Теоретическое обоснование устройства для съема флотационного шлама в установке очистки навозных стоков Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 631.862.2:631.333.92

ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ УСТРОЙСТВА ДЛЯ СЪЕМА ФЛОТАЦИОННОГО ШЛАМА В УСТАНОВКЕ ОЧИСТКИ НАВОЗНЫХ СТОКОВ

Ю.А. Киров, доктор технических наук Ю.А. Савельев, доктор технических наук А.С. Сычев, аспирант Е.В. Моисеев, инженер

ФГБОУ ВО «Самарская государственная сельскохозяйственная академия» E-mail: kirov_1962@inbox.ru

Аннотация. Важное значение в современных технологических линиях по утилизации навозных стоков, поступающих с крупных животноводческих комплексов, имеет операция по очистке отделенной жидкой фракции навоза, которая представляет собой дисперсную среду из воды и взвешенных твердых частиц экскрементов животных. Выполнен анализ научно-технической литературы по механизации процессов обработки жидких навозных стоков, который показал, что для этой цели существует большое количество методов и технических средств, и наиболее простым и эффективным является метод обработки стоков путем флотации. Из анализа конструкций флотационных аппаратов сделан вывод, что наиболее перспективной в использовании является конструктивно-технологическая схема флотатора, рабочий процесс которой основан на насыщении сточной воды пузырьками воздуха за счет ее электролиза (электрофлотации). Одной из важных операций в процессе очистки навозных стоков в электрофлотаторе является съем флотационного шлама, образованного на поверхности обрабатываемой жидкости. Устройство для съема флотационного шлама должно обладать свойствами быстрого удаления образованной пены и одновременно не создавать турбулентного режима на поверхности. Дано описание новой конструкции для флотационного разделения на фракции и очистки навозных стоков за счет электролиза. В результате теоретического анализа процесса разделения и очистки жидкой фракции навозных стоков во флотационной установке и процесса сбора и удаления флотационного шлама получены функциональные зависимости влажности флотационного шлама от основных конструктивно-технологических параметров исследуемой установки. Получены новые аналитические зависимости влияния основных конструктивно-режимных параметров устройства на влажность полученной твердой фракции навозных стоков. Ключевые слова: навозные стоки, разделение на фракции, флотация, флотационный шлам, очистка, обезвоживание, утилизация.

Введение. В современных технологических линиях по переработке и утилизации навозных стоков, поступающих с крупных животноводческих комплексов, важное значение имеет операция по очистке отделенной жидкой фракции навоза, которая представляет собой дисперсную среду из воды и взвешенных твердых частиц экскрементов животных. Жидкая фракция навозных стоков составляет до 90% от общей исходной массы и в таком виде не может быть использована в дальнейшем. Кроме того, в необработанном виде жидкая фракция навозных стоков представляет серьезную угрозу для почвы, воды, воздушного бассейна и, в конечном счете, для человека [1,2,4,6,7,8].

Анализ научно-технической и патентной литературы по состоянию вопроса механизации процессов обработки жидких навозных стоков показал, что для этой цели существует большое количество методов и технических средств, и наиболее простым и эффективным является метод обработки стоков путем флотации [3,5, 9,11]. Флотация представляет собой метод разделения и очистки жидких навозных стоков за счет насыщения обрабатываемой среды пузырьками воздуха и создания комплексов «вода-пузырек возду-ха-твердая частица навоза», твердые частицы «прилипают» к образовавшимся пузырькам воздуха и поднимаются (флотируются) к поверхности воды, где образовывают пенный

слой (флотошлам) [4]. Из анализа конструкций флотационных аппаратов можно сделать вывод, что наиболее эффективной и перспективной в использовании является конструктивно-технологическая схема флотатора, рабочий процесс которой основан на насыщении сточной воды пузырьками воздуха за счет ее электролиза, так называемой электрофлотации [3,9,11].

Одной из важных операций в процессе очистки навозных стоков в электрофлотаторе является съем флотационного шлама, образованного на поверхности обрабатываемой жидкости. Устройство для съема флотационного шлама должно обладать свойствами быстрого удаления образованной пены и одновременно не создавать турбулентного режима на поверхности.

Цель исследования - повышение эффективности процесса съема флотационного шлама с поверхности обрабатываемых навозных стоков.

Задачи исследований:

1) разработать перспективную в использовании конструкцию флотационной установки для разделения на фракции и очистки навозных стоков;

2) определить аналитические зависимости влияния конструктивно-режимных параметров устройства для съема флотационного шлама на качество очистки навозных стоков.

