В последние годы Украина существенно увеличила производство зерновых культур в сравнении с периодом 1995–2005 гг. Сейчас среднегодовой валовый сбор зерновых составляет 46–58 млн т, что позволяет перерабатывать зерновые даже в тех отраслях пищевой промышленности где раньше оно не использовалось [2, стр. 30]. В Украине ежегодно перерабатывается на пищевой этиловый спирт и технический этанол около 500 тыс. т зерновых поскольку такой спирт является более качественным, чем полученный от переработки свекловичной мелассы.

Известно, что затраты на основное сырье в себестоимости спирта при переработке зерна весьма существенные. Они составляют до 60–65 % всех затрат. Тем не менее, в условиях увеличения покупательской способности населения, актуальным для спиртовой отрасли становиться вопрос выпуска готовой продукции высокого качества, отвечающей современным требованиям по всем органолептическим и биохимическим показателям. Качество конечного продукта – спирта, являющегося исходным сырьем в производстве ликероводочных изделий, напрямую связано с качеством сырья, поэтому к зерну предъявляют все более высокие требования. В настоящее время выпуск высококачественной алкогольной продукции возможен в первую очередь благодаря использованию успешных результатов фундаментальных и прикладных исследований, посвященных вопросам эффективной переработки зерна пшеницы озимой на различные продукты [5, стр. 12].

В качестве отходов этого производства получается приблизительно 1,5 млн т нативной зерновой барды, содержащей в среднем 6 – 7 % сухих веществ. Поэтому вопрос о рациональной переработке этих отходов остро стоит перед спиртовыми заводами. В недалеком прошлом, при интенсивном развитии животноводства, зерновую барду перерабатывали на разнообразные кормовые продукты (белковую пасту, сухой порошок, добавку к различным комбикормам).

Таблица 1. Состав зерновой барды %, в зависимости от перерабатываемого сырья

Общеизвестно, что развитие промышленности приводит к увеличению количества как специфических отходов производства, так и сточных вод в целом. Из-за высокой концентрации сухих веществ, в частности углеводов и белков нативную барду запрещено сбрасывать в систему канализации даже после механической очистки. Наиболее приемлемым методом очистки этих отходов на современном этапе производства является биологическая очистка с получением метана.

Широкое использование принципов оптимизации при выборе технологических схем очистки промышленных стоков требует разработки точных и несложных методик оптимальных расчетов. Отсутствие таких методик сдерживает внедрение и использование преимуществ вариантного проектирования, приводит к необоснованному завышению капитальных затрат и эксплуатационных расходов на очистку стоков.

Из широкого круга вопросов, составляющих проблему оптимального проектирования, авторы преимущественно выделяют два имеющих по их мнению наиболее важное значение: получение математических моделей производства [3, стр. 45–46] и расчет материальных балансов технологической схемы очистки сточных вод.

Проектирование схем очистки на уровне современных требований и поиск оптимальных проектных решений возможны при широком применении экономических, производственных и технологических методов в сочетании с современными компьютерными программами [4, стр. 5–7]. В связи с этим алгоритмизация расчетов по оптимизации технологических схем очистки зерновой барды и составление пакета прикладных программ представляют несомненный практический интерес как у ученых так и на производстве.

На некоторых спиртовых заводах уже действуют подобные схемы очистки зерновой барды с помощью метантенков. Это позволяет предприятиям экономите средства на утилизации сточных вод а также дает дополнительную прибыль в виде биогаза который используют в качестве обычного газа метана в технологическом процессе производства спирта либо для отопления помещений и поддержания оптимальной температуры в реакторах.

Очистка зерновой барды анаэробным методом производится в метантенках. Процесс может происходить при температуре 20 – 30 °С (мезофильное сбраживание) либо 40 – 55 °С (термофильное сбраживание). В результате распада органических соединений в в анаэробных условиях образуются газы – метан, углекислый газ, азот, водород и сероводород, кроме того остается определенное количество жирных и гуминовых кислот, сульфидов и других соединений. Этот способ очистки применяют при высокой концентрации органических веществ в сточных водах, что мы имеем в зерновой нативной барде.

