автореферат диссертации по строительству, 05.23.04, диссертация на тему:Совершенствование вакуум-эжекционного метода для обеззараживания загрязненных яйцами гельминтов сточных вод

На правах рукописи

005014291

КОРШЕВА АНАСТАСИЯ СТАНИСЛАВОВНА

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ВАКУУМ-ЭЖЕКЦИОННОГО

МЕТОДА ДЛЯ ОБЕЗЗАРАЖИВАНИЯ ЗАГРЯЗНЁННЫХ ЯЙЦАМИ ГЕЛЬМИНТОВ СТОЧНЫХ ВОД

05.23.04-водоснабжение, канализация, строительные системы охраны водных ресурсов

1 у ^

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Новочеркасск 2012

005014291

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

Научный руководитель - Минко Всеволод Афанасьевич,

доктор технических наук, профессор

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 14 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 и авторефератом можно ознакомиться в научном отделе библиотеки НГМА.

Автореферат разослан «29 »дебрдля 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 4124тыс.м3 в год, а к 2012 году увеличится до 4659тыс.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 новизнаработы:

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 тестированных 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 (H.A. Романенко, Б.Г. Мишуков, O.A. Суржко, Е.П. Хроменкова, Д. Вент, O.A. 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

где Усм - скорость парогазожидкостной смеси; и0 - объёмный коэффициент эжекции; рж- плотность жидкости; Р — давление в камере смешения.

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

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

На основании теоретических расчётов было определено, что наличие

(1)

(2)

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:

йс = 1<!-Рг-(0-СРГ+СжТ

О-Рж У0 + О)-(О-С,г+Сж) где рг - плотность газа; Рг - давление газа; в - массовый коэффициент эжекции; СРГ - удельная теплоёмкость газа, при постоянном давлении; Суг - удельная теплоёмкость газа, при постоянном объёме; Сж - удельная теплоёмкость жидкости; Тс - температура смеси, ввиду малого

коэффициента эжекции и интенсивного теплообмена газа с жидкостью принимаем равной температуре жидкости Тс = Тж .

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 АхАуАг, 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 А в элементе объёма во

времени АхАуАг, количество вещества А, входящего в элемент объёма

через грань с координатой X -.п^ АуАг, количество вещества А,

выходящего из элемента объёма через грань с координатой х + Ах:пАх\х+&хАуА2.

Имеются также члены, соответствующие поступлению и отводу вещества А в направлении осей у и г. Если написать полный баланс массы и

разделить все члены па ДхДуДг, то, устремив элемент объёма к нулю, получим:

8Ра ^ Ау ^ дпА

, =0. (4)

dt \ дх ду dz

Величины II¿J, пАу, nAz - компоненты по осям прямоугольных декартовых координат вектора массового потока пА = pAvA. В векторной форме будет:

^ + VnA= 0. (5)

dt А

Первый закон Фика запишем в следующей форме:

"А+nB)=-pDABV(oA, (6)

Ра

где Р-Ра + Рв ~ массовая плотность, oiA = — - массовая доля

Р

компонента А .

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

ot

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

Пусть вещество А - яйца гельминтов (вторая фаза) с плотностью, большей 1 гIсм3, В - вода (первая фаза), тогда уравнение неразрывности компонента В будет иметь вид

= <7>

ах ду

уравнение движения компонента В

— = -vVv + \>Bk\'-—Vp, (8)

dt р

уравнение неразрывности компонента А

дРл , „ ScA дсА д2сА

8t дх ' ду ду

где сА = -концентрация яиц гельминтов; DAB - коэффициент Л/.,

диффузии яиц гельминтов вводе; v = jv^jv,,}-скорость жидкости; v в -

коэффициент кинематической вязкости.

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

скорость потока жидкости в начале эжектора известна:

=«1

(11)

15«

= "2-

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).

Давление, МПа и=10 м/с —и=20 ы/с и=30м/с

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 р{]') 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 L з 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, м'/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 иузырьками 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). 7

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 - емкость 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±т); 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.

