Научно-практические основы совершенствования процесса и аппаратурного оформления очистки сточных вод мясоперерабатывающих предприятий

Размещено на http://www.allbest.ru

На правах рукописи

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени доктора технических наук

научно-практические основы совершенствования процесса и аппаратурного оформления очистки сточных вод мясоперерабатывающих предприятий

05.18.12 - Процессы и аппараты пищевых производств

Никифоров Леонид Львович

Москва 2008

Работа выполнена на кафедре «Экология и безопасность жизнедеятельности» Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Московский государственный университет прикладной биотехнологии»

Научный консультант: доктор технических наук, профессор Жуков В.Г.

Официальные оппоненты:

заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор технических наук, профессор Кавецкий Г.Д.

доктор технических наук, профессор Семёнов Е.В.

доктор технических наук Скворцов Л.С.

Ведущая организация: ГНУ Всероссийский научно-исследовательский институт мясной промышленности им. В.М. Горбатова Россельхозакадемии

Ваш отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью учреждения, просим отправлять в указанный выше адрес учёному секретарю совета

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГУПБ.

Учёный секретарь диссертационного совета,

кандидат технических наук, доцент Мотин В.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Одним из направлений приоритетного национального проекта «Развитие АПК» является направление «Ускорение развития животноводства», которое предполагает увеличение выработки мяса и мясопродуктов.

Развитие производительных сил в качестве одной из важных проблем выдвигает защиту окружающей среды и, в частности водных источников, от загрязнений. В число основных задач по защите водного бассейна входят как рациональное использование водных ресурсов, так и очистка стоков до уровня требований к их сбросу в водные объекты.

В процессе производства мясных продуктов в больших количествах используют воду питьевого качества. Высокие концентрации загрязнений производственных стоков мясной отрасли промышленности обуславливают образование при их очистке значительных количеств отходов. Их общей характерной особенностью является повышенное содержание жира, белка и возможность заражённости микрофлорой (в том числе и патогенной). Белково-жировая масса способна быстро загнивать с образованием неприятных запахов, а наличие жиров способствует образованию плотных отложений в резервуарах и на стенках труб.

Учитывая высокое содержание органических и минеральных веществ в производственных стоках мясоперерабатывающих предприятий, сложной задачей является их очистка. Она осуществляется на локальных очистных сооружениях с целью снижения всех показателей до уровня требований, предъявляемых к сточным водам, сбрасываемым в канализационную систему или в водоём.

Как правило, процесс очистки производственных сточных вод сводится к снижению концентрации взвешенных веществ и жиров. Этим достигается защита канализационных сетей от засорения и возможность извлечения из сточных вод для утилизации содержащихся в них ценных веществ (жир, белок).

Сложный состав сточных вод, индивидуальный для разных предприятий мясной отрасли, жёсткие требования к качеству их очистки требуют поиска обобщённой гибкой технологической схемы локальной очистки, формируемой из ограниченного набора оборудования. Такой схемы, учитывающей особенности производства, территориальное расположение, перерабатываемое сырьё, ассортимент выпускаемой продукции и т.д. на нынешний день не существует. Требует решения и другая проблема, связанная с очисткой сточных вод - уменьшение потерь белка и жира со стоками.

Также необходима разработка эффективного очистного оборудования с использованием современных материалов, предлагаемых промышленностью. Применение вспененных пластических масс, в частности пенополиуретана, в качестве фильтрующего материала является перспективным направлением в промышленной водоочистке.

Кроме того, требуют совершенствования вопросы обеззараживания сточных вод и белково-жировой массы, образовавшейся в очистных аппаратах и утилизация последней.

Таким образом, актуальной становится задача разработки, проектирования и применения эффективных очистных сооружений для предприятий мясной отрасли в различных условиях их размещения по отношению к населённым пунктам.

Целью работы является разработка теоретических и практических основ совершенствования процессов очистки производственных сточных вод мясоперерабатывающих предприятий, создание на этой основе локальных очистных сооружений и повышение эффективности их работы.

Для достижения указанной цели поставлены и решены следующие задачи:

Обобщить представления о производственных сточных водах мясоперерабатывающих предприятий, методах их очистки на локальных очистных сооружениях и об эффективности используемого для этих целей оборудования.

Разработать обобщённую гибкую технологическую схему локальной очистки сточных вод и методику выбора её рационального варианта, который позволяет достичь необходимую степень очистки по всем видам загрязнений сточных вод для конкретного профиля предприятия, а также разработать устройство модульного типа.

Исследовать особенности процесса очистки белоксодержащих сточных вод от грубодисперсных примесей и взвешенных веществ, разработать аппаратурное оформление и методику его расчёта.

Исследовать особенности очистки жиросодержащих сточных вод с использованием вспененных полимерных материалов с разработкой физической модели процесса и её аналитическим описанием.

Разработать конструкцию фильтрационной установки для очистки сточных вод от жира и предложить методику её инженерного расчёта на базе экспериментальных данных.

Определить пути утилизации белково-жировой массы, образующейся в очистных аппаратах, предложить способ её рациональной переработки и устройство для его осуществления.

Исследовать возможность использования современных дезинфектантов для обеззараживания сточных вод и белково-жировой массы.

Научная концепция: повышение эффективности локальных очистных сооружений для очистки сточных вод мясоперерабатывающих предприятий за счёт разработки унификации технологических схем и совершенствования очистного оборудования.

