Устройство для обеззараживания животноводческих стоков
LIVESTOCK EFFLUENT DECONTAMINATION DEVICE

Изобретение относится к области сельского хозяйства и может быть использовано для обработки жидких стоков животноводческих хозяйств и приготовления органических удобрений.
Известно устройство для обеззараживания животноводческих стоков, включающее воронку для подачи стоков (жидкого навоза) в технологический цилиндрический трубопровод с высоковольтными разрядными электродами с разрядными промежутками [1].
В известном устройстве силовой электроимпульсный разряд (в виде электрогидравлического эффекта) в жидком навозе используется для гибели микрофлоры и болезнетворных бактерий, а также для перевода находящихся в жидком навозе солей в состояние, легко усвояемое корнями растений различных сельскохозяйственных культур.
Недостатком аналога является существенное снижение качества обработки жидкого навоза в зависимости от вариаций его электропроводности, поскольку нужно подобрать жидкий навоз с удельной электропроводностью менее 0,5-0,9 мСм/см, а при большей величине электропроводности на практически используемых энергетических уровнях в 1,0-1,5 кДж на импульс канальная стадия разряда не формируется из-за значительного (до 60-90%) количества разрядов в режиме растекания, т.е. наблюдается отсутствие электрогидравлического эффекта. А увеличение энергетики разрядного контура приводит к существенному удорожанию использования электрогидравлического эффекта для обеззараживания животноводческих стоков.
Более близким техническим решением к настоящему изобретению является устройство для обеззараживания животноводческих стоков, включающее емкость-накопитель смеси животноводческих стоков, технологический трубопровод с высоковольтными разрядными электродами с разрядным промежутком и блок подачи воды в смесь животноводческих стоков [2].
На данном устройстве уже возможна вариация электропроводности смеси за счет изменения количества воды, подаваемой на вход технологического трубопровода.
Недостатком устройства является то, что на практике достаточно трудно устойчиво поддерживать на всем протяжении технологического трубопровода удельную электропроводность животноводческой смеси (стоков) менее 0,5-0,9 мСм/см, поскольку электропроводность смеси изменяется по мере ее электроимпульсной обработки от одного до другого разрядных промежутков. Кроме того, для достижения высокого уровня обеззараживания необходимы не единицы, а десятки разрядных контуров, что существенно снижает надежность (и, естественно, эффективность обработки) конструкции, не говоря уж о ее стоимости и в целом - к технической и экономической нецелесообразности использования данного вида обработки животноводческих стоков.
Именно на решение задачи повышения эффективности силового ударно-волнового воздействия посредством устойчивой (от импульса к импульсу) инициации электроимпульсного разряда в жидкой смеси животноводческих стоков, надежности работы конструкции и достижения максимально высокого уровня дегельминтизации (обеззараживания) стоков при одновременном существенном (в десятки раз) снижении времени подготовки органических удобрений направлено настоящее изобретение.
Этот технический результат достигается тем, что устройство для обеззараживания животноводческих стоков содержит насос, емкость-накопитель, сообщенную посредством подающего гибкого трубопровода с заслонкой-дозатором и с входной торцевой на верхней поверхностной части технологического трубопровода, низковольтный электротехнический блок для дегельминтизации стоков током, сопряженный с торцевой частью технологического трубопровода, диэлектрический трубопровод с размещенными на нем электродами подачи тока в смесь, блок подачи воды в емкость-накопитель и дополнительный блок подачи воды - в область разрядного промежутка каждого из разрядных электродов, которые выполнены коаксиальными, при этом внешняя часть коаксиала каждого из разрядных электродов состыкована с технологическим трубопроводом, а в торцевой внешней части коаксиала выполнены радиальные каналы для подачи воды в область разрядного промежутка, диэлектрический и технологический трубопроводы шарнирно закреплены на опорной раме с пневмоопорами для возможности варьирования угла наклона трубопроводов по отношению к горизонтали, компрессор для регулирования давления в пневмоопорах, при этом выходная торцевая часть технологического трубопровода через эластичный патрубок сообщена с сепаратором и, кроме того, профиль радиальных каналов образован полостью втулки типа конфузор-диффузор.
Благодаря тому, что устройство снабжено низковольтным (менее 1000 В) электротехническим блоком для дегельминтизации стоков током (например, постоянным или промышленной частоты) с диэлектрическим трубопроводом, который, в свою очередь, соединен с одной из торцевых частей технологического трубопровода, достигается максимально высокий уровень дегельминтизации (обеззараживания) стоков. При этом, поскольку, вследствие модульности конструкции устройства и варьирования наклона технологического трубопровода с возможностью организации входа смеси с обеих концов технологического трубопровода, а также того, что низковольтный электротехнический блок может стыковаться с торцевой частью технологического трубопровода как до участка с разрядными электродами для ударно-волновой обработки смеси, так и после этого участка, - создаются условия для достижения необходимого качества выходного продукта в зависимости от начальных физико-механических и биохимических характеристик стоков. Модульность устройства и комплексное сочетание (за короткий промежуток времени): ударно-волновое воздействие, затем - ток, (или наоборот) позволяет достигнуть практически стопроцентного уничтожения нежелательной микрофлоры, поскольку вследствие применения только одного из этих воздействий или каждого по отдельности, разделенного по времени на длительный (десятки минут или часы) срок, приведет к частичному восстановлению (размножению) нежелательной микрофлоры, что исключено в данном устройстве, так как обработка «подавленных» нежелательных элементов от одного воздействия завершается их гибелью при другом воздействии, следующим за первым в течение нескольких десятков секунд.
А также, благодаря совокупности признаков - насос, компрессор, гибкий подающий трубопровод, пневмооопоры, за счет варьирования как давления в пневмопорах, так и угла наклона трубопроводов по отношению к горизонтали, реализуется возможность как повышения надежности работы конструкции за счет наличия гибких элементов в разрядно-импульсной конструкции, так эффективности обработки смеси за счет варьирования интенсивности ее движения.
Также, за счет того, что устройство имеет дополнительный блок подачи воды в область каждого из разрядных промежутков за счет принудительного впрыска воды в межэлектродный промежуток, возможно создание условий для устойчивого воспроизводства разрядов от импульса к импульсу в смеси стоков с начальной удельной электропроводностью более 0,5 мСм/см.
Кроме того, за счет того, что внешняя часть коаксиала каждого из разрядных электродов состыкована с технологическим трубопроводом, при этом в торцевой внешней части коаксиала выполнены радиальные каналы для подачи воды в область разрядного промежутка, а профиль радиальных каналов образован полостью втулки типа конфузор-диффузор, возможна оперативная вариация проводимости среды в области разрядного промежутка и создания в нем неоднородностей для облегчения устойчивого образования импульсного разряда с одновременной эффективностью обеззараживания за счет кавитационных процессов от впрыска жидкости в смесь.
В целом, сущность изобретения и достижение необходимого технического результата заключается не только в совокупности комплексного воздействия на смесь стоков электрическими полями низкой (промышленной или нулевой) и высокой (высокоамплитудной импульсной) частот с образованием в смеси ударно-волновых возмущений, но и вследствие возможности использования оптимального варьирования качеством обработки смеси и, соответственно, выходного продукта в зависимости от изначальных характеристик животноводческих стоков.
Сущность изобретения поясняется описанием устройства и принципа его работы.
На фиг. 1 схематически показан общий вид устройства для обеззараживания животноводческих стоков,
На фиг. 2 показан разрез коаксиального разрядного электрода с элементами для подвода воды в разрядный промежуток.
Устройство для обеззараживания животноводческих стоков содержит фекальный насос 1, емкость-накопитель 2, (см. фиг. 1.), сообщенным посредством подающего гибкого трубопровода 3 с заслонкой-дозатором 4 и с фланцем 5 с входной торцевой частью 6 технологического трубопровода 7 с высоковольтными разрядными электродами 8, установленными на верхней поверхностной части 9 технологического трубопровода 7, низковольтный электротехнический блок 10 для дегельминтизации стоков током, диэлектрический трубопровод 11, сопряженный с торцевой частью 6 технологического трубопровода 7, блок 12 подачи воды через шланг 13 в емкость-накопитель 2 и дополнительный блок 14 подачи воды через шланги 15 - в область 16 (см. фиг. 2) разрядного промежутка 17 каждого из разрядных электродов 8, выполненных коаксиальными, причем в торцевой части 18 внешнего коаксиала 19 выполнены радиальные каналы 20 для подачи воды в область 16. Трубопроводы 7 и 11 шарнирно закреплены на опорной раме (см. фиг. 1) 21 с пневмоопорами 22 (в виде пневмоподушек или пневмоцилиндров), для возможности варьирования угла наклона технологического трубопровода 7 и диэлектрического трубопровода 11 по отношению к горизонтали. Выходная торцевая часть 23 технологического трубопровода 7 через эластичный патрубок 24 сообщена со шнековым сепаратором (или декантерной шнековой центрифугой) 25. Также, устройство имеет компьютерный пульт 26 управления режимами работ, конденсаторные блоки 27 для подачи импульсной энергии на разрядные электроды 8, компрессор 28 для регулирования давления в пневмоопорах 22 и размещенные на диэлектрическом трубопроводе 11 электроды 29 подачи тока (постоянного или промышленной частоты) в смесь.
Радиальные каналы 20 могут быть выполнены в виде сужающегося (в направлении разрядного промежутка 17) конуса (не показан) или в виде полости 30 втулки 31 типа конфузор-диффузор.
Работа устройства для обеззараживания животноводческих стоков, осуществляется следующим образом.
