CC BY
16УДК 628.12
ИССЛЕДОВАНИЯ ПРИМЕНЕНИЯ КОМПЛЕКСНОЙ МОБИЛЬНОЙ УСТАНОВКИ ДЛЯ СИСТЕМ ЖИЗНЕОБЕСПЕЧЕНИЯ НА ОСОБЫХ ПРИРОДООХРАННЫХ ТЕРРИТОРИЯХ
М.Ю. Толстой1, Н.В. Белоокая2, А.А. Туник3, ЕМ. Попова4, В С. Попов5
1 Иркутский национальный исследовательский технический университет, 664074, г. Иркутск, ул.
Лермонтова, 83, e-mail: [email protected] 2 Общество с ограниченной ответственностью «Инновационный Центр «Энергоэффективность», 664082, г. Иркутск, проезд Юрия Тена, 4-30, e-mail: [email protected]
3 Иркутский национальный исследовательский технический университет, 664074, г. Иркутск, ул.
Лермонтова, 83, e-mail: [email protected]
4 Иркутский национальный исследовательский технический университет, 664074, г. Иркутск, ул.
Лермонтова, 83, e-mail: [email protected]
5 Иркутский национальный исследовательский технический университет, 664074, г. Иркутск, ул.
Лермонтова, 83, e-mail: [email protected]
Аннотация. Приведены результаты исследований комплексной мобильной установки для систем жизнеобеспечения, обладающая функциями производства электрической и тепловой энергии, а также очистки сточных вод и водоподготовки. Получение электрической энергии происходит за счёт преобразования солнечной энергии и использования микробно-топливных элементов. Кроме того, возможно применение ветрогенераторов и дизельного генератора в составе установки. Тепловая энергия для системы ГВС получается при помощи солнечных коллекторов. Также возможно применение тепловых насосов. Исследовано перемешивание жидкости за счет вращения пневмогидравлического аэратора. Показана возможность объединения различных технологий для очистки сточных вод в одном комбинированном мобильном сооружении. На основании проведенных исследований предложена сливная станция очистки сточных вод. Приведены исследования моделирования процессов биохимической очистки в комплексной мобильной установке для систем жизнеобеспечения. Рассчитано необходимое количество комплексных мобильных установок для систем жизнеобеспечения, а именно для очистки сточных вод и горячего водоснабжения спортивно-оздоровительного лагеря «Политехник», который находится на 17 километре Байкальского тракта. В расчётах учитывалось количество проживающих за сезон, режимы водопотребления и водоотведения, географическое положение лагеря, среднее количество пасмурных дней в местности, а также количество солнечных часов. Особое внимание авторы уделяют тому, что разработанная комплексная мобильная установка позволит обеспечить энергоснабжение и утилизацию сточных вод объектов, расположенных на рекреационных и особых природоохранных территориях без экологических последствий и нарушения природоохранных и санитарных требований. При этом установка может быть использована на объектах различного типа.
Предмет исследования: В 50 километрах от лагеря «Политехник» вверх по течению реки Ангара находится озеро Байкал, внесённое в Список объектов Всемирного наследия ЮНЕСКО, а вниз по течению Ангары расположен Иркутский водозабор. В связи с этим существуют серьезные требования к утилизации стоков и энергоснабжения объектов в районе реки на протяжении всего Байкальского тракта, не говоря уже об их удаленности от центральных источников энергии и инженерных коммуникаций.
Материалы и методы: В исследованиях применялся экспериментальный стенд для очистки сточных вод, использовались лабораторный, эмпирический и аналитический методы.
Результаты: Исследована КМУ СЖО, которая дополнительно осуществляет очистку воды до уровня утилизации на основе энергоэффективных запатентованных технологий очистки сточных вод. Показаны зависимости очистки от азота и фтора при содержании кислорода на модельных стоках. Приведен расчет количества установок для лагеря «Политехник» ИРНИТУ.
Выводы: Установка является автономной системой, обеспечивающей электроснабжением двух-трехфазным переменным током и теплоснабжением объекты при использовании энергии ветра, солнца и двигателя внутреннего сгорания. К основным источникам возобновляемой энергии, таким как солнце и ветер, предполагается использование микробных топливных элементов. Отличительной особенностью установки является повышение надежности и качества энергоснабжения, снижение расхода топлива дизельной генераторной установки путем оптимизации ее работы в системе, повышение КПД системы за счет управления режимом работы КМУ СЖО с помощью автоматической системы управления.
Ключевые слова: Комплексная мобильная установка для систем жизнеобеспечения, солнечный коллектор, водоотведение, пневмогидравлический аэратор, перемешивание сточных вод и осадка, горячее водоснабжение
ВВЕДЕНИЕ
Для Иркутской области Байкальская природная территория является основным объектом исследований и применения научных экологических и энергосберегающих технологий.
Развитие рекреационных зон на Байкальской природной территории и реконструкция городской застройки невозможна без модернизации очистных сооружений и их бесперебойного энергоснабжения. Кроме того, существует множество проблем с энергоснабжением и утилизацией стоков на особых природоохранных территориях, связанных с
повышенными экологическими требованиями и ограничениями. Наличие горячего водоснабжения и освещения - актуальная проблема для отдыха на Байкале. При этом осуществление реконструкции и технического перевооружения сооружений по очистке производственных и городских сточных вод - одна из наиболее сложных инженерных задач, направленная на улучшение экологической обстановки и охрану водоемов от загрязнения и истощения. Предполагается, что в пределах городской застройки проектируют и возводят стационарные очистные сооружения. Для приема сточных вод от недалеко расположенных деревень и коттеджных поселков необходимо возводить дополнительные станции приема сточных вод и обработки осадка. Существует множество способов очистки загрязненных вод, но важным фактором является аэрация жидкости, создание аэробных условий для биологической очистки.