Научные положения, выносимые на защиту. Формой реализации предложенной концепции являются следующие научные результаты, защищаемые в диссертации:

математическая модель рационального процесса очистки сточных вод мясоперерабатывающих предприятий на основе обобщённой гибкой технологической схемы с рециркуляцией;

- очистка сточных вод от грубодисперсных примесей фильтрами новой конструкции с сетчатыми и перфорированными конусными поверхностями;

использование для очистки жиросодержащих сточных вод сорбционных фильтров новой конструкции с загрузкой из измельчённых вспененных полимерных материалов;

аналитические и экспериментальные исследования очистки жиросодержащих сточных вод в цилиндрических сорбционных фильтрах с пенополиуретановой загрузкой;

экспериментальные и аналитические исследования дезинфекции белково-жировой массы острым паром;

экспериментальные исследования дезинфекции и флокуляции жиросодержащих сточных вод с использованием полимерных антисептиков.

Научная новизна заключается в следующем:

установлены закономерности процесса очистки сточных вод в зависимости от особенностей предприятий мясной отрасли и разработана обобщенная (базовая) технологическая схема их локальной очистки;

развиты представления о путях организации рационального процесса локальной очистки и о возможности рециркуляции недостаточно очищенных сточных вод;

предложена математическая модель, позволяющая формализовать проектирование очистных сооружений и создать программное обеспечение к ней;

получены аналитические решения для процесса фильтрования производственных сточных вод через сетчатые и перфорированные конические поверхности;

получено аналитическое решение для процесса очистки жиросодержащих сточных вод при прохождении через слой измельченного пенополиуретана, учитывающее процессы фильтрования и адсорбции;

получено экспериментальное подтверждение зависимостей, характеризующих процесс очистки жиросодержащих сточных вод в слое измельченного пенополиуретана;

изучены и обобщены экспериментальные данные о влиянии дезинфектанта «Полисепт-ОП» на обсеменённость сточной воды и белково-жировой массы и на эффективность процесса отстаивания;

предложен способ интенсификации переработки белково-жировой массы и устройство для его осуществления.

Практическая значимость работы. Результаты работы нашли применение в: - «Методике построения технологических схем водоочистки», принятой к внедрению ФГУП ГипроАгропром, - «Методике инженерного расчёта устройства для очистки сточных вод предприятий мясной промышленности от взвешенных веществ», принятой к внедрению ВНИИМП им. В.М. Горбатова, - «Методике расчёта фильтрационной установки с пенополиуретановой засыпкой для очистки зажиренных сточных вод», принятой к внедрению ФГУП ГипроАгропром, - в использовании «Устройства для непрерывной тепловой обработки жидких и пюреобразных продуктов» на ЭМЗ НПО «Комплекс», что имеет документальное подтверждение.

Полученные в диссертационной работе результаты теоретических и экспериментальных исследований включены в рабочие программы курса «Экология» при проведении лекционных и практических занятий для подготовки студентов по специальностям 220301, 280102, 140504, 190603, 260601, 260602.

Апробация работы. Основные положения и результаты исследований, выполненные автором в 1984-2007 гг. были доложены и обсуждены: на Всесоюзной научной конференции «Проблемы индустриализации общественного питания страны», Харьков, 1984 г.; на Международных научно-технических конференциях «Пища. Экология. Человек», Москва, 1995 г., 1997 г., 1999 г., 2001 г., 2003 г.; на научных чтениях памяти академика А.В. Горбатова «Теоретические и практические аспекты применения методов инженерной физико-химической механики с целью совершенствования и интенсификации технологических процессов пищевых производств», Москва, 1996 г.; на научных чтениях памяти профессора Фёдорова Н.Е. «Теоретические и практические аспекты основных положений расчёта процессов и аппаратов пищевых производств», Москва, 1996 г.; на научных чтениях памяти профессора Бражникова А.М. «Теоретические и практические основы расчёта термической обработки пищевых продуктов», Москва, 1997 г.; на научных чтениях памяти профессора Пелеева А.И. «Теоретические и практические аспекты построения и расчёта оборудования пищевых производств», Москва, 1998 г.; на Международной конференции «Продукты XXI века. Технология, Качество, Безопасность», Москва, ВНИИМП, 1998 г.; на 3-ей Всероссийской научной конференции «Физические проблемы экологии», Москва, МГУ им. М.В.Ломоносова, 2001 г; на научных чтениях к 100-летию Фёдорова Н.Е. «Теоретические и практические основы развития процессов и аппаратов пищевых производств», Москва, МГУПБ, 2001 г.; на научных чтениях к 70-летию Горбатова А.В. «Теоретические и практические аспекты применения методов инженерной физико-химической механики с целью совершенствования и интенсификации технологических процессов пищевых производств», Москва, МГУПБ, 2002 г.; на Международной конференции «Индустрия холода в XXI веке», Москва, МГУПБ, 2004 г.

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 70 печатных работ, в том числе монография, справочное пособие, обзорная информация, 4 авторских свидетельства, 6 патентов и решение о выдаче патента, статьи в рекомендованных ВАК отраслевых журналах, сборниках научных трудов и других периодических изданиях.

Структура и объём диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, заключения, основных результатов и выводов, списка литературы и приложений. Основное содержание работы изложено на 283 страницах машинописного текста, содержащего 25 таблиц, 56 рисунков, и 88 страниц приложения. Список литературы содержит 281 наименование работ.

