На правах рукописи

ТВЕРДУНОВ Павел Сергеевич

РАЗРАБОТКА УСТРОЙСТВА ДЛЯ ОЧИСТКИ

И ОБЕЗЗАРАЖИВАНИЯ ВОДЫ С ОБОСНОВАНИЕМ ЕГО

ПАРАМЕТРОВ И РЕЖИМОВ РАБОТЫ

Специальность 05.20.01 – технологии и средства механизации

сельского хозяйства

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Ульяновск – 2013 2

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Ульяновская государственная сельскохозяйственная академия имени П.А. Столыпина»

(ФГБОУ ВПО «Ульяновская ГСХА им. П.А. Столыпина») доктор технических наук, профессор,

Научный руководитель:

заслуженный изобретатель РФ Курдюмов Владимир Иванович

Официальные оппоненты: Юхин Геннадий Петрович доктор технических наук, профессор, кафедра технологического оборудования животноводческих и перерабатывающих предприятий ФГБОУ ВПО Башкирский ГАУ, профессор Игонин Владимир Николаевич кандидат технических наук, доцент, кафедра технологии и средств механизации в агробизнесе ФГБОУ ВПО «Ульяновская ГСХА им. П.А. Столыпина», заведующий кафедрой ФГБОУ ВПО «Мордовский государ

Ведущая организация:

ственный университет им. Н.П. Огарева»

Защита состоится 17 декабря 2013 г. в 1000 часов на заседании диссертационного совета ДМ 220.003.04 при ФГБОУ ВПО Башкирский ГАУ по адресу: г.

Уфа, ул. 50 лет Октября, 34, ауд. 257/3.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО Башкирский ГАУ.

Автореферат разослан «_» ноября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук, профессор С.Г. Мударисов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Агропромышленный комплекс России – крупнейший потребитель водных ресурсов. Более 70 % всей питьевой воды, потребляемой в сельском хозяйстве, приходится на животноводческие предприятия и фермерские хозяйства.

Как известно, потребление сельскохозяйственными животными воды, удовлетворяющей существующим нормам и требованиям, – одно из важнейших условий сохранения здорового поголовья и основа получения высокой продуктивности. Для приведения воды поверхностных и подземных источников в соответствие действующим требованиям в сельском хозяйстве применяют различные способы и технические средства обработки воды.

Среди всех способов обработки воды очистка и обеззараживание являются основными. Применяемые в настоящее время на животноводческих комплексах установки для водоподготовки не всегда обеспечивают требуемое санитарными правилами и нормами качество воды. Кроме этого, большинство установок являются узкоспециализированными, что приводит к конструктивному усложнению технологической линии водоподготовки животноводческих предприятий, и, как следствие, удорожанию её технического обслуживания, так как пропорционально увеличению числа ступеней очистки и обеззараживания возрастает число соединительных трубопроводов, запорно-регулирующей арматуры, а также количество обслуживающего персонала. В устройствах иностранного производства более низкие показатели затрат на техническое обслуживание достигаются, преимущественно, за счет применения систем автоматического управления и регулирования процессом улучшения качества воды. При этом применяемые способы очистки и обеззараживания воды, а также установки для их реализации, качественно не отличаются от аналогичных устройств российского производства.

Водная стратегия агропромышленного комплекса Российской Федерации на период до 2020 года предусматривает создание и внедрение инновационных технологий водоподготовки, очистки водопроводных, сточных и коллекторнодренажных вод. Реализация этой стратегии возможна благодаря разработке и внедрению в производство современных технологий очистки и обеззараживания воды и средств для их реализации.

Работа выполнена в соответствии с планом НИОКР ФГБОУ ВПО «Ульяновская государственная сельскохозяйственная академия имени П.А. Столыпина»

на 2011-2015 г.г. «Разработка ресурсо-, энергосберегающих технологий и средств механизации сельского хозяйства» (государственный регистрационный номер – 01201157951).

Степень разработанности темы. Несмотря на большое количество научных работ, посвященных различным аспектам очистки и обеззараживания воды в сельском хозяйстве, задача совершенствования этих технологий и технических средств для их реализации остается не решенной.

Таким образом, задача создания высокоэффективных, универсальных и экологически безопасных технических средств обработки воды, предназначенных для животноводческих комплексов и фермерских хозяйств, является актуальной, важной и имеющей существенное значение для развития страны.

Цель работы. Повышение эффективности подготовки воды сельскохозяйственных предприятий путём разработки конструкции устройства для очистки и обеззараживания воды с обоснованием его параметров и режимов работы.

Объект исследования. Технологический процесс обработки воды, включающий ее очистку и обеззараживание.

Предмет исследования. Технологические параметры процесса обработки воды (очистки и обеззараживания) и конструктивно-режимные параметры устройства для реализации этого процесса.

Научная новизна работы:

- разработана математическая модель движения потока обрабатываемой воды в устройстве для очистки и обеззараживания воды.

- разработаны математические модели процесса очистки воды в поле центробежных сил и фильтрования в пористой среде с учетом размеров, массы частиц загрязнения и параметров фильтрующих элементов.

- получены аналитические зависимости для определения пропускной способности и потребной мощности устройства для очистки и обеззараживания воды.

- обоснованы рациональные конструктивные параметры и режимы работы, разработана конструкция устройства для очистки и обеззараживания воды, новизна технических решений которого подтверждена патентами Российской Федерации на изобретения № 2465211, № 2465212, № 2443634 и полезную модель № 104546.

