Научное обоснование технических решений и разработка на их основе систем для судов комплексной переработки отходов Мизгирев Дмитрий Сергеевич

Содержание к диссертации

Введение

Глава 1. Современное состояние проблемы ликвидации судовых отходов 27

1.1. Общие положения 27

1.2. Анализ регламентирующей документации к природоохранной деятельности на водном транспорте 33

1.3. Особенности основных видов судовых отходов

1.3.1. Жидкие судовые отходы 44

1.3.2. Твердые судовые отходы 55

1.3.3. Газообразные судовые отходы 58

1.4. Анализ принципиальных схем систем переработки судовых отходов 61

1.4.1. Системы очистки и переработки жидких отходов 61

1.4.2. Системы очистки и переработки твердых отходов 83

1.4.3. Системы очистки газообразных отходов 87

1.4.4. Суда комплексной переработки отходов 89

1.5. Проблема проектирования судовых систем переработки отходов. Цель и задачи исследований 91

Глава 2. Формирование теоретических основ процессов переработки отходов в судовых системах 94

2.1. Концепция совершенствования судовых систем переработки отходов 94

2.2. Использование современных технологий для очистки сред в системах судов комплексной переработки отходов 100

2.2.1 Перспективные технологические схемы очистки и переработки жидких, твердых и газообразных отходов 100

2.2.2 Обоснование общей структуры СКПО 109

2.3. Математическое описание работы элементов систем переработки отходов 111

2.3.1 Гидроциклон 111

2.3.2 Отстойник-усреднитель 114

2.3.3 Кавитатор гидродинамический 115

2.3.4 Фильтр контактный 121

2.3.5 Коагулятор-флотатор 122

2.3.6 Озонатор 125

2.3.7 Блок подготовки воздуха 129

2.3.8 Установка ультрафиолетового излучения 131

2.3.9 Метантенк 135

2.3.10 Циклонно-пенный аппарат 140

2.3.11 Автономный паровой котлоагрегат 143

2.4. Математическое описание работы систем судна комплексной переработки отходов 146

2.4.1 Предпосылки для создания математического описания работы систем СКПО 146

2.4.2 Уравнение материального баланса СКПО 147

2.4.3 Уравнение теплового баланса СКПО 149

2.4.4 Уравнение энергетического баланса СКПО 150

2.5. Выводы по главе 152

Глава 3. Экспериментальные исследования процессов обработки загрязненных вод, их осадков и пищевых отходов 155

3.1. Исследования процессов обработки воды гидродинамической кавитацией 155

3.1.1. Принципиальная схема и расчет экспериментального стенда для предварительных исследований процессов кавитации 155

3.1.2 Предварительные экспериментальные исследования по выбору рабочих режимов гидродинамического кавитатора 160

3.1.3. Описание экспериментального стенда для оптимизации конструкции кавитатора, его расчет и калибровка 164

3.1.4 Оптимизация конструкции гидродинамического кавитатора 171

3.2. Оценка влияния гидродинамической кавитации на процессы обработки сточных и балластных вод 187

3.2.1. Принципиальная схема и расчет экспериментальной установки для обработки СВ гидродинамической кавитацией 187

3.2.2. Экспериментальные исследования по обработке СВ 190

3.2.3. Создание экспериментального стенда для очистки БВ 197

3.2.4. Экспериментальные исследования по комплексной очистке БВ 200

3.3. Изучение процессов анаэробного сбраживания смеси осадков

сточных вод с пищевыми отходами 203

3.3.1. Разработка экспериментального стенда для исследования процессов анаэробного сбраживания 203

3.3.2. Экспериментальные исследования по анаэробному сбраживанию смеси осадков СВ с пищевыми отходами 206

3.4. Выводы по главе 210

Глава 4. Создание и использование математических моделей систем судов комплексной переработки отходов 212

4.1 Математические модели систем судов комплексной переработки отходов и оценка их адекватности 212

4.2 Использование математических моделей систем судов комплексной переработки отходов для совершенствования технических средств инженерной защиты окружающей среды

4.2.1. Предложения по составу систем переработки СВ 217

4.2.2. Рекомендации по переработке НВ и утилизации нефтешламов 221

4.2.3. Обоснование состава систем очистки БВ 222

4.2.4. Предложения по переработке и утилизации пищевых и твердых бытовых отходов 225

4.2.5. Определение дополнительного оборудования СЭУ для понижения экологической нагрузки на окружающую среду 227

4.3. Выводы по главе 230

Глава 5. Разработка методики проектирования систем судов комплексной переработки отходов 231

5.1. Создание новых принципиальных схем судовых систем переработки отходов 231

5.2. Разработка методики проектирования систем судов комплексной переработки отходов с использованием математических моделей 241

5.2.1 Исходные данные для проектирования комплекса систем 241

5.2.2. Разработка алгоритма проектирования комплекса систем 242

5.3. Выводы по главе 250

Глава 6. Внедрение методики проектирования комплекса систем, оценка социально-экологического и экономического эффектов 251

6.1. Создание промышленных образцов систем и их элементов для судов комплексной переработки отходов 251

6.1.1. Подготовка нормативной и охранной базы для внедрения методики проектирования 251

6.1.2. Внедрения в практику проектирования, изготовления и модернизации систем комплекса 255

