CC BY
36
Таблица. Удельные затраты теплоты в зависимости от остаточного давления концентрирования жидких молочных продуктов до массовой доли сухих
совая доля сухих веществ достигла 67 %; при 10...11 кПа - 63 %; при 18...19 кПа - 52 % (рис. 2). Аналогичные зависимости наблюдаются при концентрировании молочной сыворотки и молочных гидролизатов.
Самые низкие удельные затраты теплоты при концентрировании молока, молочной сыворотки и
молочного гидролизата отмечены в варианте с остаточным давлением 10.11 кПа. При 2.3 кПа они возрастают из-за повышения коэффициента рабочего времени холодильной машины и вакуумных насосов с 0,6. 0,7 до 0,85.0,9.
Наибольшие удельные затраты теплоты отмечены при 18...19 кПа, что связано с увеличением продолжительности процесса концентрирования.
Величина остаточного давления практически не влияет на органолептические и физико-химические показатели концентрированных продуктов. Их суммарная органолептическая оценка составляла от 38 до 40 баллов.
Выводы. Таким образом, рациональная величина остаточного давления для вакуумного концентрирования обезжиренного молока, молока с массовой долей жира 3 и 5 %, молочной сыворотки и молочного гидролизата при рациональных значениях температур и нагрузок равна 2.3 кПа.
веществ 48...Б2 %, кВт на кг удаленной влаги
Продукт Остаточное давление, кПа
2.. .3 1 10. ..11 18.. .19
Обезжиренное молоко 0,5.. 0,7 0,39 ..0,6 0, 7.. .1 1
Молоко с массовой
долей жира 3 % 0,55. .0,7 0,4. .0,6 0, 8.. .1 2
Молоко с массовой
долей жира 5 % 0,55. .0,8 0,4. .0,7 0, 8.. .1 4
Молочная сыворотка 0,4.. .0,7 0,35. .0,55 0, 6.. .1 1
Молочный гидролизат 0,7.. 1,1 0,5.. .0,78 0, 9.. .1 7
Литература.
1. Молин Р., Мияхара М., Панек Я. Белковые гидролизаты в пищевых продуктах // Мясные технологии. - 2007. -№11. - С. 30-31.
2. Храмцов А.Г., Нестеренко П.Г. К вопросу ресурсосберегающей и экологощадящей переработки молочного сырья / / Хранение и переработка сельхозсырья. - 2005. - №10. - С. 12-13.
3. Использование сгущенной творожной сыворотки: Обзорная информация / А.Г. Храмцов, В.В. Василисина, А.С. Тихомирова, А.Н. Баха. - М.: ЦНИТЭИ, 1977. - 19 с.
SELECTION OF RESIDUAL PRESSURE FOR VACUUM CONCENTRATION OF LIQUID DAIRY PRODUCTS
A.Yu. Prosekov, V.A. Ermolaev
Summary. In article the urgency of manufacture of the concentrated liquid dairy products is described. Features vacuum concentrating is considered. Results of experimental researches are resulted. Stages of selection of rational size of residual pressure for vacuum concentrating milk, dairy whey and dairy hydrolysis are described.
Key words: vacuum concentrating, residual pressure, milk, dairy whey, dairy hydrolysis.
УДК 628.543
ВЛИЯНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕЖИМОВ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ БИОРЕАКТОРА НА КОЛЬМАТАЦИЮ ФИЛЬТРУЮЩИХ ПОГРУЖНЫХ ПЛАСТИН
А.А. ДЕНИСОВ, доктор биологических наук, зав. отделом
С.А. СТРЕЛЬЦОВ, аспирант
ВНИТИ биологической промышленности
E-mail:arkdenisov76@yandex.ru
Резюме. Показаны технологические режимы работы биореакторов с погружными фильтрующими пластинами. С точки зрения процесс на мощность коль-матации влияют: скорость рециркуляции, время и тип фильтрации, проницающий поток, а также аэрация. Увеличение скорости рециркуляции активного ила в реакторе сокращает размеры флоккул, приводя, таким образом, к интенсификации кольматации, соответственно увеличивается и сопротивление фильтрации.
Ключевые слова: аэротенк, мембраны, кольматация, гидродинамика, аэрация, фильтрация, активный ил.
В течение последних десятилетий развитие науки и техники создает новые направления в очистке сточных вод, в частности это применение мембранных реакторов и прогрессивных технологий биологической обработки органических загрязнений.
Предложено объединение этапов физического разделения сточных вод с помощью мембранных модулей и биологической обработки осветленных вод микроорганизмами, обитающими в биологической системе. С помощью этой технологии достигается высокая эффективность разложения органических загрязнений.