Теоретическая и практическая значимость. Разработанные математические модели позволяют обосновать основные конструктивные параметры и режимы работы устройств для очистки и обеззараживания воды животноводческих комплексов и фермерских хозяйств. Разработанное устройство для очистки и обеззараживания воды может применяться в составе линий водоподготовки животноводческих комплексов и ферм при централизованном водоснабжении, а также в системах поения сельскохозяйственных животных относительно небольших предприятий с автономным водоснабжением.

Использование устройства предложенной конструкции позволяет получить воду, качество которой по физико-химическим и санитарно-микробиологическим показателям удовлетворяет требованиям действующих правил и норм. При использовании устройства годовой экономический эффект составляет: в режиме очистки воды – 0,5 руб./м3, в режиме обеззараживания – 13,97 руб./м3. Прогнозируемая экономическая эффективность, приходящаяся на 1 кг прироста живой массы, составляет 4,54 рубля.

Методология и методы исследований. Теоретические исследования проведены с применением методов системного анализа и синтеза, вычислительной гидродинамики (в частности, метода конечных элементов), а также основных положений теории разделения суспензий, механики жидкости, теории физической и геометрической оптики, сопротивления материалов, гидравлики и математики.

Лабораторные и производственные исследования проводили в соответствии с действующими государственными и отраслевыми стандартами, методическими указаниями и рекомендациями, а также с применением частных методик. При оценке данных, полученных в ходе экспериментов, применяли теорию ошибок и методы математической статистики. При обработке данных, полученных в ходе полного факторного эксперимента, применяли методы математической статистики и теории ошибок. Для этого использовали программный пакет статистического анализа Statistica 6.0, программу для работы с электронными таблицами Microsoft Office Excel 2007 и пакет компьютерной алгебры Derive 6.10.

Реализация результатов исследований. Устройство для очистки и обеззараживания воды было исследовано в условиях свиноводческого предприятия с законченным производственным циклом Общество с ограниченной ответственностью «Агрофирма «Агро-Инвест» Кузоватовского района Ульяновской области.

По результатам исследований было принято решение о внедрении устройства в систему поения откормочного молодняка свиней.

Степень достоверности и апробация результатов. Основные научные положения диссертационной работы, доложены, обсуждены и одобрены на: III Международной научно-практической конференции "Молодежь и наука XXI века" (Ульяновская ГСХА, 2010 г.), III Международной научно-практической конференции «Научно-техническое творчество молодежи – путь к обществу, основанному на знаниях» (Московский ГСУ, 2011 г.), Международной научнопрактической конференции «Агропромышленный комплекс: контуры будущего»

(Курская ГСХА, 2011 г.), Международной научно-практической конференции «Научные исследования – основа модернизации сельскохозяйственного производства» (Тюменская ГСХА, 2011 г.), Международной научно-практической конференции «Энергоэффективность технологий и средств механизации в АПК»

(Мордовский ГУ им. Н.П. Огарева, 2011 г.), LI Международной научнотехнической конференции «Достижения науки – агропромышленному производству» (Челябинская ГАА, 2012 г.), Международной научно-практической конференции молодых ученых, аспирантов и соискателей «Науке нового века-знания молодых» (Вятская ГСХА, 2012 г.), XI Международном научно-практическом семинаре «Ресурсосберегающие технологии при хранении и переработке сельскохозяйственной продукции» (Орловский ГАУ, 2012 г.), Международной научнопрактической конференции «Аграрная наука: современные проблемы и перспективы развития» (Дагестанский ГАУ им. М.М. Джамбулатова), Международной научной конференции студентов и молодых ученых (на иностранных языках) «Молодежь и наука» (Башкирский ГАУ, 2012 г.).

Публикации. По основным положениям диссертационной работы опубликовано 22 научные работы, в том числе 1 патент РФ на полезную модель и 3 патента на изобретение, 1 работа – в перечне изданий, рекомендованных ВАК РФ.

Общий объем опубликованных работ составляет 5,8 п.л., из них автору принадлежит 3,2 п.л.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка литературы из 194 наименований и приложения. Основной текст изложен на 179 с., содержит 46 рисунков и 26 таблиц.

Научные положения и результаты исследований, выносимые на защиту:

- аналитические зависимости по определению конструктивных параметров и режимов работы устройства для очистки и обеззараживания воды;

- математические модели процесса обработки воды в разработанном устройстве;

- конструктивные особенности устройства для очистки и обеззараживания воды;

- результаты лабораторных и производственных исследований по определению оптимальных конструктивных и режимных параметров работы устройства для очистки и обеззараживания воды.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении раскрыта актуальность выбранной темы исследований, приведен перечень основных положений и результатов исследований, выносимых на защиту.

В первой главе «Состояние вопроса. Цель и задачи исследования» выполнены анализ существующих способов и технических средств очистки и обеззараживания воды, применяемых в сельском хозяйстве, их систематизация и классификация.

В создание современных теоретических основ очистки и обеззараживания воды значительный вклад внесли фундаментальные исследования и разработки Д.М. Минца, Н.Н. Абрамова, Л.А. Кульского, М.Г. Журбы, В.А. Жужикова, В.В.

