Диссертация (1141490), страница 6
Текст из файла (страница 6)
В результате формируется цилиндрическая объемнаяфигура (элемент загрузки) с размерами L (длина, равная длине стержня) и D(диаметр, равный сумме двух длин щетин и толщине стержня).Рисунок 2.1 – Схематичное изображение элемента ершовой загрузки36Направлениеминтенсификацииданнойзагрузкиявляетсясозданиевнутреннего пространства в элементе загрузки, при этом сохранение нормальнонаправленных щетин для расширенного роста биоценоза. Для уменьшениявероятности открепления биомассы необходимо уменьшить длину щетины,сохранив при этом рабочую поверхность для прикрепления. Для решения даннойпроблемы форма контактной поверхности выполняется в виде петель. Петлиимеют высоту H, ширину B и формируются в ряд, создавая кольцевоепространство.
Ряды повторяются через заданное расстояние A (рисунок 2.2)Рисунок 2.2 – Схематичное расположение петель биозагрузкиФормируемые «мостики», выстаиваемые биоценозом и образующие связимежду волокнами, увеличивают площадь контакта микроорганизмов с очищаемойжидкостью. Это способствует вариативности условий для формируемогобиоценоза.Вторая задача по совершенствования загрузки – это замена стержня. Длярасположения полученной цилиндрической поверхности из петель требуетсякаркас, который будет выполнять функцию удержания загрузки и одновременносможет являться пространством для закрепления биоценоза и фильтрацииочищаемой воды. Выполнение его из полой трубы (рисунок 2.3) позволяет жесткозакрепитьрабочуюповерхностьизпетельициркуляцию жидкости во внутреннем пространстве.обеспечитьэффективную37Рисунок 2.3 – Схематичное расположение ряда петель на каркасной трубеДанное расположение петель на каркасной трубе позволяет увеличитьповерхностьобразующеесядлянаращиваниярасстояниебиомассы.междуШиринасоседнимипетлипетлями,Bопределяеткотороедолжноспособствовать незаиливанию загрузки, выстраиванию мостиков и повышениюадгезии, что делает формируемый биоценоз более устойчивым к пиковымпоступлениям.Расстояние между рядами A определяется также из условия, что и параметрB, но в продольном направлении параллельно длине загрузки L.Материал для петель выбирается из условия его биологической ихимической стойкости, неистираемости, долговечности.
Сами петли должны бытьдостаточно жесткими для лучшего удержания биоценоза, но в то же время иметьподвижность для лучшей регенерации отмирающей биомассы.Каркасная труба является носителем петель загрузки, но в то же время онаможет и сама являться носителем биомассы, что позволит значительно повыситьудельную поверхность для развития биоценоза. В связи с этим принято решениесделать поверхность материала трубы пористой, а ее внутреннее пространстводолжно имеет шероховатость для закрепления биоценоза и в этой зоне.В результате получаем трехслойную поверхность для прикреплениябиоценоза: два уровня на каркасной трубе и рабочая поверхность петель.38Параметром,имеющимнаибольшеезначениедляповышенияэффективности загрузки является высота петель H.
Он определяет общуюудельную поверхность для наращивания биомассы и косвенно влияет напараметры A и B. Параметр L выбирается исходя из конструктивных условийреакторов (его глубины).Для определения оптимального значения параметра H запланированэксперимент. Выбор диапазона исследования высоты петли определен с учетом,что слишком короткие петли дадут малую площадь для роста биомассы и небудут способствовать поперечному развитию слоя биоценоза в дополнении ккаркасному, а длинные петли могут привести к неэффективному удерживаниюмикроорганизмов.С учетом вышесказанного в качестве минимальной принята высота петли 6мм, максимальной – 18 мм.Для проведения исследования были спроектированы и изготовленыопытные образцы элементов биозагрузки длиной 1 м, отличающиеся высотойпетли 6 мм (образец 1) и 18 мм (образец 2).Изготовлениеавтоматизированнойопытногоротационнойобразцазагрузкитермоформовкойиосуществлялосьмеханизированнойчелночно-крючковой спицевой вязкой.
Элемент загрузки состоит из полимернойтрубы длиной 1 м и закрепляемого на ней чулка с петлями. Характеристикизагрузки получены в результате моделирования процессов термоформовки ивязки.Разработанная форма петельной биозагрузки в виде полого цилиндра,размещаемого над аэратором, имеет большую удельную поверхность и позволяетувеличиватьэффективностьциркуляцииочищаемойжидкостивнутреннего полого пространства.Эскиз и фотографии биозагрузки представлены на рисунке 2.4–2.6.засчет39Рисунок 2.4 – 3D-эскиз-модель сечения элемента петельной биозагрузки:1 – внутренний пористый слой; 2 – переходный «мембранный» технологическийслой; 3 – «рабочая поверхность» для прикрепления большей части биомассыа)б)Рисунок 2.5 – Фотографии петельной биозагрузки: а – третьего слоя загрузки;б – внешний вид загрузки: 1 – вид сбоку, 2 – общий вид, 3 – вид сверху40а)б)Рисунок 2.6– Фотографии петельной биозагрузки:а – первый слой, б – второй слойБиозагрузка обладает трехслойной структурой.Первый слой изготовлен из полиэтилена высокого давления имеет толщину5-6 мм, пористость до 71 %, изменяющейся ко второму слою, размеры пор до 1,5мм, обладает удельной поверхностью более 750 м2/м3.
