновано спланировать размещение и режим работы устройств флотационной защиты, а также спрогнозировать совместный эффект от комплекса мер по предотвращению биопомех в СТВ АЭС, необходимо было разработать общую схему, отражающую механизм данного процесса.

Выполненный системный анализ развития дрейссеновых биопомех производился посредством построения дерева событий (рисунок 2). В качестве полного конечного события рассматривалось обрастание дрейссеной напорного

бассейна. Подобный выбор был обусловлен тем, что именно обрастания напорного бассейна играют важнейшую роль, как в формировании влекомых наносов, так и в продуцировании личинок моллюсков, оседающих впоследствии в других частях СТВ АЭС. Данное конечное событие (О) может произойти при сочетании трех причин (событий): наличие личинок в напорном бассейне (А); прикрепление личинок в напорном бассейне (В); рост дрейссены (С). Вероятность наступления этих событий рассчитано по формулам (1-4).

Оценка вероятности наличия личинок дрейссены в напорном бассейне: РА=Н1-РА45'(1-РА4О'РА41-РА42)-РА4З-РА44)-(Н1-РАЗО-РАЗГРА32)РАЗЗ'РАЗ4- (1-(ИН1-РА гРА2)(Н1-РАз'РА4)))-РА1гРА18)))(НН1-РА5-РАб)-РА1з-(1-(1-РА7-РА8)))-РА2з)-(НН1-РА9-РА1о-РА14-(Н1-РА1ГРА12)))-РА29)) (1)

Оценка вероятности прикрепления личинок дрейссены в напорном бассейне:

РВ = (1 - РБ: ■ РЁ2 ■ РВ2) • (1 - РВ4 ■ РБ3 ■ РВ4) (2)

Оценка вероятности роста дрейссены: РС = (1 - РСг ■ РС2 • РС2) • (1 - РС« • РС3 • РС4) • РС„ - РС7 • РС3 • РС* (3)

Оценка вероятности обрастания напорного бассейна дрейссеной: РО=РА-РВРС, (4)

где РА„ РВ|, РС] оценка вероятности исходных ¡-событий (в соответствии с рисунком 2).

На основе приведенных соотношений разработана программа расчета интенсивности обрастания напорного бассейна для разных способов защиты, учитывающая внутриводоемные процессы, гидротермический и гидрологический режимы, а также условие поступления личинок дрейссены в водоем и их прикрепление. Получено значения вероятностей развития дрейссены, позволяющие сделать вывод об эффективности флотационной защиты. В оптимальном варианте интенсивность обрастания может быть снижена в 10 раз с 0,62 до 0,06.

в планктон от дрейссены из р. Сойм

Температура

1Ау\ ШГ7 _

^ / ■ " I ■ -—— Л I Температура

садках

Хищники

Зашита

;сены

Рыбы

^ь» ,,одами

С,; ¡¡К! ЩИТКИ

Iводами илдгшткн

водами

10.1П1ПКИ

Техника

1ника

Гсхника

11типы

Наличие личинок в напорном бассейне

} ]ОС1 унленне личинок в планктон от тснесены из в.о.

№ ) од

¡еиссена в водоеме-оялалмтеле

I -..у дрсиесена н<

в , Прикрепление личинок напорном басмеейне

:.7; Поверхность

Обрастание напорного бассейна дреиссеиоп

НВИ&

,,...-» дрсиесена на

Рост дрейссены

Температура

заградительном дамбе

Защита

Рисунок 2. Дерево событий. Обрастания напорного бассейна дрейссеной

В четвертой главе произведены исследования состава и механизмов формирования сестона в водоеме-охладителе Курской АЭС. Анализируя соотношения живых и неживых частиц сестона, позволяет заключить, что подавляющую часть аллохтонной взвеси, поступающую в водоем-охладитель при его подпитке из р. Сейм, составляет абиосестон (рисунок 3).