сточный белковый жировой очистка утилизация мясоперерабатывающий

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение

Обоснована актуальность рассматриваемой проблемы и целесообразность исследований, сформулирована цель работы, охарактеризована научная новизна и практическая значимость.

1. Состояние вопроса по очистке сточных вод мясоперерабатывающих предприятий

При выработке мяса и мясопродуктов до 90 % используемых и загрязнённых в процессе производства вод предприятия сбрасывают в канализацию или водоёмы.

Состав загрязнений для стоков предприятий мясной отрасли различен. Превалируют и являются характерными органические примеси, которые представлены главным образом жирами, белками и продуктами их гидролитических превращений.

Особенностью сточных вод мясоперерабатывающих предприятий является наличие белково-жировых включений и существенное бактериальное загрязнение. Содержание загрязнений в сточных водах, как от отдельных цехов так и в общем стоке, колеблется в значительных пределах.

Требования к качеству очищенных сточных вод зависят от условий их отведения. Относительно «мягкие» нормы для условий отведения в городскую канализацию резко контрастируют с нормами для условий отведения в природные водоёмы.

В свою очередь, нормативные требования к качеству отводимых в городскую канализацию очищенных сточных вод существенно отличаются в разных городах, что связано с различной степенью разбавления стоков.

Однако содержание жира во всех случаях лимитируется на весьма низком уровне (20-60 мг/л), что обусловлено необходимостью защиты канализационной сети от жировых отложений и городских очистных сооружений от нарушений в работе систем биологической очистки.

Все сточные воды предприятий мясной отрасли, а также извлечённые из них вещества, оставленные без надлежащей обработки, легко загнивают, создавая неприемлемые в санитарном отношении условия на производстве. Поэтому задержка в обработке сточных вод или несвоевременное направление в переработку извлечённых из сточных вод осадков недопустимы.

Все вышеприведенное предопределяет актуальность поиска эффективных способов очистки сточных вод до показателей, требуемых санитарными нормами.

Анализ состава сточных вод по различным производствам и их вклад в общее загрязнение проведён О.В. Большаковым, Г.Н. Кузнецовой, А.Б. Лисицыным, И.А. Малаховым, О.А. Степановой, С.М. Шифриным, В.В. Шаталовым, Б.В. Щербиной.

Независимо от того, очищаются ли производственные сточные воды мясоперерабатывающих предприятий на собственных сооружениях биологической очистки или направляются в городской коллектор для дальнейшей очистки совместно с бытовыми и другими промышленными стоками, необходимо произвести их локальную (местную) очистку.

Методы локальной обработки сточных вод предприятий мясной отрасли и типы применяемых при этом очистных сооружений зависят от состава и свойств загрязнений, специфики данного производства, режима спуска сточных вод, а также местных условий.

В связи с тем, что промышленные предприятия обладают различными производственными мощностями, а значит и различными объёмами сбрасываемых сточных вод, им требуются очистные сооружения разной производительности, работающие в различных режимах. Для того чтобы правильно подобрать очистное оборудование для конкретного предприятия, необходимо провести его инженерный расчёт.

В практике очистки сточных вод применяется значительное разнообразие аппаратов, часто не имеющих обоснования их использованию. Необходима методика построения технологических схем водоочистки, которые позволят достичь необходимой степени очистки по всем ингредиентам сточных вод при минимальных затратах для конкретного профиля предприятия.

Качественная очистка сточных вод, содержащих органические примеси, возможна лишь при их быстрой очистке от грубодисперсных примесей, в противном случае возможно вторичное загрязнение. Для этого необходимо разработать конструкцию устройства и создать методику его инженерного расчёта.

Сточные воды мясоперерабатывающих предприятий могут быть эффективно очищены от жира в фильтрах с пенополиуретановой загрузкой. Следует разработать конструкцию фильтрационной установки и предложить методику её инженерного расчёта на базе экспериментальных данных.

Белково-жировую массу, образующуюся в очистных аппаратах, целесообразно перерабатывать в полезный продукт. Из-за заражённости микрофлорой, большой влажности, подверженности загниванию, биомассу следует обрабатывать и обезвоживать, для чего необходимо разработать способ её рациональной переработки и устройство для его осуществления.

Для обеззараживания сточных вод целесообразно исследование возможности использования современных дезинфектантов. С целью повышения эффективности очистки сточных вод дезинфекция должна сопровождаться флокуляцией.

Глава 2. Организация рационального процесса очистки сточных вод мясоперерабатывающих предприятий

Сложный переменный и неоднородный состав сточных вод предприятий мясной отрасли, жёсткие требования к качеству их очистки и сложные экономические условия требуют поиска рациональных технологических схем очистки.

На рис. 1 представлена предлагаемая схема очистки сточных вод мясоперерабатывающих предприятий с обеззараживанием белково-жировой массы, основанная на анализе сложившегося в настоящее время положения. Она включает в себя как очистку производственных сточных вод, так и переработку белково-жировой массы в полезный продукт.

Типовые проекты очистных сооружений не всегда оправданы, так как известно, что хорошо функционирующие очистные сооружения на мясоперерабатывающих предприятиях средней мощности будут громоздки и неэкономичны на малых предприятиях и неэффективны на крупных.

Актуальной задачей является выбор такой схемы очистки сточных вод предприятий, которая при минимальных затратах должна обеспечить необходимую степень очистки. В данной работе сделана попытка решить эту задачу, используя многолетний опыт эксплуатации очистных сооружений и данные по эффективности их работы в мясной отрасли.