Методология проведения работ. В Самарской государственной сельскохозяйственной академии была разработана экспериментальная установка для разделения и очистки жидкой фракции навозных стоков методом электрофлотации (рис. 1) [10]. Установка содержит корпус 1 для проведения основного рабочего процесса электрофлотации, патрубок 2 для подачи исходной массы сточной воды, устройство 3 для сбора и удаления флотационного шлама с поверхности обрабатываемой воды, переливную перегородку 4, патрубок 5 для отвода очищенной воды, перфорированную плоскую поверхность 6 с диаметром отверстий 1,5-3,0 мм, емкость 8 для сбора флотационного шлама. На дне корпуса 1 флотатора расположены электроды 7 для обеспечения процесса электролиза воды.

Работает установка следующим образом. Исходная масса сточной воды поступает через патрубок 2 в корпус 1 флотатора. Затем под действием электролиза воды, который обеспечивают электроды 7 (катод и анод), происходит процесс отделения сточной воды от взвешенных твердых частиц, которые поднимаются к поверхности воды и образуют там пенный слой (флотационный шлам). Очищенная таким образом вода выводится из флотатора через патрубок 5.

\1_ М.

Рис. 1. Схема установки: 1 - корпус; 2 - патрубок подачи исходной массы; 3 - устройство для сбора и удаления флотационного шлама; 4 - перегородка;

5 - патрубок вывода; 6 - перфорированная поверхность; 7 - электроды; 8 - емкость.

Образовавшийся на поверхности обрабатываемой воды флотационный шлам увлекается скребками транспортера 3 и подается на фильтровальную перегородку 6, где под действием гравитационных сил шлам обезвоживается через перфорированные отверстия. Затем обезвоженный флотационный шлам выгружается в емкость 8. Данное устройство позволяет снизить влажность образованного флотационного шлама до зоотехнических требований, предъявляемых к осадкам сточных вод на животноводческих комплексах.

После процесса электрофлотации на поверхности обрабатываемой воды образуется слой флотационного шлама, представляющий собой смесь пузырьков газа с твердыми частицами навоза. Флотационный шлам сохраняет свое состояние и удерживается на поверхности лишь определенное время, поэтому необходимо аккуратно и быстро убрать его с поверхности воды. Кроме того, флотационный шлам в таком состоянии име-

ет очень высокую влажность (около 88%) и поэтому должен быть подвергнут дополнительному обезвоживанию.

Для повышения эффективности рабочего процесса сбора и удаления флотационного шлама с поверхности сточной воды, обрабатываемой во флотаторе, необходимо в конце процесса удаления шлама на корпусе флотационной установки устанавливать фильтр овальную перегородку, представляющую собой плоскую перфорированную поверхность, с целью дополнительного обезвоживания флотационного шлама (рис. 2).

Рис. 2. Схема процесса фильтрования флотационного шлама

Ход исследования. Процесс сбора и удаления флотационного шлама во флотационной установке состоит из двух периодов:

1) сбор с поверхности сточной воды и транспортирование флотационного шлама;

2) транспортирование флотационного шлама с одновременным фильтрованием через перфорированные отверстия фильтр овальной перегородки.

На фильтровальную перегородку исходная масса флотационного шлама поступает с определенной влажностью Ж, которую необходимо довести до значения WС, чтобы выполнялось следующее условие:

Жа < Шдоп , (1)

где Жа - влажность твердой фракции навоза, сходящего с фильтровальной перегородки, %; Ждоп - допустимое значение влажности твердой фракции навоза по зоотехническим требованиям, %.

При невыполнении условия (1) работа фильтровальной перегородки будет неэффективна, так как в этом случае из твердой

фракции навоза не будет успевать выделяться избыточная влага. Для определения влажности твердой фракции навоза воспользуемся уравнением согласно общепринятой методике:

М

Ж =-^ х 100%,

М

(2)

т.ф.

где Ж - влажность твердой фракции навоза, %; Мв - масса воды, находящейся в твердой фракции, кг; Мт.ф. - масса твердой фракции, кг.

Мтф. = Мв + Мсн, (3)

где Мсн - масса сухого навоза, находящегося в твердой фракции навоза, кг.

Влажность флотационного шлама с учетом (2) можно представить следующим образом:

Ж = -

М

мсн + мв

В-х 100%,

(4)

где Мсн - масса сухого навоза, кг. Поскольку исходный продукт (шлам) имеет повышенную влажность (примерно 88%), то требуется довести ее до оптимального для транспортирования и биотермической переработки значения (примерно 7075%). Достигается это за счет удаления части избыточной влаги, содержащейся в шламе, путем фильтрации через фильтровальную перегородку. Для достижения требуемого эффекта решим задачу о необходимой для указанной цели длине фильтровальной перегородки Ь. Рассмотрим исходный объем шлама, защемленный между соседними скребками (рис. 2). Он равен:

Уисх = Ь х ЬСКР хД/ х^ (5)

где ИСКР - высота скребка, м; Д/ - расстояние между скребками, м.

