Повышение энергетической эффективности переработки отходов животноводства в биогазовой установке с обеззараживанием шлама тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Телюбаев Жаслан Барлыкович

• Телюбаев Жаслан Барлыкович
• кандидат наук
• 2024

Оглавление диссертации кандидат наук Телюбаев Жаслан Барлыкович

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1. 1 Состояние развития животноводства в России

1.2 Особенности и способы переработки отходов животноводства

1.3 Биогазовая технология в переработке отходов животноводства

1.4 Особенности метода гидродинамической кавитации

Выводы и задачи исследования

Глава 2 ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ОБЕЗЗАРАЖИВАНИЯ В КАВИТАЦИОННОМ ПОЛЕ ПРИ АНАЭРОБНОЙ ПЕРЕРАБОТКЕ ОТХОДОВ

ЖИВОТНОВОДСТВА

2.1 Оценка энергетической эффективности переработки отходов животноводства

2.2 Исследование энергетических показателей БГУ

2.3 Исследования конструктивных и режимных параметров кавитационного генератора

2.3.1 Исследование конструктивных параметров кавитационного генератора

2.3.2 Исследования режимных параметров кавитационного генератора

2.4 Определение энергетических показателей установки по обеззараживанию шлама

2.5 Математическое моделирование гидродинамической

кавитации в трубке Вентури

Выводы по главе

Глава 3 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

ОБЕЗЗАРАЖИВАНИЯ ШЛАМА В КАВИТАЦИОННОМ

ПОЛЕ

3. 1 Разработка установки для обеззараживания шлама

3.2 Программа и методика экспериментальных исследований

по обеззараживанию шлама в кавитационном поле

3.2.1 Программа экспериментальных исследований

3.2.2 Методика проведения эксперимента по обеззараживанию шлама в кавитационном поле

3.2.3 Разработка лабораторной модели

3.2.4 Схема управления электроприводом центробежного насоса на лабораторной модели

3.2.5 Приборное обеспечение экспериментального исследования

3.2.6 Описание гидродинамической установки по обеззараживанию шлама в кавитационном поле

3.3 Результаты экспериментальных исследовании

3.4 Оценка энергетических показателей обеззараживания шлама по результатам эксперимента

3.5 Математическая обработка экспериментальных данных

3.6 Схема управления насосом

3.6.1 Техническое описание

3.6.2 Схема электрическая

3.6.3 Описание работы электрической схемы

Выводы по главе

Глава 4 ИССЛЕДОВАНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ БИОГАЗОВОЙ УСТАНОВКИ С КАВИТАЦИОННОЙ ОБРАБОТКОЙ ШЛАМА ИМИТАЦИОННЫМ

МОДЕЛИРОВАНИЕМ

4.1 Особенности разработки имитационной модели

4.2 Определение основных параметров имитационной модели

4.3 Разработка имитационной модели функционирования БГУ

4.4 Проверка адекватности математической имитационной модели биогазовой установки с кавитационным генератором

4.5 Результаты моделирования

4.6 Определение экономической эффективности применения кавитационного генератора для обеззараживания шлама

Выводы по главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Приложение

Приложение

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Повышение энергетической эффективности переработки отходов животноводства в биогазовой установке с обеззараживанием шлама»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность исследования. Обеспечение продовольственной безопасности страны в настоящее время является важной задачей. При этом необходимо создавать условия для развития сельского хозяйства, в том числе в животноводстве, включающее в себя следующие отрасли: скотоводство, свиноводство, птицеводство, овцеводство и др.

С развитием животноводства возрастает значимость утилизации отходов, образующихся в процессе жизнедеятельности животных, поскольку наличие патогенных микроорганизмов в отходах животноводства могут загрязнять окружающую среду.

Существуют различные способы утилизации отходов животноводства. В число основных способов утилизации входит биогазовая технология. Данная технология позволит сохранить питательные вещества навоза, когда при других способах переработки они теряются [28, 37, 89].

Биогазовая технология предполагает переработку отходов животноводства с получением биогаза и отработанного шлама, который может быть использован в качестве органического удобрения. Известно, что от 1 т навоза КРС можно получать 45-60 м3 биогаза, который при сгорании может заменить до 48 м3 природного газа, до 42 кг мазута, до 100 кг дров и т.д.

Переработка отходов животноводства в БГУ возможна в психрофильном, мезофильном и термофильном режимах. Исследование качества шлама после биореактора, работающего в мезофильном режиме, показало рост числа патогенных микроорганизмов по сравнению с показателями до переработки отходов животноводства. Полученные таким образом органические удобрения способны заразить почву и сельскохозяйственные угодья в целом.

Анализ известных исследований показывает, что термофильный режим, относительно высокой температурой способен обеззараживать шлам. Однако

данный режим потребует значительный расход энергии на поддержание высокой температуры и процесс переработки отходов становится энергоемким.

Согласно руководящим документам РД-АПК1.10.15.02-17 [59] переработку отходов животноводства рекомендуется проводить в мезофильном режиме БГУ. Однако в этом режиме следует ожидать патогенных микроорганизмов в отработанном шламе и существует необходимость в его обеззараживании.

Таким образом, применение метанового сбраживания вызывает проблемную ситуацию: с одной стороны, позволяет утилизировать отходы животноводства и получать биогаз, а с другой стороны, получаемый в результате сбраживания шлам способен нанести ущерб окружающей среде. В этих условиях важно обеззараживание шлама в процессе переработки отходов животноводства методом метанового сбраживания.

Для обеззараживания различных субстратов существуют физико-химические, химико-биологические и другие методы. На практике известен метод гидродинамической кавитации, который успешно применяется для очистки сточных вод. В биогазовой установке переработка отходов происходит в среде влажностью свыше 95%. Данный метод обеззараживания шлама в кавитационном поле недостаточно изучен в настоящее время и является наиболее актуальным и перспективным.

Степень разработанности темы исследования. Анализ существующих методов утилизации отходов животноводства показывает перспективность анаэробной переработки. В исследование тематики биогазовых технологий существенный вклад внесли следующие отечественные и зарубежные ученые: Андрюхин Т.Я., Баадер В., Беккер М., Блумберг Д., Бондаренко А.М., Васильев Ф.А. Велез Д., Велькин В.И., Гриднев П.И., Гюнтер Л.И., Дихтл Н., Друзьянова В.П., Дубровскис В., Евтеев В.К., Заварзин Г.А., Зейфрид К., Зупанчич Г., Ковалев Н.Г., Ковалев А.А., Крауткремер Б., Линке Б., Маслич В., Мельник Р.А., Някоу С., Панцхава Е.С., Пузанков А.Г., Розенвинкель К., Саплин Л.А., Шмак Д., Шрамков В.М. и др.

Исследование тематики переработки отходов животноводства, как органического удобрения, так и соблюдение требований охраны окружающей среды от загрязнения отходами животноводства, имеет особо важное экономическое и хозяйственное значение. Действительно наличие патогенных микроорганизмов в отходах животноводства требуют обеззараживания их специальным методом после переработки в БГУ.

Перспективным методом обеззараживания шлама, который способен удовлетворить ГОСТу 33380-2015, является гидродинамическая кавитация. Исследованию кавитации посвящены работы ученых Васильевой Н.Б., Дубровской О.Г., Коршевой А.С., Рябчинского А.С. и др.

Для эффективного обеззараживания шлама методом гидродинамической кавитации требуется обоснование конструктивных и режимных параметров генератора кавитации. Следовательно, необходимы исследования, позволяющие установить оптимальные конструктивные параметры кавитационного генератора, выполненного в виде трубки Вентури, для минимизации энергозатрат.

Требуется оценить эффективность переработки отходов в мезофильном режиме БГУ с обеззараживанием шлама относительно термофильного режима, при котором считается полное подавление патогенных микроорганизмов. При этом важную роль играет процесс обеззараживания шлама с оптимальными параметрами гидродинамической кавитации.

На основе вышеизложенного выдвинута гипотеза о том, что качественная утилизация отходов животноводства в мезофильном режиме БГУ возможна с обеззараживанием шлама в кавитационном поле за счет существующих оптимальных параметров гидродинамической кавитации и взаимосвязи конструктивных и режимных параметров генератора кавитации, оказывающие влияние на степень обеззараживания шлама и качество органического удобрения.