6.2. Социально-экологический и экономический эффект от внедрения методики проектирования комплекса систем СКПО 263

6.2.1. Социально-экологический эффект 263

6.2.2. Экономический эффект 264

6.3. Выводы по главе 266

Заключение 267

Список библиографических источников

• Системы очистки и переработки жидких отходов
• Установка ультрафиолетового излучения
• Принципиальная схема и расчет экспериментального стенда для предварительных исследований процессов кавитации
• Использование математических моделей систем судов комплексной переработки отходов для совершенствования технических средств инженерной защиты окружающей среды

Введение к работе

Актуальность работы. Интенсивное развитие судоходства на внутренних водных путях России привело к строительству качественно нового флота: с мощными энергетическими установками, высокими грузоподъемностью, пассажировместимостью и скоростью (проекты RSD03, RSD44, RSD49, RST01, RST12, RST22, RST27, № 19614 и др.). Массовая эксплуатация таких судов сопровождается ростом негативного воздействия на окружающую среду вследствие непрерывного образования при их эксплуатации ряда твердых, жидких и газообразных отходов, подлежащих нейтрализации и удалению.

Водные ресурсы — самый уязвимый в отношении антропогенного влияния компонент окружающей среды. До 2/3 поверхностных вод России уже не отвечает нормативным требованиям, особенно в Европейской ее части.

В настоящее время на флоте преимущественно применяются два способа решения проблемы отходов судов внутреннего и смешанного (река-море) плавания. Первым является раздельное накопление всех их видов для сдачи на берег. Недостатком является необходимость наличия на борту емкостей, что требует дополнительных помещений и уменьшает провозную способность, а также развитой инфраструктуры комплексного обслуживания флота (КОФ). Как вариант, можно выделить раздельное накопление всех видов отходов для сдачи на специальные суда комплексной переработки отходов (СКПО). Вторым – переработка отходов на борту судна при помощи специальных систем для очистки сточных (СВ) и нефтесодержащих (НВ) вод, а также инсинераторов. К недостаткам способа относятся: сложность и дороговизна оборудования, его обслуживания, необходимость дополнительных затрат энергии. Для ряда речных судов установка указанного оборудования на борту невозможна.

Указанные недостатки существующей системы КОФ и систем переработки отдельных видов отходов, а также учет результатов анализа регламентирующей документации к природоохранной деятельности на водном транспорте явились поводом для поиска новых подходов к комплексному решению проблемы судовых отходов.

Также необходимо учитывать то обстоятельство, что большинство судовых отходов являются возобновляемыми источниками энергии (ВИЭ) и использование теплоты, выделяющейся при их сгорании до сих пор не получило широкого применения.

Проведенный анализ работ различных российских и зарубежных ученых, к которым относятся: Баранов А.Л., Богатых С.А., Васильев Л.А., Волков Л.С., Ермаков С.А., Карастелев Б.Я., Кожинов В.Ф., Кульский Л.А., Курников А.С., Лукиных Н.Л., Найденко В.В., Решняк В.И., Стаценко В.Н., Этин В.Л., Яковлев С.В., Баадер В., Бойлс Д., Бренндерфер М., Доне Е., Заборски О., Соуфер С., Рандольф Р. и др., показывает, что разработки и исследования, проводимые ими, ориентированы не на решение общей проблемы проектирования систем для утилизации отходов, а на частные вопросы. Дальнейшее решение проблемы сдерживается отсутствием комплексных исследований систем переработки различных видов отходов при их взаимодействии в целях получения возобновляемой энергии.

Для этого необходим комплексный метод проектирования судовых систем, который позволяет производить эффективную переработку и утилизацию основных видов отходов для получения максимальной возобновляемой энергии с одновременным уменьшением антропогенной нагрузки на окружающую среду. Таким образом, проблема проектирования подобных судовых систем для переработки и утилизации судовых отходов актуальна и требует скорейшего разрешения.

Тема диссертации непосредственно связана с программами многолетних научных исследований ФГБОУ ВО «ВГУВТ» и выполнялась в соответствии с приоритетными направлениями развития науки, технологий и техники РФ, а также действующим перечнем критических технологий РФ.

Целью диссертационной работы является создание теоретических основ для научно-обоснованной методики проектирования комплекса систем СКПО речного флота, обеспечивающих переработку и утилизацию судовых отходов с одновременным получением максимально возможной возобновляемой энергии.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. На основе анализа современных средств и технологий обработки отходов построить концепцию совершенствования судовых систем для получения возобновляемой энергии.

2. Разработать математическое описание процессов очистки и переработки СВ, НВ, балластных вод (БВ), судового мусора, дымовых газов (ДГ) при взаимодействии систем комплекса.

3. Составить математическое описание элементов и аппаратов с учетом особенностей их работы в судовых системах переработки отходов.

4. Определить материальный, тепловой и энергетический балансы сред в комплексе систем СКПО.

5. Провести экспериментальные исследования процессов, протекающих в гидродинамическом кавитаторе с целью оптимизации его конструкции.

6. Осуществить экспериментальную оценку адекватности математического описания работы гидродинамического кавитатора.

7. Оптимизировать технологии очистки СВ, НВ и БВ с применением гидродинамической кавитации для достижения синергетического эффекта при использовании активированных окислительных технологий (АОТ’s).

