Вода является главным источником жизни на Земле и играет большую роль в жизнедеятельности человека. Одним из наиболее крупных потребителей воды является сельское хозяйство, и в частности животноводство. Потребности животноводства в воде в десятки раз превышают потребности населения. Животноводческие предприятия и населенные пункты, как правило, стремятся снабжать водой из одного источника. В соответствии с этим качество воды должно удовлетворять всем требованиям, которые предъявляются к воде, предназначенной для хозяйственно-питьевых нужд [1, 9, 13].
К питьевой воде для сельскохозяйственных животных предъявляются такие же высокие санитарно-гигиенические требования, как и для человека. Питьевая вода в системе водоснабжения животноводческих ферм должна быть чистой, прозрачной, иметь приятный вкус, температуру 280…287 К, оптимальный химический состав примесей, не содержать патогенные микроорганизмы и яйца гельминтов. Одним из путей выполнения данных требований является создание и совершенствование систем очистки воды животноводческих комплексов, как одного из основных вероятных источников попадания различных загрязнений (с мясо-молочной продукцией) человеку. Одним из основных способов осуществления указанных мероприятий является установка фильтров. При этом в животноводческих комплексах для очистки воды наиболее распространены щелевые фильтры с нижним подводом и отводом жидкости. Данные фильтры имеют центральную приемную трубу с продольными щелевыми отверстиями. Площадь указанных отверстий не изменяется по высоте фильтра. Вследствие этого может наблюдаться неравномерность расхода очищаемой воды по высоте фильтрующего пакета ввиду разности гидравлического сопротивления его нижней и верхней частей. Поэтому больший расход воды пойдет по пути меньшего гидравлического сопротивления, то есть через нижнюю часть фильтрующего пакета. Соответственно, нижняя часть фильтрующего пакета будет больше загрязняться различными примесями. Это ведет к снижению эффективности очистки воды фильтром. Данное обстоятельство обусловливает поиск путей совершенствования эффективности работы щелевого фильтра [5, 7, 12].
Цель исследования
Целью исследований является изыскание способов модернизации технических средств для очистки воды в животноводческих комплексах.
Материалы и методы исследования
В результате выполненного литературно-патентного анализа отечественных и зарубежных конструкций фильтров очистки воды с углеродным волокнистым сорбентом (УВС), волокнистым ионообменным материалом (ВИОН) и активированной углеродной тканью (АУТ), применяемых в животноводстве, установлено, что наиболее распространены фильтры с нижним подводом и отводом среды, которые имеют центральную приемную трубу с щелевыми отверстиями. Площадь указанных отверстий не изменяется по высоте фильтра. Фильтрующая загрузка состоит из колец УВС, уложенных друг на друга. Фильтрация загрязненной воды осуществляется снаружи внутрь загрузки. Выдвинута гипотеза о существовании неравномерности распределения расхода воды в данной конструкции фильтра с УВС по высоте загрузки. Поэтому данная неравномерность расхода воды приводит к снижению эффективности фильтра [2, 6, 8, 10, 14].
Для проведения исследований по изысканию способов модернизации технических средств для очистки воды в животноводческих комплексах был использован метод электрогидродинамических аналогий (ЭГДА), как наиболее экономичный в данном случае. Исследовательская установка с плоской моделью фильтра представлена на рис. 1.
Рис. 1. Исследовательская установка с плоской моделью фильтра: 1 – реохорд – полоска УВС; 2 – блок питания постоянного тока Б5-49, 3 – ручка-щуп металлический, 4 – гальванометр, 5 – модель, 6 – медный провод
Модели фильтров выполнялись из материала УВС. В установке использовался милливольтметр с максимальной измеряемой величиной напряжения 1,5 В и ценой деления 0,01 В. В качестве шагового реохорда была применена полоска материала УВС. Источником питания являлся блок питания постоянного тока с диапазонами установки: напряжение от 0 до 127 В, силы тока от 0 до 999 мА. Точность установки напряжения 0,1 В, силы тока 1 мА. Соединительные провода в установке медные.
Результаты исследования и их обсуждение
Для исследований щелевой фильтр был выполнен диаметром 0,3 м с высотой загрузки 0,6 м при плотности ρ = 0,083 г/см3. В результате проведенных практических экспериментов с использованием метода ЭГДА установлено, что расход в верхней части фильтра составляет 0,03•10-3 м3/с, а в нижней части – 0,35•10-3 м3/с, то есть расход в верхней части фильтра меньше, чем в нижней. Это обстоятельство обусловливает поиск путей совершенствования работы щелевого фильтра с целью равномерного расхода жидкости по высоте фильтрующего элемента.
Как один из способов устранения неравномерности распределения расхода жидкости по высоте загрузки щелевого фильтра авторами предложено применение неравномерной перфорации его центральной трубы, использование дополнительного вертикального металлического цилиндра для изменения направления подвода очищаемой жидкости к центральной трубе, а также создание неравномерной плотности загрузки фильтрующего элемента (рис. 2) [11].
Рис. 2. Блок-схема модернизации фильтров очистки воды в животноводческих комплексах
На основании представленной блок-схемы модернизации фильтров очистки воды в животноводческих комплексах разработана конструкция фильтра для очистки воды с центральной перфорированной трубой (рис. 3) [3].
Рис. 3. Схема фильтра для очистки воды с центральной перфорированной трубой: 1 – патрубок подачи очищаемой жидкости; 2 – центральная отводящая труба с перфорацией; 3 – слой в (виде кольца) из материала УВС; 4 – прижимное устройство; 5 – патрубок отвода очищенной жидкости; 6 – входное отделение; 7 – выходное отделение; 
– направление движения жидкости
Данный фильтр с высотой загрузки 0,6 м отличается от конструкции щелевого фильтра тем, что центральная труба с щелевыми отверстиями заменена центральной трубой с круглыми отверстиями. Количество указанных отверстий различно по высоте данной трубы – в нижней части их меньше, чем в расположенных выше. Центральная труба разделена на четыре условные зоны (по высоте) с различным суммарным количеством отверстий (отверстия одинакового диаметра) в каждой, то есть каждая зона имеет свое отличное по величине живое сечение потока. Количество отверстий в нижней высотной зоне 1 составляет 47 шт., высотной зоне 2 – 47 шт., высотной зоне 3 – 48 шт, а в верхней высотной зоне 4 – 48 шт. В ходе экспериментов методом ЭГДА установлено, что величина пьезометрического напора в каждой зоне (по высоте) одинакова. Это обусловливает равномерность распределения расхода по высоте загрузки фильтра с центральной перфорированной трубой.
Увеличение производительности фильтра для очистки воды с центральной перфорированной трубой практически в 2 раза возможно применением двойной загрузки (рис. 4). В предложенной конструкции фильтра имеются две емкости (загрузки) из одного вида материала каждая, высота загрузки соответственно составляет 1,2 м, а диаметр ее 0,5 м. Центральная труба в отличие от щелевого фильтра выполнена с круглыми отверстиями, их количество в каждой загрузке различно по высоте. Причем в каждой загрузке их количество увеличивается от низа к верху трубы. При этом каждая загрузка фильтра разделена на четыре условные высотные зоны (снизу вверх) с различным суммарным количеством отверстий (отверстия одинакового диаметра) в каждой. Установлено, что в каждой загрузке фильтра количество отверстий в высотной зоне 1 составляет 47 шт., высотной зоне 2 – 47 шт., высотной зоне 3 – 48 шт, а высотной зоне 4 – 48 шт.