Аэрация жидкости необходима как для создания флотационных пузырьков в жидкости, так и для насыщения самой жидкости кислородом в зависимости от назначения химического или биохимического процесса в очистке воды, или другой отрасли промышленности, использующей аэрацию как основу технологического цикла [1-4].
Разнообразие способов аэрации жидкости и устройств для их осуществления требует не только классификации, но и фундаментального подхода для выявления физических закономерностей осуществления аэрации и создания более совершенных устройств и способов, необходимых для различных отраслей промышленности [5-8].
ИССЛЕДОВАНИЕ АЭРАЦИИ ЖИДКОСТИ
Исследования аэрации жидкости и выбор аэрационных устройств проводятся достаточно давно. Принцип работы аэрирующего устройства основывался на общих принципах гидродинамических потоков, разработанных в сфере исследования форсунок подачи топлива.
Установлено, что при создании в аэраторе скачка уплотнения, происходит режим распыла жидкости, находящейся в соосном потоке газа. Такая оптимизация конструктивных параметров аэратора позволяет потоку воздуха кольцевым обжатием струи и жидкости создать режим кавитации течения жидкости, который затем переходит в пленочно-диспергированный режим течения жидкости и воздуха в выпускной насадке. Данный режим течения позволит дополнительно увеличить расход воздуха до образования в выпускной насадке скачка уплотнения, после прорыва которого скорость потока на выходе из выпускной насадки достигает сверхзвукового значения. Увеличение расхода воздуха при таком режиме течения потока позволит сохранить диаметр пузырьков воздуха флотационной крупности, что в свою очередь приведет к повышению извлечения при флотации.
Скорость окисления, или скорость потребления кислорода при неизменной температуре в каждый данный момент пропорциональна массе органического вещества, находящегося в воде. Следовательно, по мере окисления органического вещества, если нет поступления новых загрязнений, скорость окисления все время уменьшается.
Этому же закону подчиняется процесс растворения кислорода в воде. Кислород, как и всякий другой газ, может растворяться в воде лишь до определенного, насыщающего воду объема. Этот объем зависит от температуры и давления: чем температура выше, тем растворимость кислорода меньше.
Указанная зависимость существует при растворении кислорода, находящегося в воздухе под парциальным давлением, соответствующим его содержанию. Растворимость чистого кислорода, находящегося под более высоким давлением, будет выше. Такое явление наблюдается, как известно, при фотосинтезе, когда зеленое вещество растений, разлагая на свету СО2, поглощает углерод и выделяет чистый кислород.
Скорость растворения кислорода, согласно указанному выше закону, в каждый данный момент обратно пропорциональна степени насыщенности воды кислородом или прямо пропорциональна его недонасыщенности (дефициту). Это относится, конечно, лишь к поверхности соприкосновения воды с кислородом (диффузионному слою). Для того чтобы эта скорость растворения относилась ко всей массе воды, необходимо интенсивное ее перемешивание. Дефицит кислорода может быть выражен в абсолютных значениях (в мг/дм3), а также в относительных величинах (в процентах или в долях от полного дефицита).
В трудах Репина Б.Н. [3] была представлена схема передачи кислорода от газового пузырька с пограничной пленкой газа через поверхность фазового контакта (газ-жидкость), дополнительную пленку, образуемую, например, ПАВ, границу раздела и пограничный слой жидкости в основную массу перемешиваемой жидкости. Далее передача кислорода идет по пути преодоления пограничной пленки жидкости вокруг микробиальной клетки, после чего через клеточную оболочку кислород поступает в клетку. Таким образом, процесс растворения кислорода неразрывно связан с процессом его потребления.
Растворенный кислород - один из определяющих показателей для сооружений аэробной биологической очистки. Исследуя разработанный аэратор, можно с уверенностью сказать, что он позволяет без значительных технических затрат насыщать жидкость кислородом воздуха с одновременным её перемешиванием, благодаря чему растворённый кислород более эффективно распространяется по всему объёму и поддерживает микроорганизмы во взвешенном состоянии [9]. Это позволяет считать его более эффективным и конкурентоспособным среди прочих устройств для аэрации жидкости и
рекомендовать его для внедрения на канализационных очистных станциях в сооружениях биологической очистки сточных вод.
Биохимическая очистка сточных вод осуществляется в результате сложного комплекса взаимосвязанных физических, химических и биологических процессов. В результате лабораторных исследований была создана технологическая система очистки сточных вод. В данной системе задействован комплект для ионометрии, позволяющий определить рН и концентрацию ряда ионов, БПК и ХПК. Основные неметаллы в сточных водах (способы их очистки), задействованные в процессе эксперимента:
1. Азот аммонийный (МН4)+: Биологическая фильтрация, окисление озоном, хлором, гипохлоритами щелочных и щелочноземельных металлов, произведены аэрация, сорбция с использованием цеолитов натриевой формы, ионообменные смолы, обработка сильной щелочью, флотация, восстановление аммония металлическим магнием, добавлением растворов хлорида магния и тринатрийфосфата;
2. Азот нитратный (М03)-: Электродиализ, ионообменные смолы, биологическая очистка,
обратный осмос, электрофлотация, каталитическое восстановление до азота;
3. Азот нитритный (М02)-: Биологическая фильтрация, окисление озоном, хлором, гипохлоритами щелочных и щелочноземельных металлов, пероксидом водорода, обратный осмос, ионообменные смолы;
4. Сульфаты ^04)2-: Обратный осмос, ионообменные смолы, алюминий содержащим реагентом с известкованием;
5. Фенол (С6Н5ОН): Сорбция, озонирование, механическая очистка, парофазное окисление, жидкофазная очистка, биологическая очистка;
6. Фосфаты (РО4)3-: Биологическая фильтрация, отстойники, гидроциклоны, реагентная очистка, обратный осмос, адсорбция, ионообмен, коагуляция, окисление с последующей нейтрализацией известковым молоком озоном, хлором, кислородом воздуха;
7. Фтор: Реагентная очистка, сорбция, обратный осмос, ионообмен;
8. Хлориды (С1): Сорбция, обратный осмос, ионообмен.