Для выполнения этой задачи создана база данных, в которую входят сведения об эффективности работы каждого вида оборудования по интересующему показателю качества очистки сточных вод, а также сведения об ограничениях и целесообразности его применения при выбранных условиях эксплуатации.

Опираясь на эту базу данных и материалы СНиП 2.04.03-85 «Канализация. Наружные сети и сооружения», предлагается обобщённая (базовая) гибкая технологическая схема очистки производственных сточных вод мясоперерабатывающих предприятий, представленная на рис. 2.

Один из подходов при выборе рациональной схемы очистки сточных вод заключается в разработке математической модели, которая характеризует эффективность очистных сооружений при минимуме затрат и соблюдении нормативных требований к параметрам очищенной воды.

Для этого следует ввести ряд ограничений, необходимых для построения рациональной технологической схемы очистки сточных вод: во-первых - по количеству очистного оборудования, а, следовательно, величине эксплуатационных затрат; во-вторых по допустимым содержаниям всех видов загрязнений в сточной воде до и после очистки; в третьих - по расходу сточных вод и в четвёртых по габаритам и стоимости рассматриваемого оборудования.

Используя ЭВМ, можно выбрать рациональную схему очистки сточных вод при наличии данных о каждой единице оборудования. Для этого необходимо получить возможность формирования множества схем очистки с различным расположением в них соответствующего оборудования.



Работу любой технологической схемы можно представить в следующем виде (рис. 3).

Рис. 3. Принцип работы технологических схем водоочистки

Пусть исходный сток характеризуется многокомпонентным составом загрязнений с произвольными концентрациями. Обозначим количество компонентов загрязнения как М, тогда концентрацию m-го компонента загрязнения в исходном стоке определим как G_m. Величины концентраций загрязнений очищенной жидкости регламентируются санитарно-экологичес-кими требованиями, поэтому примем, что I_m - допустимая концентрация m-го компонента загрязнения в очищенной жидкости.

Исходя из изложенного, можно сформулировать требования к технологической схеме, состоящей из цепочки очистного оборудования. В частности, технологическая схема должна характеризоваться коэффициентом очистки m-го компонента загрязнения K_m:

Известно, что работу любого очистного аппарата можно оценить по отношению доли выделенных в нём загрязнений G_m - I_m к величине концентрации исходного загрязнения G_m. Это отношение называют степенью очистки _m. При этом справедливо выражение:

Сделав замену, получим зависимость коэффициента очистки аппарата К_m от степени его очистки _m:

К_m = 1 - _m, m=1,2,…, М. (3)

Если в технологической схеме используется несколько очистных аппаратов x одного наименования l, например x_l, то их работу можно определить через коэффициент очистки К_ml.

Последовательность очистных аппаратов можно представить через произведение их коэффициентов очистки m-го компонента загрязнения.

В общем случае, когда в технологической схеме используется L наименований очистных аппаратов, получаем зависимость:

m = 1, 2, …, М; lL (5)

где К_ml - коэффициент очистки технологической схемы, построенной из выбранных аппаратов L наименований, для выделения m-го компонента загрязнения.

Многокомпонентный состав загрязнений стоков, индивидуальный для каждого предприятия, требует и индивидуального подхода к проектированию технологических схем, исключающих применение типовых проектов.

Предлагаемый способ построения технологических схем водоочистки обладает достаточной универсальностью, чтобы на общих принципах получить частное решение, учитывающее специфику работы конкретного мясоперерабатывающего предприятия. Кроме того, в принятии решений полностью исключается субъективный фактор, что, однако, не мешает проектировщику проводить корректировку полученной схемы.

Одним из способов нормализации стока, практикуемым на предприятиях отрасли является разбавление недостаточно очищенной воды до необходимой концентрации. При этом возможна рециркуляция сточной воды.

Учитывая особенности и назначение процессов очистки, можно предложить три возможных способа стандартизации стока по концентрации загрязнения.

На рис. 4-6 приняты следующие обозначения:

С_н - концентрация загрязнений стока, поступающего на очистку; С_к - концентрация загрязнений очищенного стока; С_п - промежуточная концентрация загрязненной воды; С_в - концентрация загрязнений разбавляющей воды; С_р - концентрация загрязнений разбавленного стока идущего на очистку; - степень очистки; q - расход стандартной жидкости; Q - расход стандартизируемой жидкости; V - смеситель.

Условием рациональности способа стандартизации стока будем считать наименьшую концентрацию загрязнений уже очищенного стока С_к, при прочих равных условиях.

При мягких требованиях к качеству очистки и, следовательно, низкой стоимости разбавляющей воды второй способ (рис. 5) стандартизации стока технически предпочтителен. Но, учитывая, что требования к качеству очистки и стоимость разбавляющей воды постоянно возрастают, перспективным является третий способ (рис. 6) стандартизации стока.

Учитывая, что процессы очистки являются продолжением основных технологических процессов, построим схему взаимодействия производства с очистными сооружениями (рис. 7).

Санитарно-экологические нормы регламентируют постоянное значение концентрации загрязнений очищенной жидкости С_к, которое не зависит от цикла работы предприятия и объёма выброса сточной воды. Вторым выпускным параметром очистных сооружений следует считать расход сточной жидкости Q_о.

