WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

 

На правах рукописи

КОРШЕВА  АНАСТАСИЯ  СТАНИСЛАВОВНА

       

CОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ВАКУУМ-ЭЖЕКЦИОННОГО МЕТОДА ДЛЯ ОБЕЗЗАРАЖИВАНИЯ ЗАГРЯЗНЁННЫХ ЯЙЦАМИ ГЕЛЬМИНТОВ  СТОЧНЫХ ВОД

05.23.04 –водоснабжение, канализация, строительные системы

охраны водных ресурсов

 

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени

кандидата технических наук

Новочеркасск 2012

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Белгородский  государственный технологический университет им. В.Г. Шухова»

Научный руководитель  - доктор технических наук, профессор

  Минко Всеволод Афанасьевич.

 

Официальные  оппоненты:  Серпокрылов Николай Сергеевич,

доктор технических наук,  профессор,

ФГБОУ ВПО  «Ростовский государственный  строительный университет», кафедра «Водоснабжение и водоотведение», профессор;

Линевич  Сергей Николаевич,

доктор  технических  наук, профессор

Южно-российский государственный  технический университет (НПИ), кафедра  «Водного хозяйства предприятий  и населенных мест», профессор.

Ведущая организация  - ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный архитектурно-строительный университет»

Защита состоится «30» марта 2012г. в 1400 часов на заседании диссертационного совета ДМ 220.049.02 в ФГБОУ ВПО «Новочеркасская государственная мелиоративная академия» по адресу 346428, г. Новочеркасск, Ростовская область, ул. Пушкинская, 111, НГМА, ауд.339 (код 8635 факс 22-44-59).

С диссертацией можно ознакомиться в  научном отделе библиотеки Новочеркасской государственной мелиоративной академии.

       

Автореферат разослан «29» февраля 2012г.

Учёный  секретарь

диссертационного совета Лапшенкова С.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. С ростом и развитием городов, предприятий АПК увеличиваются расходы концентрированных по патогенным микроорганизмам сточных вод, которые представляют собой опасность загрязнения почвы, подземных и поверхностных вод,  в частности  яйцами  гельминтов. Наиболее опасными  с точки зрения обсемененности яйцами гельминтов  являются сточные воды свиноводческих  комплексов.

В последнее время в РФ широкое распространение получили  различные отраслевые программы по развитию АПК, в частности 2005 года действует  областная целевая программа «Развитие свиноводства в Белгородской области». В связи с этим  реконструируются старые и строятся новые свиноводческие хозяйства. Однако наряду с увеличением мощностей свиноводческих комплексов возрастает и количество навозосодержащих сточных вод. Согласно данным, указанным в «Программе по производству, переработке, транспортировке и внесению в почву отходов жизнедеятельности крупного рогатого скота, птицы и свиней как органических удобрений на 2008-2012 годы», в  Белгородской  области  на 2010 год сброс свиноводческих  стоков с комплексов и ферм составлял более 4124 тыс.м3  в год, а к 2012 году увеличится до 4659 тыс.м3 в год. Чтобы избежать загрязнения окружающей среды и обеспечить санитарно-гигиеническую и эпидемиологическую безопасность, сточные воды необходимо эффективно утилизировать, обеспечив предварительно надёжное их обеззараживание до стандартов использования в сельскохозяйственном производстве  или сброса в водные объекты.

Одним из наиболее целесообразных методов утилизации сточных вод свиноводческих хозяйств (СВСХ) с позиций ресурсосбережения  является их использование  на полях орошения и получение  из осадков органических удобрений. Однако широкое применение сточных вод указанного типа ограничивается отсутствием  надёжных,  экологически безопасных  методов их обеззараживания, и в частности, от яиц гельминтов, которые и определяют I класс опасности СВСХ, а потому степень их обеззараживания должна быть 100 %. Как показали исследования свиноводческих стоков (санитарно-гельминтологического контроля) за 2007 год, проведённых в лаборатории ФГУЗ «Центр гигиены и  эпидемиологии», в Белгородской области 43,2 %  проб очищенных сточных вод содержали жизнеспособные яйца гельминтов. Следовательно, можно сделать вывод о недостаточной эффективности применяемых методов обеззараживания СВСХ от яиц гельминтов.

Всё вышесказанное определяет актуальность исследований, направленных на  защиту от опасного воздействия загрязнённых сточных вод на водоёмы, почву, атмосферу  и, в конечном  итоге, на человека.

Диссертационная работа соответствует национальной программе действий по совершенствованию и развитию водохозяйственного комплекса России на перспективу «Вода России – XXI век» в программном проекте «Обеспечение потребности в водных ресурсах», а также Межведомственной координационной программе фундаментальных и приоритетных прикладных исследований  по научному обеспечению развития  АПК  Российской Федерации на 2006-2011 гг.

Основная идея работы состоит в изучении и использовании явления искусственной кавитации,  возникающей в вакуум-эжекционном аппарате, при определённых параметрах потока для  эффективного обеззараживания сточных вод от яиц гельминтов;  определении необходимых конструктивных параметров вакуум-эжекционного аппарата, создающих условия  наиболее интенсивного воздействия на яйца гельминтов.

Цель работы заключается в научном обосновании технических и технологических решений обеззараживания загрязнённых  яйцами гельминтов сточных вод с использованием вакуум-эжекционного метода.