На рисунке 1 представлена схема экспериментального стенда.
Экспликация
1 Аэратор
2 Компрессор
3 Кислородомер
4 Ротаметр
1 1 Патрубки для электродов/электроды
ТР1 Трубопровод подачи воды в Аэратор
ТР2 Трубопровод подачи возд. (газа) в Аэратор
И Кран подачи/слива воды
5 Счетчик газа на входе в емкость
6 Расходомер воды
7 Счетчик газа на выходе из емкости
Рис. 1. Экспериментальный стенд Fig 1. Experimental stand
Также установка включает в себя источник воды, компрессор, запорные краны, манометры, расходомер воды, ротаметр и
пневмогидравлический аэратор (Рисунок 1).
Методика подключения экспериментальной емкости:
1. Установить емкость из оргстекла на опорный металлический стенд;
2. Подсоединить краны подачи/слива воды;
3. Подсоединить трубопровод ТР1 к водопроводу, а также к аэратору (1);
4. Установить на трубопроводе ТР1 расходомер воды (6);
5. Подсоединить трубопровод ТР2 к компрессору (2), а также к аэратору (1);
6. Установить на трубопроводе ТР2 ротаметр
(4);
7. Установка датчика газоанализатора, счетчика газа на входе/выходе в емкость (5, 7), регулировка и настройка приборов (при необходимости произвести калибровку);
8. Установка аэратора в емкость;
9. Установка кислородомера (3);
10. Наполнение емкости водопроводной водой (35-400), до появления ее из контрольного крана;
11. Внесение в протокол эксперимента начальных данных (температура среды, рН, содержание кислорода по газоанализатору, показания расходомера);
12. Одномоментный запуск автоматической записи показаний газоанализатора с интервалом 5 сек.;
13. Внесение в протокол эксперимента текущих данных (давление воды, воздуха по манометрам, расход воздуха по ротаметру).
Лабораторные исследования составляли основную часть выполненной работы, и включали в себя отработку оптимальных режимов, выяснение физической природы процессов, протекающих в аэраторе, регистрацию основных и вспомогательных параметров изучаемых режимов
работы, а также был отработан процесс смены раствора, создание различных модельных сред в емкости.
Методика экспериментальных исследований строилась следующим образом:
- измерялся расход воды и воздуха;
- измерялось давление воды и воздуха;
- измерялось число оборотов аэратора;
- измерялись диаметры пузырьков воздуха;
- измерялась растворимость кислорода в воде.
Основной вариант работы:
Вода подается из хозяйственно питьевого водопровода, а воздух нагнетается из компрессора, с давлением от 0,15 до 0,4 МПа. Сначала необходимо, при всех закрытых вентилях, накачать компрессор до необходимого давления. Затем открыть вентили, воздух начнет поступать в аэратор, далее открыть вентиль для подачи воды, регулируя необходимое давление. Аэратор начинает вращаться [10].
Работа системы фиксируется на высокоскоростную камеру марки рсо.1200Б. Эта модель германского производства позволяет записывать изображения с высоким разрешением и низким уровнем шума. Скоростная съемка позволяла исследовать динамику течения многофазной среды и развития струи при выходе из канала аэратора в испытательный резервуар.
Полученные при проведении эксперимента данные заносились в таблицы 1 и 2, по которой рассчитывались искомые параметры окислительной способности и эффективности, производились расчёты.
Таблица 1. Модельные стоки Table 1. Model drains
Реагент г
Карбонат натрия 0,05
Натрий уксоснокислый 0,05
Калий фосфорнокислый 0,025
Фосфорнокислый аммоний 0,025
Хлорид кальция 0,007
Сульфат магния 0,005
Пептон 0,15
Вода 1л
№ опыта 1 2 3 4 5 6 7 8 9
Время проведения эксперимента ^ мин 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 4 5
Объём аэрируемой жидкости V, дм3
Количество сульфита натрия мг/дм3
Количество азота нитратного мг/дм3 2,67 1,41 1,51 1,57 1,62 1,60 1,67 1,72 1,77
Таблица 2. Результаты измерений. Модельные стоки Table 2. Measurement results. Model drains
Продолжение таблицы 2 Continuation of table 2
Количество азота нитритного мг/дм3 40837 40832 40828 40820 4820 4820 4820 4820 4820
Количество азота аммонийного мг/дм3
Количество сульфатов мг/дм3
Количество фенола мг/дм3
Количество фосфатов мг/дм3
Количество фтора мг/дм3 0,970 0,974 0,970 0,954 0,941 0,917 0,884 0,869 0,855
Количество хлорида мг/дм3
Солесодержание S=m/v, г/дм3
Мощность двигателя компрессора N кВт
Расход воды по водосчётчику Ож, дм3
Суммарный объём аэрируемой жидкости Vж, дм3 140
Расход воздуха по ротаметру Ог, дм3 25
Давление в системе Р, МПа
Концентрация растворённого кислорода, мг/дм3 Ci в начале эксперимента 9,48 9,54 9,78 9,98 10,00 10,05 10,12 10,20 10,23
С2 в конце эксперимента
Температура воздуха Тг, оС 21
Температура воды Тж, оС 5
Текущее атмосферное давление Ра, мм.рт.ст. 718
По данным таблицы можно составить графики показывающие изменения показателей азота, фтора, концентрации растворенного кислорода в модельной жидкости в разных временных промежутках, при температуре 21
Основной Основной Основной Основной Основной Основной Основной Основной Основной Основной Основной Основной Основной Основной Основной
Время Азот нитратный
Рис. 2. Показатели азота нитратного Fig 2. Nitrate Nitrogen figure
°C (Рисунки 2-5).