В емкости-накопителе 2 смеси перед началом процесса обработки осуществляют подготовку смеси стоков: производят измерение удельной электропроводности стоков и, при необходимости, из блока 12 подачи воды подают воду в емкость-накопитель 2, осуществляют смешивание (любым видом смесителя, не показан) для получения необходимой консистенции смеси как по вязкости, так и величине удельной электропроводности смеси. Затем посредством фекального насоса 1 смесь подают в подающий трубопровод 3 с заслонкой-дозатором 4 и далее, через фланец 5 - в технологический трубопровод 7. Для облегчения условий производства импульсов при перемещении смеси от подающего трубопровода 3 до сепаратора 25 разница высот между выходом подающего трубопровода 5 и входной торцевой частью 6 технологического трубопровода 7 выбирается в диапазоне от 1,5 до 2,5 м для создания усредненного избыточного давления на смесь ~0,2 атм. На пульте 26 устанавливают необходимые режимы работы устройства, в том числе - уровень зарядного напряжения (обычно, от 35 до 40 кВ) конденсаторных блоков 27, скорость подачи (посредством заслонки-дозатора 4) смеси в подающий трубопровод 3, угол наклона (шарнирно или посредством варьирования давления в пневмоопорах 22) технологического и диэлектрического трубопроводов 7 и 11, а также другие параметры, относящиеся к впрыску воды в разрядные промежутки 17, низковольтному электротехническому блоку 10, сепаратору 25 и затем запускают процесс обработки смеси. Подача (впрыскивание) воды в разрядные промежутки 17 осуществляется дозированно (~40-80 мл на импульс) и только в том случае, если значительное (более 50%) количество импульсов протекают в режиме «растекания», т.е. без образования ударно-волнового возмущения. Впрыск воды в область 16 разрядного промежутка 17 через радиальные каналы 20 может осуществляться как через коническую сужающуюся в направлении разрядного промежутка 17 полость (не показана), так и через полость 30 втулки 31 типа конфузор-диффузор для создания дополнительных кавитационных возмущений в области 16. Режим потока впрыска устанавливают на компьютерном пульте 26 в зависимости от характера воспроизводства разрядных импульсов.
2
При движении смеси по технологическому трубопроводу 7 импульсная энергия подается на разрядные электроды 8 от конденсаторных блоков 27 (с частотой запуска разрядных импульсов до 2,5 Гц) и запуск импульсов осуществляют последовательно от выходной торцевой части 23 технологического трубопровода 7 к его входной торцевой части 6, поскольку именно такая последовательность запуска разрядных импульсов в технологическом трубопроводе 7 способствует более интенсивному продвижению смеси в направлении к диэлектрическому трубопроводу 11 и сепаратору 25. Вследствие положительного перепада давления по мере продвижения смеси от входа к выходу из трубопроводов 3, 7 и 11 вектор давления импульсного сдвига при расширении парогазового пузыря при его росте и вектор сдвига при схлопывании парогазового пузыря направлен к выходу, но объем сдвигающейся массы больше при схлопывании пузыря, т.к. импульс разряда происходит в микросекундном (~20-40 мкс) диапазоне с последующем образованием парогазового пузыря, а схлопывание последнего с втягиванием среды в «вакуумную» полость пузыря - в миллисекундном (5-50 мс) диапазоне, вследствие чего масса «втягивания» несколько больше, чем масса «выталкивания». После ударно-волновой обработки смеси в технологическом трубопроводе 7 для увеличения уровня дегельминтизации производится обработка смеси в диэлектрическом трубопроводе 11 током (постоянным или промышленной частоты с уровнем напряжения не менее 380 В), при этом за счет равноудаленных друг от друга трех электродов 29 на диэлектрическом трубопроводе 11 и нейтрали (не показана) в среде поддерживается средняя плотность тока ~0,2-0,3 А/см, что существенно (как минимум, на два порядка) больше уровня, гибельного для биообъектов. Тиристорный (или семисторный) низковольтный электротехнический блок 10 поддерживает постоянный уровень тока в 10-20 А (на любой из трех фаз), не допуская как дугообразования в среде так и работу оборудования низковольтного электротехнического блока 10 в режиме короткого замыкания. Животноводческая смесь, обработанная ударно-волновым воздействием и током поступает в обеззараженном и фрагментированном виде в шнековый сепаратор 25, где происходит разделение смеси на «твердую» и жидкую компоненты, причем обе компоненты могут быть использованы в качестве удобрения и, кроме того, жидкая компонента может быть использована в качестве оборотной жидкости для обработки стоков. В зависимости от состава и характеристик смеси низковольтный электротехнический блок 10 может быть размещен как перед, так и после высоковольтных разрядных электродов 8.
При использовании изобретения, вследствие комплексного (импульсное ударно-волновое возмущение микросекундного диапазона + постоянный ток или ток промышленной частоты) воздействия, приводящего к гибели микрофлоры и всех типов болезнетворных и других типов бактерий, достигается возможность эффективной ускоренной переработки отходов животноводческих и птицеводческих хозяйств для приготовления экологически чистых органических удобрений.
1. Авт. Св. СССР, 1245272, А01С 3/00, опублик. 23.07.1986.
2. Патент РФ 2422415, А01С 3/00, опублик. 27.06.2011.