крупноразмер ная фракция

бактериоплан

фитопланктон

мелкоразмерн ая фракция

зоопланктон

Рисунок 3. Фракционный состав сестона, поступающий в водоем-охладитель с водами р. Сейм

Однако присутствие личинок организмов-обрастателей в составе сестона играет особую роль. Поскольку двустворчатый моллюск дрейссена вызывает основные биопомехи на водоеме-охладителе Курской АЭС было исследовано его пространственное распределение в вегетационный период 2009 года, представленное па рисунке 4, построенное в программе АгсУ1е\у.

Устройства флотационной защиты могут формировать два «барьера»: на входе в водоем-охладитель (в районе подкачки вод из р.Сейм) и на входе в закрытую часть СТВ АЭС (в подводящем канале). Эти участки можно обозначить соответственно как «барьер №1» и «барьер №2».

Барьер 1. Поступление аллохтонного сестона из р.Сейм при подкачке вод в СТВ АЭС (водоем-охладитель). Динамика сестона на этом участке достаточно характерна для рек умеренной зоны. Иными словами, она определяется природными факторами. Влияние техногенных факторов в период исследования

носило второстепенный характер и в динамике процессов формирования сестона не проявлялось. Вместе с тем, следует отметить, что при других условиях такие факторы, как взмучивание вод, обусловленное дноуглубительными работами; сброс в реку большого количества вод, загрязненных различными взвесями, и пр. могут оказать значимое влияние.

Рисунок 4. Распределение биомассы дрейссены по водоему-охладителю Курской АЭС

На диаграмме, представленной на рисунке 5, можно выделить несколько пиков. Первый из них приходится на весну и обусловлен терригенным смывом в период снеготаяния, а также размывом донных отложений в период весеннего половодья. Этот пик был хорошо выражен в 2007 г. и в 2009 г. Его отсутствие в другие годы связано с тем, что отбор проб производился либо до, либо после периода половодья. Второй пик - осенний - был достаточно отчетливо выражен во все годы наших наблюдений. Он, главным образом, связан с отмиранием водной растительности и, отчасти, с осенними паводковыми явлениями. Иногда (например, в 2006 г.) относительно высокое содержание сестона в р.Сейм отмечалось и в летний период. Как правило, причиной этого являлись обильные осадки.

г/м2

] 100 -200 ] 200 - 300 ] 300 - 400 | 400 - 500 | 500 - 600 | 600 - 700 | 700 -800 | 800 - 900 900 - 1000

lili

¡яолга'ЯО-ая!

SH-SSfc^S

cü о 12 О

2006 год 2007 год 2008 год

год, сезон

0 бносестон я абпосестон

Рисунок 5. Динамика сестона, поступающего в водоем-охладитель с водами р.Сейм

Барьер 2. Поступление сестона из водоема-охладителя в закрытую часть СТВ АЭС (водоем-охладитель). В отличие от р.Сейм, сезонная динамика сестона на этом участке (точнее в водной массе циркуляционного течения) определяется совокупным воздействием как природных, так и техногенных факторов.

Пятая глава посвящена исследованиям возможности извлечения из воды сестона флотационным методом.

Лабораторные испытания проводились с целью изучения возможности применения и выбора оптимальных параметров флотационной установки при борьбе с биопомехами в системах технического водоснабжения атомных электростанций.

Лабораторные эксперименты проводились с помощью специально разработанной установки (её устройство показано на рисунке 6) на живых тест объектах - дафниях, одноклеточных водорослях и с бентонитовым песком различной крупности. Целью экспериментов являлось нахождение оптимального режима установки, при котором будет максимальное извлечение сестона.

Содержание сестона в воде до и после оптической плотности пробы на КФК-3

флотационного процесса определялось по

1 - компрессор со сжатым воздухом;

2 - редуктор;

3 - камера насыщения;

4 - барботер; 5,5',5" - вентили;

6,6',6" - манометры; 7 — флотационная камера; В - аэратор.

Рисунок 6. Схема лабораторной установки

Натурные исследования. На первом этапе определялась принципиальная возможность поднятия из толщи воды личинок дрейссены методом флотации. В водоем-охладитель в районе рыбозаградительной дамбы на дно опускался аэратор. На аэратор подавался сжатый воздух от компрессора через резиновый шланг под давлением Затм. Воздух, проходя через аэратор, дробился на микропузырьки. К микропузырькам воздуха при поднятии на поверхность прекреплялись частицы сестона, в том числе личинки дрейссены. В ходе эксперимента подтвердилась возможность использования флотационной установки для извлечения личинок дрейссены из воды.