Показатели азота нитратного мг/дм3
0.0
1.5
2,5
3.5
4.0
4.5
5.0
5.5
6.0
3
2
Показатели азота нитритного мг/дм3
Основной Основной Основной Основной Основной Основной Основной Основной Основной Основной
0.0
1.5
2.5 3 3.5 4.0 4.5 5.0 Время Азот нитритный
Рис. 3. Показатели азота нитритного Fig 3. Nitrite Nitrogen figure
5.5
6.0
Показатели фтора мг/дм3
2
1
0.0 1.5 2 2.5 3 3.5 4.0 4.5 5.0
~~ Вр емя Фтор
Рис. 4. Показатели фтора Fig 4. Fluoride figure
Основной Основной Основной Основной Основной Основной Основной Основной Основной Основной Основной Основной Основной Основной Основной Основной
0.0
1.5
Показатели растворенного кислорода мг/дм3
2,5 3 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 Время Кислород
6.0
Рис. 5. Показатели растворенного кислорода Fig 5. Dissolved Oxygen figure
Таким образом, можно сделать вывод, что продолжительная аэрация помогает снизить показатели нитратов, нитритов и фтора.
2
РАСЧЕТ КОЛИЧЕСТВА УСТАНОВОК
Для применения КМУ СЖО был взят для расчета спортивно-оздоровительный лагерь.
ИРНИТУ имеет в своем распоряжении спортивно-оздоровительный лагерь "Политехник", который находится на 17 километре Байкальского тракта. В лагере созданы все условия для полноценного отдыха: летние домики, клуб, тренажерный зал, футбольное поле, волейбольная и баскетбольная площадки, трасса для кросса. Лагерь готов к приему детей, выдержаны необходимые санитарные нормы, территория обработана противоклещевыми препаратами. Вблизи футбольного поля расположен душ.
Расположением комплексной мобильной установки для систем жизнеобеспечения может быть область между душами и столовой, место находится вблизи дороги, что не составит трудности в эксплуатации и подъезду техники.
За три заезда в лагере будет пребывать около 300 студентов и еще 30 детей сотрудников. Среднее число людей за один заезд составит 115 человек, включая сотрудников. Для расчётов принимается физкультурно-оздоровительное учреждение со столовыми на полуфабрикатах, без стирки белья. Согласно СП 30.13330.2016 [11], расход воды на одного человека принимается 60 л/сут. (в т.ч. горячей воды 25,5 л/сут.). Расход горячей и холодной воды составит:
Q=
q-m _34,5-115_ 1000 1000
:3,97 м3/сут.
q-m 25,5-115 3.
Q=-=-=2,93 м3/сут.
v -1 ПЛП -1 ЛЛЛ 7 J
1000 1000
(2)
где q - норма водопотребления/водоотведения на человека для ХВС и ГВС; m - количество человек.
В зимний период:
Qq-m 34,5-30 л „ . о,
——=—-=1,04 м3/сут.
1000 1000
Q=
q-m _25,5-30_ 1000 1000
0,77 м3/сут.
(3)
(4)
(1)
Расчет количества установок проводится по данным летнего периода, так как в этот период происходит максимальное водопотребление. Одна установка имеет мощность 5 кВт, что позволяет очистить 4 м3 сточной воды в сутки, тогда, для очистки 6,9 м3/сут. понадобятся 2 установки.
Предложен механизм энергосберегающего аэрирующего устройства, который позволяет отказаться от перемешивающих устройств, использующих дополнительную электроэнергию, и применить механизм получения вращательного движения только за счет гидро-аэродинамики самой струи по принципу Сегнерова колеса.
Определены характеристики взаимодействия кислорода и активного ила на примере моделей, использующих: сульфит натрия, азот нитратный,
азот нитритный, азот аммонийный, сульфаты, фенол, фосфаты, фтор, хлориды.
Разработаны теоретические и методологические основы расчета технологий с применением пневмогидравлической аэрации при биохимической очистке, моделируя различные среды [12-19].
Целью работы являлось создание промышленного образца комплексной мобильной установки для систем жизнеобеспечения (КМУ
СЖО) (Рисунок 6), доработка автоматической системы управления с учетом различных факторов таких как степень автономности, текущие и прогнозируемые погодные условия, и использование различных предопределенных и случайных сценариев работы системы. Дополнительно предполагается интеграция КМУ СЖО с системами аварийной связи.
Рис. 6. Мобильная установка систем жизнеобеспечения для рекреационных зон, состоящая из 7 ячеек Fig 6. Mobile station of life support systems for recreational areas, consisting of 7 cells
Для расчёта требуемого количества солнечных коллекторов на 115 человек на заезд потребуется учесть ряд поправок, таких как: количество пасмурных дней за месяц и средняя за месяц продолжительность солнечного дня. Сезон в лагере длится в течение 3-х месяцев. В расчётах использовался плоский солнечный коллектор SUN 1 [20-22], разработанный и запатентованный в ИРНИТУ. В дальнейшем в данных установках будут также использованы солнечные коллекторы SUN 3 [23-24].
Результаты расчёта указаны в таблице 3.