Задачи исследований:

- провести анализ научно-технической и патентной информации, данных о современном состоянии вопроса обеззараживания загрязнённых яйцами гельминтов сточных вод, а также  основных положений теории и практики технологий обработки воды вакуум-эжекционным  методом; 

- разработать математическую модель работы вакуум-эжекционной установки для дегельминтизации сточных вод;

- обосновать обеззараживающий эффект от яиц гельминтов  (Ascaris suum) при вакуум-эжекционной обработке хозяйственно-бытовых и свиноводческих  сточных вод;

- разработать конструкцию и экспериментально установить рабочие  параметры работы вакуум-эжекционного аппарата для создания кавитации, способствующей  обеззараживанию сточных вод от яиц гельминтов;

- разработать технологическую схему обеззараживания  загрязнённых яйцами гельминтов сточных вод свинокомплексов с применением вакуум-эжекционного метода обработки.

Методы исследования. В ходе исследований проводили натурные, лабораторные, теоретические и численные эксперименты с использованием стандартных методик и методов математического моделирования. Проведены: аналитическое обобщение известных научных и технических результатов, математическое  моделирование процессов, происходящих в вакуум-эжекторе; опытно-промышленные эксперименты, исследования и обработка экспериментальных данных методами математической статистики и регрессионного анализа с применением ПЭВМ.

Научная новизна работы:

1. Разработана двухмерная математическая модель работы вакуум-эжектора, учитывающая двухфазность потока, в основу которой положена зависимость влияния скорости и давления потока на плотность среды (суммарная плотность яиц гельминтов и воды).

2. Экспериментально достигнут 99,9 % эффект обеззараживания от яиц гельминтов (Ascaris suum) свиноводческих и хозяйственно-бытовых сточных вод за счёт явления искусственно созданной кавитации при вакуум-эжекционном способе обработки.

3. Установлены зависимости влияния различных параметров на дегельминтизирующую способность вакуум-эжектора.

4. Получено удовлетворительное согласие моделируемых и экспериментальных результатов, обеспечивающих обеззараживание сточных вод от яиц гельминтов в вакуум-эжекторе.

Практическую значимость  работы представляют:

- результаты модельных расчётов, позволяющие совершенствовать конструкцию и режимные решения работы вакуум-эжекционной установки;

- разработанная и апробированная эффективная конструкция вакуум-эжекционной установки для обеззараживания загрязнённых яйцами гельминтов сточных вод;

- сокращение времени обеззараживания  сточных вод от яиц гельминтов;

-  технологическая схема дегельминтизации сточных вод свиноводческих хозяйств, позволяющая сократить время их  пребывания  в лагунах,  уменьшить в 1,5-2 раза площадь ёмкостных сооружений, исключить риск заражения подземных вод яйцами гельминтов;

- результаты успешных опытных испытаний на очистных сооружениях свиноводческих стоков ООО «Гурман» и хозяйственно-бытовых сточных вод г.Алексеевка;

- рекомендации по расчёту и проектированию вакуум-эжекционных установок;

- обоснование ресурсо-экологической целесообразности обработки и обеззараживания сточных вод свинокомплексов, загрязнённых яйцами гельминтов  на вакуум-эжекционном аппарате.

Достоверность результатов исследований подтверждается большим объёмом данных, полученных в результате лабораторных и полупроизводственных исследований, с использованием гостированных методик лабораторных и производственных исследований, метрологически аттестованных приборов и оборудования промышленного изготовления, большим количеством экспериментальных данных и их хорошей сходимостью с расчётными. Отдельные, из полученных результатов и зависимостей согласуются с данными и закономерностями других авторов.

На защиту выносятся:

- двухмерная математическая модель работы вакуум-эжекционной установки  для обеззараживания концентрированных  сточных вод  от яиц гельминтов за счёт эффекта кавитации;

- результаты теоретических и экспериментальных исследований влияния режимных  параметров  работы вакуум-эжекционного аппарата на  эффективность процесса обеззараживания;

- рекомендации по проектированию и расчёту вакуум-эжекционной установки; 

-доказательства экологической и санитарно-гигиенической целесообразности  применения вакуум-эжекционного метода обработки концентрированных стоков, для снижения экологического ущерба от поступления загрязнённых сточных вод  в природные объекты и вреда здоровью потребителей;

- технологические схемы обеззараживания сточных вод от  яиц гельминтов.

Апробация работы

Основные положения и результаты диссертационной работы обсуждались и были одобрены на научно-практических конференциях регионального и всероссийского уровня: всероссийской научно-практической конференции «Наука и  молодёжь в начале  нового столетия» (Губкин 2007 г.); всероссийском конкурсе молодёжных авторских проектов, направленных на социально-экономическое  развитие российских территорий «Моя страна - моя Россия» (Москва 2008 г.); XIV Международной научно-производственной конференции под названием - «Проблемы  сельскохозяйственного производства на современном этапе и пути их решения» (17 – 20 мая 2010 года Белгород).

Внедрение результатов. Конструкция экспериментального вакуум-эжектора используется в пилотной демонстрационной установке. Результаты экспериментальных и теоретических исследований внедрены в учебный процесс кафедры «Отопление, вентиляция и кондиционирование» по курсу «Водоснабжение и водоотведение»  в виде лекционных курсов для подготовки студентов специальности 270109 «Теплогазоснабжение и вентиляция».

