CC BY
53
РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ВЫСОКОЭФФЕКТИВНОЙ ОЧИСТКИ И ОБЕЗЗАРАЖИВАНИЯ ВОДЫ И ПРОДУКТОВ ПИТАНИЯ
С.Н. Волкова, А.В. Шлеснко
Аннотация. Рассматривается ресурсосберегающая технология высокоэффективной очистки и обеззараживания воды и продуктов питания.
Ключевые слова: ресурсосберегающая технология, вода, продукты питания, фильтрация, очистка.
Мембранная техника относится к энерго- и ресурсосберегающим технологиям. Применение мембранных процессов обусловливает требуемую экологическую чистоту производств. Сегодня на ее основе решаются многие крупномасштабные проблемы, такие, как опреснение солоноватых и морских вод, как в нашей стране, так и за рубежом [1]. Создаются системы кругового водопотребления, системы очистки сточных вод [2]. Применение УФ в пищевой промышленное™ является особенно перспективным, поскольку она разрешает осуществлять очищение и концетрирование пищевых жидкостей без влияния температуры, которая оказываег содействие хранению потребительских свойств пищевых ингредиентов, повышать степень использования отдельных компонентов сырья, снижать энергоемкость процессов, получать продукты питания повышенной пищевой ценности.
В технологии сахарного производства одним из перспективных направлений является очистка диффузионного сока сахарной свеклы от механических включений и веществ с размерами частиц, превышающих размер молекулы сахара. Использование мембранных методов значительно упрощает традиционные технологические процессы, позволяет рационально использовать сырье, вспомогательные материалы, электрическую и тепловую энергию, повышает экологическую чистоту производства [3].
Ряд ученых считает, что свеклосахарный завод в перспективе будет состоять из следующих процессов: измельчения сахарной свеклы, диффузии, осветления с помощью мембран, упаривания и трехступенчатой кристаллизации [4].
Новая конструкция ресурсосберегающего мембранного аппарата с кольцевым слоем разделяемого потока [5] позволяет производить
очистку, которая повышает качество диффузионного сока сахарной свеклы. Для оптимального режима работы установки по очистке диффузионного сока сахарной свеклы требуется пульсационная подача в режиме резонанса. Разработанная математическая модель для кольцевого канала позволяет рассчитать реальный процесс ультрафильтрации, максимальную величину сдвига /тля отггимального режима работы установки по очистке. Узел генерации пульсаций создаёт условия для режима ресурсосбережения: что позволяет при высокой степени очистки увеличить скорость уль графильтрации на 20 процентов и продлить время безрегенерационного цикла работы мембраны более чем в 2 раза.
Компактность установок ультрафильтрации, незначительный расход химических реагентов и простота обслуживания позволяют обеспечить более низкую себестоимость очистки воды при ее высоком качестве.
Преимущественные экономические и качественные отличия от альтернативных технологий:
- эффективная фильтрация при низком рабочем давлении 1-2 атм;
- снижение себестоимости очищенной воды в 5 раз;
- уменьшение занимаемой площади в 3 раза;
- уменьшение количества используемых реагентов более чем в 10 раз;
- снижение расходов потребляемой воды в
2 раза;
- уменьшение энергозатрат в 2 раза;
- простая автоматизация;
- полное удаление взвешенных веществ;
Информация об авторах
Волкова Светлана Николаевна, доктор сельскохозяйственных наук, профессор, заведующий кафедрой высшей и прикладной математики Курской государственной сельскохозяйственной академии имени профессора И.И. Иванова, тел. 8-910-3 11-76-71.
Шлеенко Алексей Васильевич, старший преподаватель кафедры экспертизы и управления недвижимостью Курского государственного технического университета.
- дезинфекция (удаление 99,99% бактерий и вирусов);
- осветление воды (снижение мутности и цветности воды);
- высокая степень очистки воды от железа и марганца;
- эффективное удаление коллоидного кремния и органических веществ;
- ультратонкая очистка воды (степень фильтрации 0,01 микрон);
- ультрафильтрация позволяет сохранить солевой состав природной воды;
- снижаются капитальные затраты на строительство здания для размещения нового оборудования.
Эффективность использования ультра-фильтрационной очистки и обесцвечивания высокоцветных маломутных природных вод от растворенных органических веществ и микроорганизмов по сравнению с электрокоагуляцией иллюстрируется данными по эксплуатации промышленных ультрафильтрационных установок, приведенными в таблицах 1 и 2.
Таблица 1 - Показатели качества исходной высокоцветной маломутной воды, обработан-ной ультрафильтрационным методом__________
Показатель До установки После установки
Мутность, мг/л 0,1...4 0
Перманганатная окисляемость, мг 02/л 15...20 3,4...5,5
Жесткость общая, мгэкв/л 0,44 0,18
Щелочность, мгэкв/л 0,29 0,22
Сульфаты, мг/л Следы Следы
Температура, °С 0,2...0,5 0,3...0,6
Коли-индекс 2380 <3
Как показывает анализ приведенных данных, ультрафильтрация имеет только один низкий показатель - удельную производительность, который может быть улучшен использованием приемов интенсификации процесса, в частности применением пульсаций подачи разделяемого потока.
Технико-экономические показатели мембранных методов разделения характеризуют процесс ультрафильтрации как ресурсосберегающий с рядом преимуществ по сравнению с другими методами.
