Экокомбайны как новый вид экозащитной техники
Собственные конкурсы:
- АКАДЕМУС, 2021, Инженерно-технические науки, Победитель, I место
Экокомбайны: Инновационный подход к защите окружающей среды
В монографии Б.С. Ксенофонтова представлен новаторский взгляд на проблему очистки воды, воздуха и переработки отходов, основанный на концепции экокомбайнов – комбинированных установок, объединяющих несколько технологических операций в едином корпусе. Автор, опытный академический библиотекарь, анализирует теоретические основы создания экокомбайнов, предлагая практические рекомендации, основанные на принципах биоподобия.
Классификация и принципы работы экокомбайнов
Книга начинается с классификации экокомбайнов, выделяя механические, механико-химические, химические и биокомбайны. Приводятся примеры различных типов устройств, включая флотокомбайны, предназначенные для очистки сточных вод, а также установки для очистки воздуха и переработки отходов. Особенностью экокомбайнов является согласованность технологических операций, что повышает эффективность очистки.
Многостадийная модель флотации
Особое внимание уделяется многостадийной модели флотации, разработанной самим автором. Эта модель рассматривает процесс флотации как сложную химическую реакцию первого порядка, где ключевым элементом является флотокомплекс "частица-пузырек". Автор подробно описывает математическое описание процесса, включая уравнения, определяющие скорость флотации и факторы, влияющие на кинетику процесса. Рассматриваются различные варианты интенсификации флотации, в том числе коалесценция флотокомплексов.
Обобщенные модели флотационных процессов
В книге также представлены обобщенные модели флотационных процессов, учитывающие образование аэрофлокул, включающих как гидрофобные, так и гидрофильные частицы. Рассматриваются различные сценарии, включая процессы с лимитирующей стадией, а также последовательно-параллельные процессы флотирования и седиментации.
Моделирование процессов во флотокомбайнах
Автор детально анализирует процессы, происходящие во флотокомбайнах, предлагая постадийный анализ и математические модели для различных типов устройств. Рассматриваются схемы флотокомбайнов, включающие различные элементы, такие как перегородки, фильтрующие сетки и блоки сгущения осадка. Приводятся примеры расчетов, позволяющие определить время очистки и оптимальные параметры работы установок.
Интенсификация флотационных процессов и новое оборудование
В книге рассматриваются основы процессов очистки сточных вод во флотоотстойниках, а также способы интенсификации флотации, включая использование комбинированной флотационной техники. Приводятся примеры применения пневматических флотационных машин, флотационных колонн и установок с комбинированной системой аэрации.
Новые разработки перспективных конструкций флотационных машин
Автор представляет новые разработки флотационных машин, включая флотационные установки с различными системами аэрации, а также флотокомбайны специального назначения, такие как биофлотокомбайны, химофлотокомбайны, электрофлотокомбайны, деминофлотокомбайны и грунтофлотокомбайны.
Интенсификация обезвоживания осадков сточных вод
В книге уделяется внимание проблеме обезвоживания осадков сточных вод, предлагаются новые технические решения, направленные на повышение эффективности этого процесса.
Флотоотстойники в технологии биологической очистки сточных вод
Рассматривается применение флотоотстойников в технологии биологической очистки сточных вод, предлагаются схемы очистки сточных вод с использованием флотоотстойников различных типов.
Заключение
В заключении подчеркивается важность использования экокомбайнов для решения проблем очистки воды, воздуха и переработки отходов. Автор отмечает, что разработанные модели позволяют точно рассчитать основные параметры флотокомбайнов и режимы их эксплуатации, что делает эти устройства перспективными для широкого применения.
- 504: Науки об окружающей среде. Энвиронментология
- 628: Санитарная техника. Водоснабжение. Канализация. Освещение
- ВО - Магистратура
- 20.04.01: Техносферная безопасность
- 20.04.02: Природообустройство и водопользование
- Аспирантура
- 20.06.01: Техносферная безопасность
- Адъюнктура
- 20.07.01: Техносферная безопасность
Москва ИНФРА-М 2022 ЭКОКОМБАЙНЫ КАК НОВЫЙ ВИД ЭКОЗАЩИТНОЙ ТЕХНИКИ Б.С. КСЕНОФОНТОВ МОНОГРАФИЯ
УДК 504.064.47(075.4) ББК 20.18 К86 Р е ц е н з е н т: Луканин А.В., доктор технических наук, профессор Российского университета дружбы народов ISBN 978-5-16-017406-8 (print) ISBN 978-5-16-109952-0 (online) © Ксенофонтов Б.С., 2022 Ксенофонтов Б.С. К86 Экокомбайны как новый вид экозащитной техники : монография / Б.С. Ксенофонтов. — Москва : ИНФРА-М, 2022. — 190 с. — (Научная мысль). — DOI 10.12737/1851554. ISBN 978-5-16-017406-8 (print) ISBN 978-5-16-109952-0 (online) В монографии впервые в мировой литературе рассмотрены как теоретические основы создания экокомбайнов на основе моделирования процессов очистки, так и практические рекомендации на основе принципов биоподобия. Приведены возможные схемы экокомбайнов. Рассмотрены новые системы аэрации для использования в различных типах экокомбайнов. Описаны практические примеры использования новой техники. Предлагается для широкого круга читателей, в том числе научных сотрудников, преподавателей вузов, аспирантов, магистров, бакалавров и студентов старших курсов. УДК 504.064.47(075.4) ББК 20.18
Введение Разработка новой техники для очистки воды, воздуха и переработки отходов обусловлена необходимостью как повышения эффективности очистки, так и снижения удельных материало- и энергозатрат. В этой связи идет постоянное совершенствование существующей и разработка новой техники [1–69], в том числе разработка экокомбайнов. Например, для очистки сточных вод используется флотационная техника преимущественно напорного типа. Хотя процесс флотации известен давно, однако принципиально новых технических решений в этой области относительно мало. В качестве примера приведем разработанный автором в 1989–1992 гг. способ напорной флотации с двумя рабочими жидкостями [16], из которых одна рабочая жидкость с труднорастворимым газом (воздухом), а другая — с легкорастворимым газом, например с углекислым газом. Этот способ был испытан и использован автором впервые в отечественной практике на биотехнологических предприятиях. В дальнейшем автор разработал способ и с тремя рабочими жидкостями [69]. Другой пример — это направление, связанное с развитием использования комбинированных установок, осуществленное под руководством автора начиная с 1995 года на подмосковных машиностроительных предприятиях. Проведенные автором [1, 67] исследования определили возможность аппаратурного оформления этого способа с использованием комбинированной установки, названной автором флотокомбайном. Автором разработаны и другие способы и аппараты флотационной очистки сточных вод с учетом их конкретного состава. Установки комбинированного типа разработаны и для очистки газовоздушных выбросов, а также для переработки отходов различных производств. Такую технику автор предлагает называть экокомбайны; ее отличительной особенностью является осуществление нескольких технологических операций в едином корпусе, причем режимы технологических операций согласованы, что приводит к повышению эффекта очистки. В предлагаемой монографии рассматриваются результаты исследований за более чем тридцатилетний период начиная с 1987 г. [1, 13]. При этом внимание уделено теоретическим основам раз
личных процессов очистки, но наиболее подробно рассмотрены основы многостадийной и обобщенной моделей флотации. Описаны также примеры разработки и внедрения экокомбайнов различного типа, в том числе флотокомбайнов как общего, так и специального назначения.
Глава 1. ЭКОКОМБАЙНЫ. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ Более эффективно экологические процессы можно осуществлять в экокомбайнах, представляющих собой комбинированные установки, реализованные в едином корпусе. Использование экокомбайнов осуществляется в зависимости от решаемой задачи. При этом в таких экокомбайнах очистка воды, воздуха или переработка отходов происходит с использованием нескольких последовательно осуществляемых способов очистки. Автором предлагается следующая классификация экокомбайнов (рис. 1.1). Рис. 1.1. Классификация экокомбайнов: МК — мехкомбайн; МХК — меххимокомбайн; ХК — химокомбайн; БК — биокомбайн Рассмотрим в качестве примера разные варианты экокомбайнов. Разработанный автором экокомбайн включает (рис. 1.2) корпус 1, на внешней стороне которого установлен патрубок 2 для подачи загрязненного воздуха (стрелка в виде штриховой линии), на выходе из которого установлен рассекатель 3. На верхней части корпуса расположены патрубки отвода очищенного воздуха 4 и подачи орошающей жидкости (воды), фильтр 6 доочистки воздуха с рассекателем 7. Выход грязной (отработанной) жидкости (воды) через патрубок 8 поступает на стадию доочистки в камеру флотации 9 с отделением уловленных загрязнений в пенном желобе 10 и со дна камеры флотации через патрубок 14 с последующей подачей их через патрубок 19 в шнековый сгуститель 16 со шнеком 17, име