Таким образом, разработка технологии утилизации отходов животноводства, способствующая созданию энергосберегающего производства по получению источника энергии в виде биогаза и органического удобрения для повышения урожайности сельскохозяйственных культур и кормовой витаминной

добавки, с соблюдением экологической безопасности является актуальной задачей, имеющее научное и практическое значение.

Цель работы: повышение энергетической эффективности переработки отходов животноводства в биогазовой установке с обеззараживанием шлама в кавитационном поле.

Исходя из поставленной цели, были сформулированы следующие задачи исследования:

1. Обосновать метод оценки энергетической эффективности переработки отходов животноводства при метановом сбраживании в биогазовой установке.

2. Определить энергетические показатели обеззараживания шлама на основе обоснованных параметров кавитационного генератора.

3. Исследовать энергетические показатели метанового сбраживания и гидродинамической кавитации с учетом степени обеззараживания шлама.

4. Произвести оценку энергетической эффективности биогазовой установки с обеззараживанием шлама в кавитационном поле и разработать рекомендации.

Объект исследования: процесс утилизации отходов животноводства с обеззараживанием шлама в кавитационном поле.

Предмет исследования: взаимосвязь энергетических показателей БГУ с обеззараживанием шлама с режимными и конструктивными параметрами кавитационного генератора.

Научная новизна исследований.

1. Предложен метод оценки энергетической эффективности процесса утилизации отходов животноводства в биогазовой установке с обеззараживанием шлама.

2. Создана математическая модель энергетических показателей кавитации на основе установленной взаимосвязи конструктивных и режимных параметров кавитационного генератора.

3. Установлена зависимость степени обеззараживания шлама от конструктивных и режимных параметров кавитационного генератора.

Теоретическая и практическая значимость работы.

Результаты теоретических исследований по обоснованию технологии переработки биомассы в биогазовых установках с использованием гидродинамической кавитации, позволяют установить зависимость степени обеззараживания шлама от скорости потока жидкости и числа циклов обработки.

Полученные результаты позволяют разработать технологию переработки отходов животноводства для повышения качества шлама как удобрения и для эффективности использования биогазовых технологий.

Методология и методы исследования. Теоретическая часть исследования выполнена с использованием методов и методик, применяемых в электротехнологии, физике, математике и биологии. Экспериментальные исследования и их обработка проводились в лабораторных условиях с использованием известных, отработанных методов, современных приборов и оборудования, а также основных положений теории вероятности и математической статистики.

На защиту выносятся следующие положения:

- метод оценки энергетической эффективности переработки отходов животноводства при метановом сбраживании;

- энергетические показатели гидродинамической кавитации для обеззараживания шлама;

- взаимосвязь конструктивных и режимных параметров кавитационного генератора;

- зависимость числа (интенсивности) кавитации от параметров кавитационного генератора;

- экспериментальные данные и их результаты, позволяющие установить зависимость степени обеззараживания от конструктивных и режимных параметров кавитационного генератора и энергетические затраты на обеззараживание;

- зависимость степени обеззараживания шлама в зависимости от параметров кавитационного генератора;

- имитационная модель БГУ для оценки энергетических показателей переработки отходов животноводства.

Личный вклад автора заключается в постановке цели и задач исследования, разработке аналитических выражений, программы и методик проведения экспериментальных исследований, проведении экспериментальных исследований, анализе и интерпретации опытных данных, формулировке выводов и рекомендаций.

Степень достоверности и апробация результатов исследования.

Достоверность работы подтверждена сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований. Основные положения и результаты работы доложены и обсуждены на заседаниях кафедры энергообеспечение и автоматизация технологических процессов ФГБОУ ВО Челябинского ЮжноУральского ГАУ, на Международных научно-технических конференциях: «Достижения науки - агропромышленному производству» г. Челябинск 20152018 гг, на Всероссийском конкурсе на лучшую научную работу среди студентов, аспирантов и молодых ученых вузов Министерства сельского хозяйства РФ проходивший. (г. Москва, Российский государственный аграрный университет -МСХА имени К.А. Тимирязева) в 2017 г., на форуме «Наука будущего - наука молодых» 2017 г, организованный Министерством образования РФ (Нижний Новгород, Нижегородский государственный университет имени Н. И. Лобачевского), на VII научно-практической с международным участием конференции «Чтения И. П. Терских» «Актуальные вопросы инженерно-технического и биотехнологического обеспечения АПК в г. Иркутск в Иркутском ГАУ в 2017 г., на международной научно-практической конференции «Приоритетные направления развития энергетики в АПК» проходящая в г. Курган в Курганском ГАУ в 2017-2018 гг., также результаты работы прошли апробацию при участии в конкурсе «Инженер года» по итогам 2018 года, где работа заняла призовое место.

Публикации. По результатам исследования опубликовано 28 статей, в том числе 4 статьи в рецензируемых научных изданиях, определенных ВАК РФ и

Аттестационным советом УрФУ, из них 3 статьи в изданиях, входящих в международную базу Scopus; получено 2 патента РФ на полезную модель

Структура и объем диссертации. В работе содержится введение, четыре главы, заключение и список использованной литературы, включающего в себя 115 наименований, которые изложены на 157 страницах текста, содержащее 56 рисунков и 7 таблиц и 12 страниц приложений.

ГЛАВА 1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Состояние развития животноводства в России

Стремление к продовольственной безопасности является одним из приоритетных направлений в развитии страны.

Состояние животноводства Российской Федерации можно рассмотреть по данным министерства сельского хозяйства [42] и Федеральной службы государственной статистики (Росстат) [61]. Так, по итогам 2020 года в хозяйствах всех категорий, по оценке, насчитывалось 18,0 млн голов крупного рогатого скота, в том числе коров - 7,9 млн голов; поголовье свиней составило 25,8 млн голов, овец и коз - 21,6 млн. голов, птицы (в сельхозорганизациях) - 432 млн голов.

На рисунках 1.1 и 1.2 показана численность скота по данным на 2018 год

во

5 I

о

2010 2011 2012 2013 2014 2D15 2D15 2017 2D1B 2019 2020 2021

Годы

1. КРС, млн голов 2. Свиней, галн голов 3. Овец и коз, млн голов

Рисунок 1.1 - Изменения численности скота в России по годам

Рисунок 1.2 - Количество производимого на убой скота и птицы (в живой массе) в хозяйствах Российской федерации по годам.

В результате жизнедеятельности животных возникает большое количество отходов, которые чаще всего утилизируются на земельные территории [71, 72].

Расчетное среднесуточное количество экскрементов от одного животного для разных половозрастных групп приведены в таблице 1.1.

Таблица 1.1 - Расчетное среднесуточное количество экскрементов от свиней, КРС и птиц разных половозрастных групп [59]

Половозрастные группы Масса экскрементов, кг

всего в том числе

кал моча

Свиньи

Хряки 11,1 3,86 7,24

Свиноматки:

холостые 8,8 2,46 6,34

супоросные 10,0 2,6 7,4

подсосные 15,3 4,3 11,0

Поросята (возраст, дни):

26-42 0,4 0,1 0,3

43-60 0,7 0,3 0,4

61-106 1,8 0,7 1,1

Свиньи на откорме:

до 70 5,0 2,05 2,95

более 70 6,5 2,7 3,8

Крупный рогатый скот

Быки-производители 40 30 10

Коровы лактирующие стельные (сухостойные) и нетели за два месяца до отёла 55,0 35,0 20,0

Телята:

до 3 мес. 4,5 1,0 3,5

до 6 мес. на откорме до 4 мес. 7,5 5,0 2,5

на откорме с 4 до 6 мес. 14,0 10,0 4,0

Молодняк: телки и нетели

6-12 мес. 14,0 10,0 4,0

12-18 мес. 27,0 20,0 7,0

На откорме:

6-12 мес. 26,0 14,0 12,0

старше 12 мес. 35,0 23,0 12,0

Взрослая птица

Куры:

- яичные родительского стада 0,19 0,13 0,05

- яичные промышленного стада 0,18 0,12 0,05

- мясные родительского стада 0,30 0,21 0,09

Индейки 0,45 0,29 0,16

Утки 0,42 0,34 0,08

Гуси 0,59 0,48 0,12

Молодняк ремонтный

Куры яичные (возраст, недель):

с 1 по 4 0,02 0,02 0,01

с 5 по 9 0,10 0,07 0,03

с 10 по 12 0,18 0,12 0,05

Куры мясные (возраст, недель):

с 1 по 8 0,1 0,1 0,0

9 - 18 (19) 0,2 0,1 0,1

19 (20) - 26 0,3 0,2 0,1

Индейки (возраст, недель):