В качестве объекта практической реализации проведенных исследований нами было предложено использование пульсационной подачи разделяемого потока для очистки технологической воды на Курском кондитерском ком-
бинате. В действующую схему очистки, приведенную на рисунке 1, был дополнительно установлен узел генерации пульсаций.
Таблица 2 - Сравнительные технико-
экономические показатели методов на стадии предварительной очистки природных вод________
Показатель Очистка
электро- коагуляция ультра- фильтрация
Степень очистки от орг. веществ, % 50...60 40...70
Степень очистки от коллоидов железа, % 30...40 70...90
Обескремнивание, % 20...30 20...30
Степень задержания микрочастиц размером > 0,5 мкм, % — 99.9
Расход электроэнергии, кВт/м3 0,6 1,1
Расход железа, г/м3 30 0
Удельная производительность, м2/(м3 ч) 2 0,7
Металлоемкость, кг/м3 0,8 0,2
Стоки поступают в отстойник 1, который одновременно выполняет функции буферной емкости. В отстойнике проходит первая ступень очистки, в которой проходит отделение частиц с гидравлической крупностью до 0,1 мм/с. Осадок, отделяемый в отстойнике, отводится на сгущение в барабанном фильтре 8. Полученная паста отправляется на утилизацию, а фильтрат возвращается в отстойник 1. После отстаивания осветленные стоки насосом 2 подаются в ульграфильтрационные аппараты. Пульсации давления и расхода, подаваемых на очистку стоков, создаются узлом генерации пульсаций 3. Пульсирующий поток очищаемых стоков при увеличенном объеме стоков направляется в два мембранных аппарата 2, а при снижении - в один. Фильтрат из мембранных аппаратов поступает в емкость очищенной воды 7 и далее - на технологические нужды. Концентрат из мембранных аппаратов возвращается на повторное отстаивание в отстойник 1.
Наблюдения за работой схемы, проведенные в течение трех месяцев, показали высокую эффективность. Результаты анализов качества воды приведены в таблице 3.
Анализ результатов показывает:
- высокую степень очистки воды, которую можно регулировать выбором определенного типа мембран;
- скорость ультрафильтрации в условиях пульсационной подачи воды в модуль превышает значения скорости при беспульсационной подачи в среднем на 27 %;
Таблица 3 -Результаты анализов качества воды __________________________________________
Показатели качесгва воды До очистки После очистки
Мутность, мг/л 40... 60 0
Цветность, град 45... 60 0...5
Количество задерживаемых частиц, в перерасчете на 1 л 10* - 106 не более 10
Концентрат
Фильтрат
Рисунок 1 - Схема очистки технологической воды с использованием пульсационной ультрафильтрации:
1 - отстойник; 2 - насос исходной воды; 3 -узел генерации пульсаций; 4 - кран; 5 - мембранный аппарат; 6 - регулирующий клапан; 7 -емкость очищенной воды; 8 - барабанный фильтр.
- отсутствие в системе очистки накопления частиц с гидравлической крупностью менее 0,1 мм/с, что объясняется коагуляцией и агрегатированием микрочастиц с гидравлической крупностью менее 0,1 мм/с в результате пульсаци-онного воздействия и последующего их отделения в отстойнике.
На основе выполненных исследований предложен разработанный оригинальный мембранный модуль и схема мембранной установки с пульсирующим устройством ротационного типа.
В связи с отсутствием полупроницаемых мембран, отвечающих требованиям технологических процессов сахарного производства, применение мембранной технологии в основ-
ном ограничены лабораторным и полупромышленным масштабом.
Применение мембранной технологии даст возможность значительно упростить технологию производства сахара, повысить выход сахара, улучшить экологическую обстановку производства, уменьшить расход электроэнергии не менее 20 процентов.
Применение установки в сельском хозяйстве, в перерабатывающей промышленности, в коммунальном хозяйстве, в кондитерском и пивоваренном производстве позволит получить в зависимости от доли прибыли инвестора от вложенных внебюджетных средств (N, %) экономический эффект 62596,6 тыс. руб (для N=10%) и 38682,1 тыс. руб (для N=25%).
Список использованных источников
1 Хванг, С.-е. Мембранные процессы разделения: перевод под ред. проф. Ю.И. Дытнер-ского / С.-е. Хванг, К. Каммермейр. - М.: Химия, 1981.-464 с.
2 Дытнерский, Ю.И. Баромембранные процессы. Теория и расчет / Ю.И. Дытнерский. -М.: Химия. 1986.-272 с.
3 Мулдер, М. Введение в мембранную технологию: пер. с англ. / М. Мулдер. - М.: Мир, 1999.
4 Vem.C.; Cabbert Carol.; Schueller Jams. Свеклосахарный завод в перспективе. Jut. Sugar/ J/ -1995-97.- № 159 - С.310-312.
5 Пат. 2327509 Российская Федерация, МПК7 В 01 D 63/06. Трубчатый мембранный элемент / Кудрявцев В.А., Ананьева П.А. Ку-вардина Е.М., Шлеенко А.В., Завгородняя Е.А., заявитель и патентообладатель Рос. науч.-ислед. ин-т. сах. пром.-ти Россельхозакадемии -№ 2006131763/15; заявл. 04.09.06 ; опубл. 27.06.2008, Бюл. № 18 - 4 с.: ил.