На втором этапе определялась степень извлечения из воды средне- и крупноразмерного сестона. Испытания проводились на опытном флотационном устройстве, которое представлено на рисунке 7. Процент извлечения сестона на опытном устройстве соответствует результатам, полученным на модельной лабораторной установке (таблица 2).

Рисунок 7. Опытное флотационное устройство на водоеме-охладителе: 1 - компрессор; 2 — аэратор; 3 - отсекатель пены; 4 - понтон; А,Б - отбор робы до и после флотационного устройства

Таблица 2. Сравнение результатов натурные исследования и лабораторных экспериментов.______

опытное устройство модельная установка

Номер Р, Оптическая Оптическая Оптическая Оптическая

опыта атм. плотность, плотность, плотность, плотность,

"до" А "после" Б "до" А "после" Б

1 3 0,0670 0,0446 0,0670 0,0382

2 3 0,0620 0,0334 0,0620 0,0295

3 3 0,0610 0,0213 0,0610 0,0207

4 3 0,0680 0,0367 0,0680 0,0326

5 3 0,0610 0,0315 0,0610 0,0287

6 4 0,0590 0,0339 0,0590 0,0354

7 4 0,0680 0,0224 0,0680 0,0165

8 4 0,0610 0,0208 0,0610 0,0225

9 4 0,0630 0,0169 0,0630 0,0251

10 4 0,0660 0,0295 0,0660 0,0251

На третьем этапе определялась оптимальная длина аэратора и оптимальное время пребывания сестона в активной зоне опытного флотационного устройства. Эксперименты проводились на опытном устройстве, которое располагалось в канале перед береговой насосной станцией №3 (БНС№3). Схема устройства представлена на рисунке 8. Исследования показали, что флотационное устройство

целесообразно размещать по всей ширине канала, а длину аэратора следует принимать не менее 10м (таблица 2).

берег

направление Течения

1 <1 «г .3 «4 «5 ЙШЯШЙШНМН

•6 .7

Ом 25м 5м 7.5м 10м 12.5м 15м

берег

©г

о к

Компрессор

Рисунок 8. Схема расположения в канале перед БНС№3 экспериментальной установки. Точки отбора проб воды:0 - интегральная проба, 1-7 - поверхностные пробы

Таблица 2. Извлечение сестона в зависимости от длины аэратора

длина аэратора, м 0 2.5 5 7.5 10 12.5 15

точки отбора проб 1 2 3 4 5 6 7

Первая се рия опытов

удельная масса сестона, мг/л 0,21 0,66 1,26 1,81 2,47 2,45 2,51

0,15 0,61 1,18 1,86 2,25 2,29 2,35

0,18 0,68 1,30 1,69 2.41 2,52 2,58

Вторая серия опытов

удельная масса сестона, мг/л 0,20 0,67 1,22 1,70 2,59 2,47 2,46

0,14 0,57 1,19 1,92 2,16 2,38 2,19

0,17 0,70 1,25 1,61 2,36 2,44 2,66

Третья сер шя опытов

удельная масса сестона, мг/л 0,22 0,63 1,18 1,76 2,59 2,40 2,54

0,16 0,60 1,22 1,88 2,16 2,13 2,44

0,19 0,65 1,24 1,62 2,36 2,60 2,50

В шестой главе приводится оценка эффективности флотационной защиты системы технического водоснабжения атомных станций.

Результаты проведенных экспериментов (глава V) позволяют определить оптимальный вариант конструкции системы флотационной защиты из предложенных трех типов флотационных установок и двух вариантов её

размещения, которые в предшествующих главах мы рассматривали в качестве «барьеров» №1 и №2 (таблица 3).