Активный ил или биопленка при нормальной работе очистных сооружений на полную очистку состоят из скоплений бактерий (зооглей), среди которых в небольшом количестве развиваются и нитчатые бактерии, отдельные виды грибов, актиномицеты, жгутиковые, различные виды корненожек, инфузорий, коловраток и червей.

Подробная схема очистки представлена ниже.

При получении 30 м³ зерновой барды в сутки со спиртзавода, ее нейтрализуют каустической содой (расход 10 кг/сутки) и отправляют на центробежное разделение (центрифуга либо декантер) на 2 фракции – твердая (5 м³) и жидкая (25 м³).

Для твердой фракции необходим реактор (метантенк) объемом не менее 100 м³. В котором, происходит термофильное сбраживание при температуре 57 °С с обязательным перемешиванием субстрата и зооглея. Полученный при подобном сбраживании органических веществ биогаз подается для сжигания на котельную предприятия либо коммунальных служб, а жидкие отходы направляют в вертикальный отстойник, из нижней части которого ежедневно отбирают около 3 м³/сутки органического удобрения. Его можно использовать непосредственно под технические культуры либо после непродолжительного периода компостирования вместе с торфом вносить под овощные и плодовые культуры.

Жидкую фракцию 25 м³ направляют для сбраживания в реактор типа UASB нагревая ее до 37 °С (мезофильные условия). Необходимый объем такого реактора не менее 100 – 120 м³. Для повышения выхода биогаза и оптимизации производственных процессов необходимо оснастить реактор газоилоотделителями. Биогаз полученный, в результате биохимических процессов также направляют на сжигание в котельных. А жидкую фракцию сливают в биопруды для доочистки с помощью аэробной микрофлоры и фауны. Экспериментально подсчитано, что объем прудов необходимо иметь не менее 1500 м³. По мере очистки этих стоков сброс очищенной воды из биопрудов в систему канализации либо в природные проточные водоемы должен составлять 26–27 м³/сутки.

Общий выход биогаза из двух реакторов биологической очистки зерновой барды составляет в среднем 600 м³/сутки, в котором содержание метана может достигать 58–60 % об. При рыночной стоимости газа на уровне 400 $ за тыс. кубометров ежегодная экономия предприятия на энергоносителях может составлять в среднем 46–50 тыс. $.

Также необходимо учитывать экологическую составляющую этого вопроса, ведь понижая содержание органических веществ в сточных водах путем микробного сбраживания мы сохраняем полезную микрофлору природных водоемов и уменьшаем в разы производственную нагрузку на канализационную систему наших населенных пунктов.

Рисунок 1 – Мобильный смеситель компонентов компоста (наименование позиций – в тексте)

Целью исследования является теоретическое обоснование производительности мобильного смесителя компонентов компоста одной лопатки, с учетом конструктивных параметров лопастного барабана.
Основным конструктивным параметром лопастного барабана является форма и размеры лопаток и их технологические характеристики. Характер процессов, происходящих на лопатках работающего смесителя, остается неизменным и сводится к следующему. Материал, поданный на лопатку или захваченный ею, некоторое время перемещается лопаткой и скользит относительно нее под действием центробежной силы. Достигнув конца лопатки, материал под действием центробежных сил выбрасывается через дефлектор и формирует бурт компоста заданных размеров.
Вращающаяся лопатка деформирует материал и при захвате смеси образует зону деформации, размеры которой больше размера лопатки. Считается, что перед лопаткой образуется материал в виде призмы треугольного сечения, которая меняет свой контур за счет непрерывного пополнения с одной стороны, и растекания, с другой. При этом призма массы, захваченная лопаткой, не превышает размера самой лопатки. Поскольку в нашем случае перемешается смесь измельченной соломы и полужидкого навоза, то размеры зоны деформации будут больше, чем ширина лопатки.
Массу смеси, захваченной лопаткой, определим исходя из объема этой зоны деформации:

 , (1)

где V_д – объем деформируемого материала, м³.
Лопатка смесителя представляет собой половину полого цилиндра (рисунок 2).

