Московский экономический журнал 1/2023

PDF-файл статьи

Научная статья

Original article

УДК 66.067.1

doi: 10.55186/2413046X_2023_8_1_22

ЛАБОРАТОРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ФИЛЬТРАЦИИ ЖИДКОСТЕЙ С ОРГАНИЧЕСКИМИ ПРИМЕСЯМИ ЧЕРЕЗ ПЕСЧАНЫЕ ФИЛЬТРЫ

LABORATORY STUDIES OF FILTRATION OF LIQUIDS WITH ORGANIC IMPURITIES THROUGH SAND FILTERS

Кущев Иван Евгеньевич, д.т.н., профессор кафедры ПГС Рязанского института (филиала) фгаоу во «Московский политехнический университет»

Лебедев Илья Сергеевич, магистрант кафедры ПГС Рязанского института (филиала) фгаоу во «Московский политехнический университет», Ilalebedev218@gmail.com

Kushchev Ivan E., Doctor of Engineering Science, professor, Industrial and Civil Construction Department, Ryazan Institute (Branch) of FSAEI HE Moscow Polytechnic University

Lebedev Ilya S., Master’s Degree Student, Industrial and Civil Construction Department, Ryazan Institute (Branch) of FSAEI HE Moscow Polytechnic University, Ilalebedev218@gmail.com

Аннотация. Статья посвящена вопросам фильтрации жидкостей от органических примесей, которые появляются при доочистке животноводческих стоков че­рез насыпные песчаные фильтры для последующего использования их в системах орошения.

В статье рассмотрен наиболее рациональный и экологически безопасный способ утилизации навозных стоков, использование их для удобрения и полива с.-х. угодий.

Для проведения исследований была разработана технологическая схема по очистке водных стоков содержащих органические примеси с помощью насыпных песчаных фильтров, на которой были проведены фильтрационные исследования.

В качестве исходного материала для проведения фильтрационных исследований было взято базовое количество воды 1000 мл. Основными факторами для исследования являлись: торфяная примесь; варьируемая длина песчаного фильтра; изменяемый угол наклона фильтра.

В качестве функций отклика были приняты две величины: время фильтрации (количественная характеристика процесса); плотность отфильтрованной воды (качественная характеристика процесса).

В рамках исследований было проведено базовое количество опытов для полнофакторного эксперимента, результаты которого были обработаны по программе регрессионного анализа, сформулированы выводы.

Основными выводами из проведённых исследований можно сделать следующее:

• для уменьшения габаритов фильтрующей системы угол наклона необходимо держать максимально возможным;
• для поднятия эффективности и сокращения времени фильтрования на песчаных фильтрах воду с органическими примесями нужно подвергать предварительной очистке с помощью механических или гравитационных способов;
• при использовании песчаных фильтров для не аграрных целей, с целью повышения качества очистки воды, допускается их делать поворотными или серпантинными, однако при этом следует помнить, качество фильтрации на обычных песчаных фильтрах приближается к 0,999, а дальнейшее повышение качества начнёт резко повышать стоимость очистки.

Abstract. The article is devoted to the issues of filtration of liquids from organic impurities that appear during post-treatment of livestock effluents through bulk sand filters for their subsequent use in irrigation systems.

The article considers the most rational and environmentally friendly way of disposal of manure, their use for fertilization and irrigation of farms.

To conduct research, a technological scheme was developed for the treatment of water effluents containing organic impurities using bulk sand filters, on which filtration studies were carried out.

A basic amount of water of 1000 ml was taken as the starting material for filtration studies. The main factors for the study were: peat admixture; variable sand filter length; changeable angle of inclination of the filter.

Two quantities were taken as response functions: filtration time (quantitative characteristic of the process); density of filtered water (qualitative characteristic of the process).

As part of the research, a basic number of experiments was carried out for a full-factorial experiment, the results of which were processed according to the regression analysis program, and conclusions were formulated.The main conclusions from the conducted research can be drawn as follows:

• to reduce the dimensions of the filtering system, the angle of inclination must be kept as high as possible;
• to increase the efficiency and reduce the filtration time on sand filters, water with organic impurities must be subjected to pre-treatment using mechanical or gravitational methods;
• when using sand filters for non-agricultural purposes, in order to improve the quality of water purification, it is allowed to make them rotary or serpentine, however, it should be remembered that the filtration quality on conventional sand filters approaches 0.999, and a further increase in quality will begin to sharply increase the cost of purification.