Рис. 7. Схема производства с очистными сооружениями

Чтобы процесс очистки был организован максимально эффективно, нужно выбрать рациональные параметры очистных сооружений, что целесообразно делать по затратам на содержание очистных сооружений. Условием рациональной организации процесса является минимизация затрат на содержание очистных сооружений определяемая выражением

f(S) = S_к(Q_o) + S_э(е) > min, (6)

где S_к(Q_o) - затраты, связанные с суммарной ёмкостью оборудования, т.е. определяют капитальные затраты и аренду площади;

S_э(е) - затраты, связанные с эффективностью работы применяемого оборудования, т.е. эксплуатационные расходы.

Как было определено выше, из возможных схем стандартизации сточных вод наиболее экономически обоснованным является процесс очистки с рециркуляцией сточных вод (см. рис. 6).

Работа этой схемы может быть описана следующей системой уравнений

где Q_o - расход исходного стока, м³/с;

q - расход воды, направляемой на рециркуляцию.

Определим структуру затрат с учётом коэффициента рециркуляции б в следующем виде

S_к(Q_o) = f[Q(1+б), ф, n, г+N], (8)

где n - количество непрерывно работающих аппаратов;

г - количество усреднителей (накопителей);

N - количество циклично работающих аппаратов.

В результате преобразования выражения (6) получаем математическую модель процесса очистки сточных вод с рециркуляцией в следующем виде

Здесь: f(S) - целевая функция, определяющая сумму расходов на содержание комплекса водоочистки, состоящих из коммунальных и эксплуатационных затрат, [руб./т];

S_о - приведенная величина коммунальных затрат на 1 м³ очистного оборудования за расчётный период времени Т, [руб./м³ ·час],

S_о = Ар + От + Ос,

где Ар - аренда площадей; От - отопление; Ос - освещение.

Q₀ - расход исходного стока, [м³/час];

n - количество аппаратов непрерывного действия;

г - количество усреднителей (накопителей): устанавливается между аппаратами цикличного действия и аппаратами непрерывного действия для согласования их работы;

ц - пространственный коэффициент, учитывающий внешние габариты очистного оборудования V_внеш. по отношению к ёмкости непосредственно содержащей сток V₀, = V_внеш./V₀;

ш - коэффициент, учитывающий величину эксплуатационных расходов действующего оборудования С_д по отношению к величине эксплутационных расходов эталонного оборудования из базы данных С_э:

ф_н - время прохождения стоком i-го аппарата непрерывного действия, час;

ф_ц - длительность технологической операции водоочистки для аппаратов цикличного действия, час;

м - приведенная величина эксплутационных расходов эталонного оборудования, затраченных на обработку 1 м³ в единицу времени при оптимальных режимах [руб./час·м³];

- коэффициент согласования времени, = Т/ф;

б - коэффициент рециркуляции.

В результате анализа выражения (9) рекомендуется принимать коэффициент рециркуляции до значений не более = 0,6.

Выражение (9) было принято за основу при разработке методики построения технологических схем водоочистки, согласованной и принятой к использованию ФГУП ГипроАгропром.

С целью облегчения работы проектировщиков выражение (9) было введено в Excel, что значительно облегчает расчёты.

Глава 3. Очистка сточных вод мясоперерабатывающих предприятий от грубодисперсных примесей и взвешенных веществ

Для расчёта оборудования необходимо знать количество воды, поступающей на очистные сооружения.

Общий объём сточных вод на мясоперерабатывающих предприятиях за смену составляет

Q_общ = Q_т + Q_м + Q_у.ч. (10)

где Q_т - расход воды на технологические нужды, м³;

Q_м - расход воды на мойку

Q_м = Q_об + Q_пом + Q_доп, (11)

где Q_об - расход воды на мойку оборудования, м³,

Q_об = q_г·M + q_х·M, (12)

где q_г - удельный расход горячей воды на мойку оборудования, м³/т мяса;

q_х - удельный расход холодной воды на мойку оборудования, м³/т мяса;

M - мощность предприятия, т/см.

Q_пом - расход воды на мойку полов и панелей, м³.

Q_пом = q₂(F_пол + F_пан) (13)

где q₂ - норма расхода на 1 м² площади, л; F_пол - площадь полов, м²;

F_пан - площадь панелей, м².

Q_доп - расход воды на дополнительную смывку полов и панелей,

Q_доп = q₃(F_пол + F_пан) (14)

q₃ - норма расхода на дополнительную смывку полов на 1 м² площади.

Q_у.ч. - расход условно чистой воды, поступающей в сточные воды предприятия из теплообменных аппаратов, стерилизаторов и т.п.

Проведенный ранее анализ процессов очистки сточных вод и оборудования для их осуществления показывает нецелесообразность использования отстойников на очистных сооружениях мясоперерабатывающих предприятий по следующим причинам: достаточно высокая температура сточных вод и большие концентрации органических загрязнений приводят к бурному росту числа микроорганизмов; большая продолжительность процесса отстаивания при низкой степени очистки вызывает экстракцию из грубодисперсных примесей и взвешенных веществ белковых соединений, что является причиной неоправданного повышения БПК; отстойники занимают большие площади производственных помещений.

Таким образом, при очистке сточных вод мясоперерабатывающих предприятий стоит задача быстрого удаления грубодисперсных примесей и взвешенных веществ.

На рис. 8 представлена установка для очистки сточных вод, разработанная на кафедре «Экология и БЖД» МГУПБ и защищённая патентом РФ № 2142416. Она предназначена для очистки от грубодисперсных примесей и взвешенных веществ преимущественно производственных стоков мясной и пищевой промышленности.