По мере продвижения этого объема шлама по фильтровальной перегородке часть воды из него удаляется. Определим вначале время необходимое для перевода в фильтрат объема воды УдОп, требуемого для уменьшения влажности шлама до допустимого значения ЖдОП. При этом будем пренебрегать влиянием поступательного движения шлама по фильтровальной перегородке иСКР на скорость фильтрации.

После прохождения времени необходимого для снижения влажности шлама до Ждоп, требуемая длина фильтровальной перегородки определится по следующей формуле:

Ь — иСКР х г + А1. (6)

Определим объем воды, который должен профильтроваться за искомое время Поскольку в начальный момент времени влажность шлама составляет

ж —

ж исх —

М,

МСН + МИСХ

■х100%,

а в конце отрезка времени ^ он должен достигнуть влажности Ждоп (при сохранении Мен)

Ж —

'' ДОП

М

ДОП

■х100%,

Мен + М доп (8)

то можно в результате получить зависимость для определения МдОП.

Из выражения для ЖИСХ находим, что 1 - Ж

М — М ж ИСХ

IV! г>тт 1У-1 тт

Жиех (9)

а из выражения для Ждоп определяем

Мен — Мдоп

1 - Ж

ДОП

Ж

'' 77

ДОП (10) где влажность выражена в долях единицы. Приравнивая правые части этих равенств, получаем

мдоп — м исх х

Ж

ДОП

1 - Ж,

исх

Ж

исх

1 - Ж

ДОП

(11)

Допустимый объем воды в шламе при его сбросе с фильтровальной поверхности будет равен

vдоп у'исх х

Ж

ДОП

1 - Ж,

исх

Ж

исх

1 - Ж

ДОП

(12)

Следовательно, удалению подлежит масса воды, равная Мф:

Мф = Миех - Мдоп, или с учетом (11)

мф — Миех

1 - ЖШ^ х(1 - Жиех )

I1 - ЖДОП )

исх

(13)

(14)

Для объема профильтровавшейся за время I воды, получим соответственно выражение:

1 - Ждш х(1 - Жиех )

(1 - ЖДОП )

исх

(15)

Исходный объем воды в шламе составит:

Уиех — Ь х Искр хЫ хУх Жиех Следовательно ,

Ршл р

(7) Уф — Ь х ИСКР х Ы х ух ЖИ

. рШЛ

ИСХ '

р

1 --

Ж,

ДОП

1 - Ж

ИСХ

Ж

ИСХ

1-Ж

ДОП

(16)

(17)

Определим время I, необходимое на фильтрование этого объема, предполагая фильтрацию через слой осадка и фильтровальную перегородку ламинарной.

Скорость ламинарной фильтрации иФ оп-р еделя ется ф о рмулой Дарси [4]: ЫИ

иф — Кф х1 — Кф х

И

(18)

где Кф - коэффициент фильтрации, м/с; I -гидравлический уклон, Ак - потери напора, м; кСО - толщина слоя осадка, м.

За время Л через элемент фильтровальной перегородки длиной ё1 профильтруется объем ЛУф, равный:

И^ — иф х Ь х М х Иг. (19)

За вр е мя ^ объем ¥ф составит:

Ы г

Уф — Ь Циф ММ. (20)

0 0

С учетом сопротивления фильтровальной

получим: ЫРИИг ,"гг рфхдхМИг

перегородки

Ы I

—ь л

Мф

Яфп, мг

—ь! 1-

ос + ^фп ) мф (*ос + ^фп )

(21)

0 0 Г-ф г ос ■ —фи/ 0 0 Мф (лос + лфп)

Для вычисления Уф таким образом необходимо знать, как изменяются параметры в подинтегральном выражении вдоль отсека и во времени, то есть их связь с I и

Решим эту задачу с помощью теоремы о среднем. Запишем подинтегральное выражение средним значением (по I и ¿).

Тогда

—ь

РФ хдхИ Мф (^ОС + ^ФП )

Ы г

Ц ММ.

(22)

СР 0 0

X

X

X

X

Следовательно

Рф хдх¡г

-ф = Ь

мф (кос + Яфпп )

хД х t.

ср

Отсюда находим искомое время Р.

-1

t =

ф

Ь хД/

Рф хдхь

мф ос + кфп )

(23)

(24)

СР

В начальный момент времени в защемленном отсеке между скребками находится объем шлама УиСх.ШЛ, средняя глубина которого равна (осреднение по А1).