L_об – общая длина лопатки,  – рабочая длина лопатки,  – длина накладки, d_л – диаметр лопатки

Рисунок 2 – Параметры лопатки смесителя

Поэтому общий объем будет состоять из двух частей:

где V₁ – объем материала в лопатке, м³;

V₂ – объем материала над лопаткой (призма), м³.

На рисунке 3 приведена схема для определения массы смеси, захватываемой лопаткой.

Рисунок 3 – Схема к определению массы смеси, захватываемой лопаткой

Общий объем рассчитывается по формуле:

 . (3)

Производительность одной лопатки определяется из выражения:

 , (4)

На рисунке 4 показано изменение производительности лопатки от частоты вращения вала смесителя. Из рисунка видно, что с увеличением частоты вращения вала смесителя, производительность лопатки изменяется по линейному закону и при частоте вращения 7,5 об/с, наибольшее ее значение составляет 0,0024 т/с.

1 – f =180°; 2 – f = 210°; 3 – f = 240°

Рисунок 4 – Изменение производительности лопатки от частоты вращения вала смесителя
Одновременно мгновенный выброс из смесителя производится двумя лопатками, поэтому при вычислении производительности смесительной камеры нужно учитывать количество лопаток, их конструкцию и расположение на валу. Для этого введем в формулу (5) коэффициент, учитывающий сход смеси с лопатки и зависящий от конструкции лопаток и расположения их на валу, а также количество лопаток, одновременно выбрасывающих смесь из барабана смесителя.

 , (5)

где V_д – объем лопатки, м³;
_см – плотность смеси, т/м³;
z – количество лопаток, одновременно выбрасывающих смесь, шт.;
k – коэффициент, учитывающий сход смеси с лопатки и зависящий от конструкции лопаток и расположения их на валу.
Подставляя значение времени нахождения смеси на лопатке в формулу (5) получим выражение производительности смесителя:

 . (6)

На рисунке 5 показаны теоретические зависимости изменения производительности смесителя от угла поворота лопатки в рабочей зоне.

1 – n_сб = 4,5 с^-1; 2 – n_сб = 6 с^-1; 3 – n_сб = 7 с^-1
Рисунок 5 – Изменение производительности смесителя от угла поворота лопатки

Из графика видно, что при увеличении угла оборота производительность уменьшается, так как увеличивается время нахождения смеси в барабане.
На рисунке 6 показана зависимость производительности смесителя от оборотов вращения вала барабана, откуда видно, что при частоте вращения вала барабана 7,5 об/с, наибольшее значение производительности смесителя составляет 0,0062 т/с.

1 – 180°; 2 – 210°; 3 – 240°
Рисунок 6 – Зависимость производительности смесителя от оборотов вращения вала барабана (при угле поворота лопатки)

По полученным зависимостям на рисунке 6 также видно, что при увеличении оборотов вала барабана и угла поворота лопатки производительность уменьшается, так как увеличивается время нахождения смеси в барабане.
Угол поворота лопатки в рабочей зоне зависит от высоты открытия окна подачи соломы в смесительную камеру и, таким образом, является важным фактором для регулировки производительности смесителя.
Следовательно, важным фактором, влияющим на производительность смесителя при производстве компостов является количество, геометрические размеры и технологические параметры лопаток, расположенных на валу барабана в смесительной камере. Получены выражения для определения производительности одной лопатки и смесителя в целом. Основными параметрами, влияющими на производительность смесителя являются свойства смешиваемых компонентов ( плотность), геометрические параметры лопаток и их количество, режимные параметры (частота вращения, время пребывания лопаток в рабочей зоне).