Данные характеристики иформа способствуют активной циркуляции жидкости и аэрационному потоку41внутри и снаружи слоя, при этом в толще слоя формируется анаэробный режимдля жизнедеятельности соответствующих видов микроорганизмов.Второй «мембранный» слой является переходным, формирует каркасизделия, обеспечивая плотную границу раздела фаз, его толщина 1-2 мм.Характеристики слоя выбраны для обеспечения прочности изделия, ограничениядвижения потока жидкости и диспергации крупных воздушных пузырьков.Данный слой является каркасом для формирования следующего петельного слоя.Третий слой («рабочая поверхность» петель), здесь формируется основнаядоля биомассы.
Слой выполнен из прочного полиэтиленового волокна, имеетудельную поверхность более 1220 м2/м3.2.1.2. Определение высоты петлиОдним из основных параметров разработанной биозагрузки является высотапетли, которая непосредственно влияет на удельную поверхность и предельнуюмассу нарастающей биопленки.Цельюэкспериментаявлялосьустановлениевзаимосвязимеждуэффективностью прикрепления биомассы на поверхности петельной загрузки отвысоты петли и температуры сточных вод в реакторе.Экспериментальные исследования проводились в промышленных условияхс реальными сточными водами.Моделирование процесса нароста биомассы было выполнено по плануполного факторного эксперимента типа 2к [4, 29].В качестве параметра оптимизации был принят вес биомассы на одномэлементе петельной загрузки.
Основными входными факторами, влияющими напараметроптимизации,принятывысотапетлизагрузкиитемператураочищаемых сточных вод в реакторе.Анализ имеющихся данных о протекающем процессе позволил установитьтехнологические пределы варьирования факторов:Высота петли (х1):42Сучетомнеобходимостиувеличитьудельнуюповерхностьдляприкрепления биомассы, обеспечить поперечное развитие слоя биоценоза,предотвратить заиливание и открепление микроорганизмов приняты следующиепределы: 12 мм±6 мм.Температура сточных вод в реакторе (х2):Выбран диапазон температуры (18±7 °С) с учетом величин температуры вусловиях эксперимента, среднегодовая температура сточных вод составляла 18°С, минимальная температура – 11°С, максимальная – 25°С, средняя за зимнийпериод – 14°С, средняя за летний период – 22 °С.В качестве нулевого уровня принята высоты петли 12 мм и температурасточных вод 18 °С.Для построения ортогональной план-матрицы выполнено кодированиефакторов, приведенное в таблице 2.1.Таблица 2.1Кодирование факторовИнтервал варьирования и уровеньфакторовНулевой уровень xi = 0Интервал варьирования δiНижний уровень xi = – 1Верхний уровень xi = +1Кодовое обозначениеВысота петли,мм126618х1Температура,°С1871125х2Составление план-матрицы эксперимента (таблица 2.2) осуществлялосьследующим образом: для х1 уровни чередовались в каждом опыте, для х2 – черездва опыта.Таблица 2.2План-матрица экспериментаОпыт1234х1х2–1–1–1+1–1+1+1+143Связь между кодовым и натуральным выражением фактора заданоформулой:xi =X i - xi0,di(2.1)где Xi – натуральное значение фактора; xi0 – значение i-го фактора на нулевомуровне; δi – интервал варьирования i-го фактора.Расположение опытов эксперимента 2к в системе координат представленона рисунке 2.7.а)б)Рисунок 2.7 – Расположение опытов эксперимента в системе координат:а – натурных, б – кодовых переменныхРандомизация опытов.
