В гравитационных аэраторах используется энергия, высвобождающаяся при падении воды с высоты для увеличения поверхности контакта воды с воздухом, что приводит к увеличению в ней содержания кислорода. В природных водотоках течение обеспечивает перемешивание, что увеличивает растворение кислорода. Водопады — очень эффективные природные аэраторы. При падении с высоты вода разбивается на мелкие брызги, что увеличивает площадь поверхностного слоя на несколько порядков. Пороги — еще один распространенный вид природных аэраторов. В данном случае возникает механическое перемешивание и увеличивается турбулентность в результате того, что быстротекущая вода наталкивается на препятствия. Поскольку на этих препятствиях возникает очень сильная турбулентность, то и скорость перехода кислорода в воду высока.
Гравитационные аэраторы, созданные человеком, во многом повторяют природные водотоки. Классическим примером являются плотины. Вода, проходящая через турбину или переливающаяся через плотину, обладает огромной кинетической энергией у ее основания. Эта энергия обычно расходуется на турбулентное перемешивание, что приводит к усилению аэрации. Рыбоходы, хотя и предназначены для других целей, также являются эффективными аэраторами. Хотя основное назначение рыбохода — пропуск рыбы через плотину, конструкция его сходна с конструкцией каскадного аэратора.
Несмотря на то что большинство мероприятий, осуществляемых человеком для улучшения водных систем, усиливает аэрацию, эффект аэрации наблюдается не всегда. Спрямление рек и их углубление снижают турбулентность, что ведет к уменьшению их аэрации. Это только один пример, но он указывает на необходимость учета влияния строительства гидротехнических сооружений на аэрацию.
Гравитационные аэраторы широко используются в различных системах для культивирования водных организмов, поскольку они сравнительно недороги и их легко сделать. Независимо от конструкции аэраторов, эффективность их работы зависит от их способности увеличивать отношение площади поверхности к общему объему воды и турбулентность. Поскольку уровень воды в системах для культивирования часто регулируется высотой стенки, то вода, перемешиваясь и проходя через водосливный порог, аэрируется. На рис. 15.2 показан канал, разделенный на четыре секции: А, В, С и D. Уровень воды в каждой секции регулируют водосливные пороги, установленные на выходе из каждой секции. Миниатюрные водопады, образующиеся между секциями при падении воды через водосливный порог, аэрируют воду.
Чеснесс и Стефенс (1971) описали семь типов гравитационных устройств для аэрации, используемых в каналах: водослив со столиком для разбрызгивания воды (рис. 15.3), водослив с лопастным колесом (рис. 15.4), водослив с вращающейся щеткой (рис. 15.5), наклонная рифленая плоскость без отверстий (рис. 15.6), наклонная рифленая плоскость с отверстиями (рис. 15.7), решетчатый аэратор (рис. 15.8), ступенчатый с перфорированными выступами (рис. 15.9).
Для определения коэффициента полезного действия и механической эффективности для каждого типа аэратора были предложены следующие уравнения (Chesness and Stephens, 1971):
где E — КПД аэрации, %; Ca — концентрация кислорода до аэратора, мг/л; Cb — концентрация кислорода после аэратора, мг/л; Cs — насыщающая концентрация кислорода при данной температуре, мг/л; ME — механическая эффективность, кг O₂/(кВт·ч); Q — расход воды, л/с: γ — удельный вес воды, Н/м³; h — высота падения воды, м; e — эффективность работы насоса в десятичных долях.
В экспериментах Чеснесса и Стефенса (1971) расход воды составлял 0,8 — 3,2 л/с, а перепад высоты — 0,3 или 0,6 м. Осреднен-ные параметры, которые брали для исследований эти авторы, представлены в табл. 15.1. Из таблицы видно, что эффективность аэрации возрастает с увеличением перепада высоты, а механическая эффективность насыщения кислородом уменьшается. Это происходит из-за снижения градиента концентрации кислорода по мере увеличения высоты падения воды. Во время падения с высоты 0,3 м градиент концентрации кислорода в воде приближается к С.s, перед опытом воду в специальном резервуаре обескислороживали химическим путем. При увеличении высоты падения еще на 0,3 м градиент концентрации кислорода снижается на то количество кислорода, которое перешло в воду на первых 0,3 м. Таким образом, эффективность аэрации на единицу перепада высоты уменьшается по мере увеличения высоты падения, поскольку градиент концентрации уменьшается на каждую следующую единицу падения высоты. Это в свою очередь снижает механическую эффективность насыщения кислородом, так как во втором случае расходуется такое же количество энергии, как и при падении воды с 0,3 м, а поглощение кислорода меньше. То же самое наблюдается при дальнейшем увеличении высоты падения воды.
Ступенчатый аэратор наиболее эффективен при перепаде высоты, равном 0,3 м, а наклонная рифленая поверхность без отверстий имеет наибольшую механическую эффективность насыщения кислородом. При перепаде высоты лестничного аэратора 0,6 м эффективность аэрации и механическая эффективность насыщения кислородом наибольшие. С точки зрения эффективности аэрации и коэффициента полезного действия ступенчатый аэратор — наилучший из всех аэраторов, но построить его труднее, чем ступенчатый с перфорированными выступами. В некоторых случаях простота сооружения может оказаться главным доводом в пользу ступенчатого аэратора с перфорированными выступами, несмотря на небольшие потери в эффективности аэрации и КПД.