Использование мембранного модуля позволяет концентрировать биомассу в реакторе до 15.35 г/л в течение достаточно продолжительного времени пребывания (более 30 сут), обеспечивая максимальную эффективность работы очистной установки. Аккумулирование микроорганизмов не только повышает биологическую активность, но и позволяет зна-__ Достижения науки и техники АПК, №06-2010
чительно сократить размеры очистных сооружений и существенно повысить эффективность процессов биологического усвоения органических загрязнений [4, 6].
Цель наших исследований - оценка возможности снижения процесса кольматации фильтрующих погружных мембран. В частности изучали влияние расхода воздуха и типа аэрации, а также структуры ила на его предупреждение.
Условия, материалы и методы. Реализацию поставленной задачи осуществляли с помощью
ходом аэрации и проницающего потока (ОаД1с). Предпочтительнее работать в зоне повышенной аэрации, потому что в этих условиях осадок не аккумулируется. До концентрации 4 г/л аэрационный расход должен превышать проникающий поток в 10 раз, а для концентрации 10 г/л это отношение необходимо увеличить примерно до 20.
Существует вполне определенная интеграция между гидродинамикой и флокуляцией. Среда биореакторов, включает флокулы бактерий, которые с точки зрения своих размеров и активности (что связано с появлением экзополимеров ЭПС) играют главную роль в кольматации мембран.
Флокуляция - это механизм, под действием которого частицы, находящиеся во взвешенном состоянии, агрегатируют. Процесс флокуляции вызывает два различных явления: транспорт частиц, который
Рис. 1. Схема биореактора с мембранами во внешнем контуре рециркуляционного потока.
биореактора с волокнистыми пустотелыми мембранами.
В ходе исследований изучали комбинированный процесс обработки сточных вод - очистка стоков биологическими методами и сепарация водно-иловой смеси мембранной фильтрацией (рис. 1) в едином сооружении.
Для формирования корректного управления очисткой проводили оптимизацию процессов, связанных с аэрацией [1, 3, 5].
Относительный эффект интенсивности аэрации и расхода фильтрационного потока определяли для тестированных концентраций взвешенных веществ от 1 до 10 г/л.
Результаты и обсуждение. Мы установили, что аэрация - ключевой параметр в предупреждении кольматации. Она ограничивает подвод веществ на уровень мембраны или благоприятствует их удалению. При этом на аэрацию приходится примерно 80 % общего расхода энергии в биореакторе.
Роль аэрации в кольматации определяется значениями гидравлического сопротивления при ее наличии и отсутствии. Аэрация позволяет почти полностью удалить сопротивление, происходящее от реверсивной(обратимой)кольматации и снизить на 50 % сопротивление, вызванное лиофобной (необратимой) кольматацией. Это может объясняться двумя причинами, вызванными инжекцией пузырей близко расположенных к волокнам мембраны:
гидродинамический эффект - пузыри генерируют в массе жидкости турбулентность, которая не дает частицам осадка налипать на поверхность мембраны;
механический эффект - пузыри, проходя перед мембраной, генерируют движение волокон, которое позволяет оторвать вероятный осадок.
Мы установили, что существуют две хорошо различимые зоны, разделенные границей критических условий (рис. 2). В одной из них (зона 1) интенсивность кольматации низкая, в другой (зона 2) наблюдается ее резкое повышение. Граница между условиями, вызывающими сильную и незначительную кольматацию, зависит от соотношения между рас-Достижения науки и техники АПК, №06-2010 ___
ных веществ ВВ, интенсивности аэрации Оа и проницаемого расхода ис.
сопровождается их столкновением, а также взаимодействия на малых расстояниях, которые позволяют частицам агрегировать. Но сама по себе флоккуляция - равновесное состояние между механизмами агрегации и разрушения (разрыва). На параметры этого процесса оказывает большое влияние степень сдвига (среза), связанная с гидродинамикой системой.
Флокуляция зависит от изменения размеров флокулы во времени. Перемешивание способствует увеличению коалесценции и в первое время оказывает положительный эффект на рост флокул. Эта фаза проходит достаточно быстро и доводит коа-лесценцию флокул до стационарного состояния. Затем увеличение интенсивности перемешивания вызывает разрыв флокул и уменьшение их среднего диаметра. Когда частицы растут, механизм разрыва становится заметным, так как увеличение числа флокул больших размеров предрасполагает к разрыву. Важный фактор, влияющий на процессы флокуляции и разрушения, - интенсивность турбулентности [1, 2, 7].
Согласно результатам наших исследований данная обратимость не всеобщая и концентрация взвешенных веществ имеет большую значимость. Показано, например, что увеличение концентрации суспензии каолина с 1 до 10 г/л влечет за собой сопротивление разрыву. При этом один раз разрушенные флоккулы при высокой концентрацией имеют худшие флокуляционные способности.