Очевидно, что на процесс роста биомассыоказывают влияние не только х1 и х2, но еще ряд неизвестных факторов. Длявнесения элемента случайности влияния на результат эксперимента этихфакторов устанавливался случайный порядок постановки опытов во времени.Проведена рандомизация плана эксперимента и получена следующаяпоследовательность проведения опытов: 4,1,3,2,3,4,2,1.Реализация плана эксперимента. Элементы загрузки с высотой петли 6 и18 мм вносились в два параллельно работающих реактора один с температуройисходной воды (11°С), второй – с подогревом воды до температуры 25 °С. Вкаждом реакторе было по 2 элемента с разной высотой петли. Через 60 сутокзамерялся вес биомассы, как разница между взвешенным элементом в началеэксперимента и на момент замера.Полученные в ходе эксперимента результаты приведены в таблице 2.3.44Таблица 2.3Результаты экспериментаОпыт1234Проверках1-1+1-1+1х2-1-1+1+1х1· х2уu1уu2уср+1-1-1+12,23,43,24,62,43,13,54,82,33,253,354,7воспроизводимостиопытов.Приодинаковомчислепараллельных опытов на каждом сочетании уровней факторов воспроизводимостьпроцесса проверялась по критерию Кохрена:G=su2maxnåsu =12u£ G(0,05; f u ; f n ) .(2.2)Процесс считается воспроизводимым, если неравенство выполняется.Дисперсия воспроизводимости (ошибка опыта) определялась по формуле:ns y2 =åsu =12un.(2.3)В рамках эксперимента выполнялось по два определения величин yu,поэтому значения оценок дисперсии определялось по формуле:su2 =D2,2где ∆ – разность между параллельными опытами.В результате вычислений получено:s12 =(2,2 - 2,4)2(3,4 - 3,1)2= 0,02 ; s22 == 0,045 ;22s32 =(3,2 - 3,5)2(4,6 - 4,8)2= 0,045 ; s42 == 0,02 .22Процесс воспроизводим, т.к.
неравенство (2.2) выполняется:G=0,045= 0,3462 < G(0,05;4;1) = 0,9065 .0,02 + 0,045 + 0,045 + 0,02При этом дисперсия воспроизводимости равна:(2.4)45s y2 =0,02 + 0,045 + 0,045 + 0,02= 0,03.4При условии воспроизводимости процесса рассчитаны коэффициентырегрессии по следующим формулам:nåyb0 =åxyu =1nåxu =1(2.6)iu cpnbij =.nnbi =(2.5)cpu =1iu.x ju ycpn(2.7).Получены следующие коэффициенты регрессии:b0 =(2,3 + 3,25 + 3,35 + 4,7)= 3,4 ;4b1 =(-2,3 + 3,25 - 3,35 + 4,7)= 0,575 ;4b2 =(-2,3 - 3,25 + 3,35 + 4,7)= 0,625 ;4b2 =(-2,3 - 3,25 + 3,35 + 4,7)= 0,6254b12 =(2,3 - 3,25 - 3,35 + 4,7)= 0,1.4Оценка значимости коэффициента регрессии произведена с помощьюкритерия Стьюдента [4]. Коэффициент считается значимым, если выполняетсянеравенство:bi ³ Dbi = t(0 ,05; f y )syn.(2.8)где t(0,05;fy) – 5%-ная точка распределения Стьюдента с fy степенями свободы,равная 2,78.Получено:Dbi = 2,780,034= 0,25 .46Все полученные по расчету коэффициенты регрессии, кроме b12 = 0,1,значимы.
Следовательно, уравнение регрессии имеет вид:y = 3,4 + 0,575x1 + 0,625x2.(2.9)Проверка адекватности линейной модели выполнена с помощьюкритерия Фишера. Адекватность обоснована, если выполняется неравенство:F=nгде s =2адå( yu =1cp2sад£ F (0,05; f ад ; f y ) .s y2(2.10)- yu ' )n - k -1; yu' – расчетное значение отклика в u-м опыте.По полученному уравнению (2.9) найдены расчетные значения yu' и внесеныв таблице 2.4.Таблица 2.4Проверка адекватности линейной моделиОпыт1ycp2,3yu'2,2(ycp-yu')20,0123,253,354,73,353,454,60,010,010,0134Получено:2sад=F=0,01 + 0,01 + 0,01 + 0,01= 0,04 .4 - 2 -10,04= 1,33 £ F (0,05;1;4) = 7,7086 .0,03Неравенство (2.10) выполняется, следовательно, модель адекватна.Уравнение регрессии в кодированном виде имеет вид:y = 3,4 + 0,575x1 + 0,625x2.Согласно уравнению (2.1) в декодированной форме выражение для весабиомассы Mb , кг, имеет следующий вид:M b = 3,4 + 0,575H п - 12T - 18+ 0,625 w= 0,64 + 0,1H p + 0,09Tw .67(2.11)47Полученные результаты были представлены графически (рисунок 2.8).Рисунок 2.8 – Результаты эксперимента 2кДля определения технологически обоснованного размера петель уравнение(2.11) представлено относительно искомого параметра:H п = 10 M b - 0,9Tw - 6,4 .(2.12)Среднегодовая температура сточных вод в зимний период составляла 14°С,что является наиболее неблагоприятными условиями для роста биомассы, онапринята за расчетную.С точки зрения эффективности очистки сточных вод увеличение количествабиомассы является положительным результатом.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