Таблица 3. Варианты системы флотационной защиты

Размещение Типы флотационных установок

Пневматическая ФУ с трубчатым аэратором Напорная ФУ Пневматическая ФУ с мембранным круглым аэратором Пневматическая ФУ с мембранным трубчатым аэратором

БНС-3 Вариант 0 Вариант 1а Вариант 16 Вариант 1в

Водозабор АЭС - Вариант 2 - -

Испытания позволяют сделать вывод, что располагать флотационные установки для более эффективной зашиты от личинок дрейссены следует перед БНС№3 со стороны р. Сейм и на водозаборном канале (барьер №2). При таком расположение установок и при их совместной работе будет наибольший эффект.

Более детально организация флотационной защиты на барьере №1 показана на рисунке 9. Барьер №1 работает с мая по сентябрь, барьер№2 работает с апреля по октябрь.

На рисунке 10 приведена схема организации флотационной зашиты в подводящем канале на барьере №2, принципиальное отличие которой является

сбор пены, содержащей сестон.

На основе обобщенного анализа материалов, сделан вывод о том, что флотационную защиту можно рассматривать как один из процессов, входящих в ириродно-техническую систему "водоем-охладитель - АЭС".

Сейм

1 - компрессор ЗАМБиШвМ 5000;

2 - аэратор;

3 - пеносборник;

4 - наклонная плоскость для возвращения пены в р. Сейм.

шжт.

ВНСЛаЗ

водоем- охладитель

Рисунок 9. Схема флотационной установки на БНС№3 (пневматическая флотация) барьер № I

Г Йсоем' 4

Распределительная подстанция

■ а 1 1 ( 1 1 Л

| 20

Г4 : . ч

Х- \.....1 \ ;

\ \ ч \т—

\ ^ V

1 - компрессор БАМБШОЗМ 9000

2 - напорные резервуары

3 — насос

4 - аэратор

5 - пеносборник

6 - шламохранилшце

Рисунок 10. Схема флотационной установки на водозаборе, барьер №2

Использование флотационной установки на канале перед БНС№3 (барьер №1) обеспечит:

значительное уменьшение на 60% количества личинок дрейссены, поступающих в водоем-охладитель АЭС;

снижение эксплуатационных затрат по сравнению с затратами, которые направленны на борьбу с дрейссеной в настоящее время; сохранение биоразнообразия р.Сейм.

При использование флотационной установки на водозаборном канале (барьер №2) обеспечивается:

уменьшение количества личинок дрейссены на 50%, которые с током воды поступают в напорный бассейн АЭС;

- образование большого количества шлама, который необходимо складировать и, как следствие, снижение кормовой базы водоема.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Как показали результаты лабораторных и натурных исследований флотационные устройства могут обеспечить извлечение из воды до 60% от общей массы сестона и до 70% частиц средне- и крупноразмерной взвеси.

2. Режим работы устройств флотационной защиты должен разрабатываться исходя из состава и генезиса природных взвесей, обуславливающих наиболее значимые виды биопомех.

3. На основании результатов лабораторных и натурных экспериментов разработана методика оценки эффективности флотационной защиты СТВ АЭС.

4. В зависимости от условий (скорости течения, размеров, природы и содержания загрязняющих частиц) возможно применение методов как напорной, так и безнапорной флотации для зашиты систем технического водоснабжения от биологических помех.

5. Оптимальный эффект достигается при одновременном размещении устройств флотационной защиты на указанных барьерах при взаимосвязанной

корректировке режимов их работы. Таким образом, согласованная работа этих устройств позволяет создать регулируемую систему флотационной защиты СТВ АЭС.

6. На основе системного подхода исследованы экологические механизмы образования биопомех, обусловленных поступлением сестона в СТВ АЭС. Разработаны схема (дерево событий) и программа расчета вероятности развития дрейссены в напорном бассейне АЭС.

7. Масса аллохтонного сестона ежегодно поступающего в водоем-охладитель Курской АЭС достигает 100 т и более. Установлено, что подкачка вод, необходимая для обеспечения безопасной работы АЭС, является одним из основных источников загрязнения и эвтрофирования исследованного водного объекта.