Таблица 3. Результаты расчёта необходимого количества солнечных коллекторов Table 3. The results of calculating the required number of solar collectors
Месяц Июнь Июль Авг. Сезон
Продолжительность месяца, день 30 31 31 92
Среднемесячные значения солнечной энергии, падающей на оптимально ориентированную поверхность, кВт^час/м2^день 5,4 4,7 4,31 4,80
Количество пасмурных дней 8,1 11,1 9,5 28,7
Средняя продолжительность солнечного дня, час 8,8 7,8 7 7,9
Суммарное значение солнечной энергии за месяц, кВт^час/м2 118,26 93,53 92,67 304,05
Среднечасовое значение солнечной энергии за месяц, кВт^час/м2 0,61 0,60 0,62 0,61
Часовой расход воды на ГВС, л/час 122,19 122,19 122,19 122,19
Суточный расход воды на ГВС, л/сут. 2 932,50 2 932,50 2 932,50 2 932,50
Суточная тепловая нагрузка на ГВС, кВт/сут. 126,10 126,10 126,10 126,10
Требуемая мощность солнечных коллекторов, кВт/час 14,33 16,17 18,01 16,03
Среднечасовая производительность солнечного коллектора SUN 1, кВт/час 0,75 0,74 0,75 0,74
Требуемое количество солнечных коллекторов SUN 1, шт. 19 22 24 22
Одна установка позволяет разместить от 2-х до 10-ти солнечных коллекторов в зависимости от комплектации. В случае с рассматриваемым объектом оптимальное количество солнечных коллекторов на 1 установку составляет 6 шт., что позволит увеличить в установке количество оборудования для генерации электроэнергии: микробно-топливные элементы [25-27] и солнечные панели [28]. Таким образом, для очистки стоков и нагрева воды для ГВС понадобится 4 мобильных установки.
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ
1. Исследована КМУ СЖО, которая дополнительно осуществляет очистку воды до уровня утилизации на основе энергоэффективных запатентованных технологий очистки сточных вод. Показаны зависимости очистки от азота и фтора при содержании кислорода на модельных стоках.
2. Приведен пример расчета количества установок для лагеря «Политехник» ИРНИТУ. Установка является автономной системой, обеспечивающей электроснабжением двух-трехфазным переменным током и теплоснабжением объекты при использовании энергии ветра, солнца и двигателя внутреннего сгорания.
3. К основным источникам возобновляемой энергии, таким как солнце и ветер, предполагается использование микробных топливных элементов.
4. Отличительной особенностью установки является повышение надежности и качества энергоснабжения, снижение расхода топлива дизельной генераторной установки путем оптимизации ее работы в системе, повышение КПД системы за счет управления режимом работы КМУ СЖО с помощью автоматической системы управления.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Воронов Ю.В. Водоотведение и очистка сточных вод / Учебное издание: - М.: Издательство Ассоциации строительных вузов, 2009 - 760 с. // Толстой М.Ю. - глава 11 (§ 11.5).
2. Алексеев Е.В., Саломеев В.П., Залетова Н.А., Алексеев С.Е., Гогина Е.С., Ружицкая О.А. Водоотведение и водная экология. Учебно-методическое пособие / Москва, АСВ - 2016 г. - 237 с.
3. Попкович Г.С., Репин Б.Н. Системы аэрации сточных вод. - М.: Стройиздат, 1986 г. - 136 с.
4. Воронов Ю.В., Казаков В.Д., Толстой М.Ю. Струйная аэрация. Монография // Учебно -методическое объединение ассоциации строительных вузов России. Москва, АСВ - 2007 г. - 162 с.
5. Николенко И.В., Пастушенко А.В., Котовская Е.Е. Анализ влияния условий эксплуатации насосной станции на параметры
насосных агрегатов// MOTROL. - Commission of motorization and energetics in agriculture: Polish Academy of sciences. - Lublin. -2010. - Vol. 12D - P. 33 - 44 . (57)
6. Баженов В.И., Березин С.Е., Устюжанин А.В. Обоснование строительства воздуходувных станций на базе экономического анализа затрат жизненного цикла / Водоснабжение и санитарная техника. 2015. № 2. С. 46-53.
7. Алексеев Е.В. Очистка сточных вод флотацией. Основы технологии и применение / Московский государственный строительный университет (национальный исследовательский университет). Монография. 2015. Москва, Издательство АСВ (Москва). 160 с.
8. Толстой М.Ю., Орлов А.В., Полканов А.Г., Канторович С.И., Куртин А.В. Применение эрлифта в комбинированном сооружении // Актуальные проблемы градостроительства и благоустройства территорий: Тезисы доклада II Международной научно-технической конференции. - Кишинёв, 2004 г. - С. 31 - 233.
9. Казаков В.Д., Толстой М.Ю., Хан В.В., Кочержинский В.В., Куртин А.В., Кантарович С.И., Орлов А.В., Паутов М.И. Способ аэрации жидкости. Патент на изобретение RUS 2250140. Опубликовано: 20.04.2005 Бюл. № 11.
10. Stom D.I., Konovalova E.Y., Zhdanova G.O., Vyatchina O.F., Tolstoy M.Y. ACTIVE SLUDGE AND STRAINS ISOLATED FROM IT AS BIOAGENTS IN BIOFUEL CELLS // в сборнике: International Multidisciplinary Scientific GeoConference Surveying Geology and Mining Ecology Management, SGEM 17, Energy and Clean Technologies. 2017. С. 19-26.
11. Свод правил СП 32.13330.2012 "СНиП 2.04.03-85. Канализация. Наружные сети и сооружения" (утв. приказом Министерства регионального развития РФ от 29 декабря 2011 г. N 635/11).
12. Толстой М.Ю. Исследования и разработка мобильной установки для систем жизнеобеспечения с применением энергосберегающих технологий / Вестник Инженерной школы Дальневосточного федерального университета. 2017. № 3 (32). С. 8194.
13. Толстой М.Ю., Белоокая Н.В., Попова Е.М., Толстой В.М. Исследования пневмогидравлической аэрации и разработка на ее основе мобильной установки для систем жизнеобеспечения // В сборнике: ЯКОВЛЕВСКИЕ ЧТЕНИЯ сборник докладов XII Международной научно-технической конференции, посвященной памяти академика РАН С.В. Яковлева. Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет. 2017. С. 157-166.