8. Опытным путем определить оптимальную конструкцию коагулятора-флотатора.

9. Экспериментально изучить процессы анаэробного сбраживания
шламов систем очистки СВ (СОСВ) и пищевых отходов в условиях, при
ближенных к судовым, выявить влияние предварительной обработки ка
витацией и химическим гидролизом на кинетику процессов.

10. Разработать математические модели систем переработки отходов в комплексе СКПО.

11. Изучить возможность использования математических моделей работы комплекса систем для оценки направлений совершенствования оборудования по обеспечению использования ВИЭ и экологической безопасности судов.

12. Разработать структуру комплекса систем СКПО.

13. Создать методику проектирования комплекса систем СКПО.

14. Разработать нормативную и охранную базы для внедрения методики проектирования.

15. Выявить социально-экологический и экономический эффекты от внедрения предлагаемых мероприятий.

Объектом исследования является комплекс систем СКПО для переработки и утилизации основных видов судовых отходов.

К предмету исследования относятся процессы, протекающие при переработке, утилизации и использовании возобновляемой энергии из основных видов судовых отходов в системах СКПО.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Впервые научно обоснована концепция совершенствования судовых систем переработки отходов с использованием ВИЭ и АОТ’s.

2. Представлено математическое описание работы основных систем СКПО и важнейших их элементов.

3. Приведены особенности протекающих в системах СКПО процессов, позволяющих расширить функциональность и повысить эффективность, а также значительно улучшить массогабаритные показатели систем.

4. Выполнены исследования гидродинамического кавитатора с торо-образной камерой и оптимизирована его конструкция.

5. Экспериментально исследованы особенности СОСВ с использованием кавитации на различных стадиях обработки.

6. Выявлен синергетический эффект при обработке СВ гидродинамической кавитацией, озонированием и УФ-излучением (УФИ), что позволило разработать объединенную систему очистки НВ и СВ (СОСНВ) с реализацией новых технологий.

7. Подтверждена эффективность систем очистки БВ (СОБВ) по предложенной новой технологии обработки воды.

8. Доказана целесообразность совместной предварительной обработки биомассы гидродинамической кавитацией и химического гидролиза раствором NaOH.

9. На базе выполненных исследований разработаны и предложены математические модели процессов переработки и утилизации основных видов судовых отходов в системах СКПО, доказана адекватность предложенных математических моделей (СОСНВ, СОБВ, систем переработки осадка СВ, пищевых отходов и переработки сухого мусора, утилизации сжигаемых отходов в паровом котлоагрегате, системы очистки и нейтрализации ДГ (СОГ)).

Практическая ценность работы заключается в создании нового комплекса систем СКПО для переработки и утилизации основных видов судовых отходов, а также в разработке методики проектирования данного комплекса систем с использованием ВИЭ и ее внедрении.

Использование результатов работы позволяет:

10. Производить переработку и утилизацию всех основных видов судовых отходов (СВ, НВ, БВ, судового мусора и пищевых отходов) в комплексе систем СКПО с использованием ВИЭ.

11. Разработать новые принципиальные схемы судовых систем: СОСВ, системы очистки НВ (СОНВ), СОСНВ, СОБВ, систем переработки осадка СВ

и пищевых отходов, переработки сухого мусора, утилизации сжигаемых отходов в паровом котлоагрегате, СОГ, системы приготовления питьевой (ПВ) воды (СППВ), а также СКПО в целом.

3. Обеспечить ресурсо- и энергосбережение за счет значительного снижения затрат нефтяного топлива путем использования на СКПО в качестве его заменителей продуктов переработки отходов в виде ВИЭ.

4. Повысить энергоэффективность при переработке и утилизации основных видов судовых отходов путем применения комплексного подхода и взаимодействия систем СКПО.

5. Применить новые, защищенные патентами РФ, конструкции узлов и элементов систем, что позволяет уменьшить их массогабаритные характеристики и энергопотребление, повысить надежность и автономность.

6. Разработать методику проектирования отдельных систем по предотвращению загрязнения и комплекса систем СКПО в целом, позволяющую принимать обоснованные технологические и конструкторские решения.

7. Рассчитать эксплуатационные параметры работы указанного комплекса систем СКПО с использованием ВИЭ.

Реализация результатов работы осуществлена в виде нормативной базы, представленной 4 техническими условиями на СОСВ и СППВ; охранной базы, состоящей из 14 патентов РФ; разработаны 3 типоразмера СОБВ; изготовлены: 2 ед. СОСВ, 6 ед. судовых и 1 контейнерная СППВ; лабораторные модули диспергации и анаэробной ферментации органических отходов; модернизированы 3 системы кондиционирования воды плавательных бассейнов частных жилых домов; технологические мероприятия по совершенствованию систем применяются в работе четырех организаций. Методика проектирования и модернизации систем внедрена в работе ООО «НПО «ГЦКБ Речфло-та», а также при проектировании несамоходного СКПО (НСКПО) совместно с ОАО ЦКБ «Монолит». Основные теоретические и методические положения работы используются в учебном процессе трех вузов.