8. Взвеси, вызывающие помехи в работе СТВ АЭС, по своему происхождению могут являться как автохтонными, так и аллохтонными. В соответствии с этим устройства флотационной защиты следует размещать в виде двух защитных барьеров: на входе в водоем-охладитель и на входе в закрытую часть СТВ АЭС.

9. Сестон, вызывающий значимые помехи в работе СТВ АЭС, формируется в определенные периоды года. С целью снижения энергозатрат в умеренной климатической зоне России работа флотационной защиты на барьере №1 может быть ограничена отрезком времени от весеннего до осеннего половодий. На барьере №2 работа флотационной защиты может быть ограничена вегетационным периодом.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Минин Д.В., Флотационное подавление биопомех в системах технического водоснабжения электростанций // Двенадцатая Междунар. науч.-техн. конф. Студентов и аспирантов: Тез. докл. В 3-х т. - М.: МЭИ, 2006. Т. 2 с.237-238.

2. Минин Д.В., Извлечение из воды частиц малой гидравлической крупности на модельной флотационной установке // Тринадцатая Междунар. науч.-техн. конф. Студентов и аспирантов: Тез. докл. В 3-х т. - М.: МЭИ, 2007. Т. 2 с.246-247.

3. Минин Д.В., Борьба с биопомехами в природно-техногенной системе «АЭС - водоем-охладитель» // Четырнадцатая Междунар. науч.-техн. конф. Студентов и аспирантов: Тез. докл. В 3-х т. - М.: МЭИ, 2008. Т. 2 с.217-218.

4. Суздалева АЛ., Попов A.B., Кучкина М.А. Минин Д.В., Фомин Д.В. Изменение химического состава воды и планктона при прохождении через систему технического водоснабжения АЭС. Безопасность энергетических сооружений. // Научно-технический и производственный сборник. Вып. 16. ОАО «НИИЭС». М.: 2007 с.201-215.

5. Суздалева А.Л., Попов A.B., Минин Д.В., Фомин Д.В. Экологический менеджмент водопользования как основа борьбы с биопомехами в системах техводоснабжения // VIII МЕЖДУНАРОДНАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ "НОВЫЕ ИДЕИ В НАУКЕ О ЗЕМЛЕ" РГГРУ, 2007г. Т:6 с.368-371.

6. Минин Д.В. Использование флотационного метода очистки воды для предотвращения попадания биопомех в технические агрегаты СТВ АЭС // VIII МЕЖДУНАРОДНАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ "Молодые - наукам о Земле" РГГРУ, 2008г. Т:6 с.365-366.

7. Минин Д.В., Фомин Д.В., Попов A.B. Эколого-мелиоративные эффекты в водоемах-охладителях электростанций. // Гидротехническое строительство, 2008 №10, с.56-60.

8. Минин Д.В., Экспериментальный метод определения эффективности флотационной очистки природных вод. // Научно-технический журнал Вестник МГСУ, 2009 №3, с. 136-139.

9. Минин Д.В., Суздалева А.Л. Использование флотационных устройств для экологической мелиорации городских водотоков. // Экология урбанизированных территорий, 2012 №1, с.167-175.

Лицензия ЛР № 020675 от 09.12.97 Московский государственный строительный университет

Подписано в печать 21.02.2012 Формат 60x84/16 Печать офсетная Объём 1,5 п. л. Тираж 100 Заказ 8

Отпечатано в Типографии МГСУ! 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, корпус 8 Качество печати соответствует качеству предоставленных оригиналов

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Минин, Дмитрий Вячеславович, Москва

61 12-5/3257

ОТКРЫТОЕ АКЦИОНЕРНОЕ ОБЩЕСТВО 'НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ

СООРУЖЕНИЙ" - На правах рукописи

МИНИН ДМИТРИЙ ВЯЧЕСЛАВОВИЧ

ФЛОТАЦИОННАЯ ЗАЩИТА СИСТЕМ ТЕХНИЧЕСКОГО ВОДОСНАБЖЕНИЯ АЭС ОТ БИОЛОГИЧЕСКИХ ПОМЕХ

25.00.36 - Геоэкология (в строительстве и ЖКХ)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор биологических наук А.Л.Суздалева