14. Илькевич Н.И., Толстой В.М., Толстой М.Ю. Оценка воздействия систем жизнеобеспечения рекреационных зон на прибрежную территорию озера Байкал // В сборнике: Качество городской среды: строительство, архитектура и дизайн. Материалы
Всероссийской научно-практической конференции.
2017. С. 296-299.
15. Gogina E., Shmal'ko V., Tolstoy M. Technology of Wastewater Treatment of the Baikal Natural Territory. Ecology and Industry of Russia. 2018;22(7):11-15. (In Russ.) https://doi.org/10.18412/1816-0395-2018-7-11-15.
16. Shcherbakov, V., Akulshin, A., Chizhik, K., Tolstoy, M.Design of interacting wells for optimization of investments and operating costs while constructing water-diverting structures // 2018 MATEC Web of Conferences 251,03037 / Volume 251, 14 December
2018, Номер статьи 030376th International Scientific Conference on Integration, Partnership and Innovation in Construction Science and Education, IPICSE 2018; Moscow; Russian Federation; 14 November 2018 до 16 November 2018; Код 143421. DOI: 10.1051/matec conf/201825103037
17. Леонтьев А.В., Стом Д.И., Толстой М.Ю., Чижик К.И. Исследование интенсификации процессов флотационной и биологической очистки сточных вод на основе применения модельных стоков // Строительство и техногенная безопасность. 2018. № 11 (63). С. 205-212.
18. Белоокая Н.В., Попов В.С., Попова Е.М., Толстой В.М., Толстой М.Ю. Исследование применения энергосберегающих установок систем жизнеобеспечения для природоохранных территорий // Строительство и техногенная безопасность. 2018. № 12 (64). С. 91-97.
19. Пономарева А.Л., Стом Д.И., Толстой М.Ю. Интенсификация очистки сточной воды от нефтепродуктов с помощью катализаторов типа «КАТАН» и штаммов биодеструкторов нефти / В мире научных открытий, № 8.1 (68). - 2015. - С. 327333.
20. Tunik A.A, Tolstoy M.Y. Hydraulic optimization of the flat solar collectors SUN 1 and the temperature gradient of the heat carrier in a system of connected solar units//2018 International Scientific Conference "Investment, Construction, Real Estate: New Technologies and Special-Purpose Development Priorities" (ICRE 2018), 15 October 2018 MATEC Web Conf. Volume 212, 2018. Article Number 02007 Number of page(s) 9, Section Energy-efficient and Environmentally Friendly Buildings DOI https://doi.org/10.1051/matecconf/201821202007.
21. . Толстой М.Ю., Акинина Н.В., Туник А.А., Патент на полезную модель RU № 112364 U1, F24J2/ 24 (2006.01), Солнечный коллектор, Опубл. 10.01.2012. Бюл. № 1.
22. Туник, А.А. Разработка солнечного коллектора с учетом климатической зоны Восточной Сибири // Вестник Иркутского государственного технического университета. — 2012.— № 3 (62).— С. 101-105.
23. Толстой М.Ю., Туник А.А., Лапковский А.А. Солнечный коллектор. Патент на полезную модель RU № 153795 U1 опубликовано 10.08.2015 г. Бюл. № 22.
24. Зуев И.А., Толстой М.Ю., Туник А.А. Разработка нового солнечного коллектора SUN 3 для теплоснабжения и горячего водоснабжения объектов социальной и жилищной сферы Иркутской области / Известия вузов. Инвестиции. Строительство. Недвижимость: научный журнал. -Иркутск: Изд-во ИРНИТУ, 2016. - № 4 (19). - С. 100-113.
25. Konovalova E.Yu., Stom D.I., Balayan A.E., Protasov E.S., Tolstoy M.Y., Tyutyunin V.V. Using microbial fuel cells for utilization of industrial wastewater / 2014 International Conference on Industrial, Mechanical and Manufacturing Science(ICIMMS 2014) will be held in Tianjin, China during June 12-13, 2014.
26. Коновалова Е.Ю., Стом Д.И., Быбин В.А., Пономарева А.Л., Жданова Г.О., Толстой М.Ю. Микробный биотопливный элемент. Патент на полезную модель RU № 153691 U1 опубликовано 27.07.2015 г. Бюл. № 21.
27. Konovalova E.Y., Stom D.I., Balayan A.E., Protasov E.S., Tolstoy M.Y., Tyutyunin V.V. Using microbial fuel cells for utilization of industrial wastewater. Industrial, Mechanical and Manufacturing Science - Proceedings of the 2014 International Conference on Industrial, Mechanical and Manufacturing Science, ICIMMS 2014, 2015. - pp. 7174 (http://www.scopus.com/inward/record.url?eid=2-s2.0-84941620153&partnerID=40&md5=d5f8601d0e6e5f4731dbae86 af2d9653
28. Tunik A.A., Tolstoy M.Y. Complex Mobile Independent Power Station for Urban Areas (2017) IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 262 (1), статья
№ 012227, https://www.scopus.com/record/display.ur i?eid=2-s2.0-85037998695&origin=resultslist
REFERENCES
1. Voronov Y.V. Water disposal and wastewater treatment / Academic edition: - M.: Izdatel'stvo Associacii stroitel'nih vuzov, 2009 - 760 p. // Tolstoy M.Y. - chapter 11 (§ 11.5).
2. Alekseev E.V., Salomeev V.P., Zaletova N.A., Alekseev S.E., Gogina E.S., Rujitskaya O.A. Water disposal and water ecology. Educational-methodical manual / Moscow, АСВ - 2016 - 237 p.