ющего выводы сгущенного продукта в резервуар 18, а осветленной жидкости — в резервуар 15. Рис. 1.2. Схема экокомбайна Очищенная вода из камеры флотации выводится через устройство регулирования уровня 11 и далее через фильтр 12, а затем через патрубок 13 в резервуар 20, из которого с помощью насоса 21 подается в патрубок 5. Принцип работы такого экокомбайна заключается в следующем. Загрязненный воздух поступает через патрубок 2, расположенный на внешней стороне корпуса 1. Далее за счет контакта загрязненного воздуха с распыленной до мельчайших капель водой происходит очистка воздуха и затем его последующая доочистка в фильтре 6. Очищенный до нормативных показателей воздух выводится в ат
мосферу через рассекатель 7. Загрязненная в процесса контакта с воздухом вода предварительно очищается в камере флотации 9, а затем доочищается с помощью фильтра 12 и далее выводится через патрубок 13. При этом сгущение образующегося осадка происходит с использованием шнекового сгустителя 16, из которого выводится сгущенный продукт с остаточной влажностью примерно 80% и собирается в резервуаре 18, а осветленная жидкость поступает в резервуар 15. Таким образом, в экокомбайне осуществляется комплексная задача очистки воздуха, воды и обработка осадка с высокими технико-экономическими показателями. Другой вариант экокомбайна представлен на рис. 1.3. Интенсификация очистки сточных вод и сгущения осадка достигается при использовании экокомбайна оригинальной конструкции (рис. 1.4). Разработанный экокомбайн включает корпус 1, на внешней стороне которого расположены патрубок подачи грязной воды 2, фильтр 6 с зернистой загрузкой 7, поддерживаемой решеткой 8 и поддерживающим слоем 9 и далее мембранным блоком 10 и узлом сгущения осадка, состоящим из шнекового сгустителя 13 со шнеком 14 с блоками сбора сгущенного осадка 15 и осветленной жидкости 11 с расположенным внутри него насосом 12. При этом внутри корпуса 1 расположены перегородка 4 и сборник пенного продукта 5. Принцип работы разработанного экокомбайна заключается в следующем. Грязную воду внутрь корпуса 1 экокомбайна подают через патрубок 2. Далее вода очищается путем пропускания последовательно через зону отстаивания и далее через перегородку 4 в зону флотации и затем через фильтр 6 с зернистой загрузкой 7, поддерживаемый с помощью решетки 9, погруженной в поддерживающий слой 9. После фильтра 6 вода доочищается в мембранном блоке 10, после которого поступает к потребителю. Образующийся осадок сгущается с использованием шнекового сгустителя 13 со шнеком 14 и с блоками сбора сгущенного осадка 15 и осветленной жидкости 11 с расположенным внутри него насосом 12. Основные технико-экономические показатели разработанного экокомбайна заметно лучше, чем аналогичные показатели известных установок. Модификацией вышеописанного экокомбайна является аппарат с меньшим количеством блоков и функций (рис. 1.5).
Рис. 1.3. Схема колонного экокомбайна: 1 — корпус экокомбайна, 2 — патрубок подачи грязной воды; 3 — крышка; 4 — полупогружная перегородка; 5 — биофильтр (фильтр); 6 — распределительная система; 7 — загрузка биофильтра; 8 — дренажная система; 9 — патрубок подачи промывной воды; 10 — крупнозернистая загрузка; 11 — вентиль; 12 — патрубок вывода очищенной воды; 13 — резервуар очищенной воды; 14 — насос; 15 — сборник концентрата; 16 — шнековый сгуститель; 17 — шнек; 18 — сборник осветленной жидкости
Рис. 1.4. Схема экокомбайна с блоком сгущения осадка Рис. 1.5. Схема колонного экокомбайна с блоком сгущения осадка
Модифицированный экокомбайн представляет собой корпус 1 с расположенным на его внешней стороне патрубком 2 для подачи грязной воды, патрубком отвода очищенной воды 7, из которого вода поступает в мембранный блок 8 и далее в блок обеззараживания 9, а блок сгущения осадка состоит из шнекового сгустителя 10 со шнеком 11 с блоками сбора сгущенного осадка 12 и осветленной жидкости 13 с расположенным внутри него насосом 14. Принцип работы предлагаемого экокомбайна заключается в следующем. Грязную воду внутрь корпуса 1 экокомбайна подают через патрубок 2. Далее вода очищается путем пропускания последовательно через нижнюю зону отстаивания и далее через верхнюю зону флотации и затем через мембранный блок и обеззараживающее ультрафиолетовое устройство. После этого поступает к потребителю. Основные технико-экономические показатели, в частности эффективность очистки воды и степень сгущения осадка, разработанного экокомбайна выше, чем аналогичные показатели известных установок. Разработка новой флотационной техники для очистки воды проводится нами в течение нескольких последних десятилетий на основе применения многостадийной модели флотации и принципов биоподобия [1–13]. Сущность этого подхода заключается в том, что очистка воды с использованием флотации как основы новой предлагаемой технологии рассматривается на основе многостадийной и обобщенной моделях процесса флотации [1–11], а конструирование водо очистной установки для реализации указанной технологии предлагается на основе биоподобия, в том числе в одном корпусе на единой платформе. Использование многостадийной и обобщенной моделей процесса указывает на целесообразность применения во флотационном аппарате ряда элемен тов, в частности разделяющих перегородок, регулирующих скорости водного потока внутри аппарата, фильтрующих сеток, блоков с расходящимися или сходящимися пластинами и т.п. На рис. 1.6 показана принципиальная схема наиболее простого флотокомбайна в виде флотоотстойника простейшей конструкции, а на рис. 1.7 — схема флотокомбайна с расположенными внутри функцио нальными элементами. Самым существенным достижением в технологическом отношении будет получение сгущенного осадка, а также достижение более высокой эффективности очистки воды в последнем случае.