Найденко, И.Г. Терновского, Р.Н. Шестова, Г.И. Николадзе, В.А. Клячко, В.С.

Оводова, Б.Н. Фрога, В.Ф. Соколова, В.Ф. Кожинова, С.Н. Линевича, В.В.

Найденко, С.В. Костюченко, J.R. Bolton, E.R. Blatchley III, R. Farajzadeh, B.F.

Severin, M.R. Wlesner, F. Solsona, A. Sozzi, M. Kneissl и многих других ученых.

Проведенный анализ теоретических и экспериментальных исследований позволил установить, что в настоящее время отсутствует комплексный подход при разработке устройств для очистки и обеззараживания воды и существует необходимость проведения дальнейших исследований и поиска новых технических решений.

С учетом изложенного выше определена цель работы и сформулированы задачи исследований:

1. Выполнить анализ существующих технологий и средств очистки и обеззараживания воды, применяемых в сельском хозяйстве, выявить основные направления их совершенствования;

2. Разработать конструкцию устройства для очистки и обеззараживания воды и выполнить теоретическое обоснование его конструктивно-режимных параметров;

3. Провести лабораторные исследования процессов очистки и обеззараживания воды в разработанном устройстве, разработать математические модели этих процессов и определить оптимальные параметры и режимы работы устройства;

4. Проверить разработанное устройство в производственных условиях, оценить его экономическую эффективность при выбранных режимах.

Во второй главе «Теоретическое обоснование процесса очистки и обеззараживания воды» представлена конструкция запатентованного устройства для очистки и обеззараживания воды (рисунок 1).

Устройство работает следующим образом. Вода через входной штуцер попадает в трубку 12 и через установленные под острым углом к ней патрубки поступает в пространство между внутренней поверхностью корпуса 1 и внешней поверхностью цилиндрического стакана 8, где вовлекается во вращательное движение. При вращении воды в кольцевом зазоре между внутренней поверхностью корпуса 1 и внешней поверхностью цилиндрического стакана 8 находящиеся в жидкости частицы загрязнений отбрасываются под действием центробежной силы к внутренней поверхности корпуса 1 и, далее, попадают в отстойник 6. Здесь вода меняет направление движения, теряет скорость и, проходя сквозь отверстия, выполненные в днище цилиндрического стакана 8 по окружности вдоль его образующих, проходит через фильтрующий элемент 3, где дополнительно очищается.

Затем вода попадает в зазор между фильтрующим элементом 3 и ультрафиолетовой лампой 10, где, поднимаясь по турбулизатору 11, обеззараживается под действием ультрафиолетовых лучей. После этого вода удаляется наружу через выходной патрубок 5, установленный в крышке 2. Имеющиеся в воде загрязнения накапливаются в отстойнике 6 и в фильтрующем элементе 3. Периодически фильтрующий элемент 3 заменяют, а загрязнения из отстойника 6 удаляют через пробку 7, установленную в нижней части отстойника 6.

Рисунок 1 – Устройство для очистки и обеззараживания воды (патент № 2465212):

1 – корпус; 2 – крышка; 3 – фильтрующий элемент; 4 – входной штуцер; 5 – выходной патрубок; 6 – отстойник; 7 – пробка; 8 – цилиндрический стакан; 9 – кольцо; 10 – ультрафиолетовая лампа; 11 – турбулизатор; 12 – трубка; 13 – патрубки Движение потока обрабатываемой воды в устройстве при условии, что:

плотность воды w const ; касательные и нормальные напряжения, сопровождающие деформацию отдельных объемов воды, отсутствуют, описывается уравнением:

где X, Y, Z – внешние силы, заданные в виде проекций ускорения на оси коорp 1 p 1 p – угловые скорости (компоненты вихря).

Для получения адекватной картины движения потока обрабатываемой воды в проектируемом устройстве и определения её полной скорости v = v x 2 v y 2 v z в выбранных сечениях применяли средства вычислительной гидродинамики. На рисунке 2 представлена картина движения и распределение полной скорости потока обрабатываемой воды в устройстве при минимальном питающем давлении Pin 101325 Па.

Рисунок 2 – Распределение скоростей потоков обрабатываемой воды в выбранных сечениях устройства (патент № 2465212) Анализируя полученную картину (рисунок 2), легко видеть, что потоки обрабатываемой в устройстве воды циркулируют приблизительно симметрично относительно корпуса устройства. На первой стадии обработки воды различимы внешний нисходящий и внутренний восходящий потоки воды. Наибольшее количество жидкости движется во внешнем винтовом потоке вдоль внутренней поверхности конусообразного отстойника устройства до его нижней части. Здесь сплошной поток воды разбивается на два потока, один из которых движется по внутренней спирали в направлении, противоположном движению основного потока. Максимальная скорость воды в устройстве vmax 0,990 м/с, минимальная – vmin 0,198 м/с.