с 1 по 17 0,38 0,26 0,11

18 - 33 (34) 0,48 0,34 0,14

Гуси (возраст, недель):

с 1 по 3 0,33 0,25 0,08

с 4 по 9 0,48 0,37 0,11

10 - 30 (27) 0,20 0,15 0,04

31 (28) - 34 0,50 0,38 0,11

Утки (возраст, недель):

1 - 7 (8) 0,23 0,18 0,05

8 (9) - 21 0,21 0,16 0,05

22 - 26 0,23 0,18 0,05

8 - 21 (тяжелый кросс) 0,23 0,18 0,05

22 - 28 (тяжелый кросс) 0,25 0,19 0,06

Молодняк на мясо

Цыплята-бройлеры (возраст, недель):

1 - 8 (в клетках) 0,14 0,09 0,04

1 - 9 (на полу) 0,16 0,11 0,05

Индейки (возраст, недель):

с 1 по 8 0,18 0,12 0,05

с 9 по 16 0,36 0,25 0,11

с 9 по 23 0,42 0,29 0,13

Гуси (возраст, недель):

с 1 по 3 0,35 0,27 0,08

с 4 по 9 0,48 0,37 0,11

Утки (возраст, недель):

с 1 по 8 0,23 0,18 0,05

Общее микробное число свежего подстилочного навоза крупного рогатого скота составляет от 2,0-106 до 6,0-106 КОЕ/г, а бесподстилочного - более 29,0 106 КОЕ/г. Уровень микробной загрязненности нативного свиного навоза колебался от 2,6-107 до 5,0 109 КОЕ/г. [6].

Необеззараженный навоз содержит болезнетворные бактерии, которые попадая в почву, загрязняют подземные воды и ухудшают экологическую обстановку; при этом остается запах, мешающий нормальной жизнедеятельности человека. Помимо патогенных микроорганизмов в навозе могут содержаться семена сорных растений, которые, попадая на поля, оказывают отрицательное влияние на культурные растения [10, 57].

Негативное воздействие отходов жизнедеятельности животных на окружающую среду можно снизить путем переработки его на основе малоотходных и безотходных технологий для получения удобрений, при этом решается проблема утилизации отходов и появляется дополнительный источник дохода [12, 18].

Отходы животноводства могут быть использованы в качестве удобрений земельных угодий, поскольку являются ценным органическим удобрением, содержащим практически все необходимые компоненты для минерального питания растений. Однако, отходы животноводства являются и потенциальным источником распространения возбудителей болезней, поэтому основной задачей любого способа переработки отходов животноводства является борьба с патогенной и условно-патогенной микрофлорой [76].

1.2 Особенности и способы переработки отходов животноводства

В мировой практике известно большое количество способов технологий переработки отходов животноводства, которые показаны на рисунке 1.3.

Рисунок 1.3 - Технологии переработки отходов животноводства К основным известным методам утилизации сельскохозяйственных отходов согласно нормативным документам [27, 29, 30] относят: компостирование, пеллетирование, анаэробное сбраживание.

Компостирование является аэробным разложением навоза или других органических материалов. Для поддержания процесса разложения компост следует регулярно перемешивать, обеспечивая доступ кислорода. Окончание процесса компостирования обуславливает завершение разложения компоста. Полученный в результате брожения продукт представляет собой мелкотекстурированный материал без запаха, с низким содержанием влаги, который может быть использован в качестве удобрения.

Недостатками компостирования является: запах во время производства; потери азота, аммиака и других питательных веществ вследствие выщелачивания и гидролиза; медленное высвобождение доступных питательных веществ; достаточно большая занимаемая территория; дорогостоящее погрузочно-выгрузочное оборудование; длительное время обработки; необходимость контроля запахов, влаги и наблюдения за компостом в здании.

Для повышения эффективности компостирования и уменьшения времени переработки сырья применяют вермикомпостирование или использование соответствующих бактерий. Результатом данного способа является качественный биогумус. Значительная продолжительность компостирования, неуправляемость микробиологическими процессами, необходимость отделять червей от биогумуса, сезонность производства, необходимость в больших площадях, существенные потери питательных веществ из-за улетучивания и значительные трудозатраты являются факторами, тормозящими развитие вермикомпостирования.

Пеллетирование или экструзия, превращает свежий навоз в сухой. Навоз прессуют при высоких температурах и давлении, а затем проводят экструзию в штампе с образованием гранул. Готовый продукт (пеллеты) может быть получен в больших количествах и использован в качестве удобрения, кормовой добавки или энергетического топлива.

Недостатками пеллетирования являются: высокие энергозатраты; дорогостоящее оборудование; снижение полезных свойств у конечного продукта; ограничение применения пеллет вследствие высоких затрат на транспортировку и ограниченности рынков сбыта [60, 65, 66].

Анаэробным сбраживанием является разложение навоза в бескислородной (анаэробной) среде, посредствам микроорганизмов, при этом выделяется биогаз, представляющий собой комбинацию из метана (55 - 70 % от общего количества), двуокиси углерода, азота, водорода, окиси углерода, кислорода и сероводорода. Качественная характеристика метана, выделяемого биогазом схожа с природным газом [31, 70].

Преимуществами анаэробного сбраживания перед другими методами переработки отходов животноводства являются:

- производство высококачественного удобрения, содержащее аммиак, являющийся легко усваиваемым компонентом, не загрязняющим поверхностные и грунтовые воды;

- анаэробная переработка уничтожает большинство патогенных микроорганизмов и семян сорных растений;

- анаэробное сбраживание уменьшает неприятные запахи;

- попутное получение биогаза.

Сама биомасса и после ее переработки получаемый биогаз, относится к возобновляемым источникам энергии (ВИЭ) [21, 22, 24, 25]. Большая часть оборудования, использующее в качестве топлива природный газ, бутан, пропан, может быть модифицирована для использования биогаза. Недостатком данного метода являются большие первоначальные затраты [3, 7].

Процесс обеззараживания шлама заключается в уничтожении вирусов и прочих патогенных микроорганизмов. Обеззараживание может быть химическим, физическим, либо физико-химическим. Методы обеззараживания биоотходов представлены на рисунке 1.4.

Химическое обеззараживание основано на применении реагентов, которыми могут выступать: формальдегид, негашеная известь, суперфосфат, серная кислота, гипс и др. Исследованиям процессов химического обеззараживания посвящены работы В.Л. Драгинского, В.Г. Самойловича, Л.П. Алексеева, Н.Ф. Петренко, А.В. Мокиенко. Практически все методы химического обеззараживания являются реагентными.

Рисунок 1.4 - Методы обеззараживания биоотходов

Принцип обеззараживания реагентами базируется на воздействии на окислительно-восстановительную систему, биомембраны и протоплазму клетки, в результате чего происходит нарушение обмена веществ и гибель микроорганизма. Использование данного метода подвергает опасности загрязнения окружающей среды химическими веществами, обладающими канцерогенными и мутагенными побочными продуктами дезинфекции сильными окислителями [5, 99, 103].

Метод обеззараживания озоном является менее токсичным, однако обеззараживание озоном осложняется большими затратами на электроэнергию высокого напряжения и высокой частоты, повышенной коррозионной активностью озона, а также такими свойствами озона как: токсичность и взрывоопасность озоновоздушной смеси. [5; 40]

Физические методы являются безреагентными, к ним относятся: ультрафиолетовое облучение, гамма-облучение, электрический импульсный разряд, виброакустический, термический, кавитационный и другие способы.

В работах [59; 84] описан метод обеззараживания ультрафиолетовыми лучами. Бактерицидное действие УФ-лучей основано на воздействии бактерицидной области длиной волны 200-300 нм на белковые коллоиды и ферменты протоплазмы клеток микроорганизмов, что и приводит к гибели последних. УФ-облучение не приемлемо для использования на отходах животноводства, так как эффективность напрямую зависит от мутности и цветности среды [5, 9, 69].

Радиационный метод обеззараживания основан на применении гамма-лучей радиоактивного изотопа 80С (мощность дозы 7000 Р/мин). Данный метод весьма ограничен по применимости ввиду дорогого оборудования.