Достоверность полученных результатов обеспечивается применением современных методов теоретических и экспериментальных исследований с использованием известных (стандартных) методик и приборов для определения контролируемых показателей и характеристик. Положения аналитических исследований получены путем применения методов математического анализа, теории планирования эксперимента, корреляционно-регрессионного анализа на основе известных зависимостей гидродинамических, физических и химических процессов, происходящих в системах СКПО. Адекватность математических моделей подтверждена сопоставимостью аналитических и экспериментальных результатов.

Апробация работы. Результаты исследований докладывались и обсуждались на 69 мероприятиях Международного, Всероссийского и местного уровней, наиболее важными из которых являются: VII и VIII Всероссийские выставки НТТМ (Москва, 2006, 2007); Международный промышленно-экономический форум «Россия Единая» (Н. Новгород, 2006); Всероссийская конференция по приоритетному направлению «Рациональное природопользование» (Ярославль, 2006); IX…XVII ежегодные Международные научно-практические форумы «Великие реки» («ICEF») (Н. Новгород,

2007-2015); IX Международный салон инноваций и инвестиций (Москва, 2009); XIX Международная научно-практическая конференция «Экология и жизнь» (Пенза, 2010); Международный научно-практический семинар «Использование обмена знаниями между научными и образовательными учреждениями РФ и Германии в интересах развития технологического предпринимательства» (Н. Новгород, 2010); I и II Международные научно-практические on-line конференции «Актуальные проблемы развития водного транспорта России», «Современные тенденции и перспективы развития водного транспорта России» (Н. Новгород, 2012, 2013); III Международная научно-практическая конференция «Проблемы транспортного обеспечения развития национальной экономики» (Пермь, 2013); 24 Международная выставка изобретений, инноваций и передовых технологий ITEX’13 (Куала-Лумпур, Малайзия, 2013); V ежегодная Международная конференция «Ключи к успеху на внешних рынках» (Н. Новгород, 2013); Международная научно-практическая конференция «Наука и образование в XXI веке» (Москва, 2013); семинар «Развитие водохозяйственного комплекса Российской Федерации в 2012-2020 гг.» (Н. Новгород, 2014); научно-техническая on-line конференция молодых специалистов ОАО «Объединенная судостроительная корпорация» (Архангельск, 2015).

По результатам мероприятий автор удостоен различных дипломов, сертификатов и государственных наград.

Основные результаты и положения, выносимые на защиту:

1. Концепция совершенствования судовых систем переработки отходов с использованием АОТ’s и взаимодействия указанных систем в комплексе, а также применением возобновляемой энергии.

2. Новые технологические схемы судовых систем: СОСВ, СОНВ, СОСНВ, СОБВ, СОГ, переработки судового мусора, пищевых отходов, биогазовой установки, термической утилизации отходов в котлоагрегате, СППВ, а также СКПО в целом.

3. Результаты исследований гидродинамического кавитатора с торо-образной камерой, его режимные характеристики, оптимальная конструкция и методика расчета.

4. Новая конструкция коагулятора-флотатора. Итоги изучения особенностей очистки сильнозагрязненных СВ в СОСВ с использованием кавитации на различных стадиях обработки.

5. Экологическая эффективность СОБВ по предложенной схеме.

6. Новая конструкция биогазовой установки, целесообразность совместной предварительной обработки биомассы гидродинамической кавитацией и химического гидролиза раствором NaOH.

7. Математические модели процессов переработки и утилизации судовых отходов в системах СКПО.

8. Использование математических моделей комплекса систем СКПО для совершенствования технических средств инженерной защиты окружающей среды и получения возобновляемой энергии.

9. Методика проектирования и создания как отдельных систем,
так и объединенного комплекса систем СКПО с использованием ВИЭ.

Личный вклад автора. В диссертации изложены результаты многолетних исследований, полученные автором самостоятельно, а также совместно с сотрудниками ФГБОУ ВО «ВГУВТ»: коллективом каф. «Технологии конструкционных материалов и машиноремонта» (ТКМ и МР) под руководством д.т.н., проф. Курникова А.С., специалистами других подразделений ВУЗа.

При этом автору принадлежат:

направление работы, идея метода решения проблемы, постановка задач, методология и программа исследований;

проектирование систем и их элементов, участие в изготовлении, монтаже и испытаниях;

организация, планирование и проведение теоретических и экспериментальных исследований;

обработка, анализ и обобщение опытных данных, формулировка основных закономерностей тепломассообмена, разработка и обоснование математических моделей;

непосредственное участие в разработке 4-х технических условий, 4-х патентов на изобретение РФ и 10 патентов на полезную модель РФ.

Публикации. Список публикаций по материалам диссертации состоит из 64 работ, в том числе 10 работ в реферируемых ВАК журналах, из них 1 международная публикация, 14 патентов РФ, 1 монография и 2 учебных издания.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения, библиографического списка использованной литературы и приложения. Основное содержание работы изложено на 270 стр. машинописного текста и включает 105 рисунков, 52 таблицы. Список литературы состоит из 423 наименования. Приложение содержит результаты теоретических и экспериментальных исследований, акты испытаний и внедрений, копии патентов, наград, дипломов, сертификатов.