В разрабатываемом нами устройстве совмещены следующие способы обработки воды: очистка в поле центробежных сил, фильтрование через пористую перегородку, обеззараживание воды ультрафиолетовым излучением. Воздействие на воду указанными способами осуществляется поочерёдно. Рассмотрим отдельно каждый этап обработки воды в устройстве, начиная с первого – очистки воды в поле центробежных сил. Движение частицы загрязнения в устройстве рассмотрим в цилиндрической системе координат (,, z). Положение её определено функциями ( ), ( ), z ( ), где – время пребывания частицы загрязнения в центробежном поле устройства. Проекции радиальной a, тангенциальной a и вертикальной (осевой) a z составляющих ускорения частицы загрязнения на оси координат:

Для упрощения математических зависимостей, описывающих движение частицы загрязнения, допустим: все частицы, поступающие в устройство, имеют сферическую форму и равномерно распределены по сечению входящего потока воды; на траекторию частицы не влияет положение соседних частиц, они не сталкиваются друг с другом и не образуют коагуляционные структуры; сила трения F, Н, обусловленная динамическим напряжением сдвига на поверхности раздела двух сред (частица загрязнения – вода), пренебрежимо мала, то есть F 0. Во вращающемся криволинейном потоке воды на частицу загрязнения действуют (рисунок 3): Fc d p p v / 6rp – центробежная сила, Н, d p – диаметр частицы загрязнения, м, p – плотность частицы загрязнения, кг/м3, v – тангенциальная составляющая скорости воды в устройстве, м/с, rp – расстояние от оси симметрии устройства до частицы (радиус вращения), м; Fg d p p g / 6 – сила тяжести, Н, g – ускорение свободного падения, м/с2; Fb Fbg Fbc – выталкивающая сила, Н;

Fbg d p w g / 6 – выталкивающая сила от действия силы тяжести, Н, w – плотность воды, кг/м3; Fbc d p w v / 6rp – выталкивающая сила от действия центробежной силы, Н; Fd Fh F – сила сопротивления, Н; Fh 3 d pus – сила гидродинамического сопротивления воды, Н, действует на частицу в направлениях x, y, z ( Fh Fhx Fhy Fhz ), – коэффициент динамической вязкости воды, Па·с (Н·с/м2), u s – скорость движения частицы в переносящем её слое воды, м/c.

Условие равновесие частицы загрязнения относительно цилиндрической системы координат (,, z) имеет вид:

где m p – масса частицы загрязнения, кг.

Рисунок 3 – Схема сил, действующих на частицу загрязнения, на первом этапе очистки воды Подставляя в уравнение (2) значения ускорений и сил, получим уравнение, описывающее движение частицы загрязнения на первом этапе обработки воды в устройстве:

Таким образом, направление движения частиц загрязнения в устройстве на первой ступени очистки воды определяет соотношение центробежной силы Fc и силы сопротивления Fd. Если Fc Fd, то частицы будут отброшены к стенке и осядут в отстойнике устройства. И наоборот если Fc Fd частицы вместе с нисходящим потоком перейдут в восходящий поток и будут задержаны в фильтрующем элементе. Если же Fc Fd, то частицы будут продолжительное время циркулировать в устройстве.

Следующим этапом очистки воды в устройстве является фильтрование.

Существенное влияние на эффективность очистки воды оказывают процессы, происходящие в фильтрующем элементе во время работы устройства. Так, например, частицы загрязнения, размер которых превышает средний размер пор фильтрующего элемента d p d m, задерживаются на его поверхности и образуют осадок. В то же время частицы загрязнения, для которых выполняется неравенство d p d m, оседают во внутренних слоях фильтрующего элемента, постепенно закупоривая его поры. Рассмотрим процесс образования осадка на фильтрующем элементе предлагаемого устройства для очистки и обеззараживания воды (рисунок 4).

Фильтрование в общем случае описывают уравнением:

где V f – объем воды, прошедшей через фильтрующий элемент, м3; f – время фильтрования, с; S f – площадь рабочей поверхности фильтрующего элемента, м2;

p f – падение давления в ходе фильтрования, Па; R f – общее сопротивление потоку фильтруемой воды, м-1.

Общее сопротивление потоку фильтруемой воды:

где Rc k X sV f (1 c ) / s S f c3dc2 – сопротивление слоя осадка, м-1, k – постоянная Козени, Х s – масса твёрдой фазы осадка, приходящаяся на единицу объёма воды, прошедшей через фильтрующий элемент, кг/м3, c Vpc / Vc – пористость осадка, V pc – объём пор осадка, м3, Vc – общий объём осадка, м3, s – плотность твёрдой фазы осадка, кг/м3, d c – диаметр частиц загрязнения, образующих осадок, м; Rm – сопротивление фильтрующего элемента, м-1.

Рисунок 4 – Схема образования осадка на поверхности фильтрующего элемента Принимая удельное сопротивление осадка rc, м/кг, Подставляя уравнение (5) в (4) с учетом выражения (6) после несложных преобразований получим:

Проинтегрируем левую часть полученного уравнения (7) от 0 до V f, а правую от 0 до f :

Разделив левую и правую части уравнения (8) на rc X s / 2S f, получим:

Уравнение (9) описывает механизм фильтрования воды в устройстве предлагаемой конструкции при условии, что процесс протекает при постоянной разности давлений p f с образованием сжимаемого осадка.

Следующий этап обработки воды в устройстве – обеззараживание ультрафиолетовым излучением. Среднюю дозу ультрафиолетового облучения, Дж/м2, в камере обеззараживания устройства найдём из выражения:

где Eq – бактерицидная облучённость на поверхности кварцевого чехла ультрафиолетовой лампы, Вт/м2; e – основание натурального логарифма; d q – диаметр кварцевого чехла ультрафиолетовой лампы, м; d f – внутренний диаметр фильтрующего элемента (диаметр камеры обеззараживания), м; k w – коэффициент поглощения ультрафиолетового излучения водой, м-1; nt – число витков турбулизатора, шт.; st – шаг навивки витков турбулизатора, м; Q – пропускная способность устройства, м3/c.