При термической обработке сырье подвергается фильтрации, затем осушается в печах и измельчается, жидкая фракция подвергается биологической очистке на аэраторах. Возможно анаэробное сбраживание. Конструктивное решение термической обработки жидкостей представлено в работе В.А. Кокурина, В.М. Котлярова, И.А. Бакулова [4]

Использование переменного электрического тока с напряжением на электродах от 450 до 500 В позволяет доводить температуру до 95 °С. При плотности тока 0,27 А/см2, нагреве обрабатываемой массы 329 кал, времени выдержки 108 с, pH рабочей среды 6,4 обеспечивается полное обеззараживание навоза [29].

Использованию кавитационного воздействия для обеззараживания посвящены работы В.М. Ивченко, В.А. Кулагина, Н.Ф. Немчина, И.М. Федоткина, О.Г. Дубровской, Ю.А. Степкиной, А.А. Степкина. Простота конструкции кавитационных аппаратов и их многообразие способствует развитию изучения и внедрению кавитации в разные сферы техники.

При анализе литературных источников применение кавитационных установок для обеззараживания навоза не было найдено, за исключением работы Коршевой А.С. [40], направленной на промышленное использование кавитационного метода для обеззараживания свиноводческих стоков, доказавшей эффективность кавитации. Дубровская О.Г., Беляев А.Н. доказали обеззараживающий эффект кавитации на примере кишечной палочки и золотистого стафилококка в питьевой воде [5, 26].

Кавитация - это процесс образования парогазовых каверн, обусловленный понижением давления в жидкости до некоторой критической величины [63, 80, 84, 97]. Кавитация сопровождается одновременно протекающими явлениями гидромеханической, химической, термодинамической, электрохимической, электрической и акустической природы [53, 54].

Возникновение кавитации в потоке жидкости происходит следующим образом: газовый пузырек, находящийся в равновесии в невозмущенном потоке, попадает в зону действия растягивающих напряжений, где при некотором значении растягивающих напряжений газовое ядро становится неустойчивым и начинается его быстрый рост, скорость которого регулируется в основном инерционными свойствами жидкости. Расширение пузырька происходит в течение всего времени, пока объем вод, несущий пузырек, находится в зоне действия растягивающих напряжений. Как только пузырек выходит из этой зоны, условия для его роста прекращаются, и он быстро схлопывается. Скорость схлопывания пузырька также регулируется инерционностью жидкости и свойствами содержимого пузырька [5, 16].

В гидродинамике, согласно уравнению Бернулли, увеличение скорости жидкости в узком сечении, вызывает падение местного статического давления. Постепенное увеличение расхода жидкости приводит к понижению давления до критического, равного или близкого к давлению насыщенных паров жидкости, и возникновению кавитации. При установившемся течении жидкости кавитационная зона устойчива в квазистационарном смысле и ее размеры относительно стабильны [5, 55].

Акустической кавитации посвящены исследования И.Е. Эльпинера, М.Г. Сиротюка, Л.Т. Розенберга. Обеззараживающий эффект, достигаемый ультразвуковой кавитацией основан на распространении ультразвука в воде, вокруг объектов, находящихся в ней и имеющих другую плотность. В исследованиях экспериментально установлен обеззараживающий эффект воздействия ультразвуковой кавитации на бактерии кишечной палочки и сальмонелл [40, 105].

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Телюбаев Жаслан Барлыкович, 2024 год

/ /

/

<

34567 891 0 3 + Б 6 7 В 9 г. ГП/С 0

при скорости У2=45 м/с при скорости У2=55 м/с

1040 ^ 1000 980

/ ----- 1540 „ 1520 * 1500 0 1480 1420 —"

/

/ /

/ /

/

№01/с12 п=01/с12

Рисунок 2.7 - Зависимость разности давлений от степени расширения

Из анализа данных рисунка 2.7 следует, что при степени расширения п = 4 и более не происходит значительного изменения разности давлений, важной для процесса кавитации, так как увеличение разности давлений(ДР)наиболее губительно влияет на патогенные микроорганизмы. С ростом п теряется больше энергии, идущей на преодоление сопротивления, таким образом, оптимальным показателем степени расширения будет п= 4.

В целях энергосбережения в процессе кавитации важно исследовать сопротивления, оказываемые потоку жидкости и потребляемой мощности. Сопротивления зависят от конструктивных параметров трубки Вентури.

Коэффициент местного сопротивления диффузора складывается из коэффициента сопротивления трения диффузора £,тр.д и коэффициента сопротивления расширения диффузора £,расш.д [32]:

^д = ^тр.д Нрасшд (2.14)

Коэффициент сопротивления расширения диффузора [32]:

прасш.д = 3.2 • (шЬи)1'25 • — к")2 (2.15)

гдев-угол расширения диффузора; п1-степень расширения: Коэффициент сопротивления трения диффузора круглого сечения [32]:

где X - коэффициент трения, который для трубопроводов рекомендуется определять по универсальной формуле Альтшуля [32]

Л_011<Те+ ТГ (217)

где Яе _ число Рейнольдса;

V

V - скорость воды на прямолинейном участке, м/с; ке - эквивалентная шероховатость трубопровода, принимаемая для стальных трубопроводов [32].

и - кинематический коэффициент вязкости для Ньютоновской жидкости, зависящий от температуры:

0.00000178 2. /оюч

у_-:;,м2/с (2.18)

Подставив уравнения (2.13) и (2.14) в уравнение коэффициента местного сопротивления диффузора (2.12), получим:

(219>

Зависимость коэффициента гидравлического сопротивления от угла расширения диффузора на рисунке 2.8.

Угол диффузора Р,°

Рисунок 2.8 - Зависимость коэффициента гидравлического сопротивления (£,) от угла расширения диффузора (в)

Анализ зависимости показывает, что при степени расширения п=4 и углах расширения диффузора от 15° до 20° ожидается наименьший коэффициент гидравлического сопротивления, а следовательно наименьшие энергетические потери.

Анализируя вышеизложенное, можно сделать вывод о значительном влиянии диаметра горлышка трубки Вентури на интенсивность кавитации. Проведенные исследования позволили выявить конструктивные параметры трубки Вентури: угол расширения диффузора и диаметр узкой части, влияющие на процесс кавитации.

Для исследования взаимосвязи угла расширения и длины диффузора при разных диаметрах узкой части трубки Вентури рассмотрим сечение диффузора (Рисунок 2.9).

Рисунок 2.9 - Сечение диффузора

Для исследования взаимосвязи конструктивных параметров рассмотрим тангенс половины угла диффузора:

(9 =

диф

(2.20)

Если х = —2—, тогда получим

\2/ 2 •¿диф

Если степень расширения п=4, тогда

¿диф

•¿диф

1,5^2

(2.21)

1ап

(!)

(2.22)

Из уравнения 2.20 получим зависимость длины диффузора от угла расширения диффузора при различном диаметре узкой части трубки Вентури (Рисунок 2.10).

х

170

2 160

150

5 140 «

6 130 £

§ 120 5

* 110 х

I 100 «

90

80

15

16 17 18

Угол диффузора (Р), °

19

20

При d2=15 мм При d2=14 мм При d2=13 мм При d2=12 мм При d2=11 мм При d2=10 мм

Рисунок 2.10 - Зависимость длины диффузора (1диф) от угла расширения диффузора (в) при различном диаметре узкой части трубки Вентури (ё2).

Анализ данных показывает, что при изменении угла расширения

диффузора от 15° до 20° происходит увеличение длины диффузора, и,

следовательно, увеличение размеров конструкции.

Результаты исследования конструктивных параметров и их

взаимосвязь показали, что необходимо выбирать диаметр в узкой части

трубки (ё2), диаметр в широком сечении трубки (ё1) и степень расширения

(п), а также угол расширения (в) и длину диффузора (1диф).

2.3.2 Исследования режимных параметров кавитационного

генератора

Процесс кавитации, характеризуется критерием подобия Эйлера и определяется по формуле:

= % (2.23)

Тогда, как число кавитации:

к = 2 • Ей (2.24)

к = ^ (2.25)

р."2 V )

Рост скорости потока жидкости приводит к росту энергопотребления, а также к разрыву сплошности струи. Для этого требуется исследование энергетических затрат на процесс кавитации.

Для определения энергетических показателей кавитационного генератора составим уравнение мощности, потребляемой двигателем кавитационного генератора (Ямощнкав.):

^мощн.кав. ^мощн.Я + ^мощн.г + ^мощн.ЛЯ + ^мощн.х.х.' (2.26)

где ЯмощнН - мощность, идущая на повышение напора жидкости, Вт;

^мощн.г - мощность, затрачиваемая на преодоление гидравлических сопротивлений, Вт;

РмощнЛН - мощность, затрачиваемая на создание остаточного напора Вт;

Рмощнхх. - мощность, затрачиваемая на преодоление потерь энергии в электродвигателе, ременной передачи и подшипниках (мощность холостого хода), Вт.