Системы очистки и переработки жидких отходов

Проблемы экологии и охраны окружающей среды становятся все более острыми по мере развития общества и научно-технического прогресса, который стремительно увеличивает свое влияние на природу. Негативному антропогенному воздействию подвержены все составляющие биосферы – почва, атмосфера и гидросфера с проживающими в них флорой и фауной. Интенсивное развитие судоходства на внутренних водных путях России привело к строительству качественно нового флота: с мощными энергетическими установками; высокими грузоподъемностью, пассажировместимостью и скоростью (проекты RSD03, RSD44, RSD49, RST01, RST12, RST22, RST27, № 19614 и др.). Массовая эксплуатация таких судов сопровождается ростом негативного воздействия на окружающую среду вследствие непрерывного образования при их эксплуатации разнообразных отходов, подлежащих нейтрализации и удалению. Уже сейчас во многих районах земного шара наблюдаются большие трудности в обеспечении водоснабжения и водопользования вследствие качественного и количественного истощения водных ресурсов, что связано с загрязнением и нерациональным использованием воды [252].

Водные ресурсы — самый уязвимый в отношении антропогенного влияния компонент окружающей среды. До 2/3 поверхностных вод России уже не отвечает нормативным требованиям, особенно в Европейской ее части [137].

В настоящее время наиболее загрязненными водоемами являются: реки Волга (4 класс качества воды - см. рис. 1.1), Дон (3 – 4 классы), реки и озера Кольского полуострова (3 – 4 классы). За последние годы увеличилось загрязнение воды Дона нитритным азотом, солями меди, формальдегидом, Иртыша — нефтепродуктами, солями железа, Волги — солями меди, Амура — солями цинка, никеля, хрома. Вода Дона и Кубани содержит меди до (7…13) ПДК, сильно загрязнены водоемы Свердловской области (4 – 5 классы). Наиболее восприимчивы к антропогенному воздействию малые реки (длиною менее 100 км), на долю которых приходится 1/3 многолетнего суммарного поверхностного стока России. В некоторых водоемах загрязнение настолько велико (5 класс), что произошла их полная деградация как источников водоснабжения и водопользования [77, 137, 263].

Проблема чистоты воздуха не менее актуальна. Результатом деятельности человека стал постоянный значительный рост содержания в атмосфере углекислого газа и других вредных соединений вследствие сжигания углеводородного топлива в различных энергетических установках. В своем составе газовые выбросы содержат соединения углерода, серы, азота, тяжелых металлов, взаимодействующие в различных слоях атмосферы с ее компонентами и «кислотными» дождями выпадающими на поверхность Земли.

Современные суда водного транспорта в основном оснащены ДВС, потребляющими различные нефтепродукты. Судовая эмиссия, как источник антропогенного воздействия, по оценкам [199] насчитывает до 14% всего газового выброса от ископаемых видов горючего и 16% выделения серы от всей сжигаемой нефти на транспорте в целом.

В настоящее время ситуация на флоте осложняется внедрением тяжелых сернистых сортов топлива, по экономическим причинам вытесняющих дизельное. Это приводит, в первую очередь, к ухудшению экологических показателей рабочего процесса ДВС, снижению долговечности деталей топливной системы, цилиндро-поршневой группы (ЦПГ) двигателя, что дополнительно увеличит количество различных видов судовых отходов.

Вклад в загрязнение атмосферы оказывают и прочие газовые выбросы судов: вентиляционные пары топливных и сточных цистерн, картеров двигателей и редукторов, утечки хладагентов, испарения лакокрасочных материалов, растворителей и т.п., образующиеся как при нормальной эксплуатации технических средств, так и при их техническом обслуживании и ремонтах. Судоходство оказывает на биосферу как непосредственное (прямое) влияние, уже рассмотренное выше, так и опосредованное (косвенное).

Последнее, в основном, заключается в воздействии на почвы и осуществляется через свалки и полигоны промышленных и бытовых отходов, сбросы загрязняющих веществ предприятиями судостроения и судоремонта, отстоем, ремонтом и утилизацией судов и т.п. мероприятиями. Сюда входят: неорганические (тяжелые металлы, асбест, минеральные соли, неорганические кислоты, щелочи и др.); органические (низкомолекулярные органические соединения, в т.ч. хлорорганические, углеводороды, фенолы, нефтепродукты, кислоты и др.) радиоактивные и биологические (вредные патогенные микроорганизмы, бактерии, водоросли и т.п.) загрязнители [342].

Влияния объектов, оказываемые на окружающую среду, группируют в зависимости от подходов, критериев и задач. Опасные воздействия, оказываемые судоходством, целесообразно классифицировать в соответствии с ГОСТ Р 14.03-2005 «Экологический менеджмент воздействующие факторы. Классификация» [392], по фасетной структуре с выделением физических, химических, биологических и биотических факторов загрязнения (рис. 1.2).

Загрязнения окружающей среды, оказываемые конкретным судном, не постоянны и представлены практически в каждой из групп факторов, во многом они определяются назначением, режимом работы, техническим состоянием и сроком эксплуатации данного транспортного средства.

В процессе эксплуатации судна при проведении производственных и общесудовых работ на борту непрерывно образуется ряд твердых, жидких и газообразных отходов, подлежащих нейтрализации и удалению [147].

Установка ультрафиолетового излучения

Необходимость применения в технологии обработки СВ и НВ обеззараживания озонированием и последующей тонкой фильтрации (см. рис. 2.1) при ограничении объемов судовых помещений побуждает использовать объединенную конструкцию – контактный фильтр, разработанный сотрудниками ФГБОУ ВО «ВГУВТ» [164]. Идея совмещения фильтра и контактной колонны в одном корпусе позволяет уменьшить объемы данных узлов в (1,80…2,07) раза с одновременным упрощением конструкции, а также сократить количество и сопротивление трубопроводов, их соединяющих. Кроме этого, используя свободную от загрузки полость фильтра (которая используется для расширения загрузки при ее регенерации) для обеспечения времени контакта озона с водой, можно уменьшить объем контактной колонны. Конструкция контактного фильтра приведена на рис. 2.15.

Установка перед контактным фильтром гидродинамического кавитатора, чувствительного к гидравлическому сопротивлению после аппарата, приводит к необходимости проведения экспериментальных исследований с целью определения потерь давления воды в контактном фильтре и трубопроводах, их соединяющих.

Применение в технологии обработки СВ типовой последовательности «коагуляции – флотации» (рис. 2.1) подсказали автору с сотрудниками ООО «МИП «Энергосберегающие технологии» возможность объединения этих узлов в единую конструкцию, получившую название «коагулятор-флотатор». Новизна устройства защищена патентом РФ № 132066 [170]. Совмещение камер коагуляции и флотации в одном корпусе (рис. 2.16) позволит уменьшить их объемы, упростит конструкцию, а также сократит количество и сопротивление соединяющих их трубопроводов.

Для минимизации колебаний уровня воды и пены в рабочей камере флотатора, уноса пены в емкость очищенной воды и предотвращения вторичного загрязнения предусмотрена система стабилизации уровня. Водо-газовая смесь, необходимая для осуществления флотации, генерируется в водо-воздушном эжекторе с использованием атмосферного воздуха. 1 – камера сбора и удаления пены; 2 – коническая перегородка; 3 – переливные окна; 4 – емкость сбора, отстоя и накопления очищенной воды; 5 – перфорированные трубопроводы подачи водо-газовой смеси; 6 – камера флотации; 7 – переливной трубопровод стабилизации уровня; 8 – тангенциальный ввод очищаемой воды; 9 – реакционная емкость (коагулятор); 10 – вставка регулировочная эластичная. По сравнению с классическими конструкциями [102, 127, 139, 157, 384, 399, 401], коагулятор-флотатор обладает следующими преимуществами: - в едином устройстве обеспечивается реагентная очистка воды по показателям цветности и мутности до качества, позволяющего сбрасывать СВ в окружающую среду после скоростного фильтрования; - расширяются возможности использования за счет снижения массогабаритных показателей; - уменьшаются строительные и эксплуатационные затраты за счет отказа от расходных материалов и снижения энергопотребления (замена компрессора подачи сжатого воздуха и сатуратора струйным аппаратом); - повышается надежность работы установки за счет полной автоматизации рабочего процесса и отсутствия подвижных элементов (скребковых транспортеров – отвод пены осуществляется самотеком). Для оценки конструкции коагулятора-флотатора необходимо рассчитать его основные параметры и сравнить их с размерами применяемых агрегатов.

Минимально необходимые объемы реакторов системы определятся с учетом того, что время обработки жидкости [ТІ] регламентировано [127]: V Qrbi] (2.24) Объем реакционной камеры с учетом продолжительности процесса хлопьеобразования [ткхо] = 7,5 мин. [167] составит, м3: Vm=QcocB-bml (2.25) Процесс флотации осуществляется в емкости флотатора объемом Уф, м3: Уф=7,3 2сосвтД (2.26) где [Тф] - продолжительность флотации, мин. В соответствии с [127] для установок производительностью до 100 м3/ч продолжительность флотации должна быть не менее 20 мин; 1,3 - коэффициент, учитывающий возврат циркуляционной воды в соответствии с функциональной схемой (рис. 2.1) [127]. В случае обычной компоновки [346] камеры займут следующие площади: - коагулятора (при высоте Нкхо = 2,0 м и квадратной в плане), м2: FKXO= = QcocB-bJ = QCOCB-7,5 = 00625 g. (227) - флотатора (высота Щ = 1,75 м и ширина 0,5 м при установке стандартного транспортера для удаления пены), м2: Рф Л= . wkJ -_1 -_0М7. (2.28) И И ой-1,75 Суммарная площадь установки с учетом прохода между аппаратами для ремонта и обслуживания шириной 0,6 м [292], м2: FL = Г , +F p+0,6-Jh= ,679- QCOCB. (2.29) Для предлагаемой конструкции: - коагулятора (при высоте Нкхо = 2,0 м и круглой в плане) - по выражению (2.24), при этом диаметр камеры DKXO составит, м:

Принципиальная схема и расчет экспериментального стенда для предварительных исследований процессов кавитации

Во избежание влияния переходных процессов продолжительность каждого эксперимента соответствовала регламентированному времени контакта: в кавитаторе – не менее 10 с [191, 384]; в промежуточной емкости – 7 сут. [323]. Перечень использованных контрольно-измерительных приборов также аналогичен первой группе экспериментов (приведен в табл. 3.5). Гидравлические расчеты системы, подбор насосов, арматуры и прочего необходимого оборудования стенда выполнены по приведенным выше зависимостям и рекомендациям. Характеристики насоса электрического ELRO XP 200 при работе в системе: Qн = 2,3110-4 м3/с; рн = 800 кПа; Нmax = 100 м; Нmin = 2 м; N = 1,5 кВт. Рабочие характеристики насоса-дозатора перистальтического B PER I: Qн = 2,7710-7 м3/с; рн =2500 кПа; N = 80 Вт. В качестве фильтра самоочищающегося применен аппарат по патенту РФ RU 115237 U1 «Фильтр-сепаратор» [43] производительностью 5 м3/ч, высота фотльтрэлемента 155 мм, диаметр улавливаемых частиц - от 0,75 мм. Для обработки БВ ультразвуковой кавитацией использован акустический кавитатор НО-336 производства ООО «Новотех-ЭКО» с характеристиками: fр = 22 кГц; количество пьезокерамических фокусирующих излучателей – 2; объем рабочей камеры Vк = 1,4 дм3; N = 230 Вт.

Для генерации озона на первом этапе очистки используется озонатор ООЧ-5 производства ООО МИП «Энергосберегающие технологии» с характеристиками: QО3 = 5 г/ч; U0 = 10 кВ; f = 50 Гц; N = 500 Вт.

Для генерации ОГ на втором этапе обработки БВ использован дизель-генераторный агрегат Wolsh GD 4000 CLE Двигатель MD178FG дизельный, четырехтактный, Nе = 3,3 кВт, рабочий объем 0,296 дм3, QоТ = 1,05 г/кВтч. В целях имитации судовых балластных танков БВ после первого этапа обработки перекачивалась в закрытый стальной бак объемом V = 0,75 м3. Условные проходы труб и арматуры, мм: - для жидкости – 25; - для воздуха и озоно-воздушной смеси – 10; 200 - для коагулянта и хим. реактивов – 3. Технические параметры стенда № 4 в ходе проведения опытов поддерживались на уровне, полученном при его наладке перед испытаниями (выполнены на водопроводной воде системы центрального водоснабжения).

Для эксперимента использовалась вода р. Волга (затон дер. Подновье). Отбор проб выполнен по методике [59]. Первый эксперимент выполнен для СОБВ по патенту РФ RU 150765 U1 [186]. Доза озона .= 0,1 г/м3, расход ОГ Q = 0,1 м3/ч. Анализу подвергались: СО3 г исходная вода (проба № 1); вода обработанная гидродинамической кавитацией и озонированием (проба № 2); обработанная акустической кавитацией и озонированием (проба № 3); обработанная гидродинамической кавитацией и озонированием после выдержки в течении 7 сут. (проба № 4); обработанная акустической кавитацией и озонированием после выдержки в течении 7 сут. (проба № 5); после обработки гидродинамической кавитацией и ОГ ДВС (проба № 6); после обработки акустической кавитацией и ОГ ДВС (проба № 7). Исследования выполнены в испытательном центре ФГБУ «Нижегородский референтный центр Федеральной службы по ветеринарному и фитосанитарному надзору» по нормативным документам на объем лабораторных исследований и оценку по [213]. Протокол исследований № 0283 приведен в Приложении 2, выдержки из него представлены в табл. 3.17. Таблица 3.17 – Выдержки из протокола лабораторных исследований БВ Этап обработки (№ пробы) Норматив Анализируемый показатель: Коли-индекс, в 1 дм3 Тип кавитатора гидродинамический акустический Исходная вода (№ 1) Не нормируется 10811 10811 Вода после первого этапа обработки (№ 2, 3) Не нормируется 1802 7207 Вода после выдержки (№ 4, 5) Не нормируется 780 5405 Вода после второго этапа обработки (№ 6, 7) Не нормируется 0 3604 Из результатов эксперимента следует, что БВ, обработанная с помощью гидродинамической кавитации, соответствует нормативам по контролируемым показателям. Исходя из работоспособности технологии и отсутствия невосполнимых расходных материалов ее применение целесообразно как в судовых, так и в стационарных СОБВ. Также подтвержден синергетический эффект, достигаемый при одновременном воздействии кавитации и озонирования, позволяющий значительно снизить дозу озона (до 80 % по сравнению с рекомендуемыми источниками [121, 287]) при обработке БВ.

Кроме того, выявлена недостаточность эффекта обеззараживания, достигаемого акустической кавитацией. Однако, так как исследование акустических кавитаторов не входит в тематику данной работы, ниже приведены только рекомендации к решению данной проблемы.

Первый путь - повышение интенсивности кавитации. Этот способ достигается увеличением мощности излучения, что потребует нового генератора ультразвуковой частоты и большего количества излучателей, следовательно, ведет к усложнению и удорожанию установки.

Второй - интенсификация окислительных процессов при обработке БВ. Достигнуть этого можно увеличением дозы озона, вводимой в БВ, или применением дополнительного дезинфектанта. Рост производительности озонатора не приемлем т.к. вызовет значительное повышение удельных затрат на обработку БВ и стоимости СОБВ в целом. На основании анализа применяемых реагентов выявлено, что в качестве дополнительного дезинфектанта СОБВ также целесообразно вводить пероксид водорода, о достоинствах и недостатках которого отмечалось выше. СОБВ с использованием данного принципа защищается заявкой на изобретение РФ № 2014107583/05 «Способ очистки балластных вод» [173].