Москва 2012

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ....................................................................................................4

ГЛАВА I. БИОЛОГИЧЕСКИЕ ПОМЕХИ В ВОДОЕМАХ ОХЛАДИТЕЛЯХ АЭС И ТЭС.............................................................................11

1.1 Виды биологических помех и причины их возникновения................11

1.2 Биопомехи, обусловленные развитием дрейссены..............................16

1.2.1 Дрейссеновые обрастания................................................................16

1.2.2 Образование влекомых наносов.....................................................18

1.3 Способы борьбы с биопомехами, обусловленными развитием дрейссены...........................................................................................................19

1.3.1 Механические методы.......................................................................20

1.3.2 Химические методы...........................................................................23

1.3.3 Физические методы............................................................................25

1.3.4 Биологические методы......................................................................27

1.4 Потенциальные преимущества метода флотационной защиты.......30

ГЛАВА И. ОБЪЕКТЫ, МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЕ

2.1 Объекты и материалы.................................................................................32

2.2 Общая характеристика водоема охладителя Курской АЭС и обоснование выбора точек отбора проб.......................................................33

2.3 Методика исследования сестона...........................................................37

ГЛАВА III. МЕХАНИЗМ РАЗВИТИЯ ДРЕЙССЕНОВЫХ

ОБРАСТАНИЙ В СТВ КУРСКОЙ АЭС И ПРОГОНОСТИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ МЕР ЗАЩИТЫ..................................................................41

3.1 Построение дерева событий.....................................................................41

3.2 Программа расчета вероятности развития дрейссены в напорном бассейне.............................................................................................................48

ГЛАВА IV. ИССЛЕДОВАНИЕ СОСТАВА И МЕХАНИЗМОВ ФОРМИРОВАНИЯ СЕСТОНА В ВОДОЕМЕ-ОХЛАДИТЕЛЕ КУРСКОЙ АЭС.........................................................................................................................54

4.1 Фракционный состав и масса сестона..................................................54

4.2 Сезонная динамика сестона....................................................................71

4.3 Генезис частиц сестона............................................................................76

4.4 Численность личинок дрейссены и их сезонная динамика...............80

4.5 Оптимизация флотационной защиты на базе данных по составу,

сезонной динамике и генезису сестона......................................................82

ГЛАВА V. ИССЛЕДОВАНИЯ ВОЗМОЖНОСТИ ИЗВЛЕЧЕНИЯ ИЗ ВОДЫ СЕСТОНА ФЛОТАЦИОННЫМ МЕТОДОМ.......................................85

5.1 Общие требования к устройствам флотационной защиты................85

5.2 Лабораторные испытания.........................................................................86

5.2.1 Описание опытной установки.........................................................86

5.2.2 Результаты лабораторных испытаний............................................88

5.3 Натурные исследования...........................................................................95

ГЛАВА VI. ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ФЛОТАЦИОННОЙ

ЗАЩИТЫ СИСТЕМЫ ТЕХНИЧЕСКОГО ВОДОСНАБЖЕНИЯ АТОМНЫХ СТАНЦИЙ............................................................................................................107

6.1 Варианты системы флотационной защиты.........................................107

6.2 Расчет эффективности флотационной защиты при расположении установки перед БНС№3 (барьер № 1)..........................................................109

6.3 Расчет эффективности флотационной защиты при расположении установки на водозаборном канале АЭС (барьер №2)............................116

6.4 Рекомендации по установке флотационной системы на водоеме

охладителе.......................................................................................................124

ВЫВОДЫ...................................................................................................125

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ.................................127