Публикации. Основные результаты исследований по теме диссертации опубликованы  в 6  работах, в том числе 3 статьи в рецензируемых изданиях.

Объём и структура работы. Материалы диссертации  изложены на 156 страницах основного текста, включающего  28  таблиц и 37 рисунков.  Работа  состоит из введения, пяти глав, общих выводов и рекомендаций, списка  использованных источников из 163  наименований и  13 приложений.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, определены  цель и задачи исследований, научная новизна и практическая значимость диссертационной работы, приводятся основные положения, выносимые на защиту.

Первая глава содержит аналитический обзор научной и технической литературы, посвящённой особенностям и современным проблемам методов обеззараживания загрязнённых яйцами гельминтов сточных вод, и постановку задач исследований.

Проведён анализ существующих способов обеззараживания сточных вод, а также эколого-экономических аспектов этой проблемы.  Несмотря на большой объём исследований, выполненных по изучаемой проблеме (Н.А. Романенко, Б.Г. Мишуков, О.А. Суржко, Е.П. Хроменкова, Д. Вент, О.А. Грибова, Н.С. Серпокрылов, М.Ю. Серёгин, А. Еланз и др.), актуальность разработки теоретических положений и решения практических вопросов обеззараживания загрязнённых яйцами гельминтов и органическими загрязнениями сточных вод со временем возрастает.

Установлено, что устранение химического и биологического загрязнения водных объектов и почв может быть достигнуто путем усовершенствования известных и разработки новых технологий обработки сточных вод, в частности, с применением вакуум-эжекционных аппаратов, в которых время прохождения сточных вод через камеру смешения составляет доли секунды. При этом достигается эффективное обеззараживание и минимизация потерь биогенных элементов, что позволяет использовать опасные в санитарном отношении сточные воды на  оросительных системах в сельскохозяйственном

производстве. Однако эффективность вакуум-эжекционных аппаратов для обеззараживания от яиц гельминтов не достаточно доказана, особенно для сточных вод свиноводческих комплексов.

Так, проблема обеззараживания концентрированных сточных вод свинокомплексов не полностью решена в Белгородской области. Поэтому поиск и исследование оправданных в технико-экономическом, санитарно-гигиеническом и экологическом отношении способов обеззараживания загрязнённых  яйцами гельминтов сточных вод является актуальной задачей.

Во второй главе представлены результаты теоретических исследований работы вакуум-эжекционного аппарата, необходимые для создания режимов кавитации, способствующих  обеззараживанию сточных вод от яиц гельминтов.        Кавитация характеризуется сверхзвуковыми течениями и  приводит к наличию высокоградиентных потоков, ударных волн, локальных скачков давления и температуры, рождению свободных радикалов.

Известно, что в  жидкостно-газовых струйных аппаратах, в камере смешения  возможно образование  газожидкостного потока дисперсной структуры, в  котором скорости звука существенно снижаются. В связи с тем,  что пузырьковая смесь обладает плотностью, близкой к плотности жидкости, ей свойственна сжимаемость, как газу, скорость звука в ней  ниже скорости звука  и в газе, и  в жидкости.  При этом, как только в эжекторе  образуется сверхзвуковой двухфазный поток, сразу следует скачок уплотнения, переводящий сверхзвуковой поток в дозвуковой. Скачок уплотнения характеризуется резким локальным  повышением температуры, плотности и давления. 

Параметром, который характеризует состояние водовоздушного потока в камере смешения аппарата, является число Маха, которое определяется по формуле

, (1)

где  – скорость парогазожидкостной смеси;  – объёмный коэффициент эжекции; – плотность жидкости; – давление  в камере смешения.

В случае, если М > 1 течение сверхзвуковое, при M < 1  – дозвуковое, а  при M=1 – критическое. 

Выразив из формулы (1) скорость смеси, которая при М = 1 будет равна скорости звука, получим:

  .  (2)

На основании теоретических расчётов  было определено, что наличие  сверхзвуковых течений  (М > 1) возможно уже при скорости смеси  в камере смешения  20-24 м/с.

Скорость звука в водовоздушной смеси  также можно представить в следующем  виде:

, (3)

где – плотность  газа; – давление газа; – массовый  коэффициент эжекции; – удельная теплоёмкость газа, при постоянном давлении; – удельная теплоёмкость газа, при постоянном объёме;  – удельная теплоёмкость жидкости; – температура смеси, ввиду малого коэффициента эжекции и интенсивного теплообмена газа с жидкостью принимаем равной температуре жидкости .

По результатам расчётов (3) была построена зависимость скорости звука от массового коэффициента эжекции.

Полученные значения показали хорошую сходимость результатов расчёта скорости звука по формулам (2) и (3). Найденные нами значения скоростей (более 22 м/с) необходимы для определения конструкции и  геометрических  размеров аппарата. Расчёты проведены для конструкций с проектируемым диаметром  сопла 4-12 мм, что позволит пропускать через вакуум-эжектор осадки сточных вод, загрязнённые яйцами гельминтов.

В соответствии с  необходимыми параметрами  скорости смеси для возникновения кавитационных течений  был разработан и изготовлен экспериментальный вакуум-эжекционный аппарат определённых геометрических размеров и произведён его  гидравлический расчёт.

Разработана двухмерная математическая модель работы двухфазной смеси в эжекторе, построенная для исследуемого  аппарата заданной конструкции.

В связи с тем, что при составлении математической  модели трудно оперировать понятием «количество яиц гельминтов», было  введено  понятие  плотности среды, т.е. суммарная плотность воды и яиц гельминтов.

Выведем уравнение неразрывности для двухкомпонентной смеси в эжекторе. Для этого выделим элементарный объём , фиксированный в пространстве эжектора, через которое протекает двухкомпонентная смесь: яйца гельминтов (А) и вода (В). Составляющие баланса массы имеют следующий вид: скорость изменения массы вещества в элементе объёма во времени, количество вещества , входящего в элемент объёма через грань с координатой :, количество  вещества , выходящего из элемента объёма через грань с координатой :.

Имеются также члены, соответствующие поступлению и отводу вещества в направлении осей и . Если написать полный баланс массы и разделить все члены на , то, устремив элемент объёма к нулю, получим:

. (4)

Величины - компоненты по осям прямоугольных декартовых координат вектора массового потока . В векторной форме  будет:

.  (5)

Первый закон Фика запишем в следующей форме:

  ,       (6)

где – массовая плотность, – массовая доля компонента .

Получено эквивалентное уравнение для описания диффузии яиц гельминтов в двухкомпонентной смеси:

.

Дополняя уравнение диффузии уравнениями неразрывности и движения воды, получим скалярную систему уравнений для определения плотности яиц среды.

Пусть вещество – яйца гельминтов (вторая фаза) с плотностью, большей 1 , – вода (первая фаза), тогда  уравнение неразрывности компонента будет иметь вид

,                 (7)

уравнение движения компонента

  ,          (8)

уравнение неразрывности компонента

  , (9)

где -концентрация яиц гельминтов; - коэффициент диффузии яиц  гельминтов в воде; -скорость жидкости; - коэффициент кинематической вязкости.

Для решения данной задачи необходимо (4)-(6) дополнить граничными условиями: плотность яиц гельминтов на стенках эжектора равна нулю, т.е.

  , (10)

скорость потока жидкости в начале эжектора известна:

,               (11)

  .

Совместное решение (4) – (11) даёт возможность оценить степень влияния давления и скорости потока воды, проходящего через эжектор, на плотность яиц гельминтов  в этой воде, т.е. на эффективность обеззараживания сточных вод.

На рисунке 1 приведён график зависимости плотности среды от давления жидкости и её скорости. Данный график получен для  частного решения уравнений (4) – (11).

Рисунок 1 – Зависимость плотности среды, содержащей яйца гельминтов

от давления и скорости движения воды

Анализируя полученный график, можно сделать следующие выводы:

– с увеличением давления воды на входе в эжектор уменьшается плотность смеси;

– скорость при технологических значениях оказывает сравнительно малое  воздействие на плотность;

– в области давлений больше 0,5 МПа график выполаживается, то есть дальнейшее увеличение давления нецелесообразно.

Эти выводы необходимы для принятия решения по совершенствованию конструктивных и режимных решений  работы вакуум-эжектора. По приведённой  зависимости можно сделать заключение о критическом влиянии давления жидкости перед эжектором на плотность вещества гельминтов: при давлении 0,4 МПа наблюдается падение плотности среды (за счёт кавитационного уничтожения яиц гельминтов) при различных скоростях  двухфазного  потока в эжекторе.

Таким образом, построена математическая модель работы вакуум-эжекционного аппарата, которая позволила установить, что при давлении более 0,4 МПа  и скорости более 22 м/с плотность среды, содержащей яйца гельминтов,  будет близка к 1,00, что свидетельствует об их полном уничтожении и, следовательно, о максимальном эффекте обеззараживания.

Третья глава содержит материалы экспериментальных исследований режимов работы вакуум-эжектора, которые подтверждают теоретические расчёты,  приведённые  к главе 2.  Описана методика проведения эксперимента.

Для измерения скорости воздуха в нашем исследовании использовали  термоанемометр TESTO 405. Для более точного  определения результата к одному из окон подсоса воздуха была приварена труба с внутренним диаметром  20 мм, длиной 80 мм. Зонд устанавливали  по направлению потока воздуха в нескольких точках трубы. Изменяли давление воды на входе в эжектор с 0,6 МПа до 0,3 МПа. Максимальные показания скорости воздуха  фиксировали. Количество замеров – 4 для каждой  точки  определения. Полученные результаты сведены в таблицу 1.

Таблица 1 –  Скорость воздуха  на срезе окон в зависимости

  от давления жидкости на входе в вакуум-эжектор

Давление воды на входе в вакуум-эжектор,  МПа

Скорость воздуха через эжекционные окна,

м/с

1

2

3

4

5

0,6

9,8

9,9

9,91

9,87

0,5

8,3

8,21

8,22

8,1

0,4

6,5

6,2

6,25

6,23

0,3

4,2

4,8

4,4

4,1

По найденным значениям скорости определяли расход воздуха и объёмный коэффициент эжекции, результаты представлены в таблице 2.

Таблица 2 – Расход воздуха и объёмный коэффициент эжекции в зависимости

от давления жидкости на входе в вакуум-эжектор

Давление жидкости на входе в вакуум-эжектор,МПа

Расход воздуха через вакуум-эжекционные окна,

м3/ч

Объёмный коэффициент эжекции

1

2

3

0,6

2,8

2,3

0,5

2,5

2,27

0,4

1,9

1,91

0,3

1,3

1,53

Экспериментально, на основе визуальных наблюдений  определено наличие скачка давления (рисунок 2), который характеризуется переходом молочно-белой пены в прозрачную жидкость с пузырьками воздуха.

Съёмка проводилась на фоне  чёрного экрана со вспышкой 1/400 с.  На рисунке 2 (б, в) отчётливо видна пенная структура потока, а уже  на фото 2 (г-д) движется жидкость с пузырьками воздуха. При переходе от молочно-белой эмульсии к жидкости с пузырьками воздуха возникает резкий скачок давления внутри камеры смешения. Полученные результаты подтверждаются  исследованиями, проводимыми Е.Я. Соколовым, Н.М. Зингером, В.Г. Цегельским и другими авторами.

Рисунок 2 – Структура течения  потока по длине исследуемого вакуум-эжектора, при давлении 0,4 МПа. (фото)

Важной целью экспериментальных исследований было доказательство наличия обеззараживающего эффекта при обработке загрязнённых яйцами гельминтов сточных вод на вакуум-эжекционном аппарате; определение оптимальных показателей работы установки, при которых  происходит  наиболее эффективное подавление жизнедеятельности яиц Ascaris suum.

Схема экспериментальной вакуум-эжекционной установки приведена на рисунке 3.

Эксперименты проводили на сточных водах очистных сооружении г.Алексеевка,  свиноводческих стоках ООО «Гурман». Варьируемыми параметрами являлись: давление сточных вод; количество яиц гельминтов (тест-объекты).

Рисунок  3 – Схема вакуум-эжекционной установки:

1 – ёмкость с исходными  сточными  водами;  2 – подающий трубопровод;  3,5,11,12 – вентили;  4 – насос  высокого  давления; 6 – напорный  трубопровод; 7 – манометр;

8 – вакуум-эжектор; 9 – ёмкость с обеззараженными стоками;  10 – спускной трубопровод

Результаты  обсеменения сточных вод возбудителями паразитарных болезней сведены в таблицу 3.

Таблица 3 –  Результаты  исследования  сточных вод  на наличие яиц

гельминтов (Ascaris suum)

Место отбора  проб

В пробах  выявлено:

Обнаружено в пробах (М±m), экз/л

ООО «Гурман»

Сборный колодец (перед подачей в лагуны)

яйца аскарид,

эзофагостомуса,

власоглава

480±10

360±8

240±4

Лагуны

яйца аскарид,

эзофагостомуса

340±6

380±7

Насосная станция подачи стоков на поля орошения

яйца аскарид,

эзофагостомуса

140±6

140±8

Очистные сооружения г. Алексеевка

На выходе из аэротенка

яйца аскарид,

эзофагостомуса

200±6

120±8

После проведения  исследований были  получены результаты (рисунок 4), анализируя которые можно сделать вывод, что вакуум-эжекционный метод при определённых режимах работы установки действительно обладает  обеззараживающим  эффектом.

Рисунок 4 – Эффект обеззараживания  сточных  вод от Ascaris suum

в зависимости от давления воды перед эжектором и температуры

При двукратной обработке эффект обеззараживания от яиц гельминтов достигает 99,9 % (р<0,05) по сравнению с контролем, жизнеспособные яйца

гельминтов отсутствуют.  Полученный результат достигнут при давлении сточных вод на входе в эжектор 0,6 МПа, что позволяет сделать вывод о перспективности  и усовершенствовании данного метода.

Резкое увеличение эффективности обеззараживания при повышении давления с 0,3 до 0,4 МПа можно объяснить тем, что при  давлении,  начиная с 0,4 МПа, в  вакуум-эжекторе возникают сверхзвуковые скорости смеси, которые приводят к возникновению кавитации и скачка давления. Наиболее эффективное обеззараживание происходит при достижении давления 0,6 МПа. Следует также отметить, что эффект обеззараживания от яиц гельминтов незначительно повышается с увеличением температуры  сточных вод. Это можно объяснить  тем, что с ростом температуры  возрастает давление насыщенных паров, при этом возникают условия, ускоряющие возникновение кавитации.

Было проведено санитарно-паразитологическое исследование свиноводческих стоков после однократной и двукратной обработки на вакуум-эжекционной установке. В исходных свиноводческих стоках были обнаружены оплодотворённые и неоплодотворённые яйца гельминтов (Ascaris suum)  размерами (50-70)х(40-50) и (50-100)х(40-50) в количестве 720 экз/л.

Яйца с толстой многослойной и наружной белковой крупнобугристой оболочкой, с  зародышем (рисунок 5а) или желточными клетками  (рисунок 5б).

 

а)  б)

Рисунок 5 – Яйца гельминтов:

а) оплодотворённые яйца без белковой оболочки 

б) неоплодотворённое яйцо покрытое белковой оболочкой

(увеличение в 400 раз)

После однократной обработки сточных вод появились яйца, оболочка которых  истончалась неравномерно (рисунок 6а),  сглаживалась  (рисунок 7а), а чаще всего в некоторых местах имела разрывы (рисунок 6 б),  появились яйца с  вакуолизированным  внутренним содержимым (рисунок 7 б).

Данные изменения свидетельствуют о том, что яйца стали не жизнеспособными.

 

Рисунок 6 – Оплодотворённые яйца гельминтов после обработки

на вакуум-эжекционном аппарате

Рисунок 7 – Неоплодотворённые яйца гельминтов после обработки

на вакуум-эжекционном  аппарате

После двукратной обработки при давлении 0,3-0,4 МПа в некоторых пробах  количество инвазионных яиц  резко сократилось до 52 и  7 экз./л. В остальных пробах инвазионных яиц обнаружено не было. После двукратной обработки сточных вод при давлениях 0,5-0,6 МПа ни в одной пробе  не обнаружены жизнеспособные яйца гельминтов. Исследованные пробы соответствуют требованиям СанПиН 1.2.1170-02 «Гигиенические требования к безопасности агрохимикатов» п.2.3.1. Результаты получены в аккредитованном испытательном лабораторном центре гигиены и эпидемиологии Белгородской области.

Полученные данные хорошо согласуются с  результатами  эксперимента воздействия гидродинамической кавитации  на Escherichia coli, полученными  Т.Н. Витенько, О.Р. Гащиным, и золотистого стафилококка, полученными О.Г. Дубровской.

Степень кавитационного воздействия на яйца гельминтов оказывает повреждающее воздействие на оболочки яйца, в частности, может происходить разрушение триацилглицеролов и фосфолипидов оболочки возбудителей гельминтозов.

Таким образом, было доказано, что  при давлении сточных вод перед вакуум-эжектором от 0,4 МПа и более достигается эффективное обеззараживание от яиц гельминтов. Это явление может быть использовано в практике обеззараживания сточных вод. Для этого необходимо включить  в технологические схемы очистки вакуум-эжекционные установки. Важно отметить, что время экспозиции, то есть время прохождения через сопло, составляет доли секунды.

Во всех применяемых технологических схемах дегельминтизации сточных вод образуются осадки, в которых количество жизнеспособных яиц значительно больше, чем  в сточных водах. Свойства осадков изменяются после пропускания сточных вод через вакуум-эжекционную установку, поэтому исследовали основные параметры осадков сточных вод свиноводческих комплексов.

Скорость осаждения осадков определяли на торозионных весах. Экспериментально получены кривые, характеризующие массу выделяющегося при отстаивании  осадка  в зависимости  от времени осаждения из сточных вод с различным содержанием сухого остатка. Чем больше концентрация сухого остатка, тем большая масса осадка выпадает за одно и то же время. Так, за 20 минут масса выпавшего осадка на 9 % больше при концентрации сухого вещества 83,5 кг/м3, чем при 78,0 кг/м3.

В связи с тем, что после прохождения через  вакуум-эжекционную установку осадок становится более рыхлым, исследовали кинетику уплотнения осадков, определяли зависимости объёма образующегося осадка от времени отстаивания; отстаивание проводили в мерных цилиндрах, объём обрабатываемой пробы принимали за 100 %.

На основании экспериментальных данных можно сделать вывод, что основная масса осадка выпадает за 30 минут и достаточно одного часа для полного уплотнения осадка.  В  связи  с этим отстойники  следует  проектировать  не менее, чем на  60-минутное  отстаивание.

Влагоотдача осадка в общем случае характеризуется его удельным сопротивлением r, см/г, которое  определяли на собранной нами установке.

Вычисление проводили по формуле:

где b – коэффициент, характеризующий тангенс угла наклона; – вязкость осадка, П; с – концентрация осадка, кг/м3.

Из данных, представленных в таблице 4, видно, что влажность осадков, полученных после пропуска сточных вод через вакуум-эжектор, выше, чем осадка, получаемого из исходных проб.

Таблица 4 – Основные  параметры осадков сточных вод свинокомплексов

Осадки

Концен-трация,

(кг/м3) по сухому веществу

Плот-

ность,

г/м3

Влаж-

ность,

%

Золь-ность,

%

Удель-

ное

сопротив-

ление

см/г,

х1010

После

центрифугирования

влажность,

зольность

%

%

1.  Из необра-  ботанных сточных

вод

78,0

1,01

92,2

20,0

64,5

75,1

43,3

2. После про-

пуска сточных вод через вакуум-

-эжектор

83,5

1,01

93,8

20,3

50,3

74,5

43,5

Удельное сопротивление осадка, полученного из сточных вод, пропущенных через вакуум-эжекционную установку, меньше, чем исходного, что может служить показателем улучшения влагоотдачи. Действительно, влажность осадка, полученного после центрифугирования обработанных сточных вод,  ниже, чем исходного.

Степень уплотнения осадка при центрифугировании также зависит от величины их удельного сопротивления. Результаты исследований степени уплотнения осадка в процессе центрифугирования при 1000 об/мин представлены на рисунках 8 и  9. Начальный объём осадка (до центрифугирования) принят за 100%.

Осадок после обработки значительно лучше уплотняется, чем не обработанный в вакуум-эжекторе. Действительно, степень уплотнения осадка 2, полученного после центрифугирования в течение 2,5 минут на 6 % выше, чем осадка 1 (рисунок 8). Влажность осадка после центрифугирования составляет 74 -75 %, фугат в  обоих случаях представляет мутноватую жидкость.

Структура осадков практически не изменяется, что отчётливо видно под оптическим микроскопом.

Рисунок 8  – Зависимость объёма осадков от времени центрифугирования, %;

1 – необработанный (исходный) осадок; 2 – после вакуум- эжектора

Рисунок 9  – Зависимость влажности осадков от времени центрифугирования, % ;

1 – осадок из жидкого навоза (исходный); 2 – осадок из навоза, обработанного

в вакуум-эжекторе

Из рисунков  8 и  9  видно, что достаточно 2,5 мин центрифугирования при скорости 1000 об/мин, чтобы объём осадка и его влажность достигли значений, приемлемых для дальнейшего его использования при компостировании. Достигаемые за это время влажность осадка – 75 % и уменьшение  его объёма на 34 % позволяют дать рекомендации о времени центрифугирования, а именно –  до 2,5 мин, не более, что позволит сократить затраты электроэнергии на центрифугирование.

Исследовали влияние  обработки активного ила  после вторичных  отстойников  очистных сооружений  г.Алексеевка в вакуум-эжекторе  при давлении воды на входе  0,4 МПа. Установлено, что активный ил, пропущенный через  вакуум-эжектор, лучше отстаивается (рисунок 10).

Рисунок 10 – Кинетика  оседания  (уплотнения) активного ила  КОС г Алексеевка:

1 – объём осадка активного  ила  без  вакуум-эжекции;  2 – то же,  но  после

прохождения через вакуум-эжекционный аппарат

Значительное уменьшение объёма после двухчасового отстаивания (16 %) можно объяснить разрушением хлопьев активного ила.

Если в активный ил вводили в качестве тест-объектов яйца гельминтов (Ascaris suum), то после  двукратного пропуска ила через вакуум-эжектор (0,6 МПа) достигали 99,9% эффекта обеззараживания и  уменьшение объёма осадка.

Представляет интерес изучение изменения концентрации  аммонийного азота, ХПК и взвешенных веществ  после пропуска  сточных вод через вакуум-эжекционную установку. Исследования проводили в течение 5 суток  (март 2009 г.), отбор проб производили из  лотка в здании решёток, результаты представлены в таблице  5.

Таблица 5 – Содержание азота аммонийного, химического потребления

кислорода и взвешенных веществ в сточных водах г.Алексеевка

Время

Азот аммонийный,

мг/л

ХПК, мг/л

Взвешенные вещества, мг/л

До

обра-ботки

После об-

работки

%

До обра-ботки

После обра-ботки

%

До

обра-ботки

После об-

работки

%

1-й день

60

62

1,1

1109

732

34

351

263

25

2-й день

69

73

5,5

1141

1020

11

426

385

10

3-й день

69

60

13

577

560

3

449

360

20

4-й день

59

57

3,5

1031

970

6

252

236

7

5-й день

66

61

7,6

1106

1020

8

513

492

4

Анализ результатов, приведённых в таблице 5, позволяет сделать вывод, что  незначительные изменения концентрации аммонийного азота  после прохождения сточных вод через вакуум-эжектор находятся в пределах статистической погрешности. Уменьшение же ХПК и взвешенных веществ  можно объяснить диспергированием и отделением жиров, что позволило агрегироваться частицам взвешенных веществ за счёт Ван-дер-Ваальсовского взаимодействия.

Глава четвертая  посвящена разработке технологических схем и рекомендаций по использованию вакуум-эжекционной установки для обеззараживания  сточных вод свинокомплексов.

Мотивацией для разработки рекомендаций по внедрению вакуум-эжекционных аппаратов для  обеззараживания свиноводческих стоков в  технологической схеме  с последующим использованием на полях  орошения является:

1. Подтверждение экспериментальным способом подавления жизнеспособности яиц гельминтов (Ascaris suum) – 99,9% при давлении сточных вод перед вакуум-эжектором  более 0,5 МПа.

2. Компактность вакуум-эжекционной установки.

3. Уменьшение времени обеззараживания, энергоэффективность, сокращение сроков пребывания сточных вод в лагунах.

4. Уменьшение  площадей  лагун или их исключение из технологических схем.

5. Использование  обеззараженных сточных вод  на полях орошения.

6. Исключение применения обеззараживающих химических реагентов, оказывающих негативное влияние на здоровье человека и окружающую  среду.

7. Возможность хранения обеззараженных свиноводческих сточных вод до подачи в лагуны, либо их обеззараживание  при  опорожнении лагун.

8. Получение обеззараженного компоста из твёрдой фазы сточных вод.

9. Предотвращение экологического ущерба от внесения необеззараженных сточных вод  в почву, а также  при  хранении сточных вод в лагунах  (выделяются  метилмеркаптан, Н2S, NН3  в высоких концентрациях).

Пилотную  установку можно применять для обработки сточных вод  и осадков  свиноводческих комплексов с  включениями взвешенных частиц  размером не более 2 мм. Для защиты вакуум-эжекторов от абразивных частиц проектируем гидроциклоны. Для дегельминтизации осадков используют вакуум-эжекторы с диаметром сопла до 12 мм.

На основании экспериментальных исследований, проведённых нами на полупромышленной установке, рекомендуем внедрить в технологическую схему очистки свиноводческих стоков две последовательно установленные вакуум-эжекционные установки для достижения требуемого эффекта обеззараживания  от яиц гельминтов.

Технологические схемы с использованием вакуум-эжектора представлены на  рисунке 11.

Рисунок 11 –  Технологические схемы обработки свиноводческих стоков с применением  вакуум-эжекционной установки:

а) с использованием сепаратора; б) с использованием также центрифуги;

1– отстойник-накопитель; 2 – насос с измельчающим механизмом; 3 – вакуум-эжекционная установка; 4 – сепаратор; 5 – установка для компостирования; 6 – лагуна для хранения жидкой фракции; 7 – поля орошения; 8 – гидроциклоны; 9 – центрифуга

После обработки вакуум-эжекционным методом и сепарации, обеззараженная жидкая фаза  подаётся в лагуну (если нет возможности сразу утилизировать на полях орошения, например, зимой), либо непосредственно вносятся на поля орошения.  Твёрдая фаза, проходя через гидроциклон, очищается от абразивных частиц, обеззараживается в вакуум-эжекторе, центрифугируется, компостируется и утилизируется на  сельскохозяйственных полях.

Рекомендовано использовать вакуум-эжекционную установку перед подачей в лагуну для  последующей подачи сточных вод сразу  на поля орошения.

В главе 5 приведён расчёт  экономической эффективности  усовершенствованной схемы обработки сточных вод  на вакуум-эжекционной установке и определён предотвращённый экологический ущерб. Рассчитаны показатели эффективности инвестиционного проекта: при годовой производительности системы  86400 м3 внутренняя норма доходности составит 30,4 %, себестоимость 11,6 руб/м3, срок окупаемости капитальных вложений (0,68) года. При этом предотвращённый экологический ущерб составит более 3,5 млн. руб.

Общие  выводы

1. С технико-эксплуатационных и санитарно-паразитологических позиций выявлены достоинства и недостатки существующих технологий обеззараживания сточных вод от яиц гельминтов.

2. Разработана математическая модель работы вакуум-эжекционной установки, позволяющая выбирать оптимальные по критерию обеззараживания технические решения конструирования и работы аппарата.

3. Доказан  обеззараживающий эффект от яиц гельминтов (Ascaris suum)  при вакуум-эжекционной обработке хозяйственно-бытовых и свиноводческих сточных вод. Эффект подавления жизнеспособности яиц гельминтов при двукратном пропуске через вакуум-эжектор сточных вод достигает 99,9%.

4. Разработана конструкция вакуум-эжекционного аппарата, в котором создаётся кавитация, достаточная для уничтожения  яиц гельминтов  (Ascaris suum).

5. Разработаны технологические схемы для обеззараживания  загрязнённых яйцами гельминтов сточных вод свиноводческих комплексов.

6. Обеззараживание свиноводческих стоков вакуум-эжекционным способом приведёт к сокращению  экологического  ущерба окружающей среде, уменьшению площади лагун в 1,5-3 раза, а при возможности полива  в зимние месяцы исключения лагун. Это также  позволяет снизить  риск заражения подземных вод возбудителями паразитарных болезней.

Результаты диссертационного исследования внедрены в конструкцию  действующей пилотной демонстрационной установки, в учебный процесс Белгородского технологического университета, используются в практике обеззараживания свиноводческих сточных вод на ООО «Гурман» Белгородской области.

Результаты диссертации опубликованы в работах:

Статьи в рецензируемых журналах и изданиях

1. Коршева, А.С. Перспективы применения вакуум-эжекционного метода для обеззараживания свиноводческих стоков/ А.С. Коршева// Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова-2011.-№3- С.124-127.

2. Коршева, А.С. Вакуум-эжекционный метод  обеззараживания сточных вод свиноводческих хозяйств/ А.С.Коршева// ЭКиП: Экология и промышленность  России-2011.-№8 С. 14-15.

3. Коршева, А.С. Математическое моделирование дегельминтизации

свиноводческих стоков в вакуум-эжекторе/ А.С.Коршева// ЭКиП: Экология и  промышленность России-2011.-№11 С. 16-17.

Отраслевые издания и материалы конференций

4. Коршева, А.С. Применение вакуум-эжекционного метода для очистки сточных вод свинокомплексов [Текст] / В.А. Минко, И.Н. Логачев, С.Е. Печерский, А.С. Коршева // Современные проблемы технического, естественнонаучного и гуманитарного знания: сб. докл. Всерос. науч.–практ. конф., Губкин, 25–26 янв. 2007г. /Губкин. филиал Белгор. гос. технол. ун–та. – Губкин: Изд–во «Интерфейс», 2007. – Ч.1. – С.117–119. (автор – 40%).

5. Коршева, А.С. Альтернативный способ снижения негативного влияния на окружающую среду  свиноводческих стоков [Текст] / В.А Минко, И.Н. Логачев, С.Е. Печерский, А.С. Коршева // Наука и молодёжь в начале нового столетия: сб. докл.  Междунар. науч.-практ. конф. студ., аспирантов и молодых учёных. Ч. II, Губкин, 2009. С. 112-115. (автор – 40%).

6. Коршева, А.С. Применение вакуум-эжекционного метода для снижения  негативного влияния  свиноводческих стоков на окружающую среду [Текст] / А.С. Коршева, В.А. Минко, А.М. Моренко //Материалы XIV Междунар.  научно-производственной конф. 17-20 мая 2010 г. «Проблемы  сельскохозяйственного производства на современном этапе и пути их решения»,  Белгород, 2010.- Издательство Белгородской ГСХА. – С.123. (автор – 50%).

Подписано в печать 10.02.12. Формат 60х84/16. Усл. печ. л. 1,44.

Тираж 100 экз. Заказ № 87.

Отпечатано в Белгородском государственном технологическом университете

им. В.Г. Шухова

308012, г. Белгород, ул. Костюкова, 46

 





© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.