Рис. 8. Устройство для очистки сточных вод. 1 - опорная рама, 2 - кожух слива, 3 - крепление кожуха слива, 4 - входной патрубок, 5 - полка отвода взвесей, 6 - процеживающая (фильтрующая) поверхность, 7- конусный шнек, 8 - лопасти, 9 - вал, 10 - крепление лопастей, 11 - крышка сливного кожуха, 12 - подшипник крепления, 13 - механизм привода.

Эффективность извлечения примесей путем фильтрования на установке не уступает эффективности осветления воды отстаиванием и тем самым открывает возможность исключения из схем очистных станций громоздкого, трудоёмкого в обслуживании и создающего антисанитарные условия отстойного оборудования.

Фильтрование на конических поверхностях имеет ряд преимуществ. Во-первых, работает практически вся поверхность фильтрования, чего невозможно добиться в горизонтальных цилиндрических процеживателях. Во-вторых, установка занимает меньшую площадь. Кроме того, значительно облегчена выгрузка шлама.

Предлагаемое устройство позволяет максимально быстро и качественно осуществлять очистку сточных вод от грубодисперсных примесей и взвешенных веществ. Оно является составной частью установки модульного типа, защищённого патентом РФ № 2292228.

Установка работает следующим образом: необработанная жидкость поступает через патрубок 4 и попадает на фильтрующую поверхность 6. Лопасти 8 конусного шнека 7, вращаясь, поднимают остающийся на фильтрующей поверхности шлам к полке его отвода 5 и, тем самым, очищают фильтрующую поверхность 6. В результате жидкость, проходящая через фильтрующую поверхность 6, попадает на кожух слива 2 и вытекает из установки, а отфильтрованный шлам выгружается через полку 5.

Расчёт составлен для установки очистки сточных вод, представленной на рис. 8.

Скорость фильтрации (15)

где: V_ф - объём фильтрата, м³; S_ф - поверхность фильтра, м²;

- продолжительность фильтрования, с.

Общее сопротивление фильтрованию представим как сумму сопротивлений фильтрующей перегородки _ф.п. и слоя осадка _ос.

= _ф.п. + _ос.

Уравнение Дарси при этом можно записать в дифференциальной форме:

где ДP - избыточное давление, Па.

P = P_ст + P_ц (17)

где P_ст = •g•H, P_ц - давление, образованное центробежной силой F_ц

(18)

(19)

(20)

(21)

Анализ вариантов устройства

Необходимо извлечь твёрдую составляющую из потока Q исходной суспензии в аппарате (рис. 9), состоящим из неподвижного тонкостенного корпуса с конической фильтрующей поверхностью (ФП). При этом осадок выгружается инерционными силами или шнеком со стороны большого основания конуса. Общий объём суспензии V.

Обозначения:

Q, Q_ф, Q_ос - общая объёмная производительность по суспензии, фильтрату и осадку, м³/с; q, q_ф - общая объёмная производительность по суспензии и фильтрату по кольцу единичной высоты; P₀ - избыточное давление суспензии на поверхности осадка, Н/м²; _с, _ф - кинематическая вязкость суспензии и фильтрата, м²/с; _{с ф} = - динамическая вязкость суспензии, фильтрата, Па·с; k_ос, k_с, k -проницаемость осадка, фильтрующей стенки, общая, м²; - пористость осадка; _ос, _с - просветность осадка и фильтрующей стенки; _ф = _ос + _с - толщина фильтрующего слоя, м; _ос, _с - толщина осадка и фильтрующей стенки, м; _с - плотность суспензии, кг/м³ (Н·с/м⁴);

w_ф - «истинная» осреднённая пороговая скорость фильтрата, м/с; w - объёмная скорость фильтрата, м/с; ДT - время очистки суспензии объёмом V через аппарат, с; V, V_ф, V_ос - объём суспензии, подаваемой на разделение, фильтрата, осадка, м³; С - объёмная концентрация твёрдой фазы в суспензии.

Первый вариант условий - сопротивление осадка незначительно (рис. 9 а)

д_ф= д_с = const R_к

Скорость фильтрации определяется по формуле Дарси:

(22)

где P = P_в - P_нар = P₀ - 0 = P₀, P₀ = • g(z₂ - z)

Производительность по фильтрату

(23)

Второй вариант условий-сопротивление сетки незначительно (рис. 9 б, в)

Уравнение Дарси для этого случая будет иметь следующий вид

,

и объёмная производительность по фильтрату

Тогда (24)

и общая производительность по фильтрату

(25)

Третий вариант - распределённый ввод сточной воды (рис. 9 г, д, е)

Исходные зависимости определяются выражениями:

;

где

Отсюда

(26)

Изменение давления в жидкости по r внутри напорного кольца определится формулой

(27)

где dm - масса бесконечно тонкого (dV) кольца жидкости единичной высоты;

1 - единица длины, м.

Тогда из (27) с учётом (26) имеем

где

(28)

Таким образом, получены выражения, которые могут быть рекомендованы для расчёта фильтров с конической фильтрующей поверхностью.



Глава 4. Очистка сточных вод мясоперерабатывающих предприятий от жира с использованием вспененных полимеров

4.1 Аналитические исследования

С учётом особенностей сточных вод мясной отрасли были разработаны (в соавторстве) две конструкции устройств, защищенные патентами РФ (см. рис. 10. и рис. 11.).