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. На большинстве российских атомных электростанций (АЭС) используются оборотные системы технического водоснабжения (СТВ) с использованием специальных водоемов-охладителей (Фарфоровский, Фарфоровский, 1972; Маргулова, 1984; Гавриш и др., 1989). СТВ АЭС данного типа состоят из двух частей - закрытой и открытой, условия в которых принципиально отличны. Закрытая часть состоит из технических узлов и включает напорные бассейны, водоводы и теплообменное оборудование. Массовое развитие любых организмов в ней, также как и попадание в нее их отмерших частей, нежелательно и с эксплуатационной точки зрения рассматривается как возникновение биологических помех (биопомех), способных вызвать нарушение нормальной работы АЭС (Афанасьев 1991; 1995; Суздалева и др., 2004). Открытая часть СТВ - водоем-охладитель - является относительно крупным водным объектом многоцелевого пользования, экологическое и санитарно-эпидемиологическое состояние которого должно отвечать действующим природоохранным нормативам. По своему происхождению водоемы-охладители представляют собой либо искусственные водохранилища, либо модифицированные природные водоемы, морфология которых и гидрологический режим, изменены в целях обеспечения работы СТВ АЭС. Во всех случаях, в водоемах-охладителях формируется биоценозы, уровень биоразнообразия которых сравним с сообществами организмов, существующими в других водоемах водохранилищного и озерного типов.

Обе части СТВ функционально взаимозависимы. Техногенные факторы, обусловленные работой АЭС оказывают существенное влияние на формирование экосистемы водоема-охладителя, а внутри водоемные процессы влияют на условия эксплуатации теплообменного и иного оборудования (Протасов, 1991; Суздалева, 2002). Таким образом, природно-техническая система (ПТС) "АЭС - водоем-охладитель" для своего нормального функционирования требует постоянного экологического контроля и осуществления

инженерно-технических мероприятий, направленных на поддержание ее го-меостаза. Аналогичным образом формируются ПТС тепловых электростанций (ТЭС), в состав СТВ которых входят водоемы-охладители.

ПТС принято рассматривать с двух позиций. С одной стороны, выявляются ее свойства и связи, определяющие возможность создания тех или иных сооружений в данных природных условиях, влияющие на конкретное их размещение, конструктивные особенности и режим использования. С другой стороны, изучаются изменения, которые происходят в природной среде под воздействием техники.

Ориентировочный ущерб от биопомех на охлаждающих конденсаторных установках АЭС и ТЭС достигает 10% от их стоимости. При определенных условиях эти явления могут стать причиной аварийной ситуации (Горю-нова и др., 2002).

Одной из причин возникновения различных видов биопомех является поступление в закрытую часть СТВ формирующихся в водоемах-охладителях природных взвесей (Суздалева и др., 2004), в совокупности обозначаемых термином «сестон» (Константинов, 1986). В состав сестона входят как неживые частицы (абиосестон), так и микроскопические организмы постоянно или временно населяющие толщу воды (биосетон). В число последних входят личинки организмов-обрастателей, которые способны прикрепляться и жить на внутренней поверхности водоводов и технических узлов, контактирующих с водой. В континентальных водоемах умеренной зоны Европы и Америки организмом, создающим наибольшие трудности в эксплуатации СТВ является двустворчатый моллюск дрейссена Dreissena polymorpha Pallas. Так, по информации, размещенной на сайте www.usgs.gov, в США наибольшая плотность дрейссены (700'000 шт./м ) была зафиксирована в системе охлаждения электростанции в штате Мичиган. Диаметр трубопровода при этом был сокращен дрейссеной на 2/3 сечения. В среднем на защиту от биообрастаний 1 электростанции в США ежегодно расходуется 376'000 долларов, а для атомной станции - 822'000 долларов.

Важность эффективной борьбы с дрейссеновым обрастанием стала причиной проведения в различных странах многочисленных исследований по данной тематике (Харченко, 1995; Каратаев и др., 1994). Однако большинство предложенных решений не нашло применения на практике. Одной из основных трудностей является необходимость учета при борьбе с нежелательными организмами экологических последствий предпринимаемых мер (Раилкин, 1998; 2008). По этой в настоящее время многие эффективные методы химической защиты запрещены (например, купоросование водоемов, использование ртутьсодержащих противообрастающих покрытий и др.). Периодически поднимается вопрос о запрете и других использующихся методов борьбы с обрастанием. Все это обусловливает необходимость поиска новых подходов к решению проблемы. В качестве одного из них может рассматриваться флотационный метод защиты.