Ключевые слова: песчаные фильтры, жидкости с органическими примесями, фильтрация

Key words: sand filters, liquids with organic impurities, filtration

Одной из важнейших проблем современных промышленных техноло­гий в любой сфере является утилизация побочных продуктов производства, а после окончания срока эксплуатации и основного продукта производства. К числу таких технологий относится и промышленное производство мяса, яиц, молока и др. продуктов аграрного сектора экономики, связанное с утилиза­цией навозных стоков. Решение данной проблемы направлено на создание безотходной технологии, предотвращающей загрязнение окружающей среды, а также получения дополнительной сельскохозяйственной продукции в растениеводстве и снижение затрат на приобретение минеральных удобрений» [1, с. 86].

Навоз и навозные стоки со всех типов животноводческих ферм явля­ются ценным органическим удобрением, содержащим азот, фосфор, калий, микроэлементы, причем большая часть полезных элементов находится в легко растворимой форме и является для растений легко усвояемым про­дуктом [2, с. 8]. Кроме того, получаемые в процессе жизнедеятельности животных навоз и навозные стоки можно использовать на чистых парах для обогащения почвы азотом и другими полезными элементами питания, улучшения оборота макро- и микроэлементов в системе почва – растение      [8, с. 77].

Навозные стоки, используемые для орошения должны соответствовать  требованиям нормативной документации по микрофлоре и антибиотикам, быть безвредными для окружающей среды, не содержать патогенную микрофлору, в том числе  сальмонелл и яиц гельминтов [3].

Обычно очистка сточных вод осуществляют механическим, химичес­ким или биологическим способами, но достигнуть 100% очистки на искус­ственных очистных сооружениях практически невозможно, а стоимость этих сооружений достаточно высока.

Наиболее рациональным и экологически безопасным способом утили­зации навозных стоков является использование их для удобрения и полива с.-х. угодий. При этом способе обеспечивается повышение плодородия почвы, урожайности сельскохозяйственных культур и используется высокая способ­ность почвы к самоочищению[7, с.101].

В этих схемах сточные воды после частичной фильтрации направляют на полив сельскохозяйственных культур, что позволяет в результате деятельности микроорганизмов, находящихся в почве, кислорода воздуха, воздействия солнечных лучей и ряда других факторов на полях орошения

производить их очистку [4].

В мировой практике очистка сточных вод осуществляется на однослой­ных песчаных напорных зернистых фильтрах, которая позволяет удалить взвеси, снизив биохимическое потребление кислорода (БПК) и химическое потребление кислорода (ХПК) в соответствии с требованиями на сброс в водоемы содержащие рыбу с предварительным использованием для ороше­ния [5, с. 21].

На кафедре ПГС РИ(ф)МПУ разработана технологическая схема по очистке водных стоков содержащих органические примеси с помощью насыпных песчаных фильтров (рис. 1), на которой были проведены фильтрационные исследования.

В качестве исходного материала для проведения фильтрационных исследований была выбрана вода в количестве 1000 мл. Основными факторами для исследования являлись: X₁ – торфяная примесь в количестве 30, 50 и 70 г торфа; X₂ – варьируемая длина песчаного фильтра 0,1 м, 0,2 м и 0,3 м; X₃ – изменяемый угол наклона фильтра 5, 10 и 15 градусов.

В качестве функций отклика были приняты две величины: Y₁ – время фильтрации, сек. (количественная характеристика процесса); Y₂ – плотность отфильтрованной воды, г/см³ (качественная характеристика процесса)

По результатам первой серии опытов с коротким фильтром (0,1 м) и вариантами засорённости и углов наклона приведённых в табл. 1, 2 и 3 был построен график на рисунке 2.

Как видно из рисунка 2 поверхность функции отклика (времени фильтрации) почти прямая плоскость поставленная под достаточно крутым к

Для исследований во второй серии опытов с средним по длине фильтром (0,2 м) были взяты те же варианты засорённости и углы наклона песчаного фильтра. По полученным результатам, приведённым в табл. 4, 5 и 6, был построен график на рисунке 3.

Как видно из графика, построенного по проведённым исследованиям на песчаном фильтре, среднее время фильтрования выросло в 1,5 раза. При этом изменился и характер функции отклика, которая от почти прямой плоскости перешла в поперечном сечении к плоскостям 2-го порядка, хотя влияние угла наклона носит линейный характер, что видимо, связано с ограниченной областью исследования.

В завершающей третьей серии исследований опыты проводились с длинным фильтром (0,3 м) при тех же вариантах засорённости и углах наклона песчаного фильтра. По полученным результатам, приведённым в табл. 7, 8 и 9, был построен график на рисунке 3.

Исходя из полученных экспериментальных значений время фильтрации сравнению со второй серией выросло в 1,8 раза, что однозначно показало, что главным фактором в процессе фильтрации является длина фильтра, вторым по значимости фактором является засорённость органическими примесями и третьим является угол наклона фильтра.