100

0 90

1 80 70

£ о 60

§ ? 50

О, 8 40

1 1 30

¿3 20

° ^ 10

£ | О

& К

■е-

■е-

<т>

-«-Однократная обработка при Т=15'С-°-Однократная обработка при Т=25"С -♦-Двукратная обработка приТ=15°С -«-Двукратная обработка приТ=25"С

Давление перед эжектором, МПа

Рисунок 4 - Эффект обеззараживания сточных вод от Ascaris siun 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 56).

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

'ЖЙ

ЩМ0

Рисунок 7 - Неоплодотворёниые 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 агрохими катов» 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/м .

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 г, см/г, которое определяли на собранной нами установке.

Вычисление проводили но формуле:

г = 10,6810-8-Ь/С'7

где Ь - коэффициент, характеризующий тангенс угла наклона; Т} - вязкость осадка, П; с - концентрация осадка, кг/м'.

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 Концентрация, (кг/м') по сухому веществу Плотность, г/м3 Влажность, % Зольность, % Удельное сопротивление см/г, хЮ10 После центрифугирования

влажность, зольность

% %

1. Из необработанных сточных вод 78,0 1,01 92,2 20,0 64,5 75,1 43,3

2. После пропуска 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.

Время, с

Рисунок 8 - Зависимость объёма осадков от времени цешрифугарования, %; 1 - необработанный (исходный) осадок; 2 - после вакуум- эжектора

о 30 60 90 120 150

Время, с

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-Кииетика оседания (уплотнения) активного ила КОС г Алексеевка: 1 - объем осадка активного ила без вакуум-эжекщш; 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 s uii/n), 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 XI1K, мг/л Взвешенные вещества, мг/л

До обработки После обработки % До обработки После обработки % До обработки После обработки %

1-й день 60 62 1109 732 ,4| 351 263 2Ч

2-й день 69 73 1141 1020 "1 426 385 ■ч

3-й день 69 60 577 560 ч 449 360 20|

4-й день 59 57 1031 970 ч 252 236 ч

5-й день 66 61 1106 1020 ч 513 492 ч

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 stium) - 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, H2S, NH3 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.

а)

Рисунок 11 - Технологические схемы обработки свиноводческих стоков с

применением вакуум-эжекционной установки: а) с использованием оепаратора; б) с использованием также центрифуги;

1- отстойник-накопитель; 2 - насос с измельчающим механизмом; 3 - вакуум-эжекционная

установка; 4 - сепаратор; 5 - установка лля комностирования; 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 11,6руб/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-наразитологических 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, A.C. Перспективы применения вакуум-эжекционного метода для обеззараживания свиноводческих стоков/ A.C. Коршева// Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова-2011.-№3- С.124-127.

2. Коршева, A.C. Вакуум-эжекционный метод обеззараживания сточных вод свиноводческих хозяйств/ А.С.Коршева// ЭКиП: Экология и промышленность России-2011.-Х«8 С. 14-15.

3. Коршева, A.C. 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, A.C. Применение вакуум-эжекционного метода для очистки сточных вод свинокомплексов [Текст] / В.А. Минко, И.Н. Логачев, С.Е. Печерский, A.C. 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. - 4.1. - С.117-119. (автор - 40%).

5. Коршева, A.C. Альтернативный способ снижения негативного влияния на окружающую среду свиноводческих стоков [Текст] / В.А Минко, И.Н. Логачев, С.Е. Печерский, A.C. 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, A.C. Применение вакуум-эжекционного метода для снижения негативного влияния свиноводческих стоков на окружающую среду [Текст] / A.C. Коршева, В.А. Минко, A.M. 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 60x84/16. 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

61 12-5/2145

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Белгородский государственный технологический университет им. В.Г.