Использование флотации для отделения взвесей из дисперсных систем широко применяется в различных технологических процессах. Поскольку, именно поступление взвесей в СТВ является одной из основных причин возникновения биопомех (Суздалева и др., 2004), можно предположить, что этот же механизм может быть использован и в данной области. В этой связи, следует вспомнить о том, что готовые к оседанию на поверхность свободно плавающие личинки дрейссены (велигеры) также присутствуют в водной среде как взвесь. Если с помощью флотации эта фракция взвеси будет извлечена из воды, поступающей в СТВ, то обрастание внутри ее развиться не сможет.

Однако механическое копирование методов флотации, применяемых в настоящее время для разделения дисперсных сред в различных областях техники (горно-обогатительной промышленности, на станциях водоподготовки и др.), не может решить проблему. В отличие от взвесей, образующихся в ходе технологических процессов, природные водные взвеси весьма разнородны по своему составу и физико-химическим свойствам. Кроме того, их содержание в водных объектах закономерно изменяется во времени. По этой причине использование флотационных устройств для защиты от биообрастания может дать ощутимый эффект только в том случае, когда их конструкция и режим

работы, будут разрабатываться на основе изучения свойств, генезиса и динамики процессов формирования природных взвесей. Однако, несмотря на значительное количество работ, посвященных отдельным аспектам формирования сестона в водных объектах, специальных исследований, на основе которых можно было бы оценить возможности использования флотации для изъятия из воды природных взвесей, не осуществлялось. Имеющиеся материалы носят разрозненный и фрагментарный характер.

В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:

3. Системный анализ механизмов формирования дрейссеновых биопомех.

7. Разработка научно-методологических основ конструирования флотационных устройств.

8. Разработка проекта системы флотационной защиты СТВ АЭС. Оценка эффективности метода флотационной защиты.

Предмет исследования - флотационный метод защиты системы технического водоснабжения АЭС от биологических помех, обусловленных поступлением сестона и развитием дрейссены.

Рабочая гипотеза исходит из того, что природные взвеси (сестон), формирующиеся в водоеме-охладителе или поступающие в него из внешних источников, попадая с током воды в закрытую часть в СТВ АЭС, являются причиной образования комплекса биопомех. Особую значимость имеет проникновение в технические агрегаты свободноплавающей микроскопической личинки моллюска, входящей в состав природного сестона. Флотационная защита СТВ АЭС, является эффективной и экологически безопасной по сравнению с другими методами, применяемыми для борьбы с дрейссеной. Состав сестона весьма разнороден, принципиально отличается и роль отдельных видов частиц в формировании биопомех. По этой причине конструирование устройств флотационной защиты и оптимизация режима их работы должны осуществляться с учетом параметров, характеризующих природные взвеси.

- оценки экологической безопасности эксплуатации устройств флотационной защиты;

- проектирования систем технического водоснабжения энергетических и промышленных объектов;

- разработки природоохранных нормативов и регламентов использования промышленных установок флотационной защиты СТВ АЭС от биопомех.

Обоснованность и достоверность результатов, сформулированных в работе, подтверждается:

- использованием апробированных и общепринятых методик измерений и статистических методов для обработки полученных результатов.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Природные взвеси при попадании с током воды в закрытую часть СТВ АЭС являются причиной возникновения комплекса биопомех и вызы-

вают значимые трудности в эксплуатации оборудования, а при определенных условиях могут привести к возникновению аварийной ситуации.

Апробация работы. Результаты работы докладывались на 11ш, 12— и 1 Зш Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов Московского энергетического института (Технического университета) (Москва, 2005, 2006 и 2007); на научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых "Молодые - наукам о Земле" Российского государственного геологоразведочного университета имени Серго Орджоникидзе (Москва, 2008).

Объем и структура работы. Диссертация изложена на 140 страницах машинописного текста и состоит из введе�

Информация о работе

Минин, Дмитрий Вячеславович
кандидата технических наук
Москва, 2012
ВАК 25.00.36

Диссертация

Флотационная защита систем технического водоснабжения АЭС от биологических помех - тема диссертации по наукам о земле, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы