Повышение энергоэффективности систем жизнеобеспечения очистных сооружений города Иркутска

Несущая способность внецентренно сжатой железобетонной колонны (е0 = 3,5 см) при динамическом нагружении (t = 0,4 с) в условиях огневых воздействий (900°С) снижается на 70%.

Коэффициент динамического упрочнения в зависимости от температуры уменьшается по линейной зависимости, при:

300°С КЬЛт = 0,96;

500°С Кьлт = 0,844;

700°С Кьмт = 0,59;

900°С Кьлт = 0,441.

Статья подготовлена в рамках Гоанта Государственной поддержки научных исследований, проводимых ведущими научными школами Российской Федерации № НШ-6545.2014.8.

Статья поступила 17.09.2014 г.

Библиографический список

1. Расторгуев Б.С. Методы расчета зданий на устойчивость против прогрессирующего разрушения // Вестник отделения строительных наук РААСН. 2009. Т. 1. Вып. 13. С. 15-20.

2. Tamrazyan A.G. Reduce the impact of dynamic strength of concrete under fire conditions on bearing capacity of reinforced concrete columns. ICSMIM. 2nd International Conference on Sensors, Measurement and Intelligent Materials. Guangzhou, China, November. 2013. Р. 16-17.

3. Баженов Ю.М. Бетон при динамическом нагружении. М.: Стройиздат, 1970. 270 с.

4. Тамразян А.Г. Огнеударостойкость несущих железобетонных конструкций высотных зданий // Жилищное строительство. 2005. № 1. С. 7-8.

5. Pham T.M., Lei X., Hadi M.N.S. Effect of eccentric load on retrofitted reinforced concrete columns confined with FRP. In B.

Samali, D. J. Attard & J. Song (Eds.) // 22nd Australasian Conference on the Mechanics of Structures and Materials AC-MSM22. London: Taylor & Francis Group. 2013. Р. 139-144.

6. Тамразян А.Г, Аветисян Л.А. Экспериментальные исследования внецентренно сжатых железобетонных элементов при кратковременных динамических нагружениях в условиях огневых воздействий // Промышленное и гражданское строительство. 2014. № 4. С. 24-28.

7. Fuchs М.М., Braml T.H., Keuser M.W. Structural concrete after high dynamic loading damage identification and repair // Structural Journal. 2007. German: University of the German Armed Forces Munich. Р. 777-786.

8. Lie T.T., Irwin R.J. Method to Calculate the Fire Resistance of Reinforced Concrete. Columns with Rectangular Cross Section // Structural Journal. 1993. № (90) 1. Р. 52-60.

УДК 62/696

ПОВЫШЕНИЕ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ СИСТЕМ ЖИЗНЕОБЕСПЕЧЕНИЯ ОЧИСТНЫХ СООРУЖЕНИЙ ГОРОДА ИРКУТСКА

1 9

© Е.М. Трофименко1, М.Ю. Толстой2

Иркутский государственный технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

В ходе исследования были модифицированы микробные топливные элементы и система электродов, подобраны консорциумы микроорганизмов, способных генерировать электрический ток, потребляя органические соединения. Изучена зависимость между составом компонентов в биореакторе в присутствии различных микроорганизмов и генерированием электрического тока. Ил. 3. Библиогр. 6 назв.

Ключевые слова: очистные сооружения; биогаз; микробы; микробные топливные элементы; энергосбережение.

IMPROVING ENERGY EFFICIENCY OF LIFE SUPPORT SYSTEMS OF IRKUTSK WASTEWATER TREATMENT FACILITIES

E.M. Trofimenko, M.Yu. Tolstoy

Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.

Microbial fuel elements and the system of electrodes have been modified during the study. Consortia of microorganisms, capable of generating electric current, consuming organic compounds are selected. The dependence between the component composition in bioreactor in the presence of various microorganisms and the generation of electric current is studied.

3 figures. 6 sources.

Key words: wastewater treatment facilities; biogas; microbes; microbial fuel elements; energy saving.

1Трофименко Екатерина Михайловна, магистрант, тел.: 89500509498, e-mail: tolstaya87@bk.ru Trofimenko Ekaterina, Master's Degree Student, tel.:89500509498, e-mail: tolstaya87@bk.ru

2Толстой Михаил Юрьевич, кандидат технических наук, профессор, зав. кафедрой инженерных коммуникаций и систем жизнеобеспечения, тел.: (3952) 405609, e-mail: tolstoi@istu.edu

Tolstoy Mikhail, Candidate of technical sciences, Professor, Head of the Department of Engineering Communications and Life Support Systems, tel.: (3952) 405609, e-mail: tolstoi@istu.edu

Данная тема обусловлена мировой проблемой энергосбережения и сохранения природных ресурсов. Истощение запасов ископаемого топлива подстегивает поиск технологий, которые помогут обеспечить независимость от нефти, газа и угля. Более того, сжигание ископаемого топлива загрязняет атмосферу С02 и токсичными соединениями. Важным вкладом в решение проблемы является получение возобновляемых источников энергии. Ветряные генераторы, солнечные батареи, заводы, вырабатывающие биоэнергию, позволяют отказаться от вредных для окружающей среды атомных электростанций. Во многих странах практикуется использование сточных вод как дополнительных источников энергии. Мы рассмотрим два основных способа переработки осадка сточных вод на очистных сооружениях в целях получения электроэнергии: это производство биогаза и использование микробных топливных элементов.

Биогаз - продукт водородного либо метанового брожения биомассы, которое происходит под воздействием трех видов бактерий. В цепочке питания последующие бактерии кормятся продуктами жизнедеятельности предыдущих. Первый вид - бактерии гидролизные, второй - кислотообразующие, третий - ме-танобразующие [1-6].

Производство биогаза позволяет предотвратить выбросы метана в атмосферу. Метан оказывает влияние на парниковый эффект в 21 раз более сильное, чем СО2, и находится в атмосфере 12 лет. Лучшим краткосрочным способом предотвращения глобального потепления сегодня признается захват метана, а наиболее распространенным промышленным мето-

дом для этого - анаэробное сбраживание в метантен-ках.

Биогазовая установка должна включать:

- емкость гомогенизации;

- загрузчик твердого (жидкого) сырья;

- реактор;

- мешалки;

- газгольдер;

- систему смешивания воды;

- газовую систему;

- насосную станцию;

- сепаратор;

- приборы контроля;

- КИПиА с визуализацией;

- систему безопасности.

Сточные воды (биомасса) периодически подаются с помощью насосной станции или загрузчика в реактор. Реактор представляет собой подогреваемый и утепленный резервуар, оборудованный миксерами. Изготавливается промышленный резервуар чаще всего из железобетона или стали с покрытием. В малых установках иногда используются композиционные материалы. В реактор помещают полезные бактерии, питающиеся биомассой. Продуктом их жизнедеятельности как раз и является биогаз. Для поддержания жизни бактерий требуется подача осадка, подогретого до 35-38°С, и периодическое перемешивание. Образующийся биогаз скапливается в хранилище (газгольдере), затем проходит систему очистки и подается к потребителям (котел или электрогенератор). Реактор работает без доступа воздуха, герметичен и неопасен (рис. 1).

Рис. 1. Реактор

Факторы, влияющие на процесс брожения:

- температура;

- влажность среды;

- уровень рН;

- площадь поверхности частиц сырья;

- частота подачи субстрата;

- замедляющие вещества;

- стимулирующие добавки.

Метановые бактерии проявляют свою жизнедеятельность в пределах 0-70°С. Если температура выше, они начинают гибнуть, за исключением нескольких штаммов, для которых порог 90°С. При минусовой температуре метановые бактерии выживают, но впадают в анабиоз. В литературе в качестве нижней границы режима указывают 3-4°С.

В состав очистных сооружений города Иркутска, расположенных на правом берегу реки Ангары, входит оборудование по обработке сточной воды и осадка, включающее метантенки, которые представляют собой круглые резервуары с бетонированным днищем и покрытием и кирпичными стенами. Для интенсификации обработки осадка в метантенке устанавливается эффективное аэрирующее устройство, разработанное в ИрГТУ с нашим участием. Принцип его действия заключается в возможности использования энергии струи пара для вращения и перемешивания осадка.

Биогаз применяют для производства электроэнергии, тепла или пара, а также в качестве автомобильного топлива. Биогазовые установки могут использоваться как на очистных сооружениях, так и на фермах, птицефабриках, спиртовых, сахарных заводах, мясокомбинатах. Среди промышленно развитых стран ведущее место в производстве и использовании биогаза по относительным показателям принадлежит Дании: биогаз занимает до 18% в ее общем энергобалансе. По абсолютным показателям - количеству средних и крупных установок - ведущее место у Германии: 8000 установок. В Западной Европе в целом не менее половины всех птицеферм отапливаются биогазом.

