АЭРАТОРЫ
Поддержание концентрации кислорода в воде является одной из основных задач в ры-
боводстве. Дефицит кислорода в воде ощущается в трех случаях. Первый - дефицит ки-
слорода в воде, поступающей из артезианских скважин, часто осложненный наличием в
воде двухвалентного железа в концентрациях, превышающих ПДК. Второй - дефицит ки-
слорода в бассейнах, возникающий вследствие потребления кислорода культивируемыми
рыбами и микроорганизмами. Третий - дефицит кислорода в открытых водоемах, возни-
кающий в ночное время вследствие потребления кислорода водными растениями, а также
в зимнее время, когда, ледяной покров препятствует диффузии кислорода из воздуха в во-
ду.
Один из способов насыщения воды кислородом - аэрация воды. Этот процесс осущест-
вляется при атмосферном давлении, поэтому предел насыщения определяется равновес-
ным насыщением (см. раздел "Качество воды"). Скорость перехода кислорода из воздуха
в воду описывается как скорость изменения концентрации кислорода в воде dC/dt. Ско-
рость перехода функционально зависит от площади контакта между водой и воздухом А,
объемом воды и разницей между равновесной концентрацией кислорода в воде и ее прак-
тическим значением (Ср - С)
dC A
–––– = KL × ( ––– ) × (Cp - C). /59/
dt v
Здесь KL - коэффициент переноса, зависящий от скорости диффузии кислорода через
жидкостную пленку. С ростом температуры диффузия протекает активней, поэтому зна-
чение КL возрастает на 1,56% на каждый градус повышения температуры.
Скорость насыщения воды кислородом возрастает с увеличением площади контакта
между водой и воздухом. А при спокойной поверхности воды насыщаются только верхние
слои воды. Нижние слои воды могут получить кислород только в результате диффузии.
Процесс диффузии кислорода в воде настолько незначителен, что без постоянного пере-
мешивания эффект насыщения нижних слоев незначителен. Совмещение двух процессов -
увеличение площади контакта и перемешивание воды дают требуемый эффект. Способы
выполнения этих процессов описываются ниже.
В соответствии с уравнением 59 скорость насыщения объема воды обратно пропорцио-
нальна объему. Чем больше объем воды (глубина воды), тем больше времени требуется
для насыщения нижних слоев. И, наоборот, чем тоньше слой воды контактирует с возду-
хом, тем быстрее насыщается кислородом весь объем воды.
Как отмечалось, предел насыщения воды кислородом за счет аэрации не превышает
значения равновесной концентрации. На практике редко добиваются 100% насыщения во-
ды, так как эффективность работы аэраторов резко падает при 90 - 95% насыщения.
На результаты аэрации влияют колебания атмосферного давления. Уровень равновес-
ного насыщения поднимается с ростом давления воздуха над поверхностью воды. Это
происходит в соответствии с законом Генри
Ср = к × Р, /60/
где Р - давление газа над жидкостью;
к - коэффициент пропорциональности, выражающий зависимость растворимости газа в
жидкости.
При подъеме давления воздуха над поверхностью воды увеличится не только равно-
весная концентрация кислорода, но также и атмосферного азота. Так как азот является
нейтральным газом, он не потребляется водными организмами и при понижение давления
155
выделяется из воды мелкими пузырьками. Это явление оказывает на рыбу губительное
воздействие уже при пресыщение воды азотом на 10 - 15% (азотная эмболия). В результа-
те колебания атмосферного давления азотная эмболия не наблюдается. Применение тех-
нических средств, обеспечивающих насыщение воды кислородом из сжатого воздуха, ог-
раничено по описанным выше причинам.
Вопрос аэрации в рыбоводстве всегда был актуальным, это и определило то многообра-
зие аэраторов, которые разработаны с использованием различных способов решения од-
ной задачи: создание развитой поверхности контакта между водой и воздухом при одно-
временном перемешивании воды. Классификация аэраторов приведена на рис.33.
КИНЕТИЧЕСКИЕ АЭРАТОРЫ находят применение там, где имеется возможность
создать перепад высот в течении воды. При подаче воды из артезианских скважин перепад
высот создается за счет насоса, который, как правило, подает воду в градирню, где она
распределяется любым из известных способов на мелкие струи и, стекая вниз, насыщается
кислородом воздуха. Эффект насыщения в градирне может быть повышен за счет устрой-
ства вертикальных плоскостей из инертного материала. В этом случае вода стекает по
плоскостям тонкой пленкой, в которой наблюдается турбулентное движение частиц, уси-
ливающее обменные процессы.
Устройство в градирне нескольких горизонтальных перфорированных полок на пути
падающих струй воды также усиливает эффект насыщения за счет перемешивания воды и
удлинения времени контакта воды и воздуха.
Движение воды с перепадом высот может быть организовано по наклонной плоскости,
например, по желобу со ступенчатым дном, усиливающим турбулентность движения во-
ды. Вариантом ступенчатого аэратора можно считать желоб с отверстиями в дне. В этом
случае часть воды проливается из отверстий вертикально.