Пропускная способность устройства для очистки и обеззараживания воды, м /с, где K – коэффициент производительности, зависит от угла конусности отстойника устройства, для теоретических расчётов можно принять равным 0,040…0,066;

Db – диаметр корпуса устройства, м; dout – диаметр выходного патрубка, м; Pin, Pout – давление до и после устройства соответственно, Па; heh – геометрическая высота подъёма жидкости, м; Qw – расход воды, м3/с; t – среднее значение эквивалентной шероховатости, м; Re – число Рейнольдса; H c, H b – высота отстойника и цилиндрической части корпуса устройства соответственно, м; fl – сумма коэффициентов местных сопротивлений.

Мощность, Вт, требуемая для обработки воды в устройстве, где H p – напор, создаваемый центробежным насосом, Па; h – гидравлический коэффициент полезного действия (КПД); m – механический КПД; V – объёмный КПД; e – КПД электродвигателя; N s – мощность источника ультрафиолетового излучения, Вт; nuv – число источников излучения, шт.

Следует учитывать, что если устройство применяют только для очистки воды, мощность, требуемая на процесс, будет равна мощности, потребляемой электродвигателем насоса (первое слагаемое в уравнении (12)). В случае, если устройство используют для обеззараживания воды, мощность, требуемую для обработки воды в устройстве, определяют из выражения (12).

В третьей главе «Лабораторные исследования процесса очистки и обеззараживания воды» приведены программа и методика лабораторных исследований, основанные на действующих государственных и отраслевых стандартах, методических указаниях и рекомендациях, а также частных методиках. Даны описания конструкции лабораторного стенда (рисунок 5), оборудования, измерительных приборов и тест-комплектов, представлены результаты выполненных исследований, определены оптимальные параметры и режимы работы предложенного устройства. Данные, полученные в ходе опытов, обрабатывали на компьютере с помощью программного пакета статистического анализа Statistica 6.0, программы для работы с электронными таблицами Microsoft Office Excel 2007 и пакета компьютерной алгебры Derive 6.10.

Рисунок 5 – Лабораторные исследования устройства для очистки и обеззараживания воды: 1 – металлический каркас с регулируемыми опорами; 2 – горизонтальная панель; 3 – вертикальная панель; 4 – столешница; 5 – бак для воды; 6 – погружной центробежный насос;

7 – гидросистема; 8 – шаровый кран; 9 – ротаметр; 10 – электронный расходомер; 11 – Лабораторные исследования процесса обработки воды в устройстве проводили поэтапно. На первом этапе исследовали процесс очистки воды, взятой из действующей водопроводной сети п.г.т. Октябрьский, Чердаклинского района Ульяновской области, без изменения показателей её качества. На втором этапе меняли мутность водопроводной воды посредством добавления к ней диатомитового порошка Diasil (ТУ 5716-013-25310144-2008). В качестве критерия оптимизации был принят коэффициент качества очистки воды K p, который рассчитывали по формуле:

где M, m – концентрация примеси в воде до и после очистки соответственно, мг/л.

Данный коэффициент позволяет оценить эффективность очистки воды разработанным устройством по нескольким предварительно выбранным физикохимическим показателям её качества.

Лабораторные исследования процесса обеззараживания воды в устройстве также проводили с использованием воды, взятой из водопровода (п.г.т. Октябрьский, Чердаклинский район Ульяновской области), с добавлением культуры бактерий вида Escherichia coli. В качестве параметра оптимизации был выбран коэффициент инактивации K d :

где N 0, N – коли-индекс воды до и после обеззараживания соответственно, KOE/л.

Этот коэффициент является универсальным и позволяет оценить качество обеззараживания воды в устройствах аналогичного типа.

Согласно существующим нормативам и рекомендациям мутность воды, предназначенной для поения сельскохозяйственных животных, не должна превышать 1,5…2 мг/л. Для определения оптимальных параметров работы устройства при очистке воды был проведен двухфакторный эксперимент.

После обработки результатов лабораторных исследований нами получены уравнения регрессии, характеризующие влияние размера пор фильтрующего элемента и расхода воды на коэффициент качества очистки воды, в натуральных и кодированных значениях факторов соответственно:

где K p – коэффициент качества очистки воды; d m – размер пор фильтрующего элемента, мкм; Qw – расход воды, л/мин.

где Y1 – коэффициент качества очистки воды; x1 – размер пор фильтрующего элемента; x2 – расход воды.

Графическое изображение поверхности отклика от взаимодействия размера пор фильтрующего элемента и расхода воды и их совместного влияния на коэффициент качества очистки воды представлено на рисунке 6.

Канонический анализ полученных уравнений регрессии показал, что максимальный коэффициент качества очистки воды K p 93,55 достигается при размере пор фильтрующего элемента dm 5,437 мкм и расходе воды – Qw 14,83p л/мин. Однако фильтрующие элементы с номинальным размером пор dm 5, мкм промышленность не выпускает, ближайшее заводское значение составляет мкм. Пропускная способность такого фильтрующего элемента составляет л/мин. Поэтому рациональным коэффициентом качества очистки воды K p будем считать тот коэффициент, при котором пропускная способность устройства будет не ниже 14,83 л/мин. Данное условие выполняется при dm 10 мкм. Коэффициент качества очистки воды при этом составляет K p 93,33.