(¡ср) = -исх.ШЛ. х с°а

(ЬСР X = -

(26)

, Л7 (25)

Ь хД/

В конце интервала времени I в этом отсеке будет находиться объем шлама ¥дОП.ШЛ, средняя глубина которого равна:

—ДОП.ШЛ. х с°5 а

Ь хД '

Тогда искомая средняя глубина ИСР определится из выражения (осреднение по времени):

ц _ (ЬСР )0 +(ЬСР )t _ (-ИСХ .ШЛ. + -ДОП .ШЛ.)х с°5а (27)

СР = 2 = 2Ь хД/

Подставляя в выражение (24) для I полученное значение, определим, что

1 ЖДОП„, 1 - Жисх

t = 2Жисх х Мф (*ос + *ФП) х Жисх 1 - Ждоп уВ х с°8 а "

1 - Ж 1 +1 ''исх

(28)

1 - Ж,

Доп

где ув - удельный вес воды, Н/м . Если пренебречь сопротивлением осадка

ЯОс, то формула несколько упрощается:

t = 2Жисх х мф х Кфп х _

1 - Ждо^ х 1-Ж

исх

Жа

1 - Ж

ДОП

уВ х с°8а

1 - Ж 2 1 Ж исх

(29)

1 - Ж

ДОП

Результаты исследования. В результате теоретического анализа процесса разделения и очистки жидкой фракции навозных стоков во флотационной установке и процесса сбора и удаления флотационного шлама получены функциональные зависимости влажности флотационного шлама от основных конструктивно-технологических параметров исследуемой флотационной установки. Отметим, что увеличение исходной влажности

приводит к росту Ь; уменьшение влажности на сходе с фильтровальной поверхности также требует увеличения Ь; увеличение угла наклона фильтровальной поверхности также приводит к увеличению требуемой длины. Исходя из теоретических рассуждений, на длину фильтровальной поверхности основное влияние оказывают: вязкость флотационного шлама, его плотность, скорость перемещения по фильтровальной поверхности, угол наклона поверхности относительно горизонтальной плоскости.

Выводы. Для повышения эффективности р а б о ч е го п р о це с с а с б о р а и удаления флотационного шлама с поверхности жидкой фракции навозных стоков, обрабатываемой во флотаторе, нео бходимо в конце процесса удаления шлама на корпусе флотационной установки устанавливать фильтровальную перегородку, представляющую собой плоскую перфорированную поверхность, с целью дополнительного обезвоживания флотационного шлама. Теоретический анализ рабочего проц есс а с б ора и удаления флотационного шлама с поверхности сточной воды, обрабатываемой во флотаторе, позволил получить аналитические выражения для расчета времени I и длины Ь фильтровальной поверхности.

Литература:

1. Технологии и технические средства для уборки и утилизации навоза в фермерских хозяйствах / Гриднев П.И. и др. М., 1996. 44 с.

2. Иванов Ю.А., Новиков Н.Н. Автоматизация процессов как фактор повышения эффективности производства животноводческой продукции // Сборник научных докладов ВИМ. 2006. Т. 1. С. 104-109.

3. Теоретическое обоснование процесса очистки жидкой фракции навоза на флотационной установке / Киров Ю.А. и др. // Актуальные агроинженерные проблемы АПК: сб. тр. СГСХА. Самара, 2001. С. 159-161.

4. Технология и технические средства для обеспечения экологической и технической безопасности на животноводческих комплексах (теория и расчет) / Киров Ю.А. и др. Кинель, 2018. 156 с.

5. Киров Ю.А. Разработка технологической линии для разделения навозных стоков // Техника и оборудование для села. 2012. № 4. С. 24-26.

6. Научное обеспечение развития экологически безопасных систем утилизации навоза / Н.Г. Ковалев и др. // Аграрная наука Евро-Северо-Востока. 2016. № 1.

7. Иванов Ю.А., Миронов В.В. Экологичное животноводство, проблемы и вызовы // Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства. 2015. № 87. С. 35-48.

8. Мишуров Н.П. Рекомендации по технологическому проектированию систем удаления и подготовки к использованию навоза и помета / Вестник ВНИИМЖ. 2018. № 4. С. 44-56.

9. Основные конструкционно-режимные параметры флотационной установки / В.А. Мухин и др. // Тракторы и сельхозмашины. 2013. № 2. С. 14-15.

10. Пат. 111847 РФ. Флотатор / Киров Ю.А. и др. За-яв. 15.11.11; Опубл. 06.07.12, Бюл. № 36.