Мощность, потребная для повышения напора жидкости

Рмощни = (2.27)

мощн." 1000 V У

где р - плотность жидкости, кг/м3;

ел- объемный расход жидкости, м3/с; д - ускорение свободного падения, м/с2; — - теоретический напор, создаваемый ротором, м. Мощность, затрачиваемая на преодоление гидравлических сопротивлений

р = л-Х^ (2 98)

мощн.г 1000 '

где Х^ - суммарные потери напора, м.

Мощность, затрачиваемая на создание остаточного напора

РМощн.АН = (2.29)

Мощность Рмощнхх, на преодоление механических потерь в двигателе и передачах может быть выражена в процентах от полезной мощности и учтена механическим КПД установки.

Подставив выражения (2.27-2.29) в выражение (2.26) получим:

р = Р-д-(2 30)

1 мощн.кав. „ 1ппп'

Чмех

где цмех - механический КПД установки.

Анализ выражения 2.30 показывает, что основными режимными параметрами, влияющими на мощность кавитационного генератора, являются: расход жидкости следовательно, скорость в узкой части трубки Вентури (У2), число кавитации (к), а также падение напора (АР). Следовательно, необходимо провести исследование взаимосвязи режимных параметров кавитационного генератора.

Определим зависимость расхода от числа кавитации, заменив в формуле 2.25 скорость расходом из формулы 2.8

е = -Щ (2-31)

На рисунке 2.11 представлена зависимость расхода жидкости от диаметра узкой части трубки Вентури при разных числах кавитации.

к=0,1 к=0,2 к=0,3 к=0,4 к=0,5 к=0,6 к=0,7 к=0,8 к=0,9 к=1

10 20 30 40 50 60

Диаметр узкой части трубки Вентури ^2), мм

70

0

Рисунок 2.11 - Зависимость расхода потока жидкости от диаметра узкой части трубки Вентури при разных числах кавитации.

На основании рисунка 2.11 и формулы 2.29 можно сделать вывод о том, что с увеличением расхода жидкости необходимо увеличивать диаметр узкой части трубки Вентури в зависимости от заданного числа кавитации.

Для определения энергии, затрачиваемой на работу кавитационного генератора при обеззараживании шлама (£кав = (Я • т)), необходимо найти зависимость между основными режимными параметрами, влияющими на мощность кавитационного генератора (ъ>2, АР, к), и время работы кавитационного генератора (т).

£сав=/(*2, АРЛТкав) (2.32)

где £кав - энергия, затрачиваемая на работу кавитационного генератора при обеззараживании шлама, кВтч.

Исходя из формулы 2.30 - энергия, затрачиваемая на работу кавитационного генератора при обеззараживании шлама будет равна:

£ = —^в (2.33)

КаВ ЧмехЮОО 4 7

где ¡кав - это время работы кавитационного генератора (¡кав = • пц), ч; т1 - время работы кавитационного генератора за один цикл, ч; пц - количество циклов обработки.

Определим зависимость затрачиваемой энергии на кавитационную обработку от общего объема обрабатываемого шлама. Для этого сначала найдем зависимость объема, обрабатываемого шлама от расхода и времени обработки:

Уэфф-Пц =Q•Tl•nц = Q•т (2.34)

где Уэфф - объем обрабатываемого шлама, м3. На основании формул 2.31 и 2.32 получим

^ = р • а^н • уЭфф -Пц кав = Чмех-1000

(2.35)

На рисунке 2.12 представлена зависимость объема шлама от затрачиваемой энергии на обработку в кавитационном поле, при разных количествах циклов.

Рисунок 2.12 - Зависимость затрачиваемой энергии на обработку в кавитационном поле от объема шлама при разных количествах циклов

Полученная выше зависимость, позволяет определить количество затрачиваемой энергии, зная объем шлама и количество циклов обработки.

Выразим из формулы 2.31 зависимость энергии от скорости в узкой части трубки Вентури, получим:

= р-я-я-я-^ (2.36)

На рисунке 2.13 представлена зависимость скорости от затрачиваемой энергии на обработку в кавитационном поле, при разной продолжительности процесса.

30

25

- 20

г

*

н П

а

к 15

и а

и

х

Л 10

1=24 ч 1=20 ч 1=16 ч 1=12 ч 1=8 ч 1=1 ч

20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50 52 54 56 58 60 62 64 66 68 70

Скорость, м/с

5

0

Рисунок 2.13 - Зависимость затрачиваемой энергии на обработку в кавитационном поле от скорости потока жидкости в узкой части трубки Вентури при разной продолжительности процесса. Из рисунка 2.13 можно определить количество затрачиваемой энергии, зная скорость и время обработки шлама.

Объём метантенка, м3

Кэфф, при пц=10 Кэфф, при пц=9 Кэфф, при пц=8 Кэфф, при пц=7

Кэфф, при пц=6 Кэфф, при пц=5 Кэфф, при пц=4 — Кэфф, при пц=3

Кэфф, при пц=2 — Кэфф, при пц=1

Рисунок 2.14 - Зависимость коэффициента энергетической эффективности обеззараживания от объема метантенка.

Из рисунка 2.14 видно, что для определения времени обработки, необходимо знать объем обрабатываемого шлама, который зависит от конкретной установки и количество циклов обработки, которое определяется исходя из необходимой степени обеззараживания.

Степень обеззараживания шлама можно определить по формуле:

Е = (2.37)

где С0 -исходная концентрация микроорганизмов, КОЕ/гр; Сп -концентрация микроорганизмов после п-ого цикла воздействия, КОЕ/гр.

Для определения данных параметров необходимо провести эксперимент.

Выявить оптимальные значения скорости потока и давление в горловине, а также подобрать конструктивные параметры трубки Вентури позволит математическое моделирование в специальном программном комплексе.

2.4 Определение энергетических показателей установки по обеззараживанию шлама

Для оценки определения коэффициента энергетической эффективности обеззараживания (формула 2.2) необходимо определить удельную мощность кавитационного генератора. Но для начала определим пограничные условия интенсивности кавитации.

В зависимости от числа кавитации можно различать четыре вида потоков [8, 48]: суперкавитационный (^<<1), пленочный - с устойчивым отделением кавитационной полости от остального сплошного потока (пленочная кавитация) (^<1), кавитационный - (двухфазный) поток (^ ~1), докавитационный - сплошной (однофазный) поток (^>1).

Изменение скорости потока жидкости в трубке Вентури, согласно (2.6) оказывает влияние на число (интенсивность) кавитации. На рисунке 2.15 представлена зависимость числа (интенсивности) кавитации от скорости потока жидкости в узкой части (горловине) трубки Вентури.

Согласно литературе, кавитация появляется при числе кавитации равно 1 и ниже, также известно, что кавитация переходит в режим «суперкавитации» и будет значительно увеличено потребление электрической энергии на создание кавитационного поля. Следовательно, возьмем диапазон от 1 до 0,47 числа кавитации, который равен диапазону скорости от 26 до 38 м/с.

20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50 52 54 56 58 60 62 64 66 68 70

Скорость в узкой части трубки Вентурн (Л 2), м/с

Рисунок 2.15 - Зависимость числа кавитации от скорости жидкости

в узкой части трубки Вентури

Анализ зависимости числа кавитации от скорости жидкости в узкой части трубки показывает, что с увеличением скорости число кавитации уменьшается, а её интенсивность увеличивается. Изменение числа кавитации происходит нелинейно, поэтому режимные параметры необходимо подбирать исходя из неравенства (2.1).

Рисунок 2.16 - Зависимость затрачиваемой энергии на обработку в кавитационном поле от скорости потока жидкости при разных диаметрах

узкой части трубки Вентури.

Приведенные зависимости показывают, что при диаметре узкой части трубки Вентури равной 10 мм потребная мощность находится в пределах от 0,30 до 0,45 кВт. При большем диаметре равной 15 мм потребная мощность составляет 0,7 ... 1 кВт, при 20 мм - 1,2 ... 1,75 кВт и т.д.

Анализ данных показывает, что увеличение диаметра узкой части трубки Вентури для повышения производительности кавитационного генератора (соответственно обеззараживания шлама) приводит к росту потребляемой мощности. Так увеличение диаметра в 1,5 раза приводит к росту потребной мощности в 2 раза, а при увеличении диаметра в 2 раза потребная мощность вырастет в 4 раза.