Основными выводами из проведённых исследований можно сделать следующее:

• для поднятия эффективности и сокращения времени фильтрования на песчаных фильтрах воду с органическими примесями нужно подвергать предварительной очистке с помощью механических или гравитационных способов;
• учитывая то, что угол наклона песчаного фильтра влияет на процесс фильтрации незначительно, по сравнению с другими факторами, его для уменьшения габаритов фильтрующей системы необходимо держать максимально возможным;
• при использовании песчаных фильтров для не аграрных целей, с целью повышения качества очистки воды, допускается их делать поворотными или серпантинными, однако при этом следует помнить, качество фильтрации на обычных песчаных фильтрах приближается к 0,999, а дальнейшее повышение качества начнёт резко повышать стоимость очистки.

Список источников

1. Неверова О.П., Ильясов О.Р., Зуева Г.В., Шаравьев П.В. Современ­ные методы утилизации навозосодержащих и сточных вод // АВУ. 2015. №1 (131). С. 86-89.
2. Праниченко Н.В. Магистерская диссертация на тему «Экологически сбалансированные подходы к утилизации отходов животноводческих ком­плексов (на примере ООО «Стригуновский свинокомплекс»). Белгород 2016. С. 8-12.
3. Ветеринарно-санитарные правила по использованию животновод­ческих стоков для орошения и удобрения пастбищ. Департамент ветеринарии Министерства сельского хозяйства Российской Федерации 18 октября 1993 г. N 19-7-2/148. Часть 2.
4. Гостищев Д. П., Вершинин В. В., Хватыш Н. В. Утилизация сточных вод и животноводческих стоков на полях орошения // Евразийский Союз Ученых. 2015. №7-7 (16). URL: https://cyberleninka.ru/article/n/utilizatsiya-stochnyh-vod-i-zhivotnovodcheskih-stokov-na-polyah-orosheniya.
5. Залетова Н.А., Залетов С.В. Потенциал технологии доочистки сточных вод на зернистых фильтрах с инертной загрузкой // Вода и экология: проблемы и решения. 2019. № 4 (80). С. 20-28.
6. Пат. 2257682 Российская Федерация, МПК C05F 11/08 (2006.01) Способ переработки фекальных и животноводческих стоков / В.А. Шапиро. Опубликовано: 25.06.2019 Бюл. № 18.
7. Методические рекомендации по технологическому проектированию систем удаления и подготовки к использованию навоза и помёта РД-АПК 1.10.15.02-17. С. 100-107.
8. Тютюнов С.И., Соловиченко В.Д., Навольнева Е.В. Использование свиных стоков в качестве органических удобрений // Международный научно-исследовательский журнал. 2015. № 10 (41) часть 3. С. 76-79.

References

1. Neverova O.P., Ilyasov O.R., Zueva G.V., Sharaviev P.V. Modern methods of utilization of manure-containing and waste water // AVU. 2015. No. 1 (131). pp. 86-89.
2. Pranichenko N.V. Master’s thesis on the topic «Environmentally balanced approaches to the disposal of waste from livestock breeding complexes (on the example of Strigunovsky Pig Farm LLC»). Belgorod 2016. S. 8-12.
3. Veterinary and sanitary rules for the use of livestock wastewater for irrigation and fertilization of pastures. Department of Veterinary Medicine of the Ministry of Agriculture of the Russian Federation October 18, 1993 N 19-7-2 / 148. Part 2.
4. Gostishchev D. P., Vershinin V. V., Khvatysh N. V. Utilization of wastewater and livestock effluents in irrigation fields // Eurasian Union of Scientists. 2015. No. 7-7 (16). URL: https://cyberleninka.ru/article/n/utilizatsiya-stochnyh-vod-i-zhivotnovodcheskih-stokov-na-polyah-orosheniya.
5. Zaletova N.A., Zaletov S.V. Potential of technology for post-treatment of wastewater on granular filters with inert loading // Water and ecology: problems and solutions. 2019. No. 4 (80). pp. 20-28.
6. Pat. 2257682 Russian Federation, IPC C05F 11/08 (2006.01) Method for processing fecal and livestock wastewater / V.A. Shapiro. Published: 25.06.2019 Bull. No. 18.
7. Guidelines for process design systems for removal and preparation for use of manure and litter RD-APK 1.10.15.02-17. pp. 100-107.
8. Tyutyunov S.I., Solovichenko V.D., Navolneva E.V. Use of pig drains as organic fertilizers // International Scientific Research Journal. 2015. No. 10 (41) part 3. S. 76-79.

Для цитирования: Кущев И.Е., Лебедев И.С. Лабораторные исследования фильтрации жидкостей с органическими примесями через песчаные фильтры // Московский экономический журнал. 2023. № 1. URL: https://qje.su/rekreacia-i-turizm/moskovskij-ekonomicheskij-zhurnal-1-2023-22/

© Кущев И. Е., Лебедев И. С., 2023. Московский экономический журнал, 2023, № 1.