На стадии поисковых экспериментов лабораторных исследований процесса обеззараживания воды в устройстве было выявлено, что при расходе воды более 16 л/мин средняя доза ультрафиолетового облучения воды в устройстве была меньше 16 мДж/см2, что не удовлетворяет действующим нормативам. Поэтому для проведения исследований по обеззараживанию воды уточняли уровни варьирования и интервал варьирования фактора x2 : (+1) – 16 л/мин; (0) – 10 л/мин; (-1) – 4 л/мин; интервал варьирования – 6 л/мин. В ходе исследований содержание бактерий вида Escherichia coli (кишечная палочка) в пробах обрабатываемой воды колебалось в пределах (3…20)103 КОЕ/л. Среднее арифметическое значений мощности потока ультрафиолетового излучения лампы составляло xEl 18, мВт/см2.

Рисунок 6 – Поверхность отклика от взаимодействия размера пор фильтрующего элемента и расхода воды В ходе экспериментальных исследований среднюю дозу ультрафиолетового облучения, Дж/см2, определяли по формуле:

где xEl – среднее арифметическое значений мощности потока ультрафиолетового излучения лампы, Вт/м2; kw xЦ kЦ 10( xCFe 0,1) / 10000 – коэффициент поlr глощения ультрафиолетового излучения водой, полученный по результатам анализа её основных физико-химических показателей, м-1, xЦ – среднее арифметическое значение цветности воды, град.; k Ц – поправочный коэффициент, если xЦ 20...50 град, то kЦ 7...9, если xЦ 20, то k Ц 0, xCFe – среднее арифметическое значение концентрации общего железа в воде, мг/л; S d – площадь поперечного сечения камеры обеззараживания устройства, м2; Ll – длина источника ультрафиолетового излучения, м.

После обработки результатов лабораторных исследований нами получены уравнения регрессии, характеризующие влияние расхода воды на коэффициент инактивации, в натуральных и кодированных значениях факторов соответственно:

где K d – коэффициент инактивации; Qw – расход воды, л/мин.

где Y2 – коэффициент инактивации; x2 – расход воды.

Графическое изображение зависимости коэффициента инактивации от расхода воды представлено на рисунке 7.

Рисунок 7 – Зависимость коэффициента инактивации от расхода воды Проанализировав уравнения (17) и (18), можно утверждать, что на параметр оптимизации значительное влияние оказывает расход воды, причем при уменьшении расхода значение K d возрастает.

Для уравнений (17) и (18) коэффициент корреляции R 0,911, коэффициент детерминации R 2 0,830. Следовательно, оба уравнения объясняют 83,0 % вариации зависимой переменной.

После решения уравнения (17) в программе Derive 6.10 получили оптимальное значение расхода воды при её обеззараживании в устройстве: Qw 4, л/мин. Коэффициент инактивации при этом составил Kd 99,98, а средняя доза ультрафиолетового облучения, рассчитанная по уравнению (17) с учётом физикохимических показателей обрабатываемой воды, составила 48,75 мДж/см2.

Проведение серии дополнительных опытов при оптимальном значении расхода воды позволило установить, что среднее арифметическое значение колииндекса в пробах воды, отобранных после устройства, xКОЕ 2,33, что удовлетворяет требованиям существующих санитарных правил и норм.

Оценка результатов измерений с помощью критериев Кохрена, Фишера и Стьюдента показала, что результаты воспроизводимы, коэффициенты полученных уравнений статистически значимы, а математические модели процесса очистки и обеззараживания воды адекватны.

В четвертой главе «Производственные исследования устройства для очистки и обеззараживания воды и определение экономической эффективности от его внедрения» даны программа, методика и результаты производственных исследований, проведенных в Обществе с ограниченной ответственностью «Агрофирма «Агро-Инвест» (Ульяновская область, Кузоватовский район) (рисунок 8).

Исследования, проведенные в производственных условиях, подтвердили результаты лабораторных исследований. Расхождение значений основных показателей процесса обработки воды в устройстве не превысили 4,7 %.

Рисунок 8 – Исследование устройства для очистки и обеззараживания воды в производственных условиях: 1 – резервуар с водой; 2 – подводящий шланг; – отводящий шланг; 4 – устройство для очистки и обеззараживания воды; 5 – Технико-экономический анализ предлагаемого устройства при применении его для очистки воды в сравнении с фильтром Honeywell F76S показал, что устройство требует в 2 раза меньше капиталовложений, а годовой экономический эффект от его использования для очистки воды составляет – 1730,58 руб. Технико-экономический анализ предлагаемого устройства при применении его для обеззараживания воды в сравнении с установкой для обработки воды озоном COB-M-2000-OZ показал, что предлагаемое устройство имеет в 8,6 раза меньшую материалоёмкость, а годовой экономический эффект от его использования для обеззараживания воды составляет – 48908,52 руб. При этом срок окупаемости предлагаемого устройства для очистки и обеззараживания воды не превышает 2,72 года.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Проведенный анализ существующих технологий улучшения качества питьевой воды показал, что для небольших животноводческих предприятий и фермерских хозяйств, занимающихся разведением сельскохозяйственных животных, наиболее целесообразно применять безреагентные способы обработки воды. При этом для повышения эффективности работы средств водоподготовки, снижения их материалоёмкости и уменьшения затрат на их обслуживание необходимо разрабатывать устройства, конструкция которых позволяет совмещать безреагентные процессы очистки и обеззараживания воды в одном корпусе.