Таким образом, увеличение производительности обеззараживания шлама за счет увеличения диаметра узкой части трубки Вентури приводит к быстрому росту потребляемой мощности. Рост производительности обеззараживания шлама только за счет увеличения диаметра трубки

приводит к значительным энергозатратам и снижает энергоэффективность технологического процесса.

2.5 Математическое моделирование гидродинамической кавитации в

трубке Вентури

Математическое моделирование конструктивных параметров кавитационного генератора возможно с помощью программного комплекса FlowVision. Лицензия FlowVision получена в рамках программы «Учись, студент!» для студентов и аспирантов [68].

ПК FlowVision предназначен для моделирования трехмерных течений жидкости и газа, а также их визуализации методами компьютерной графики. Для использования указанного программного комплекса достаточно задать геометрические параметры объекта, исходные данные (давление, скорость и др.), построить сетку, установить искомые параметры.

Анализ движения среды, смоделированный ПК FlowVision позволит:

1. моделировать движение жидкости в трубе Вентури;

2. определить режимные параметры кавитационного генератора для разных конструктивных параметров трубки Вентури.

Исходными данными для расчёта являются: общий объём шлама, подлежащих обеззараживанию, его химический состав и концентрация кишечной палочки.

Для численного моделирования кавитации необходимо задаваться гидродинамическими параметрами - скоростью и давлением на входе и на выходе соответственно, с учетом ранее исследованных формул.

Для выбора оптимальных конструктивных параметров было проведено моделирование с вариацией диаметра горловины ^2) от 10 мм до 15 мм. Исследование трубки Вентури с диаметром d2менее 10 мм не актуально, поскольку узкая часть трубки с таким диаметром будет забиваться шламом вследствие того, что органические отходы измельчаются до 10 мм [5, 39].

На рисунке 2.17, в качестве примера представлена трубка Вентури с углом конфузора 40°, диффузора 20° и диаметром узкой части 10 мм.

Рисунок 2.17 - Пример конструктивного исполнения трубки Вентури

На рисунках 2.18 и 2.19 представлены результаты визуального и численного моделирования кавитации в трубке Вентури в зависимости от

диаметра горловины.

Ипфо [Давление]

Гш

Цвет Значоые

| 2&1ШГ"'

| -2с-003

-2 4е+009

-4.6е-*009

•б.&ИЮЭ

9е+00Э

•1.128*010 | -1.34е+010

■ -1.56е-010 ■ м.78е*010 -2е«010

м|

»«я

<> т

• т

» т

¿2=15 мм

Рисунок 2.18 - Визуальный результат математического моделирования в ПК FlowVision кавитации в трубке Вентури в зависимости от диаметра горловины

Рисунок 2.19 - Результаты математического моделирования процесса кавитации в трубке Вентури Результаты визуального (рисунок 2.18) и численного (рисунок 2.19) моделирования показывает, что уменьшение диаметра узкой части трубки Вентури приводит к наибольшей разности давлений и соответственно к более эффективному обеззараживанию (чем давление выше, тем краснее жидкость, чем давление ниже, тем больше преобладает жидкость синего цвета). Из исследуемых диаметров наиболее эффективной является трубка Вентури с диаметром горлышка 10 мм, что объясняется большей разностью давлений.

Математическое моделирование режимных и конструктивных параметров показало, что наиболее эффективным обеззараживанием обладает кавитационный генератор типа труба Вентури с диаметром горлышка 10 мм, при котором происходит резкий скачок давления в диффузоре и температуры, которые вызывают гибель микроорганизмов. Дальнейшее уменьшение диаметра не целесообразно, вследствие наличия в шламе частиц, диаметром до 10 мм.

На основании вышеизложенных исследований разработана номограмма для определения конструктивных и режимных параметров, с учетом ограничения энергетических затрат на кавитацию (Рисунок 2.20).

Рисунок 2.20 - Номограмма для определения конструктивных и режимных параметров.

Разработанная номограмма позволяет, исходя из заданных конструктивных и режимных параметров, определять характеристику процесса кавитации и энергетические затраты на ее проведение, с учетом её ограничения.

Зная расход жидкости и диаметр узкой части трубки Вентури по номограмме определяем скорость в узкой части трубки Вентури, число кавитации, разность давлений и затраты энергии на обеззараживание.

Выводы по главе

1. Определены условия эффективной утилизации отходов животноводства с использованием кавитационного генератора в составе биогазовой установки.

2. Выявлены конструктивные параметры кавитационного генератора: диаметры узкой части и диффузора трубки Вентури, и их соотношение; степень и угол расширения, и длина диффузора, влияющие на процесс кавитации и количество потребляемой энергии.

3. Определены режимные параметры процесса кавитации: скорость жидкости в узкой части трубки Вентури (У2), разности давлений (АР), числа кавитации (к) и времени обработки (¡) и установлена их взаимосвязь.

4. Исследованы энергетические показатели БГУ и предложен показатель энергетической эффективности обеззараживания шлама, зависящие от суточной загрузки метантенка, теплоемкости субстрата, разности температур между термофильным и мезофильным процессами брожения, коэффициента теплоотдачи, площадь поверхности реактора и КПД процесса переработки.

5. Для повышения производительности обеззараживания шлама не следует увеличивать диаметр узкой части трубки Вентури, поскольку это приводит к значительному росту мощности, что снижает энергоэффективность технологического процесса.

6. Для исследования эффективности процесса переработки и обеззараживания отходов животноводства необходимо определить зависимость степени обеззараживания от режимных параметров. Для этого требуется проведение экспериментальных исследований.

7. Разработана номограмма для определения скорости в узкой части трубки Вентури, числа кавитации, разности давлений и затраты энергии на обеззараживание предварительно задавшись расходом жидкости и диаметром узкой части трубки Вентури.

ГЛАВА 3 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ОБЕЗЗАРАЖИВАНИЯ ШЛАМА В КАВИТАЦИОННОМ ПОЛЕ

Для подтверждения результатов теоретических исследований, полученных в предыдущей главе необходимо провести экспериментальные исследования. При этом важно оценить качество обеззараживания шлама и определить необходимые параметры данного процесса. Необходимо установить зависимость степени обеззараживания шлама от режимных параметров процесса кавитации.

В ходе экспериментальных исследований производился сбор статистических данных для установления необходимой зависимости, которая позволит прогнозировать степень обеззараживания в зависимости от режимных параметров процесса кавитации.

3.1 Разработка установки для обеззараживания шлама

Принцип работы типовой биогазовой установки приведен на рисунке 3.1. [51]

Рисунок 3.1 - Схема установки для выработки биогаза: 1 - загрузочный бункер; 2 - насос; 3 - биореактор; 4 - устройство для отбора биогаза; 5 -емкость для выгрузки шлама.

Существующая схема установки по выработке биогаза не учитывает обеззараживание шлама. Исследование показывает особенности обеззараживания шлама в кавитационном поле и обосновывает место установки трубки Вентури после биореактора.

Для использования кавитационного поля с целью обеззараживания шлама разработано «Устройство для выработки биогаза и обеззараживания шлама», новизна которого защищена патентом на РФ № 186729) (Рисунок 3.2) [51].

Рисунок 3.2 - Схема установки для выработки биогаза и обеззараживания шлама: 1 - загрузочный бункер; 2 - биореактор; 3 - устройство для отбора биогаза; 4 - насос; 5 - кавитационное устройство; 6 - емкость для выгрузки шлама; 7,8 - трехходовой кран; 9 - обводной трубопровод; 10 -накопительный резервуар.

В установке для выработки биогаза, содержащей загрузочный бункер, биореактор, устройство для отбора биогаза и емкость для выгрузки шлама, предлагается обеззараживание шлама в кавитационном поле, с этой целью после биореактора устанавливаются устройство обеззараживания шлама и насос, соединенные трубопроводом.

В качестве кавитационного устройства может быть использована трубка Вентури. Для более качественного обеззараживания шлам можно обрабатывать повторно в трубке Вентури, в несколько циклов, для этого перед насосом монтируют трехходовой кран, соединенный обводным трубопроводом и смонтированным после кавитационного устройства. Для увеличения объема обрабатываемого сырья на обводном трубопроводе

между трехходовыми кранами возможна установка накопительного резервуара.