3. Popkovich G.S., Repin B.N. Wastewater aeration systems. - M.: Stroyizdat, 1986 - 136 p.
4. Voronov Y.V., Kazakov V.D., Tolstoy M.Y. Jet aeration. Monograph // Uchebno-metodicheskoe ob'edinenie stroitel'nih vuzov Rossii. Moscow, АСВ -2007 - 162 p.
5. Nikolenko I.V., Pastushenko A.V., Kotovskaya E.E. Analysis of the influence of the pumping station operating conditions on the pumping units parameters // MOTROL. - Commission of motorization and energetics in agriculture: Polish Academy of sciences. - Lublin. -2010. - Vol. 12D - P. 33 - 44 . (57)
6. Bazhenov V.I., Berezin S.E., Ustiuzhanin A.V. Feasibility of air blower house construction on the basis
of life cycle costs evaluation / Water Supply and Sanitary Technique. 2015. № 2. pp. 46-53.
7. Alekseev E.V. Wastewater treatment by flotation. Technology basics and application. / Moscow State University of Civil Engineering (National research university). Monograph. 2015. Moscow, Izdatelstvo ASV. 160 p.
8. Tolstoy M.Y., Orlov A.V., Polkanov A.G., Kantarovich S.I., Kurtin A.V. The use of airlift in a combined structure // Aktual'nie problemi gradostroitel'stva i blagoustroistva territoriy. The report abstracts: II International science and technology conference. - Kishinev, 2004 - pp. 31 - 233.
9. Kazakov V.D., Tolstoy M.Y., Khan V.V., Kocherzhinskij V.V., Kurtin A.V., Kantarovich S.I., Orlov A.V., Pautov M.I. Method of aeration of liquids. Patent RUS 2250140. Pub.: 20.04.2005 Bul. № 11.
10. Stom D.I., Konovalova E.Y., Zhdanova G.O., Vyatchina O.F., Tolstoy M.Y. ACTIVE SLUDGE AND STRAINS ISOLATED FROM IT AS BIOAGENTS IN BIOFUEL CELLS // International Multidisciplinary Scientific GeoConference Surveying Geology and Mining Ecology Management, SGEM 17, Energy and Clean Technologies. 2017. pp. 19-26.
11. SP 32.13330.2012. "Sewerage. Pipelines and wastewater treatment plants" (approved by the order of the Ministry of Regional Development (Russia) from 29 of December 2011. N 635/11).
12. Tolstoy M.Y. Researches and developments of a mobile unit for life support systems with the use of energy saving technologies / FEFU: School of Engineering Bulletin. 2017. № 3 (32). pp. 81-94.
13. Tolstoy M.Y., Belookaya N.V., Popova E.M., Tolstoy V.M. Researches of pneumohydraulic aeration and development of a mobile station for life support systems on its basis // In miscellanea: JAKOVLEVSKIE CHTENIYA sborrnik dokladov XII Mejdunarodnoy nauchno-technicheskoy konferencii, posviaschennoy pamyati akademika RSA S.V. Jakoveva. National research Moscow State University of Civil Engineering. 2017. pp. 157-166.
14. Ikevich N.I., Tolstoy V.M., Tolstoy M.Y. The impact assessment of life support systems of recreational areas on the Baikal Lake coastal territory // In miscellanea: Kachestvo gorodskoy sredi: stroitel'stvo, architektura i dizain. Materiai Vserossiyskoy nauchno-technicheskoy conferencii..
2017. pp. 296-299.
15. Gogina E., Shmal'ko V., Tolstoy M. Technology of Wastewater Treatment of the Baikal Natural Territory. Ecology and Industry of Russia. 2018;22(7):11-15. (In Russ.) https://doi.org/10.18412/1816-0395-2018-7-11-15.
16. Shcherbakov, V., Akulshin, A., Chizhik, K., Tolstoy, M.Design of interacting wells for optimization of investments and operating costs while constructing water-diverting structures // 2018 MATEC Web of Conferences 251,03037 / Volume 251, 14 December
2018, Article number 030376th International Scientific Conference on Integration, Partnership and Innovation in Construction Science and Education, IPICSE 2018;
Moscow; Russian Federation; 14 November 2018 до 16 November 2018; Код 143421. DOI: 10.1051/matec conf/201825103037.
17. Leontiev A.V., Stom D.I., Tolstoy M.Y., Chizhik K.I. Investigation of the intensification of flotation and biological wastewater treatment processes based on the application of model straws // Construction and industrial safety. 2018. № 11 (63). pp. 205-212.
18. Belokaya N.V., Popov V.S., Popova E.M., Tolstoy V.M., Tolstoy M.Y. Study of the application of energy-saving installations of life support systems for environmental protection areas // Construction and industrial safety. 2018. № 12 (64). pp. 91-97.
19. Ponomareva A.L., Stom D.I., Tolstoy M.Y. Intensification treatment of wastewater of oil pollution using the catalysts "Katan" and strains of biodegraders oil / In the World of Scientific Discoveries, № 8.1 (68).
- 2015. - pp. 327-333.
20. Tunik A.A, Tolstoy M.Y. Hydraulic optimization of the flat solar collectors SUN 1 and the temperature gradient of the heat carrier in a system of connected solar units//2018 International Scientific Conference "Investment, Construction, Real Estate: New Technologies and Special-Purpose Development Priorities" (ICRE 2018), 15 October 2018 MATEC Web Conf. Volume 212, 2018. Article Number 02007 Number of page(s) 9, Section Energy-efficient and Environmentally Friendly Buildings DOI https://doi.org/10.1051/matecconf/201821202007.
21. Tolstoy M.Y., Akinina N.V., Tunik A.A., Patent RF no. 112364 U1, F24J2/ 24 (2006.01), Solar collector, Bul. № 1, (2012).
22. Tunik A.A. Development of a solar collector with the regard for the Eastern Siberia climatic zone // Vestnik of ISTU. — 2012.— № 3 (62).— pp. 101-105.