Шухова»

КОРШЕВА АНАСТАСИЯ СТАНИСЛАВОВНА

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ВАКУУМ-ЭЖЕКЦИОННОГО МЕТОДА ДЛЯ ОБЕЗЗАРАЖИВАНИЯ ЗАГРЯЗНЕННЫХ ЯЙЦАМИ ГЕЛЬМИНТОВ СТОЧНЫХ ВОД

Специальность 05.23.04-«Водоснабжение, канализация, строительные системы охраны водных ресурсов»

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

На правах рукописи

Научный руководитель д-р техн. наук, профессор Минко Всеволод Афанасьевич

На правах рукописи

КОРШЕВА АНАСТАСИЯ СТАНИСЛАВОВНА

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ВАКУУМ-ЭЖЕКЦИОННОГО МЕТОДА ДЛЯ ОБЕЗЗАРАЖИВАНИЯ ЗАГРЯЗНЕННЫХ ЯЙЦАМИ ГЕЛЬМНТОВ

СТОЧНЫХ ВОД

Специальность 05.23.04 - «Водоснабжение, канализация, строительные системы охраны водных ресурсов»

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель д-р. техн. наук, профессор Минко Всеволод Афанасьевич

Оглавление

Введение........................................................................... 6

Глава 1. Обзор работ по существующим методам

12

обработки сточных вод.............................................................

1.1. Анализ существующих методов обеззараживания сточных 13

вод............................................................................................

1.2. Основная область применения вакуумно-эжекционного метода

93

обработки питьевых и сточных вод...................................................

1.3. Принцип действия вакуум-эжекционного аппарата................... 26

1.4. Применение вакуумно-эжекционного метода для эффективного

оо

обеззараживания питьевых и сточных вод..........................................

30

Выводы по главе 1.................................................................

Глава 2. Расчет технологических параметров вакуум-

эжекционного аппарата для обработки концентрированных

32

сточных вод.........................................................................................

2.1. Анализ рабочего процесса в вакуум-эжекторе...................... 32

2.2. Гидравлический расчёт вакуум-эжекционного аппарата............ 40

2.3. Двумерная математическая модель эжектора, учитывающая 48

двухфазность потока......................................................................

Выводы по главе 2................................................................

Глава 3. Экспериментальные исследования по

57

обработке концентрированных сточных вод.......................

3.1. Методика проведения эксперимента по определению

57

гидравлических параметров установки...............................................

3.2. Методика проведения эксперимента по обеззараживанию концентрированных сточных вод от яиц гельминтов............................. 66

3.3. Экспериментальные данные по обработке концентрированных сточных вод вакуум-эжекционным методом с кавитационным 68 воздействием...............................................................................

3.3.1. Обеззараживающий эффект вакуум-эжекционной обработки 68 концентрированных сточных вод......................................................

3.3.2. Исследование осадка........................................................ 73

3.3.3. Данные по обработке вакуум-эжекционным методом 78 хозяйственно-бытовых сточных вод на очистных сооружениях г. Алексеевка..................................................................................

3.4. Оценка достоверности результатов....................................... 80

о 1

Выводы по главе 3.................................................................

Глава 4. Разработка рекомендаций, технологических

схем при использованием вакуум-эжекционной установки

83

для обеззараживания от яиц гельминтов свиноводческих стоков.............................................................................

яч

4.1. Разработка рекомендации................................................... °

4.2. Технологические схемы обработки сточных вод с последующим

я^

тт.-тт.^тт^з.-.тзанием стоков на полях орошения.......................................

иоиилвоиис

. 97 Выводы по главе 4.................................................................

Глава 5. Оценка экономической эффективности обеззараживания сточных вод свиноводческих хозяйств от

99

яиц гельминтов...............................................................

5.1. Оценка величины предотвращенного экологического ущерба..... 101

5.2 Расчёт затрат при внедрении вакуум-эжекционной установки для обеззараживания свиноводческих стоков, от яиц гельминтов

производительностью 240 мЗ/сутки (86400 мЗ/год)............................... 104

5.3. Расчет показателей эффективности инвестиционных

проектов...................................................................................... ^^

1 1 3

Выводы по главе 5................................................................

114

Заключение....................................................................................

Список литературы......................................................... 115

1 О/Г

Приложение 1 ........................................................................