Потенциальное производство биогаза в России -до 72 млрд м3 в год; возможное производство электроэнергии из него составляет 151 200 ГВт ч, тепла -169 344 ГВт ч.

Истощение природных ресурсов приводит к тому, что все чаще предлагается применять отходы как вторичное сырье. Известно, что сточные воды уже давно активно используются для производства биогаза. Но получение из него электричества не очень рентабельно из-за потерь на этапах преобразования тепловой энергии в механическую и далее в электрическую. Вместе с тем технология микробных топливных элементов (МТЭ) позволяет напрямую получать электроэнергию, биоводород и компоненты биотоплива при окислении органических и неорганических компонентов сточных вод. Микробный топливный элемент — это биотехнологическое устройство, преобразующее энергию химических связей органических веществ в электричество посредством микроорганизмов. Так же, как и топливный элемент, микробный топливный элемент теоретически является весьма высокоэффектив-

ным устройством, но, в отличие от топливных, работающих на водороде или метаноле, здесь могут использоваться сточные воды городов, предприятий, что делает МТЭ весьма эффективным средством не только для производства электрической энергии, но и защиты окружающей среды от загрязняющих веществ.

Составляют устройство три основных элемента: анодная и катодная камеры и разделяющая их ионсе-лективная мембрана, способная пропускать протоны водорода лишь в одном направлении: из анодной камеры в катодную. Микроорганизмы, производящие электричество, содержатся в анодной камере, в которой поддерживаются анаэробные условия. Катод находится в аэробном состоянии. Микроорганизмы отрывают электроны от субстрата питания и передают их на анод. Электроны, под действием разности потенциалов, начинают двигаться к катоду, где происходит восстановление кислорода. Одновременно с отрывом электронов от субстрата осуществляется образование протонов водорода, которые проходят через ионоселективную мембрану из анодной камеры в катодную; там они соединяются с кислородом с образованием воды.

Микробные топливные элементы, по утверждениям специалистов, могут применяться при очистке вод в замкнутых системах (подводные лодки, космические станции) и как аккумуляторы для питания медицинских приборов. Особое направление развития технологии МТЭ - использование их для переработки определенных промышленных стоков. Например, активно ведутся работы по созданию микробных топливных элементов для стоков целлюлозно-бумажных производств. Также имеются исследования по использованию отходов сельского хозяйства, в частности соломы, в качестве субстрата для получения электричества, водорода, ксилана, полифенолов и др. Не обошли ученые вниманием и такой крупнотоннажный сельскохозяйственный отход, как навоз. Существуют изыскания, в которых в качестве субстрата для микроорганизмов используется глицерол, получаемый как побочный продукт в процессе производства биодизеля.

Тормозит применение перспективной технологии на практике то, что сегодня известно всего несколько штаммов микроорганизмов, пригодных для работы в МТЭ. Подобные микроорганизмы должны не только трансформировать загрязнители в анаэробных условиях устройства, но и, передавая электроны на электрод, генерировать требуемые значения электродвижущей силы (ЭДС). Недостатком культур, уже применяемых как биоагенты для выработки высокопотенци-ональной электроэнергии, является сравнительно узкий диапазон используемых субстратов. Имеющиеся макеты микробных топливных элементов мало приемлемы, например, для работы со сточными водами -прежде всего из-за низкой устойчивости их электродов, которые под действием агрессивных компонентов стоков, особенно промышленных, быстро выходят из строя. В связи со сказанным наша цель - исследование технологических свойств всевозможных конструкций электродов из разных материалов; конструирова-

ние и разработка микробных топливных элементов, приемлемых для работы в агрессивных сточных водах; поиск и изучение новых штаммов микроорганизмов, перспективных для получения электрической энергии, биотоплива и биоводорода в МТЭ, и проверка применимости их в реальных сточных водах - носит актуальный характер.

В изыскании мы использовали два типа микробных топливных элементов: модель, сконструированную в НИ ИрГТУ А.А. Лапковским (рис. 2), и модель, созданную в научно-исследовательском и внедренче-

ском центре «Энергофизика» А.Ф. Лашиным (рис. 3).

Технология микробных топливных элементов -перспективный способ производства электроэнергии из субстратов, содержащих органические вещества, в том числе и из отходов. Уже сегодня МЭТ могут применяться на локальных очистных сооружениях для снабжения электричеством слаботочных сетей, которые являются неотъемлемой частью инженерного оснащения современного жилища для освещения небольших прилегающих участков и других хозяйственных нужд.