23. Tunik A.A., Tolstoy M.Y., Lapkovskiy A.A., Patent RF no.153795 U1, F24J 2/24 (2006.01), Solar collector, Bul. № 22, (2015).
24. Zuev I.A., Tolstoy M.Y., Tunik A.A. Development of the new solar collector SUN 3 for heating and hot water supply of social and housing sphere in the Irkutsk region // Proceedings of Universities. Investment. Construction. Real estate : science journal. - Irkutsk^ Izdatel'stvo IRNITU, 2016.
- № 4 (19). - pp. 100-113.
25. Konovalova E.Y., Stom D.I., Balayan A.E., Protasov E.S., Tolstoy M.Y., Tyutyunin V.V. Using microbial fuel cells for utilization of industrial wastewater / 2014 International Conference on Industrial, Mechanical and Manufacturing Science(ICIMMS 2014) will be held in Tianjin, China during June 12-13, 2014.
26. Konovalova E.Y., Stom D.I., Bibin V.A., Ponomareva A.L., Jdanova G.O., Tolstoy M.Y. Microbial biofuel cell. Patent RU № 153691 U1 publ. 27.07.2015. Bul. № 21.
27. Konovalova E.Y., Stom D.I., Balayan A.E., Protasov E.S., Tolstoy M.Y., Tyutyunin V.V. Using microbial fuel cells for utilization of industrial wastewater. Industrial, Mechanical and Manufacturing Science - Proceedings of the 2014 International Conference on Industrial, Mechanical and
Manufacturing Science, ICIMMS 2014, 2015. - pp. 7174 (http://www.scopus.com/inward/record.url?eid=2-s2.0-84941620153&partnerID=40&md5=d5f8601 d0e6e5f4731 dbae86 af2d9653
28. Tunik A.A., Tolstoy M.Y. Complex Mobile Independent Power Station for Urban Areas (2017) IOP
Conference Series: Materials Science and Engineering, 262 (1), CTaTba
№ 012227, https://www.scopus.com/record/display.ur i?eid=2-s2.0-85037998695&origin=resultslist
APPLICATION RESEARCH OF THE COMPLEX MOBILE STATION FOR LIFE SUPPORT SYSTEMS IN SPECIAL ENVIRONMENTAL TERRITORIES
M.Yu. Tolstoy1, N.V. Belookaya2, A.A. Tunik3, E.M. Popova4, V.S. Popov5
1 Irkutsk National Research Technical University, 664074, Irkutsk, Lermontova str., 83, e-mail: [email protected]
2 Limited Liability Company "Innovation Center "Energy Efficiency", 664082, Irkutsk, YuryTena Passage, 4-30,
e-mail: [email protected]
3 Irkutsk National Research Technical University, 664074, Irkutsk, Lermontova str., 83, e-mail: [email protected]
4 Irkutsk National Research Technical University, 664074, Irkutsk, Lermontova str., 83, e-mail:
tolstaya87@bk. ru
5 Irkutsk National Research Technical University, 664074, Irkutsk, Lermontova str., 83, e-mail:
patronia@inbox. ru
Abstract. The results of studies of a complex mobile station for life support systems are presented. This station has the electric energy and thermal energy production functions, so as wastewater treatment and drinking water preparation. The production of electrical energy occurs through the conversion of solar energy and the use of microbial fuel cells. In addition, it's possible to use wind generators and diesel generator as a part of the station. Thermal energy for the hot water system is obtained using solar collectors. Using of heat pumps are also possible. The mixing of the liquid due to the rotation of the pneumohydraulic aerator was investigated. The possibility of combining various technologies for wastewater treatment in one combined mobile station is shown. A wastewater treatment plant is proposed based on the research. Studies of the biochemical treatment processes modeling in an complex mobile station for life support systems are presented. The required number of complex mobile stations for life support systems, namely for wastewater treatment and hot water supply of the sports and recreation camp «Polytechnic», which is located at 17 km of the Baikal Highway, has been calculated. The calculations took into account the number of residents per season, water consumption and wastewater rate, the geographic location of the camp, the average number of cloudy days in the area and the number of sunny hours. The authors pay special attention to the fact, that the developed complex mobile station will ensure energy supply and disposal of wastewater from facilities located in recreational and special environmental territories without environmental consequences and violation of environmental and sanitary requirements. At the same time, the installation can be used on various types of objects.
Subject: There is the Baikal Lake 50 kilometers from the camp «Polytechnic» upstream the Angara River, a UNESCO World Heritage Site, and Irkutsk water intake is located downstream of the Angara. In this regard, there are serious requirements for the wastewater disposal and energy supply of the objects, located in the river area throughout the entire Baikal Highway, not to mention their remoteness from central energy sources and utilities.
Materials and methods: In studies, an experimental stand for wastewater treatment laboratory, empirical and analytical methods were used.
Results: Complex mobile station for life support systems was investigated, which additionally carries out water treatment to the disposal level based on energy efficient patented wastewater treatment technologies. The dependences of purification from nitrogen and fluorine at the oxygen content on model drains are shown. The calculation of the number of installations for the camp "Polytechnic" of INRTU is given.
Conclusions: The station is an autonomous system that provides electric power for two-three-phase alternating current and heat supply for objects using wind, solar and internal combustion engine. Besides the main sources of renewable energy, such as the sun and wind, microbial fuel cells are supposed to use too. A distinctive feature of the station is increasing the reliability and quality of energy supply, reducing the fuel consumption of a diesel generator by optimizing its operation in the system, increasing the efficiency of the system by controlling the operating mode of the mobile station using an automatic control system.
Key words: Complex mobile installation for the life support systems, solar collector, mobile unit for wastewater treatment, water disposal, pneumatic-hydraulic aerator, mixing of wastewater and sludge, hot water supply.
