CC BY
156
ТЕХНОЛОГИЯ И АППАРАТЫ ПИЩЕВЫХ ПРОИЗВОДСТВ
УДК 628.166:644
Ф. М. Гимранов, А. Н. Беляев, И. В. Флегентов,
А. С. Суслов
ОЦЕНКА ВОЗМОЖНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ КОМПЛЕКСНЫХ МЕТОДОВ ОБЕЗЗАРАЖИВАНИЯ ВОДЫ В ПИЩЕВОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ
Ключевые слова: обеззараживание воды, гидродинамическая кавитация, синергетический эффект, себестоимость.
Предлагается использование комплексного воздействия различных технологий с целью высококачественной воды для пищевых производств. Перспективным является гидродинамическая кавитационная обработка в сочетании с известными способами обеззараживания воды. В статье показано преимущества данного метода и представлен сравнительный анализ экономической эффективности промышленного внедрения нового способа обработки воды в сравнении с основными традиционными промышленными методами.
Keywords: disinfection of water, hydrodynamic cavitation, synergistic effect, cost.
In the search for new solutions to improve existing methods of disinfection of water at water treatment of food production are invited to use the complex impact of various technologies in order to obtain possible synergies. Technology that is capable of such an effect in conjunction with other antibacterial agents, is the hydrodynamic cavitation treatment. The paper discusses its application in the disinfection of water, as well as a comparative analysis of the economic efficiency of industrial implementation of new directions obtained in comparison with the major industrial methods.
Любое пищевое производство, так или иначе, связано с потреблением воды. Она используется в подавляющем большинстве технологических процессов получения продуктов в качестве основного или вспомогательного сырья.
Основной проблемой, возникающей при использовании воды в пищевой промышленности, является не соответствие предъявляемыми технологиями требованиям к исходной воде и, связанную с этим, необходимость дополнительной ее обработки. В большинстве производств, качество используемой в технологии воды оказывает существенное влияние на качество конечных пищевых продуктов [1].
Учитывая отсутствие отдельных стандартов для воды, используемой в пищевых производствах, нормативными документами, регламентирующих ее качество, являются ГОСТ Р 51232-98 «Вода питьевая. Общие требования к организации и методам контроля качества» и СанПиН 2.1.4.1074-01 «Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем. Контроль качества. Правила и нормативы».
Вода, используемая в пищевых производствах, как правило, подвергается дополнительной подготовке. Для обеззараживания воды основными промышленными технологиями являются хлорирование, озонирование, обработка ультрафиолетовыми лучами и ионами серебра. Недостатки традиционных способов обеззараживания воды заставляют исследователей искать новые более совершенные промышленные методы [1]. Наиболее перспективное решение вопроса представляется как использование комплексного воздействия различных технологий с целью возможного получения не только эффекта суммации, но и синергетического эффекта.
Проведенный патентный поиск подобных разработок, используемых для обеззараживания воды, позволил выявить ряд комбинированных методов, ис-
пытанных в промышленных условиях. Выявленное комбинационное сочетание технологий затрагивает различные смежные отрасли науки, в частности: сочетание УФ излучения и гидродинамической кавитации [2], озонирования и кавитации [3], ультрафиолетового излучения и соединений серебра [4], хлора и комплексного соединения серебра [5], озонирования и ионов меди [6].
Анализ полученной информации позволил выделить процесс способный, в большей степени, чем все остальные, обеспечить синергетический эффект в комплексе с другими бактерицидными агентами и при этом обеспечить высокую производительность. Это - гидродинамическая кавитационная обработка воды (ГДК).
На эффективность ГДК не влияет мутность воды, солевой состав, рН. Кавитация разрушает коллоиды, частицы взвеси, на которых и внутри которых существуют бактерии, лишая их тем самым защиты от химических и физических бактерицидных агентов. Изначально ГДК рассматривалась как самостоятельный процесс обеззараживания [7]. Это объяснялось образованием непосредственно в зоне кавитационного факела экстремальных условий, связанных со схлопыванием парогазовых микросфер, которые появляются в момент локального снижения давления в воде и схлопываются при его повышении. Скорость схлопывания очень высокая, и в окрестности зон схлопывания в локальных объемах возникают экстремальные параметры - огромные температура и давление, создаются условия для образования активных радикалов и в небольшом количестве пероксида водорода [8].