Устройство на пути движущейся струи воды лопастного колеса или круглой щетки,
приводимых в движение струей воды, позволяет усилить эффект насыщения за счет раз-
брызгивания части воды.
Рис.33. Классификация аэраторов.
Кинетические аэраторы находят применение и в замкнутых по воде рыбоводных уста-
новках. Например, капельный биологический фильтр с плоской и объемной загрузкой
работает по принципу градирни, выполняя одновременно две задачи: очистку воды и на-
сыщение ее кислородом воздуха. В замкнутых рыбоводных установках с небольшой
плотностью посадки рыбы (2 - 10 кг/м3) используются кинетические аэраторы. Перепад
высот создается за счет циркуляционного насоса установки.
Кинетические аэраторы проектируются применительно к задачам конкретной рыбо-
водной установки, серийно их не изготавливают.
МЕХАНИЧЕСКИЕ АЭРАТОРЫ используются для аэрирования воды в прудах и бас-
сейнах с низкой плотностью содержания рыбы. Площадь контакта вода/воздух увеличива-
ется за счет разбрызгивания воды над поверхностью и перемешивания воды. Рабочим ор-
ганом механического аэратора служит колесо с лопастями или вращающиеся щетки, кото-
рые приводятся в движение каким-либо двигателем, чаще электродвигателем. Механиче-
157
ские аэраторы выпускаются промышленностью, например, механический аэратор с гори-
зонтальным барабаном «Ерш», пропеллерный аэратор "Винт".
Оба аэратора предназначены для водоемов площадью до 100 га, глубиной не менее 1 м.
Аэраторы устанавливаются на понтонах и оснащаются электродвигателями. Аэратор
"Ерш" оснащен двигателем мощностью 11 квт, имеет массу 1100 кг. Производительность
этого агрегата по кислороду составляет 12 кг О2/час при условии нулевой исходной кон-
центрации кислорода в воде. Удельная производительность агрегата 1,15 кгО2/квт.ч
Пропеллерный аэратор "Винт" имеет абсолютную производительность по кислороду
7,2 кг/час, удельную - 1,2 кгО2/квт.ч, массу 330 кг.
ПНЕВМАТИЧЕСКИЕ АЭРАТОРЫ. Широко используются в рыбоводстве, особенно
для аэрации воды в небольших рыбоводных установках и аквариумах, Принцип действия
пневматического аэратора заключается в распылении пузырьков воздуха в толще воды, за
счет чего создается развитая поверхность контакта вода/воздух и осуществляется переме-
шивание воды. Главная проблема пневматических аэраторов - создание мелких пузырьков
воздуха в воде. Использование фильтросных пластин и труб дает желаемый результат на
весьма непродолжительное время. Помещенные в технологическую воду рыбоводных ус-
тановок мелкопористые фильтросные камни, как и все, что находится в этой воде, обрас-
тают биологической пленкой, которая в конечном итоге наглухо закрывает выход сжатого
воздуха. Это обстоятельство ограничивает применение фильтросов в индустриальном ры-
боводстве.
Образование мелких пузырьков с помощью перфорированных труб применяется по-
всеместно. Отверстия в трубах выполняются диаметром 1 - 5мм, что позволяет избежать
зарастания отверстий, так как сжатый воздух срывает биопленку на краях. Перфориро-
ванные трубы укладываются в бассейны в качестве как штатных, так и аварийных аэрато-
ров. Аварийные аэраторы включаются только тогда, когда не справляется или выходит из
строя основной источник поставки кислорода. При создании эрлифтов, совмещающих
функции насоса и аэратора, используются только перфорированные трубы. Перфориро-
ванные трубы используются также для барботирования воздухом сыпучих плавающих за-
грузок биологических и механических фильтров и как элемент установок дегазации воды.
Для аэрации прудов площадью до 5 га и глубиной до 4 м разработан пневматический
аэратор "Лотос", в состав которого входит передвижной малогабаритный компрессор типа
СО-7А, приводимый в действие электродвигателем или двигателем внутреннего сгорания
мощностью 4 квт. Производительность компрессора до 500 л воздуха в мин. Компрессор
снабжается маслоуловителем, магистральным трубопроводом сжатого воздуха и набором
аэрационных блоков (6 шт. на компрессор) (рис.34). Аэрационный блок состоит из гибко-
го шланга для подачи воздуха 1, трубы диаметром 90 мм и длиной 1,5-2 м 2, в верхней
части трубы закреплен пенопластовый поплавок 3, в нижнем конце трубы закреплен рас-
пылитель воздуха 4, на выходе из трубы вверху устанавливается лопаточный завихритель
потока 5.
Эффект насыщения воды кислородом достигается следующим образом. Образующаяся
в трубе водовоздушная смесь движется вертикально вверх. Лопаточный завихритель по-
тока придает смеси вращательное движение, благодаря которому поток разбрызгивается
на капли. Эффект использования сжатого воздуха усиливается за счет контактирования
капель воды с атмосферным воздухом.
Производительность одного эрлифта по воде достигает 500 л/мин или 30 м3/час. Пло-
щадь наиболее эффективной работы комплекта из 6 эрлифтов - 1,5 га пруда. Устройство
типа "Лотос" надежно защищает пруд от летних ночных заморов. Возможно использова-
ние устройства в зимнее время путем установки в проруби достаточного размера.