Рис. 2. Биореактор

Рис. 3. Микробный топливный элемент

Таким образом, в ходе исследования нами были модифицированы микробные топливные элементы и электроды устройства, подобраны консорциумы микроорганизмов, способных генерировать электрический ток при потреблении органических соединений. Изучена зависимость между составом компонентов в биореакторе в присутствии тех или иных микроорга-

низмов и генерированием электрического тока.

Применение энергосберегающих технологий при очистке сточных вод на очистных сооружениях города Иркутска позволит повысить эффективность всей системы.

Статья поступила 17.06.2014 г.

Библиографический список

1. ГОСТ 5542-87. Газы горючие природные для промышленного и коммунально-бытового назначения.

2. Использование биогаза для получения тепловой энергии на примере очистных сооружений г. Иркутска. Повышение эффективности производства и использования энергии в условиях Сибири / М.Ю. Толстой, Е.Ю. Кицук, А.В. Орлов, Н.В. Белоокая. Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2004. 470 с.

3. Очистка сточных вод катализаторами «КАТАН» при разной степени аэрации различной массовой концентрации активного ила / М.Ю. Толстой, Э.Э. Василевич, А.А. Лапков-ский, А.А. Васильева // Вестник Иркутского государственного

технического университета. 2011. № 8 (55). С. 66-70.

4. Пат. № 2339457 РФ. Аэрирующее устройство / В.Д. Казаков, М.Ю. Толстой, М.И. Паутов, Н.В. Белоокая, Е.М. Толстая. Опубл. 27.11.2008 г. Бюл. № 33. 7 с.

5. Толстой М.Ю., Конюхов В.Ю., Соболев А.С. Перспективы коммерческого использования альтернативных источников энергии // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2013. № 5. а 206-211.

6. Янко В.Г., Янко Ю.Г. Обработка сточных вод и осадка в метантенках. Киев: Будивельник, 1978.

УДК 728.1

СОЦИАЛЬНО-ЭКОНОМИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ РАЗВИТИЯ МАЛОЭТАЖНОЙ ЖИЛОЙ ЗАСТРОЙКИ КРУПНЕЙШИХ ГОРОДОВ

© Е.С. Ягольник1

Иркутский государственный технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

Статья посвящена анализу социальных и экономических факторов и их влияния на малоэтажную жилую застройку Иркутска. Представлены данные по ценообразованию, инфраструктурной обеспеченности, мобильности, экономические и другим показателям. Целью данного исследования ставится выявление наиболее значимых социально-экономических условий развития малоэтажной жилой застройки. Актуальность обусловлена необходимостью дополнения существующих положений оценкой, отражающей изменение социально-экономических условий как основы обеспечения качества жилой среды в крупном городе. Актуальным исследование делает также направленность государства на строительство малоэтажного жилья как приоритетного проекта. Ил. 3. Табл. 1. Библиогр. 6 назв.

Ключевые слова: государственные федеральные целевые программы; малоэтажная жилая застройка; социально-экономические условия; субурбанизация.

SOCIO-ECONOMIC CONDITIONS OF LOW-RISE RESIDENTIAL BUILDINGS DEVELOPMENT IN MAJOR CITIES (BY EXAMPLE OF IRKUTSK) E.S. Yagolnik

Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.

The article analyzes socio-economic factors and their effects on low-rise residential development in Irkutsk. It provides some data on pricing, infrastructure provision, mobility, economic indicators and others. The purpose of this research is to identify the most significant socio-economic conditions for the development of low-rise residential development. The relevance of the study is determined by the need to supplement the existing provisions with the evaluation reflecting the changes in the socio-economic conditions as a basis for providing the quality of living environment in a big city as well as the state tendency of treating low-rise housing as a priority project. 3 figures. 1 table. 6 sources.

Key words: state federal targeted programs; low-rise residential development; socio-economic conditions; suburbanization.

Происходящие социально-экономические изменения в стране и регионе оказывают непосредственное влияние на все сферы жизни людей.

Улучшение жилищных условий, обеспечение граждан жильем - приоритетный показатель социально-экономического развития города и страны в целом.

1Ягольник Евгения Сергеевна, аспирант, тел.: 89501199104, e-mail: dgenifer-06@mail.ru Yagolnik Evgeniya, Postgraduate, tel.: 89501199104, e-mail: dgenifer-06@mail.ru