Приложение 2............................................................................................................................................140

Приложение 3............................................................................................................................................141

Приложение 4............................................................................................................................................142

Приложение 5............................................................................................................................................143

Приложение 6............................................................................................................................................145

Приложение 7............................................................................................................................................147

Приложение 8............................................................................................................................................149

Приложение 9............................................................................................................................................150

Приложение 10.....................................................................................................................153

Приложение 11..........................................................................................................................................154

Приложение 12..........................................................................................................................................155

Приложение 13..................................................................... 156

Введение

Актуальность темы. Рост городов, строительство новых заводов, фабрик, животноводческих комплексов на промышленной основе приводит к образованию огромного количества стоков, которые являются основным источником микробного загрязнения поверхностных вод, подземных водоносных горизонтов, питьевой воды и почвы, что является фактором риска распространения возбудителей инфекций.

Интенсивность загрязнения сточных вод по микробиологическим

показателям приведена в табл. 1.1.

Таблица 1.1

Интенсивность загрязнения сточных вод по микробиологическим

показателям [83]

Микробиологические показатели

№ Вид сточных вод Общие колиформные бактерии, КОЕ/100 мл Колифаги, БОЕ/100 мл Вирусы, БОЕ/100 мл Сальмонеллы, КОЕ/л

1 Хозяйственно-бытовые сточные воды 106-108 103-104 доЮ3 102-106

2 Городские сточные воды 105-107 103-104 ДоЮ3 103-104

3 Сточные воды животноводческих комплексов 108-109 ю7 107 ю5

При этом все перечисленные виды сточных вод могут содержать патогенные микроорганизмы, в частности яйца гельминтов. Наиболее опасными с точки зрения обсеменённости яйцами гельминтов являются

сточные воды животноводческих комплексов.

Развитие промышленного животноводства в РФ, в частности Белгородской области, благодаря благоприятным климатическим условиям, выгодному географическому положению, значительному производственному,

в

экономическому и кадровому потенциалу в последнее время получило широкое распространение. 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 сброс свиноводческих стоков с комплексов и ферм на 2010 год составлял более 4124 тыс.м3 в год, а к 2012 году увеличится до 4659 тыс.м3 в год [32].

Поэтому, чтобы избежать загрязнения окружающей среды и обеспечить санитарно-гигиеническую и эпидемиологическую безопасность, сточные воды необходимо эффективно утилизировать и обеспечить 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 в земледелии, т.е. подача на поля орошения. Однако широкое применение сточных вод указанного типа ограничивается отсутствием надёжных экологически безопасных методов их обеззараживания, и в частности, от яиц гельминтов, которые определяют I класс опасности сточных

вод.

Проблема обеззараживания концентрированных сточных вод свинокомплексов не полностью решена в Белгородской области. По результатам санитарно-гельминтологического контроля сточных вод промышленного животноводства за 2007 год, в Белгородской области 43,2 % (см. прил. 1) проб, очищенных сточных вод содержали жизнеспособные яйца

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.

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.

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 паразитов; определении необходимых конструктивных параметров вакуум-эжекционного аппарата, создающих условия, наиболее интенсивного воздействия на яйца гельминтов.

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 suurri) 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 тестированных 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).

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.

Глава 1. Обзор научных работ по существующим методам обеззараживания сточных вод

Очистка сточных вод представляет собой комплексный технологический процесс с использованием механических, химических или физико-химических и биологических методов, выбор которых зависит от исходного состава и требований к качеству очищенных вод, технических возможностей, природных

условий и экономических выгод.

Одним из обязательных этапов очистки любых сточных вод является этап обеззараживания. Эффективность обеззараживания существенно зависит от качества поступающего стока. Основное значение имеет вид и уровень микробного загрязнения, способ дезинфекции, доза, время контакта, условия внесения дезинфектанта, степень смешения и т.п. Кроме того, в зависимости от используемого способа дезинфекции имеют значение рН, температура воды, концентрация взвешенных веществ и другие факторы.

Для хозяйственно-бытовых сточных вод характерно относительно стабильное качество (при соблюдении норм водопользования). Эти стоки отличаются высоким уровнем микробного загрязнения на фоне значительной концентрации взвешенных частиц и органических веществ. Поэтому перед обеззараживанием необходима их механическая и биологическая очистка.