В комплексе перечисленные выше воздействия, в конечном итоге, способны вызывать гибель, находящейся в воде микрофлоры, и ослаблять защитные свойства наиболее стойких клеток к воздей-
ствию других бактерицидных агентов. Следует отметить, что стабильных результатов опытов при воздействии одной ГДК, как и требуемой степени дезактивации микроорганизмов, получено не было [9].
Проведенные авторами исследования по изучению бактерицидного действия ГДК в комплексе с другими дезинфектантами показали наличие синергетического эффекта, выраженного в повышении эффективности процесса обеззараживания, в сравнении с эффектом действия каждого из используемых агентов в отдельности.
В частности, были получены следующие результаты:
1. ГДК и ультрафиолет - предварительная обработка воды кавитационным воздействием позволяет увеличить эффективность работы установки УФ облучения до 15% [8];
2. ГДК и озонирование - подача озона в зону кавитации позволяет при той же эффективности обработки воды снижать его содержание до 30%;
3. ГДК и гипохлорит натрия - при гидродинамической обработке хлорированной воды эффективность метода повышается на 15-30%, причем с меньшими концентрациями «чистого» хлора (до 0,5 мг/л) синергетический эффект усиливается.
Другим перспективным направлением исследований является изучение комплексного воздействия ГДК и металлов, обладающих олигодинамическими свойствами. При кавитационной обработке происходит разрушение данных металлов до частиц с микро- и наноразмерами. В силу очень малых размеров полученные частицы имеют достаточно большую удельную поверхность (1000 м2/г и более), что увеличивает область их контакта с микроорганизмами и значительно улучшает тем самым бактерицидные свойства полученной суспензии.
Интерес представляет сравнительный анализ промышленного использования полученных новых направлений обеззараживания воды. Инструментом для оценки перспективности предложенных технологий послужил расчет их экономической эффективности в сравнении с основными промышленными методами.
Объектом расчета явился процесс водоподго-товки на стадии обеззараживания воды с фиксированным расходом 100 м3/сут.
В табл. 1 и 2 представлены данные для проведения расчета эффективности различных технологий обеззараживания воды при водоподготовке.
Общая сумма годовых затрат (Зпр) складывается из эксплуатационных расходов (Зэкс, руб/год) и капитальных вложений (К, руб.) и представляет собой приведенные затраты, которые рассчитываются по формуле: Зпр=Зэкс+Ен-К, где Ен - нормативный коэффициент экономической эффективности капитальных вложений, (принимается равным 0,15).
Приведенные затраты являются показателем сравнительной экономической эффективности при решении одноцелевых задач в рамках конкретного предприятия. Основным критерием выбора одного варианта из нескольких возможных является минимум приведенных затрат.
Результаты проведенных расчетов представлены на рис. 1. Здесь, наряду с основными затратами на реализацию технологий, представлены данные по экономии материальных ресурсов в сравнении с хлорированием - основной на настоящее время промышленной технологией водоподготовки.
Таблица 1 - Перечень оборудования и материалов, необходимых для реализации технологий
Техно- логия* Необходимое оборудование Основные материалы
Cl І. Автоматическая станция дозации "Dinotec EasyFloc Mono" Хлорат БшосЫоппе
Cl и ГДК 1.Автоматическая станция дозации "Dinotec EasyFloc Mono" 2. Кавитационная установка [1] Хлорат БшосЫоппе
Оз 1. Озонатор типа «Озон-40ПВ-2Б» - 2шт
и К оЕ? 1. Озонатор типа «Озон-20ПВ-2Б» -2 шт 2. Кавитационная установка [1]
УФ 1.Установка типа «УДВ-2/1 тип 4» - 2шт Лампы ДБ-15С
и К УГ 1. Установка типа «УДВ-1/1 тип 4» - 2шт 2. Кавитационная установка [1] Лампы ДБ-30С
Ag и ГДК 1. Кавитационная установка [1] 2. Концентрата серебра Серебро
Примечание: * Cl - хлорирование; О3 - озонирование; УФ - ультрафиолет; Ag - олигодинамия.