Установка работает следующим образом: сырье из загрузочного бункера 1 по трубопроводу подается в биореактор 2, где происходит его анаэробное сбраживание, которое способствует выработке биогаза. Выработанный биогаз по трубопроводу отводится в газгольдер 3. Из биореактора выработанный шлам по трубопроводу перекачивается насосом 4 в кавитационное устройство 5, создающим необходимые условия для обеззараживания.

Результаты исследования обеззараживания шлама показали, что ее бактерицидный эффект зависит от многих факторов, основными из которых являются скорость потока жидкости и число циклов при обеззараживании шлама. В связи с этим возникает необходимость исследования взаимосвязи вышеуказанных параметров и их влияние на эффективность обеззараживания шлама в кавитационном поле.

3.2 Программа и методика экспериментальных исследований по обеззараживанию шлама в кавитационном поле

Экспериментальные исследования состоят из лабораторных исследований по обеззараживанию шлама в кавитационном поле и анализа с обсуждением полученных результатов.

Целью экспериментальных исследований является определение условий обеззараживания шлама в кавитационном поле в зависимости от режимных и конструктивных параметров устройства.

Перед началом эксперимента, для подтверждения результатов теоретических исследований была составлена программа исследований эксперимента и её методика.

3.2.1 Программа экспериментальных исследований

Экспериментальные исследования состоят из следующих этапов: сборки лабораторной установки, проверки работоспособности установки, проведении исследований по обеззараживанию шлама с изменением скорости потока шлама и изменением количества циклов обработки и анализа экспериментальных данных.

Блок-схема программы эксперимента отражен на рисунке 3.3.

Рисунок 3.3 - Блок-схема проведения экспериментальной части

исследования

Программа экспериментальных исследований включает изучение влияния 2-х факторов: скорости потока шлама и количества циклов обработки шлама.

3.2.2 Методика проведения эксперимента по обеззараживанию шлама в

кавитационном поле

В качестве исходного материала для эксперимента в лабораторных условиях использован шлам из действующей биогазовой установки БГУ-100 с горизонтальным биореактором объемом 77 м3. Установка находится в Смоленской области на предприятии АО «Авангард».

На основе известных теоретических и эмпирических исследований гидродинамической кавитации, была разработана методика исследований [34]. В ходе эксперимента важно было определить начало процесса кавитации и определить его начальные режимные параметры. В процессе обеззараживания необходимо отбирать пробы для оценки степени обеззараживания шлама.

Методика эксперимента предусматривает следующий порядок:

• гидродинамическая установка заполняется шламом объемом около 250 дм3(литров);

• кавитационный реактор настраивается на заданный режим работы (по расходу жидкости);

• из бака с исходным материалом берется проба шлама с исходной концентрацией микроорганизмов;

• установка настраивалась на заданную (необходимую) скорость;

• шлам подвергается одно- и многократной обработке;

• после каждого цикла из бака с исходным материалом и бака с отработанным материалом отбирались пробы в стерильную емкость для анализа, емкость плотно закрывалась пробкой и наклеивалась бирка с номером опыта;

• после проведения экспериментов проводилась дезинфекция установки.

Между опытами используемая внутренняя поверхность установки вымывалась моющим средством, ополаскивалась и высушивалась.

Для оценки результатов бактерицидного воздействия кавитационного поля важно произвести оценку степени её влияния на микроорганизмы с помощью тестирования. Оценка степени влияния кавитационного поля на микроорганизмы производилось на E. coli, являющейся фактором отражения биологического и фекального загрязнения, одновременно с этим используется как тест-объект при рассмотрении способов обеззараживания.

3.2.3 Разработка лабораторной модели

Рассматриваемая модель лабораторной установки должна состоять из насоса (расход не менее 500 л/мин и максимальный напор не менее 50 м, для создания эффекта кавитации), трубки Вентури, расходомера, манометра и вакуумметра с мембранным разделителем сред, шарового крана и двух баков для исходного и обработанного материалов (объемом не менее 100 л).

Предлагаемая модель предусматривает следующий порядок работы: из исходного резервуара с помощью насоса шлам подается под избыточным давлением через шаровый кран и расходомер в трубку Ветури, на которой установлены приборы для измерения давления, далее обработанный шлам направляется в приемный резервуар.

Схема кавитационной установки с трубкой Вентури приведена на рисунке 3.4.

2 3 4 5 6 7 5

Рисунок 3.4 - Схема лабораторной гидродинамической установки кавитационного обеззараживания: 1 - исходный резервуар; 2 - насос; 3 -шаровый кран; 4 - расходомер; 5 - манометр; 6 - вакуумметр; 7 -кавитационный генератор (трубка Вентури); 8 - приемный резервуар.

Для безопасной работы на данной лабораторной установке предусмотрена вентиляционная установка для удаления отработанных газов, а также рядом с установкой находится огнетушитель на случай возгорания.

3.2.4 Схема управления электроприводом центробежного насоса на лабораторной модели

Для лабораторной установки необходимо разработать схему управления электроприводом центробежного насоса (рисунок 3.5).

Рисунок 3.5 - Принципиальная схема управления лабораторной установкой кавитационного обеззараживания.

Запуск двигателя осуществляется кнопкой SB1 «Пуск», которая замыкает свои контакты в цепи катушки магнитного пускателя КМ. Вследствие чего на электродвигатель М подается питание. В это время в управляющей схеме происходит замыкание блокирующего контакта КМ который шунтирует кнопку SB1.

3.2.5 Приборное обеспечение экспериментального исследования

Для эксперимента в лабораторных условиях произведена подборка измерительного оборудования, способного работать с шламом [33].

Для измерения давления были выбраны манометры с мембранным разделителем сред ТМ5 (диапазон измерений 0^1,6 МПа, класс точности 1,5) и вакуумметр ТВ5 с мембранным разделителем сред (диапазон измерений 0^1,6 МПа, класс точности 1,5).

3.2.6 Описание гидродинамической установки по обеззараживанию шлама в кавитационном поле

Гидродинамическая установка собрана в лаборатории кафедры энергообеспечения и автоматизации технологических процессов.

Общий вид лабораторной гидродинамической установки кавитационного обеззараживания представлен на рисунке 3.6.

Рисунок 3.6 - Лабораторная гидродинамическая установка кавитационного обеззараживания: 1 - всасывающий трубопровод; 2 - нагнетающий трубопровод; 3 - расходомер; 4 - исходный резервуар; 5 - приемный резервуар; 6 - шаровые краны; 7 - кавитационный генератор (трубка Вентури); 8 - манометр; 9 - вакуумметр

В состав лабораторной установки входят: высоконапорная бензиновая мотопомпа Zongshen HG30 мощностью 7,6 кВт (максимальный расход 750 л/мин, максимальная высота напора 75 м); исходный и приемный резервуары; всасывающий трубопровод и нагнетающий трубопровод, на котором находятся: расходомер; кавитационный генератор типа труба Вентури; шаровые краны; манометр с мембранным разделителем сред ТМ5 (№1), установленный на входе в трубку Вентури; вакуумметр ТВ5 с мембранным разделителем сред, установленный в узком сечении трубки Вентури; после трубки Вентури также установлен манометр с мембранным разделителем сред ТМ5 (№2). Отбор проб производился из бака с исходным материалом и бака с отработанным материалом соответственно до и после кавитационного генератора.

Принцип работы установки заключался в следующем: шлам из исходного резервуара, подавался в нагнетающий трубопровод, откуда насосом через напорный трубопровод поступал в кавитационный генератор. После прохождения шлама через трубку Вентури, обработанное сырье поступало в приемный резервуар. По завершении процесса насос выключался и приемный резервуар опорожнялся.

Кавитационный реактор выполнен из оргстекла, что позволило вести визуальное наблюдение и фотографирование. Для эксперимента было изготовлено три трубки Вентури с разными углами раскрытия диффузора: 60, 120 и 200 (рисунок 3.7).

Отбор проб производился непосредственно из нагнетающего трубопровода.

Рисунок 3.7 - Трубки Вентури Геометрические размеры трубки Вентури подбирались на основе теоретических исследований кавитационного генератора. Рабочая камера трубки Вентури с углом раскрытия диффузора 200 представлена на рисунке 3.8.

Рисунок 3.8 - Рабочая камера кавитационного реактора В проводимых экспериментах определение начала кавитации производилось визуально по проскоку отдельных пузырьков. При переходе

от безкавитационного режима обтекания возбудителей к кавитационному противодавление в сливной линии не создавалось.