2. Разработано устройство для очистки и обеззараживания воды, состоящее из корпуса, снабженного крышкой, выполненной съемной в форме тарелки, фильтрующего элемента, входного штуцера, выходного патрубка и отстойника, снабженного пробкой для слива загрязнений. В корпусе установлен цилиндрический стакан с отверстиями, выполненными в его днище по окружности вдоль образующих. Фильтрующий элемент изготовлен в форме цилиндра и установлен внутри цилиндрического стакана. Внутри фильтрующего элемента вдоль его оси установлена ультрафиолетовая лампа. Входной штуцер соединен с трубкой, изогнутой в форме спирали, помещенной в кольцевом зазоре между внутренней поверхностью корпуса и внешней поверхностью цилиндрического стакана. Трубка снабжена патрубками, установленными под острым углом к ней в направлении навивки спирали.

Получена система уравнений, позволяющая определить скорость сепарации частиц загрязнения в устройстве, в зависимости от свойств обрабатываемой воды.

Получено уравнение, описывающее механизм фильтрования воды в устройстве предлагаемой конструкции. Также сформулировано уравнение, позволяющее определить дозу ультрафиолетового облучения в камере обеззараживания предложенного устройства, в зависимости от его конструктивных параметров и режимов работы.

3. На основании результатов проведенных лабораторных исследований разработаны адекватные математические модели процессов очистки и обеззараживания воды в предложенном устройстве.

Анализ полученных математических моделей процесса очистки воды позволил выявить рациональные значения основных независимых факторов, при которых коэффициент качества очистки воды K p 93,33 : размер пор фильтрующего элемента dm 10 мкм и расход воды Qw 14,83 л/мин.

В результате полученных математических моделей процесса обеззараживания воды выявлены оптимальные значения основных независимых факторов, при которых коэффициент инактивации Kd 99,98 : расход воды Qw 4,702 л/мин.

Средняя доза ультрафиолетового облучения при этом составила Duv 48, мДж/см2.

4. Производственные исследования разработанного устройства показали его высокую эффективность при применении в процессах очистки и обеззараживания воды. Расхождение значений основных показателей процесса обработки воды, полученных в производственных и лабораторных условиях не превысили 4,7 %.

Коэффициент качества очистки воды находился в пределах 93,26…93,35. Коэффициент инактивации находился в пределах 99,98…99,99. При этом средняя доза ультрафиолетового облучения составляла 48,71 мДж/см2.

Результаты технико-экономического анализа показали, что применение предлагаемого устройства для очистки и обеззараживания воды свиноводческих предприятий позволяет получить дополнительную прибыль за счёт прироста живой массы откормочного молодняка свиней в размере 36960 руб. или 4,54 руб. на 1 кг прироста живой массы.

Сравнительный анализ основных технико-экономических показателей работы предлагаемого устройства с установками для очистки и обеззараживания воды отечественного и зарубежного производства показал, что при относительно небольших капитальных вложениях в размере 4713,47 рублей годовой экономический эффект при очистке и обеззараживании воды составляет 1730,58 и 48908, рублей соответственно. Стоимость очистки и обеззараживания 1 м3 воды в устройстве предлагаемой конструкции составляет 1,06 и 1,59 рубля соответственно. Срок окупаемости предлагаемого устройства не превышает 2,72 года.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ

1. Твердунов, П.С. Лабораторные исследования процесса обработки воды ультрафиолетовым излучением / В.И. Курдюмов, П.С. Твердунов // Вестник Ульяновской ГСХА. 2013. – № 1 (21). C. 149-154.

2. Курдюмов В.И., Твердунов П.С. Устройство для очистки и обеззараживания воды. – Патент RU № 104546. - Опубл. 20.05.2011 г. Бюл. № 14.

3. Курдюмов В.И., Твердунов П.С. Устройство для очистки и обеззараживания воды. – Патент RU № 2443634. - Опубл. 27.02.2012 г. Бюл. № 6.

4. Курдюмов В.И., Твердунов П.С. Устройство для очистки и обеззараживания воды. – Патент RU № 2465211. - Опубл. 27.10.2012 г. Бюл. № 30.

5. Курдюмов В.И., Твердунов П.С. Устройство для очистки и обеззараживания воды. – Патент RU № 2465212. - Опубл. 27.10.2012 г. Бюл. № 30.

в сборниках научных трудов и материалах конференций 6. Твердунов, П.С. Обзор способов повышения качества воды / В.И. Курдюмов, П.С.

Твердунов // Материалы III-й Международной научно-практической конференции "Молодежь и наука XXI века": т. 4. – Ульяновск, ГСХА, 2010. – С. 65-68.

7. Твердунов, П.С. Анализ источников ультрафиолетового излучения применяемых в установках для обеззараживания воды / В.И. Курдюмов, П.С. Твердунов // Сборник докладов III Международной научно-практической конференции «Научно-техническое творчество молодежи – путь к обществу, основанному на знаниях». – Москва: МГСУ, 2011. – С. 511-512.