11. Шевяков В.С. Результаты исследований процесса обезвоживания бесподстилочного навоза методом флотации // Актуальные агроинженерные проблемы АПК: сб. тр. СГСХА. Самара, 2001. C. 161-163.

Literatura:

1. Tekhnologii i tekhnicheskie sredstva dlya uborki i utili-zacii navoza v fermerskih hozyajstvah / Gridnev P.I. i dr. M., 1996. 44 s.

2. Ivanov YU.A., Novikov N.N. Avtomatizaciya proces-sov kak faktor povysheniya effektivnosti proizvodstva zhivotnovodcheskoj produkcii // Sbornik nauchnyh dokla-dov VIM. 2006. T. 1. S. 104-109.

3. Teoreticheskoe obosnovanie processa ochistki zhidkoj frakcii navoza na flotacionnoj ustanovke / Kirov YU.A. i

dr. // Aktual'nye agroinzhenernye problemy APK: sb. tr. SGSKHA. Samara, 2001. S. 159-161.

4. Tekhnologiya i tekhnicheskie sredstva dlya obespeche-niya ekologicheskoj i tekhnicheskoj bezopasnosti na zhi-votnovodcheskih kompleksah (teoriya i raschet) / Kirov YU.A. i dr. Kinel', 2018. 156 s.

5. Kirov YU.A. Razrabotka tekhnologicheskoj linii dlya razdeleniya navoznyh stokov // Tekhnika i oborudovanie dlya sela. 2012. № 4. S. 24-26.

6. Nauchnoe obespechenie razvitiya ekologicheski bezo-pasnyh sistem utilizacii navoza / N.G. Kovalev i dr. / Ag-rarnaya nauka Evro-Severo-Vostoka. 2016. № 1.

7. Ivanov YU.A., Mironov V.V. Ekologichnoe zhivotno-vodstvo, problemy i vyzovy // Tekhnologii i tekhniches-kie sredstva mekhanizirovannogo proizvodstva produkcii rastenievodstva i zhivotnovodstva. 2015. № 87. S. 35-48.

8. Mishurov N.P. Rekomendacii po tekhnologicheskomu proektirovaniyu sistem udaleniya i podgotovki k ispol'zo-vaniyu navoza i pometa / Vestnik VNIIMZH. 2018. № 4. S. 44-56.

9. Osnovnye konstrukcionno-rezhimnye parametry flotacionnoj ustanovki / V.A. Muhin i dr. // Traktory i sel'hoz-mashiny. 2013. № 2. S. 14-15.

10. Pat. 111847 RF. Flotator / Kirov YU.A. i dr. Zayav. 15.11.11; Opubl. 06.07.12, Byul. № 36.

11. SHevyakov V.S. Rezul'taty issledovanij processa obe-zvozhivaniya bespodstilochnogo navoza metodom flotacii // Aktual'nye agroinzhenernye problemy APK: sb. tr. SGSKHA. Samara, 2001. C. 161-163.

THEORETICAL JUSTIFICATION OF THE DEVICE FOR FLOTATION SLIME REMOVAL IN THE MANURE FLOWS' CLEANING UNIT Y.A. Kirov, doctor of technical sciences Y.A. Savel'iev, doctor of technical sciences A.S. Sychev, post-graduate student E.V. Moiseev, engineer

FGBOY VO "Samara state agricultural academy»

Abstract. Important mutter in modern technological lines for utilization of the manure flows coming from large livestock complexes is the operation for manure separated liquid fraction's cleaning, that is water dispersed medium and animal excrement's suspended solid particles. The liquid manure flows treatment mechanization scientific-and-technical literature's analysis a large number of methods and technical means for this purpose had showed, and the most simple and effective was flow's treatment one by flotation. From the flotation devices designs analysis, it was concluded that the most promising is the design and technological scheme of the flotator's device, that working process on the waste water's saturation with air bubbles due to its electrolysis (electroflotation) is based. One of the manure flows cleaning's important operations in the electroflotator, the flotation slime formed on the treated liquid surface is removal. The removing flotation slime device the properties of the formed foam and at the same time turbulent regime non-creating on its surface that rapidly should have removal. The flotation separation into fractions and manure flows treatment by electrolysis's new design description is given. As a result of manure flow liquid fraction's separation and purification theoretical analysis in the flotation unit and flotation slime collection and disposal, flotation slime's functional dependence on moisture content of the studied setup main process's design-and-technological parameters are obtained. New analytical dependences of the device's main structural-and- regime parameters influence on the obtained manure flows solid fraction's humidity are obtained.

Keywords: manure flows, separation into fractions, flotation, flotation slime, cleaning, dehydration, utilization.