Проверка работоспособности лабораторной установки на чистой воде показала возможность создания кавитации, при этом показания манометра №1 4кгс/м2, вакуумметра - 0,5 кгс/м2, манометра №2 - 3,8 кгс/м2. Давление перед трубкой Вентури варьировалось от 2 до 4 кгс/м2.

Скорость воды на входе и выходе из насадки определяется по формуле:

^ср = 7 (3.1)

где Qэ - расход шлама, м3/с;

F- площадь сечения сопла, м2.

Проведенные предварительные эксперименты показали, что для бактерии группы кишечной палочки существует некоторый порог чувствительности к кавитационному воздействию. Так, при скорости потока в канале кавитационного генератора равной 15-19 м/с изменения концентрации микроорганизмов после однократной обработки практически не наблюдалось, а при скорости 26 м/с результат был очевиден. Следовательно, существует такое значение скорости, при котором интенсивность кавитации достигает уровня, способного за один цикл воздействия разрушить микробную клетку.

Целью дальнейшей работы было нахождение порогового значения скорости в канале реактора, за которым наступает бактерицидное действие. Для этого в ходе эксперимента исследовалось изменение концентрации кишечной палочки в зависимости от скорости V, при постоянных значениях температуры воды (16°С). Было отобрано более трехсот проб.

О степени биоцидного действия исследуемых факторов судили по количеству колониеобразующих единиц БГКП, используя «Петритест подложка» (тест на БГКП) изготовленный предприятием НПО «Альтернатива» г. Саратов. При этом «Петритест подложка» помещали на

сутки в термостат с температурой (37 ±1)°С, где ожидали рост микроорганизмов.

Результаты роста микроорганизмов (число выросших колоний) учитывали через 24 часа инкубирования чашек в термостате С. На высев каждого разведения использовали не менее трех чашек с плотной питательной средой.

В каждом эксперименте в качестве контроля высевали исходную культуру микроорганизмов, не подвергавшихся воздействию кавитации. Результаты экспериментов рассчитывали в абсолютных величинах и в процентах по отношению к количеству микроорганизмов, выросших в контрольной пробе.

Далее определяли количество выросших колоний в Петритесте, наблюдаемые в двухкратном увеличении. Определённое количество колоний в каждой пробе было перемножено на четыре, как указано в методике [34]. Полученный результат показан как число колоний на единицу массы (грамм) шлама.

Трехфакторный эксперимент проводился при одинаковых значениях факторов воздействия, и согласно стандартной методике - из каждого полученного образца изготавливалось по три посева [34].

3.3 Результаты экспериментальных исследований

Насколько качественно произошло обеззараживание вычислялось с помощью посева образцов, подвергшихся обработке гидродинамической кавитации, на специально подготовленную питательную среду и выражалось количественной характеристикой подвергшегося обработки шлама.

Среди результатов, полученных после проведения эксперимента, выбирался лучший и определялось оптимальное сочетание факторов, под воздействием которых был достигнут данный результат.

Контроль за концентрацией микроорганизмов осуществлялся через каждый цикл обработки последовательным одномоментным отбором трех

проб из бака с исходным материалом и бака с отработанным материалом, каждый опыт дублировался три раза [1]. Результаты концентраций микроорганизмов в ходе эксперимента приведены на рисунке 3.9.

Рисунок 3.9 - Колонии микроорганизмов, выросшие в питательной среде: 1 - до обработки; 2 - после обработки в кавитационной установке после первого цикла; 3 - после обработки в кавитационной установке после второго цикла; 4 - после обработки в кавитационной установке после третьего цикла.

Последовательность обеззараживание проб шлама в кавитационной установке и исследования проб, прошедших обработку в кавитационной установке на БГКП, отражалась в протоколе испытаний. Полученные данные обрабатывались методом наименьших квадратов.

Результаты анализа отобранных проб представлены в таблице 3.1.

Таблица 3.1 - Экспериментальные данные по оценке эффекта обеззараживания в кавитационном поле

Кол-во циклов Колоний/гр Степень обеззараживания п

Скорость 26 м/с

Исходная 1435 0.000

После 1 цикла 1200 16.376

После 2 циклов 1030 28.223

После 3 циклов 905 36.934

Скорость 31 м/с

Исходная 580 0.000

После 1 цикла 465 19.828

После 2 циклов 350 39.655

После 3 циклов 230 60.345

Скорость 33 м/с

Исходная 440 0.000

После 1 цикла 350 20.455

После 2 циклов 245 44.318

После 3 циклов 230 47.727

Скорость 38 м/с

Исходная 1275 0.000

После 1 цикла 785 38.431

После 2 циклов 480 62.353

После 3 циклов 435 65.882

Анализ данных из таблицы 3.1 показывает, что в процессе обеззараживания с увеличением скорости и числа циклов увеличивается степень обеззараживания. Повышение степени обеззараживания, например,

до 30% можно достичь увеличением скорости с 26 до 38 м/с, либо при 26 м/с при 2-х циклах обработки шлама через трубки Вентури.

Экспериментальные исследования позволили определить пороговое значение скорости потока жидкости утщ=26 м/с, при которой достигается бактерицидный эффект гидродинамической кавитации. По экспериментальным данным установлена зависимость степени обеззараживания от скорости потока жидкости и числа циклов обработки шлама (рисунок 3.10).

90

10

О

26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38

Скорость в узкой части трубки Вентури, м/с

-1 цикл — 2 цикла -3 цикла

Рисунок 3.10 - Зависимость степени обеззараживания от скорости шлама в узкой части трубки Вентури, при различных циклах

Анализ рисунка 3.10 показывает, что с увеличением количества циклов обработки и с увеличением скорости потока процент гибели микроорганизмов повышается. Однако, энергетических затрат на процесс обеззараживания увеличиваются. Вместе с тем можно предположить, что существует такой режим обеззараживания по скорости потока шлама и числу циклов, при котором энергетические затраты будут минимальными.

Необходимость многократной кавитационной обработки объясняется тем, что в кавитационном поле со слабой интенсивностью происходит повреждение наружной мембраны, однако E. coli всё еще может сохранить свою патогенность, добиться гибели микробных клеток можно при многократной обработке.

Таким образом, можно сделать вывод о том, что воздействие в кавитационном поле оказывает обеззараживающий эффект на микроорганизмы, особенно на эукариот. Так как при ударной волне клетка эукариота и кавитационного пузырька соизмеримы, это создает особый обеззараживающий эффект на данный тип микроорганизмов [58].

При скорости шлама в узкой части трубки Вентури равной 26 м/с были проведены опыты по выявлению оптимального угла раскрытия диффузора. На рисунке 3.11 показаны результаты исследования.

Рисунок 3.11 - Зависимость количества колоний патогенной флоры от времени обработки пробы в кавитационном поле при разном раскрытии угла

диффузора

При обеззараживании шлама в кавитационном генераторе, угол расширения трубки Вентури в 20° получился наиболее эффективным, при

котором коли-титр увеличился на один порядок за один проход, а количество колоний E. coli снизилось в 28 раз [58].

Проведенные экспериментальные исследования доказали бактерицидное действие гидродинамической кавитации, экспериментально подтвердили теоретически определенный оптимальный угол диффузора трубки Вентури равный 20°, позволили установить зависимость степени обеззараживания от скорости потока и количества циклов обработки, при этом пороговое значение скорости потока жидкости составило 26 м/с.

3.4 Оценка энергетических показателей обеззараживания шлама

по результатам эксперимента

Для оценки энергетических показателей обеззараживания шлама воспользуемся данными замеров давления и расхода. По полученным данным можно определить потребляемую мощность насоса.

Для определения мощности насоса составим уравнение Д. Бернулли для потока реальной жидкости. В связи с тем, что поток жидкости представляет собой множество элементарных течений, тогда энергопотребление на создание этих течений должно составлять сумму энергий каждой струи:

р и2

е =2+ — +-, м.

У 2в

Представим, что сквозь заданное сечение протекает весовой расход

dG=уИсЬ н/с,

следовательно мощность заданного потока будет представлена в виде:

dN =

( p U2 ^

yUd®, Н-м

У 28

V /

Тогда мощность всего потока будет представлена в виде:

N = J

i 9 л

p U2 z + —+

Ю

V

Y 2g

yUdw = J

f рл

z + —

U

«v y;

YUdw + J-YUd«.

2g I'll D

Согласно закону гидростатики z+— = idem , тогда получим:

z + —

Y

Yud ю =

' z - РЛ

V

Y