Использование математических моделей систем судов комплексной переработки отходов для совершенствования технических средств инженерной защиты окружающей среды

Как отмечено в работах [143, 310], наибольший эффект озонирования достигается при озонофлотации, в этом случае КПД использования озона увеличивается в (1,5…1,7) раза, здесь же указано, что наилучших результатов при обеззараживании озоном можно достичь при обработке СВ с рН = 5,0 (слабокислая среда). Эти условия предоставляют возможность не проводить последующей нейтрализации стока минеральными реагентами, так как она здесь происходит самопроизвольно за счет образования диоксида углерода и щелочных продуктов реакций окисления [9, 127, 295].

По априорным данным [1, 111, 208, 359] рН судовых СВ находится в пределах 6,0…8,5. Поэтому одной из задач повышения качества очистки СВ является создание условий для их подкисления. Данный вопрос можно решить добавкой в танк исходных СВ отработанной воды из ЦПА, т.к. последняя имеет рН = 3,5…4,5 [123, 356] в результате абсорбции соединений SO2 и NO2. Применение такого простого мероприятия позволяет не только обеспечить стабильное качество очистки СВ, но и не просто утилизировать, а полезно использовать достаточно большой объем химически загрязненных вод, возникающих при очистке газов, в системах СКПО.

2. Следующим направлением модернизации СОСВ является включение в ее технологический процесс обработки СВ кавитацией. Как уже отмечалось, кавитационную обработку можно использовать как на стадии первичной очистки СВ, так и для их доочистки и обеззараживания [28]. Аппаратно процесс реализуется с использованием гидродинамических кавитаторов. Экспериментальные исследования данных устройств представлены автором в Главе 3 настоящей работы, а также в [218, 230] и доказывают целесообразность их применения. Отметим, что обнаруженный синергетический эффект при использовании кавитации и озонирования позволяют также причислить эти процессы к AOT s.

На этапе доочистки СВ наиболее целесообразно использование УФИО. Как показывают исследования [86, 354], использование AOT s типа «О3 + УФИ» позволяет существенно снизить дозу озона при обработке СВ.

Следовательно, при применении процессов окисления в УФИО совместно с кавитацией также достигается синергетический эффект. Это позволит отказаться от озонаторного агрегата в составе СОСВ, значительно упростит конструкцию, удешевит, снизит массогабаритные показатели и энергопотребление СОСВ.

Подтверждение эта теория получила при модернизации по патентам RU 93390 U1 [177] и RU 113266 U1 [184] системы кондиционирования воды плавательного бассейна частного жилого дома в пос. Козловка Нижегородской обл. В процессе мероприятий автором был изготовлен гидродинамический кавитатор производительностью 5 м3/ч, лампа УФИ переоборудована в УФИО. В настоящее время система успешно эксплуатируется и полностью обеспечивает санитарно-гигиенические показатели (см. Приложение 2).

В заключение отметим, что для использования очищенных СВ в системах теплоснабжения и питательной воды котлов необходимо их умягчение. Однако в составе всех современных паровых и водогрейных котлоагрегатов существуют штатные умягчительные установки, действующие за счет натрий-катионирования, общая жесткость в результате умягчения уменьшается до величины 0,02 мг-экв/дм3 и ниже.

Ранее показано, что для решения проблемы НВ на СКПО целесообразно использовать объединенные судовые СОСНВ. За основу подобной системы следует брать СОСВ с добавлением блока обработки НВ на первой стадии очистки и элементов САЗРИУС на финальной.

Как показывают результаты экспериментов [283], проведенных при участии автора, эффективное выделение нефтепродуктов и механических примесей из НВ после отстаивания и усреднения, осуществляемое в поле центробежных сил трехпродуктового гидроциклона, достигает 99%.

Достаточно высокий эффект очистки НВ от растворенных и тонкоэмульгированных нефтепродуктов наблюдается уже при малых значениях дозы озона ( 0,8 г/м3) [283, 301], что еще раз подтверждает целесообразность доочистки НВ в смеси с СВ.

Для утилизации обезвоженного нефтепродукта в составе систем СКПО целесообразен путь сжигания в составе ВТЭ в котлоагрегате. Данное решение позволяет не только повысить пожарную безопасность, отказавшись от накопления нефтепродукта сложного состава с переменной температурой вспышки на борту судна, но и уменьшить количество вредных веществ в ДГ вследствие полноты процесса сгорания [129, 188], а также обеспечить использование теплоты ВИЭ при утилизации этого вида отходов.

Содержание воды в такой ВТЭ может достигать 38% [129], что может вызывать коррозию и повышенный износ топливной аппаратуры [90, 193]. Это заставляет в определенной мере нормировать показатели качества воды, применяемой для приготовления ВТЭ: ВВ, жесткость и рН. С другой стороны, коррозионные свойства ВТЭ определяет размер образующихся глобул [90, 193], для их измельчения в данном случае также целесообразно применение кавитации. Установка гидродинамического кавитатора в штатную топливную систему котлоагрегата обеспечит необходимую дисперсность ВТЭ, а также предотвратит расслоение вследствие ее приготовления непосредственно перед сжиганием. Кроме того, возможно варьирование водосодержания за счет эжекции технической воды аппаратом, что повысит качество топочного процесса при минимальных затратах.