Увеличение скорости рециркуляции активного ила в реакторе с внешней петлей, приводит к сни------------------------------------------- 71
жению размеров флоккул, и следовательно к интенсификации кольматации. Эксперименты показывают, что чем больше скорость, тем выше содержание частиц, размер которых меньше 100 мкм. Так, для скоростей рециркуляции 0,5; 2,6 и 5,0 м/с их доля составляет 18; 59 и 98 %, а сопротивление фильтрации возрастает на 0,351012; 1,61012 и 1,91012 м-1 соответственно. Это объясняется увеличением сдвига, который приводит к срыву и выделению мелких частиц и экзополисахаридов.
Мы установили неблагоприятный эффект интенсивной рециркуляции в реакторах с внешней рециркуляционной петлей. Так, при повышении рецирку-
ляционного расхода с 9 до 12 л/мин кольматация снижается вследствие более сильной турбулентности (рис. 3). Дальнейшее увеличение расхода с 12 до 15 л/мин приводит к довольно сильной кольматации. В последнем случае из-за сильной турбулентности флоккула реструктурируется и освобождает экзополисахариды в растворимом виде. На это указывает увеличение концентрации протеинов с 7 до
14 % и сахаров - с 19 до 24 %, а также уменьшение размеров частиц. Следовательно, гидродинамические воздействия следует использовать осторожно, так как они существенно влияют на состояние биологической среды. Увеличение турбулентности в такой среде может вместо ограничения кольматации усилить и ускорить этот процесс. При очень большой турбулентности, в частности при высокой скорости рециркуляции, появляется эффект пертурбации в метаболизме микроорганизмов, которые начинают секретировать экзополимеры в больших количествах и таким образом увеличивать кольмата-ционную возможность среды.
Выводы. Таким образом, кольматация - результат функционирования и управления активным илом.
С точки зрения процесса время и тип фильтрации, проникающий поток, а также аэрация - факторы, которые влияют на мощность кольматации.
Интенсивность кольматации во многом зависит от соотношения между расходом аэрации и проницающего потока. До концентрации 4 г/л аэрационный расход должен превышать проникающий поток в 10 раз, а при 10 г/л это отношение необходимо увеличить примерно до 20 раз.
В реакторах с внешней рециркуляционной петлей при повышении рециркуляционного расходе выше 12 л/мин происходит довольно сильная кольматация, что связано с реструктуризацией флокул бактерий и освобождением экзополисахаридов в растворимом виде.
Полученные материалы можно использовать в процессе разработки и создания систем биологической очистки городских сточных вод, базирующихся на применении биологических реакторов с погружными фильтрующими пластинами.
Рис. 3. Изменение трансмембранного давления в зависимости от рециркуляционного расхода: - Ог=9 л/мин; -■— Ог=12 л/мин; - Ог=15 л/мин.
Литература.
1. Технические записки по проблемам воды. М. Стройиздат, 1983.
2. Ahn K.H., Song K.G., Application of microfiltration with a novel fouling control method for reuse of wastewater from a larg-scale resort complex. Desalination. 2000, n. 129, p. 207-216.
3. Biggs C.A., Lant P.A., Activated sludge flocculation: on mine determination of floc site and the effect of shear. Water Research. 2000, v. 34, p. 2442-2550.
4. Ghyoot W., Vandaele S., Verstaete W. Nitrogen removal from sludge reject water with a membrane-assisted bioreactor. Water Reaearch, 1999, 33, 1, pp. 23-32.
5. Kang I,J., Lee C.H., Kim K.J. Characreristics of microfiltration membranes in a membrane couple sequencing bathe reacteur system. Water Research. 2003, v. 37, p. 1192-1197.
6. Pollice A., Laera G., Blonda M. Biomass growth and activity in a membrane bioreactor with complete sludge retention. 2004. Water Reaearch. 38. pp. 1799-1808.
7. Visvanathan C., Yang D.C., Muttamara S. Aplacation to air backmushing technique in membrane bioreactor. Water Science Technology. 1997, v. 36, p. 256-266.
INFLUENCE OF TECHNOLOGICAL MODES OF BIOREACTOR FUNCTIONING ON THE COLMATION OF FILTER IMMERSION PLATES
A.A. Denisov, S.A. Strel’tsov
Summary. Work technological modes of bioreactors with immersion filter plates are shown. In terms of process colmation power is influenced by recycling rate, time and type of filtering, penetrating stream and aeration. The increase of activated sludge speed in the reactor reduces floccule sizes, thereby leading to colmation intensification and, respectively, resistance to filtration rises.
Key words: aerotank, membranes, colmation, hydrodynamics, aeration, filtration, activated sludge 72 ___________________________________________________________ Достижения науки и техники АПК, №06-2010