Рис. 4. Схема фильтра перфорированного с двойной загрузкой для очистки воды: 1 – патрубок подачи очищаемой жидкости; 2 – центральная отводящая труба с перфорацией в виде круглых отверстий; 3 – слой (в виде кольца) из материала УВС или ВИОН; 4 – прижимной фланец; 5 – патрубок отвода очищенной жидкости; 6 – входное отделение; 7 – выходное отделение; 8 – отверстие; 9 – гайка; a, b – направление движения жидкости через фильтр; – направление движения жидкости
В процессе проведенных экспериментов методом ЭГДА установлено, что по линиям равного напора, построенным по полученным экспериментальным данным при плотности загрузки ρ = 0,083 г/см3, величина пьезометрического напора (в долях Н) в разных точках по высоте загрузки составляет 0,992 Н, что свидетельствует о равномерности распределения расхода по высоте загрузки фильтра.
Использование дополнительного вертикального металлического цилиндра для изменения направления подвода очищаемой жидкости к центральной отводящей трубе обусловливает создание фильтра для очистки воды с верхним распределением фильтруемой жидкости (рис. 5).
Рис. 5. Схема фильтра для очистки воды с верхним распределением фильтруемой жидкости 1 – патрубок подачи очищаемой жидкости; 2 – входное отделение; 3 – выходное отделение; 4 – вертикальный цилиндр; 5 – основание; 6 – патрубок отвода очищенной жидкости; 7 – слой (в виде кольца) из материала УВС; 8 – прижимное устройство; 9 – центральная отводящая труба; – направление движения жидкости
Конструкция фильтра для очистки воды с верхним распределением жидкости отличается от конструкции щелевого фильтра наличием дополнительного вертикального цилиндра, герметично присоединенного к основанию корпуса, и торцевым подводом фильтруемой жидкости. В результате этого входное отделение фильтра отделено от патрубка подачи очищаемой жидкости. Благодаря дополнительному вертикальному цилиндру изменяется путь движения жидкости к фильтрующему материалу. Фильтруемая жидкость поступает к фильтрующей загрузке сверху, в результате чего исчезает указанная ранее в щелевом фильтре разность гидравлических сопротивлений ввиду исчезновения прохождения значительной части жидкости через нижнюю часть фильтрующего пакета.
Таким образом решается проблема неравномерности распределения расхода по высоте загрузки фильтра. При этом необходимым условием является равенство потерь напора во входном и выходном отделениях фильтра: hвход.отд. = hвыход.отд.. В рассмотренной конструкции эксперименты с использованием метода ЭГДА данное условие подтвердили: эпюра распределения расхода по живому сечению фильтра имеет равномерный вид, то есть величина пьезометрического напора (в долях Н) в нижней части фильтра равна величине пьезометрического напора (в долях Н) в верхней его части.
Наряду с рассмотренными ранее путями решения проблемы неравномерности расхода жидкости по высоте загрузки фильтра с УВС предложено решение указанного вопроса с помощью различной плотности фильтрующего материала (рис. 6) [4].
Рис. 6. Фильтр с созданием плотности загрузки нитью или материалом АУТ: 1 – патрубок подачи очищаемой жидкости; 2 – центральная отводящая труба с перфорацией; 3 – слои материала загрузки; 4 – хомут; 5 – патрубок отвода очищенной жидкости; 6 – вертикальное прижимное фиксирующее устройство в конечной точке намотки материала загрузки и нити (материала АУТ); 7 – лавсановая или углеродная нить (материал АУТ); 8 – слой из волокнистого материала механической очистки; 9 – слой из волокнистого ионообменного материала ВИОН; 10 – слой из УВС или АУТ; 11 – вертикальное прижимное фиксирующее устройство в начальной точке намотки материала загрузки и нити (материала АУТ); 12 – вертикальное прижимное фиксирующее устройство в промежуточной точке намотки материала загрузки и нити (материала АУТ); 13 – фланец; 14 – корпус фильтра; 15 – устройство зажима слоя материала загрузки и нити (материала АУТ)
В фильтре с созданием плотности загрузки нитью или материалом АУТ предложено создавать загрузку с различной плотностью в ее нижней и верхней частях. В нижних частях плотность создается больше, чем в верхних, что позволяет уменьшить расход через нижние части загрузки и тем самым исключить указанную неравномерность расхода по высоте загрузки. Для этого предложено при создании загрузки путем намотки слоя УВС или АУТ или ВИОН на трубу одновременно размещать поверх слоя лавсановую нить или сетку из лавсановой нити, или углеродную нить или сетку из углеродной нити. При этом для создания различной плотности загрузки предлагается изменять степень натяжения нити (или сетки) в нижней и верхней частях загрузки. В нижней части загрузки требуется создать большую степень натяжения, чем в верхней.