В предложенных устройствах для очистки жиросодержащих сточных вод имеется приспособление для снижения скорости потока воды в пристеночной зоне и для осуществления регенерации загрузки.

Стоит вопрос разработки методики инженерного расчёта предложенных конструкций. Общим в них является слой фильтрующей загрузки из вспененного полимера.

Жиросодержащая сточная вода, с начальной, условно постоянной, концентрацией жира C_н, поступает на очистку в цилиндрическую колонну

(фильтрационную установку), с внутренним диаметром d, плотно заполненную пористым материалом, представляющим собой кубики ППУ, на высоту h (рис. 12).

Процесс проходит при постоянном давлении (P= const). Проходя через фильтрующую загрузку, большая часть жира адсорбируется внутри пор ППУ и очищенная жидкость выходит из колонны с конечной концентрацией жира C_к, которая должна быть меньше предельно допустимой концентрации (ПДК) C_ПДК при которой еще разрешён сброс сточных вод. С течением времени ППУ насыщается жиром и перестает его задерживать, причём насыщение происходит послойно по высоте загрузки h (рис. 12).



Рис. 12. Схема процесса очистки сточной воды

Адсорбция жира внутри пор осуществляется благодаря энергии взаимодействия молекул жира с молекулами ППУ, то есть молекулы жира как бы прилипают к стенкам пор, наслаиваясь друг на друга, причём, чем ближе слой молекул жира к стенке поры, тем взаимодействие сильнее. Поэтому сначала загрязняется верхний слой адсорбента, когда жир покрывает в нём большинство пор, энергия взаимодействия между молекулами уменьшается и происходит проскок жира в нижний слой адсорбента и весь процесс повторяется - это называется продвижением фронта загрязнения. Однако это не значит, что концентрации жира под фронтом загрязнения, в условно чистом адсорбенте и на выходе из установки одинаковые.

Высота от поверхности адсорбента до границы фронта называется высотой отработанного слоя адсорбента h_о.с., но под явным (видимым) фронтом загрязнения все равно имеется наличие жира с концентрацией C_i C_к, поэтому весь условно чистый адсорбент на самом деле является загрязнённым. Постепенно фронт загрязнения доходит до конца фильтрующей загрузки (h_о.с. = h) и начинается проскок жира в очищенную воду (наблюдается резкое увеличение C_к), чего нельзя допустить, и нужно остановить работу фильтрационной установки, а адсорбент регенерировать.

Работа фильтрационной установки считается эффективной лишь до тех пор, пока конечная концентрация жира в очищенной воде не превышает ПДК жира, разрешённой к сбросу:

C_к C_ПДК. (29)

Таким образом, процесс очистки жиросодержащей сточной воды состоит из двух одновременно протекающих процессов: фильтрации двухфазной смеси воды и жира через адсорбент и адсорбции им жира.

Рассмотрим поэтапно происходящие процессы. Выделим в пористой среде адсорбента элементарный параллелепипед, ребра которого параллельны осям координат и соответственно равны dx, dy, dz. Обозначим проекции скорости фильтрации на координатные оси x, y, z через u, х, w.

В результате решения ряда уравнений, приходим к известному выражению для одномерной диффузии массы по направлению движения среды вдоль оси z:

Член отражает изменение концентрации жира во времени. С учётом большой длительности процесса фильтрования через слой полимерной загрузки и относительно незначительной концентрации жира уравнение (30) примет вид:

w = D, (31)

где w - скорость фильтрования.

Уравнение (31) представим в виде:

- b = 0, (32)

b = w/D (33)

где b - характеристика процесса, учитывающая скорость фильтрации через адсорбент и коэффициент диффузии жира в адсорбент, м^-1.

Введя обозначение

= y, (34)

уравнение (32) запишем следующим образом:

y^/ - by = 0 (35)

В результате решения уравнения (32) с учётом (33-34) получаем:

Уравнение (36) позволяет на основании экспериментальных исследований определять характеристику процесса b.

Для цилиндрической фильтрационной установки большого радиуса интерес представляет получение решения, когда концентрация жира в адсорбенте распространяется не только по оси z (высоте установки), но и по её радиусу.

В этом случае дифференциальное уравнение, описывающее одновременный процесс диффузии и адсорбции запишем, в виде:

w = D( + ), (37)

где r - текущий радиус цилиндрической фильтрационной установки.

Уравнение (37) необходимо решать при следующем граничном условии: z = 0, C = C_н

Применяя к уравнению (37) преобразования Лапласа, получаем решение в следующем виде:

C = 2C_н ; (38)

где I₀(r_k), I₁(R_k) - функции Бесселя нулевого и первого порядка;

R - внутренний радиус фильтрационной установки;

_k - корни функции Бесселя.

В функциях Бесселя для практических расчётов можно ограничиться первым членом ряда, а также принять во внимание, что первый корень функции Бесселя равен ₁ = 5,136. Тогда после упрощений уравнение (38) запишется следующим образом

C = 2C_н ; (39)

Уравнение (39) устанавливает закономерность распределения концентрации жира в адсорбенте, находящимся в цилиндрической фильтрационной установке с внутренним радиусом R.

При z = h, r = 0, из выражения (39) получим расчётную формулу для определения концентрации жира на выходе из слоя адсорбента высотой h.

C_к = 2C_н (40)

Как видно из уравнения (40) распределение концентрации жира в адсорбенте зависит от скорости фильтрования, начальной концентрации жира, геометрических размеров цилиндрической фильтрационной установки и слоя адсорбента. Полученное выражение значительно отличается от полученных ранее простотой при известных геометрических параметрах установки и показателей сточной жидкости.