Страсбург (Strasburg, 1964) изучал эффективность лоткового аэратора каскадного типа (рис. 15.10). Соленую воду с концентрацией кислорода 0,17—0,69 мг/л (обычно 0,17—0,20 мг/л) из источника подавали насосом в аэратор. Содержание кислорода (в процентах насыщения) на выходе непрерывно регистрировали и строили график его зависимости от расстояния между лотками и числом лотков в аэраторе (рис. 15.11 и 15.12). Несмотря на то что на рис. 15.11 не показаны кривые, полученные для лотков с 9-го по 15-й, они расположены между кривыми для лотков с 8-го по 16-й. При данном расстоянии между лотками насыщенность кислородом с увеличением числа лотков возрастает, но скорость увеличения насыщения кислородом уменьшается. При данном числе лотков с увеличением расстояния между ними насыщение кислородом увеличивается, но скорость этого процесса уменьшается. Уменьшение скорости насыщения кислородом происходит из-за логарифмической формы кривой роста концентрации кислорода при приближении к полному насыщению.
На рис. 15.12 показана высота аэратора, необходимая при различном расстоянии между лотками, для достижения требуемого насыщения. Для данной высоты аэратора с увеличением расстояния между лотками насыщение кислородом увеличивается в пределах 70—75% насыщения. Таким образом, в пределах допустимой высоты аэратора желательно располагать лотки на большем расстоянии друг от друга и увеличивать их число. Обычно расстояние между лотками составляет 10—25 см, а их число — от 4 до 10 в зависимости от требуемого насыщения воды кислородом.
Теббутт (Tebbutt, 1972) также изучал каскадные аэраторы. В установке, с которой он работал, несколько ступеней были соединены в серию таким образом, что угол наклона всей системы к горизонту составлял 45—36°. Он также изучал гладкую поверхность, расположенную под углом 45° к горизонту. Насыщение кислородом воды, падающей по гладкой поверхности, составляло всего 44% ПРИ расходе 48 м³ на 1 м длины порога в день [в м³/(м·день)], а общий перепад высот составлял 1750 м. При сходных условиях опыта достигалось 36%-ное насыщение при расходе 132 м³/м в день или 19%-ное насыщение при расходе 576 м³/м в день. Температура воды в опытах была 15°C.
Теббутт (1972) сообщает о результатах экспериментов, проведенных со ступенчатым аэратором (высота ступени 50 мм) при общем угле наклона аэратора к горизонту 36°. При общем перепаде высот 1250 м и температуре воды 9°C 68%-ное насыщение достигалось при расходе 24 м³/м в день. В тех же условиях при расходах 48,84 и 132 м³/м в день насыщение составляло 54%. Когда перепад высот на одной ступени был увеличен до 73 мм, а общий наклон установки до 45°, были получены следующие величины насыщения: 65% при расходе 24 м³/м в день, 58 % при 84 м³/м вдень, 60 % при 132 м³/м в день, 58% — при 288 м³/м в день, 53 % при расходе 576 м³/м в день, 31% насыщения при 1152 м³/м в день.
Таким образом, было показано, что для каскадных аэраторов увеличение расходов вызывает уменьшение эффективности аэрации. Это объясняется тем, что при фиксированной величине порога увеличение расхода приводит к уменьшению площади поверхности, приходящейся на единицу объема воды. Было показано, что в определенном диапазоне расходов эффективность аэрации изменяется незначительно. При увеличении высоты ступени с 50 до 73 мм насыщение изменяется незначительно. Таким образом, общая высота падения воды в аэраторе оказывает существенное влияние на эффективность аэрации.
где Cb — насыщение кислорода на последней ступени аэратора, %; h — общая высота падения воды в аэраторе, мм; а и b — константы.
Константа а зависит от первоначальной концентрации кислорода в верхней части каскадного аэратора, b — от расхода и других параметров.
Теббутт (1972) пришел к выводу, что каскадный аэратор позволял добиться максимального насыщения воды кислородом при заданном перепаде высот и расходе воды. Он также отметил, что увеличение расходов воды снижает насыщенность воды кислородом на нижней ступени аэратора.
Преимуществом гравитационных аэраторов является то, что в качестве энергии используется сила тяжести. Однако это справедливо только в тех случаях, когда источник воды расположен выше водоема. Если источник водоснабжения расположен ниже водоема, то воду приходится поднимать на определенную высоту насосами и лишь затем использовать гравитационный аэратор. Затраты на перекачивание необходимо включать в общую стоимость системы.
Если перепад высот составляет менее 10 м, пересыщение кислородом воды при работе гравитационных аэраторов наблюдается очень редко. Если оно все же происходит, то обмен с атмосферой быстро сводит его на нет. Пересыщение воды, вызываемое некоторыми другими аэраторами, может вызывать газопузырьковую болезнь у гидробионтов.