8. Твердунов, П.С. Научные основы использования УФ-светодиодов для обеззараживания воды / В.И. Курдюмов, П.С. Твердунов // Материалы Всероссийской конференции с международным участием «Механизм государственно-частного партнерства в развитии кооперации российских высших учебных заведений и производственных предприятий». – Ульяновск, УлГУ, 2011. – С. 86-89.

9. Твердунов, П.С. К определению фактической дозы облучения в установках для обеззараживания воды ультрафиолетом / В.И. Курдюмов, П.С. Твердунов // Материалы III Международной научно-практической конференции «Аграрная наука и образование на современном этапе развития: опыт, проблемы и пути их решения»: т. 2. – Ульяновск, ГСХА, 2011. – С. 257Твердунов, П.С. UV-LED based water purification device for rural water supply / В.И.

Курдюмов, П.С. Твердунов // Материалы международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Агропромышленный комплекс: контуры будущего».

– Курск, ГСХА, 2012. – С. 187-189.

11. Твердунов, П.С. Способы кондиционирования минерального состава воды / П.С.

Твердунов, В.И. Курдюмов // Материалы Международной научно-практической конференции «Научные исследования – основа модернизации сельскохозяйственного производства». – Тюмень, ГСХА, 2011. – С. 289-291.

12. Твердунов, П.С. Требования, предъявляемые к качеству воды в сельском хозяйстве / В.И. Курдюмов, П.С. Твердунов // Сборник научных трудов по материалам Международной заочной научно-практической конференции «Наука сегодня: теоретические аспекты и практика применения»: в 9 частях. Часть 6. – Тамбов, Издательство ТРОО «Бизнес-Наука-Общество», 2011. – С. 117-118.

13. Твердунов, П.С. Новая технология очистки и обеззараживания воды и устройства для её реализации / В.И. Курдюмов, П.С. Твердунов // Сборник работ победителей отборочного тура Всероссийского конкурса научно-исследовательских работ студентов, аспирантов и молодых ученых по нескольким междисциплинарным направлениям «Эврика-2011». – Новочеркасск, Издательство Лик, 2011. – С. 515-518.

14. Твердунов, П.С. Использование метода гидродинамики сглаженных частиц с целью визуализации процесса работы устройства для очистки и обеззараживания воды / В.И. Курдюмов, П.С. Твердунов // Сборник научных работ Всероссийского конкурса научноисследовательских работ студентов и аспирантов «Инновационные технологии в образовательном процессе»: в 3 томах. Том 1. – Белгород, БелГУ, 2011. – С. 398-400.

15. Твердунов, П.С. Устройство для очистки и обеззараживания воды / В.И. Курдюмов, П.С. Твердунов // Материалы Международной научно-практической конференции «Энергоэффективность технологий и средств механизации в АПК». – Саранск, МГУ им. Н.П. Огарева, 2011. – C. 175-177.

16. Твердунов, П.С. Обзор устройств для обеззараживания воды ультрафиолетом и способы интенсификации их работы / В.И. Курдюмов, П.С. Твердунов // Материалы LI Международной научно-технической конференции «Достижения науки – агропромышленному производству». – Челябинск, ЧГАА, 2012. – С. 123-126.

17. Твердунов, П.С. Высокоэффективное устройство для очистки и обеззараживания воды // Сборник работ инновационных проектов молодых ученых по результатам Всероссийского Конкурса «Инновационный потенциал молодежи 2012»: в 5 ч. / Ч. 3. – Ульяновск, ООО «КолорПринт», 2011. – C. 274-278.

18. Твердунов, П.С. The complex approach to a problem of water treatment on stockbreeding farms / Материалы Международной научной конференции студентов и молодых ученых (на иностранных языках) «Молодежь и наука». – Уфа, Башкирский ГАУ, 2012. – С. 279-283.

19. Твердунов, П.С. К вопросу о повышении качества воды, используемой на животноводческих комплексах / В.И. Курдюмов, П.С. Твердунов // Материалы Международной научнопрактической конференции молодых ученых, аспирантов и соискателей «Науке нового века – знания молодых». – Киров, Вятская ГСХА, 2012. – C. 43-45.

20. Твердунов, П.С. Ресурсосберегающая технология водоподготовки / В.И. Курдюмов, П.С. Твердунов, В.С. Твердунова // Материалы XI Международного научно-практического семинара «Ресурсосберегающие технологии при хранении и переработке сельскохозяйственной продукции». – Орел, Орловский ГАУ, 2012. – С. 145-151.

21. Твердунов, П.С. Водоснабжение животноводческих предприятий. Общие вопросы водоподготовки / В.И. Курдюмов, П.С. Твердунов, В.С. Твердунова // Материалы Международной научно-практической конференции «Аграрная наука: современные проблемы и перспективы развития», посвященная 80-летию со дня образования Дагестанского государственного аграрного университета имени М.М. Джамбулатова. – Махачкала, Дагестанский ГАУ им. М.М.

Джамбулатова, 2012. – С. 2024-2028.

22. Твердунов, П.С. Новый подход к определению дозы ультрафиолетового излучения в устройстве для очистки и обеззараживания воды / В.И. Курдюмов, П.С. Твердунов // Материалы Всероссийской научно-практической конференции, посвященной 80-летию со дня рождения известного учёного, профессора А.П. Иофинова. – Уфа, Башкирский ГАУ, 2012. – С. 44-48.