4.2 Экспериментальные исследования по очистке жиросодержащих сточных вод

В процессе эксперимента по очистке жиросодержащих сточных вод использовались две лабораторных установки: с прозрачным корпусом и металлическим корпусом с возможностью сжатия загрузки.

Очистка загрязнённой жидкости проводилась на этих двух лабораторных установках. Эксперимент был направлен на решение ряда задач, являющихся основными при проектировании фильтров:

а) определение зависимости конечной концентрации жира в фильтрате от продолжительности процесса;

б) определение зависимости конечной концентрации жира в фильтрате от высоты слоя высокопористой полимерной загрузки (адсорбента);

в) определение зависимости скорости фильтрования от продолжительности процесса;

г) определение зависимости высоты отработанного слоя фильтрующего материала от продолжительности процесса;

д) определение зависимости скорости продвижения фронта загрязнения от продолжительности процесса;

Эксперименты по определению эффективности очистки жиросодержащих сточных вод в зависимости от ряда основных показателей процесса (продолжительность процесса фильтрования, высота фильтрующего слоя) проводились на металлической фильтрационной установке, которая была размещена на ОАО «Кампомос» (г. Москва).

Эксперименты по определению зависимости скорости фильтрования и продвижения фронта загрязнения, а также высоты отработанного слоя ППУ от продолжительности процесса, проводились на прозрачной фильтрационной установке в лабораторных условиях с модельной рабочей жидкостью.

Результаты экспериментов. Используя полученные экспериментальные данные по жиру и полученную ранее формулу, можно получить выражение для определения характеристики процесса b.

Подставляя в выражение (48) параметры экспериментальной установки h = 0,5 м, R = 0,13, I₁ = 0,315, получаем значения характеристики процесса (далее коэффициент) b.

Анализируя вышесказанное, можно предположить, что коэффициент b является постоянным для сточных вод с различными исходными концентрациями жира. В табл. 1 представлена зависимость коэффициента b от продолжительности процесса фильтрования.



Используя данные экспериментов, строим следующие графические зависимости:

- зависимость концентрации ХПК в фильтрате от времени работы фильтра при высоте слоя ППУ загрузки h = 0,5 м (рис. 13);

- зависимость концентрации жира в фильтрате от времени работы фильтра при высоте слоя ППУ загрузки h = 0,5 м (рис. 14);

- зависимость изменения концентрации жира в фильтрате по высоте слоя ППУ загрузки (рис. 15);

- зависимость коэффициента b от продолжительности процесса фильтрования (рис. 16);

В области стабильного процесса фильтрования рекомендуется следующее выражение:

b = 0,2553 - 0,0038, (42)

где - продолжительность процесса фильтрования, час.

Таким образом экспериментально получена формула для определения характеристики процесса, единственного неизвестного в полученном аналитически выражении (40). Это позволяет осуществлять инженерные расчёты фильтрационных установок, рекомендуемых для очистки сточных вод от жира.



Глава 5. Обеззараживание сточной воды и утилизация белково-жировой массы

В мировой практике в последние годы большой интерес вызывает новый класс антисептиков - полимерные дезинфицирующие средства, которые являются более эффективными и менее опасными для человека. Кроме того, они стабильны, не агрессивны и не образуют токсичных продуктов распада.

Одним из перспективных и эффективных отечественных дезинфицирующих средств является «Полисепт» (полигексаметилен гидрохлорид), который отвечает требованиям Минздрава РФ к полимерным материалам, предназначенными для использования в контакте с продуктами питания.

В связи с изложенным интерес представили исследования эффективности действия препарата «Полисепт-ОП» на процессы обеззараживания и очистки высококонцентрированных сточных вод мясоперерабатывающих предприятий.

В МГУПБ лабораторией «ПНИЛПМ и ПП» и кафедрой «Экология и безопасность жизнедеятельности» было предложено использовать при очистке сточных вод полимерный дезинфектант «Полисепт-ОП».

Оценку качества очистки сточных вод проводили при единовременном введении антимикробного препарата «Полисепт-ОП» в общий объём сточных вод. Время воздействия антисептика составляло от 3 до 30 мин.

Учитывая, что «Полисепт-ОП» является в сравнении с хлорной известью биологически безопасным и сравнительно дешёвым веществом (примерно на 15 % дешевле), можно сделать вывод о целесообразности его использования в разрабатываемом процессе очистки сточных вод.

Результаты данных экспериментальных исследований отображены ниже (рис. 17-21 и в приложении к диссертации).

Использованный метод единовременного введения антимикробного препарата «Полисепт-ОП» в общий объём сточных вод фильтрационной установки позволяет снизить общее содержание взвешенных частиц на 30 % и количество микроорганизмов в сточных водах в среднем в 10-28 раз.

Очевидно, что пик активности химической реакции (рис. 20) наблюдается в течение 8 минут с момента добавления химического препарата «Полисепт-ОП». Это идеально подходит к разрабатываемому процессу фильтрования, поскольку процесс отделения взвешенных веществ, как известно, занимает не более 10 минут.

В результате исследования первых восьми минут воздействия «Полисепта-ОП» была получена зависимость

где С_к - конечная доля сухих веществ; С_н - начальная доля сухих веществ; - время воздействия дезинфектанта (мин).

...