Рис.34. Устройство эрлифта «Лотос»: 1 - шланг для воздуха; 2 - труба; 3 - поплавок; 4 -
распылитель воздуха; 5 - лопаточный завихритель потока.
ГИДРОМЕХАНИЧЕСКИЕ АЭРАТОРЫ работают с образованием потока жидкости, в
который засасывается или подается под давлением атмосферный воздух. Наиболее харак-
терной деталью гидромеханических аэраторов является эжектор (рис.35). Эжектор состо-
ит из патрубка подачи воды под давлением 1, сопла 2, патрубка для подачи воздуха 3, ка-
меры смешения 4.
Поток воды, сжимаемый соплом, расширяется в камере смешения с образованием зоны
пониженного давления. Благодаря пониженному давлению в камеру смешения подсасы-
вается воздух (или подается под давлением), который смешивается с водой. В зоне сме-
шивания создается сильная турбулентность, благодаря которой происходит мгновенное
поглощение кислорода.
Рис.35. Эжектор: 1 - патрубок для воды; 2 - сопло; 3 - патрубок для воздуха;
4 - камера смешения.
159
Серийный аэратор "Стрела-4" создан с использованием принципа эжекции. В этом
аэраторе насосом 2К6 создается напор от 25 до 34,5 м при расходе воды 10 - 30 м3/час.
Мощность электродвигателя 4 кВт. Все оборудование крепится на понтоне и имеет массу
360 кг.
Более мощная установка, обслуживающая значительные водные объекты - "Стрела-66",
имеет мощность двигателя 66 кВт, устанавливается на катамаран и имеет производитель-
ность по воде 108 - 504 м3/час, по воздуху 100 - 500 м3/час. Масса установки 4100 кг.
Для аэрации небольших прудов и бассейнов с низкой плотностью содержания рыбы
применяется кавитационный гидромеханический аэратор С-16 (рис.36). Рабочим органом
аэратора служит ротор 1, на котором по периферии выполнены зубья в форме прямо-
угольного треугольника с соотношением катетов 1:2. Длинная кромка зуба вы-
полнена с прогибом по толщине. Воздух подводится к ротору по кожуху 2. Ротор насажен
на вал 3, приводимый во вращательное движение электродвигателем 4.
При вращении периферии ротора со скоростью 12 - 20 м/сек в основании каждого
зуба ротора создается вакуум, в результате чего в воду подсасывается воздух. В связи с
высокой скоростью вращения ротора на концах его зубьев происходит кавитация, то есть
образование в воде пульсирующих пузырьков, которые обогащают воду кислородом.
Производительность аэратора С-16 по кислороду, при нулевом его содержании в исход-
ной воде и температуре +0,2 оС, составляет 1,9 кг/час. Установленная мощность двигателя
4 кВт. Масса аэратора 100 кг. Глубина погружения ротора не более 1 м, аэратор С-16
предназначен для крепления на бортах бассейнов и лотков. При использовании аэратора
С-16 в прудах, его устанавливают на понтонах (аэрационная установка ИФВ).
ПНЕВМОГИДРАВЛИЧЕСКИЙ U-ОБРАЗНЫЙ АЭРАТОР представляет собой уст-
ройство, повышающее эффективность аэрации с помощью сжатого воздуха. Схема работы
U-образного аэратора представлена на рис.37. Аэратор представляет собой U-образную
трубу, через которую протекает вода. На входном конце трубы размещается диффузор,
через который распыляется сжатый воздух. Расход воды по трубе регулируется таким об-
разом, чтобы она была выше скорости подъема пузырьков в стоячей воде. Вода увлекает
пузырьки воздуха, удлиняя их путь в воде и, соответственно, эффективность использова-
ния сжатого воздуха.
Опасность использования аэратора такого типа заключается в том, что с увеличением
глубины трубы увеличивается пересыщение воды азотом воздуха, так как давление в
нижней части трубы значительно отличается от атмосферного. В отечественной практике
использование U-образных аэраторов неизвестно.
Оксигенаторы - приборы для пересыщения воды техническим кислородом. Если по-
пытки получить пересыщение воды кислородом при использовании сжатого воздуха ве-
дут к опасному пересыщению воды азотом, то использование чистого кислорода позволя-
ет выполнить эту задачу без ущерба для рыбы. Чтобы представить процессы, происходя-
щие в оксигенаторе, необходимо вспомнить закон Генри-Дальтона: "каждый газ растворя-
ется в жидкости пропорционально его парциальному давлению в смеси газов"
C = К × Р × р, /61/
где С - концентрация газа в жидкости;
К - коэффициент пропорциональности, выражающий способность газа растворяться в
жидкости;
Р - давление газа над жидкостью;
р - парциальное давление данного газа в смеси.
Рис.36. Устройство аэратора «С-16»: 1 - ротор с зубцами; 2 - кожух; 3 - вал;
4 - электродвигатель.
Рис.37. Схема U-образного аэратора.