Таблица 2 - Исходные данные для расчета
Технология Общая стоимость оборудования, тыс.руб. Удельный расход материалов, руб/год Энергопотребление, кВт-ч Кол-во персонала (продолжительность обслуживания, ч/сут)
Cl 90 291,3 Н* 1 (1)
Cl и ГДК 210 203,9 3 1 (1)
Оз 760 Н* 2,5 3(24)
Оз и ГДК 620 Н* 1,5 3(24)
УФ 100 30 Н* 1(8)
УФ и ГДК 1В0 30 3 1(8)
Ag и ГДК 130 6,4 3 1(8)
Примечание: * Н - незначительные затраты (в расчетах не учтены).
Рис. 1 - Оценка перспектив внедрения новых технологий обеззараживания воды при водоподготовке
ного использования с гидродинамической кавитацией рассмотренных промышленных технологий.
При сравнительном анализе наименьшие приведенные затраты, учитывающие капитальные и эксплуатационные расходы, приходятся на технологию с использованием серебра. Экономия материальных ресурсов при ее реализации в сравнении с традиционным хлорированием составит 63%.
Таким образом, можно сказать, что изучение технологий на основе гидродинамических кавитационных процессов показывает их перспективность в поиске новых методов промышленного обеззараживания воды для пищевых производств.
Литература
1. Горюнова С.М., Николаева Н.Г., Гаттарова А.М. Проблемы экологической чистоты пищевых продуктов / Вестник Казан. технол. ун-та.- 2011. - Т. 14, №12-С.178-183.
2. Способ обеззараживания воды синергетическим воздействием: пат. 2209772 Рос. Федерация / Флегентов И.В., Дегтерев Б.И., Беляев А.Н. - №2001112045/12. за-явл. 03.05.01, опубл. 10.08.03.
3. Способ очистки воды: пат. 2333154 Рос. Федерация / Карабасов Ю.С., Крылова Л.Н., Панин В.В., Воронин Д.Ю.- №2007113942/15. заявл. 16.04.07, опубл. 10.09.08.
4. Способ получения питьевой воды: пат. 2182128 Рос. Федерация / Гутенев В.В., Ажгиревич А. И., Павлов
A.В., Гутенева Е.Н.- №2001121302/12. заявл. 31.07.01, опубл. 10.05.02.
5. Способ обеззараживания воды с использованием комплексного соединения серебра: пат. 2182126 Рос. Федерация / Гутенев В.В., Кудрина И.В., Ажгиревич А.И., Гутенева Е.Н.- №2001121300/12. заявл. 31.07.01, опубл. 10.05.02.
6. Способ обеззараживания воды с использованием озона и ионов меди: пат. 2182123 Рос. Федерация / Гутенев
B.В., Монтвила О.И., Ажгиревич А.И., Денисова И.А. -№ 2001118317/12. заявл. 04.07.01, опубл. 10.05.02.
7. Флегентов, И.В. Гидродинамическая кавитация обеззараживает воду / И.В. Флегентов, Б.И. Дегтерев, Р.Ю. Акчурин, А.Н. Беляев // Экология и промышленность России.- 2000.- №11.- С.14-15.
8. Климов, В.Я. Безреагентное обеззараживание воды / В.Я. Климов // Экономика и управление предприятием ЖКХ. - 2009 - №7. - С. 68-72.
9. Беляев, А.Н. Интенсификация процесса обеззараживания воды гидродинамической кавитацией: дис.... канд. техн. наук: 05.17.08 / Беляев Андрей Николаевич. - Киров, 2000.- 129 с.
Результаты расчетов, представленные на диаграммах, демонстрируют перспективность комплекс-
© Ф. М. Гимранов - д-р техн. наук, проф., зав. каф. промышленной безопасности КНИТУ, expert-92@mail.ru; А. Н. Беляев -канд. техн. наук, доц. каф. промышленной экологии и безопасности Вятского госуд. ун-та, belyaev@gmail.com; И. В. Флегентов - д-р техн. наук, проф., зав. каф. промышленной экологии и безопасности Вятского госуд. ун-та; А. С. Суслов - преп. каф. той же кафедры.