В фильтре с созданием плотности загрузки материалом АУТ предложено в конструкции при создании загрузки путем намотки слоя УВС или ВИОН на трубу одновременно поверх слоя размещать слой из материала АУТ. При этом для создания различной плотности загрузки предлагается изменять степень натяжения материала АУТ в нижней и верхней частях загрузки. В нижней части загрузки требуется создать большую степень натяжения, чем в верхней.
Для создания соответствующих конструкций фильтров требуются данные о величине усилия, требуемого для создания загрузки из материалов УВС и ВИОН с требуемой плотностью упаковки. Для эффективного фильтрования материалы УВС и ВИОН сжимаются в фильтрах до определенной степени сжатия. Степень сжатия определяется по формуле
где h1, h2 – начальная (до сжатия) и конечная (после сжатия) высота загрузки.
Как правило, степень сжатия составляет 0,3…0,5. Требуемая степень сжатия задается степенью очистки, видом задерживаемых загрязнений. Неоправданно большая степень сжатия является экономически нецелесообразной.
Для создания требуемой плотности загрузки фильтров с загрузкой из материалов УВС и ВИОН требуется приложить сверху загрузочного материала равномерное усилие до достижения требуемой степени сжатия. Указанное усилие сверху материала в предложенном фильтре (рис. 6) осуществляется фланцем с последующей фиксацией гайкой на трубе поверх фланца. Как правило, указанное усилие создается вручную, что технически не всегда реализуемо. При этом создание указанного усилия вручную возможно в фильтрах с объемом загрузки до 0,12 м3, которое используется в предложенном фильтре.
В фильтрах с большим объемом создание указанного усилия представляет проблему. Для устранения данного недостатка и частичного решения задачи предложена технология загрузки фильтров, заключающаяся в том, что перед сжатием материал загрузки – УВС или ВИОН – насыщают водой.
Выводы
На основании существования неравномерности распределения расхода воды по высоте загрузки в щелевых фильтрах, наиболее распространенных для очистки воды в животноводческих комплексах и приводящая к снижению эффективности фильтра, предложены способы устранения данной неравномерности с помощью неравномерной перфорации центральной отводящей трубы, вертикального металлического цилиндра, с помощью создания неравномерной плотности загрузки фильтрующего элемента.
В результате предложенных способов устранения неравномерности распределения расхода жидкости по высоте загрузки фильтров разработаны схемы фильтров для очистки воды с центральной перфорированной трубой, с верхним распределением фильтруемой жидкости, перфорированного с двойной загрузкой, с созданием плотности загрузки нитью или материалом АУТ.
Проведенные эксперименты применением метода электрогидродинамических аналогий (ЭГДА) подтвердили неравномерность распределения расхода жидкости по высоте загрузки разработанных фильтров.
Библиографическая ссылка
Саитов В.Е., Котюков А.Б. СПОСОБЫ МОДЕРНИЗАЦИИ ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ ОЧИСТКИ ВОДЫ В ЖИВОТНОВОДЧЕСКИХ КОМПЛЕКСАХ // Современные наукоемкие технологии. – 2017. – № 4. – С. 49-55;URL: https://top-technologies.ru/ru/article/view?id=36638 (дата обращения: 21.11.2024).