Підвищення ефективності очищення стічних вод в процесі пивоваріння при реалізації інформативних методів контролю

Abstract

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 101 – «Екологія». – Національний технічний університет «Харківський політехнічний інститут» Міністерства освіти і науки України, м. Харків, 2023. Дисертаційну роботу виконано на кафедрі Хімічної техніки та промислової екології Національного технічного університету «Харківський політехнічний інститут» Міністерства освіти і науки України. Об’єктом дослідження є процес очищення стічних вод підприємств пивоварної галузі при реалізації комбінованого метода на основі технологічної схеми очищення, яка передбачає омагнічування стічних вод з урахуванням порівняльного попереднього інформативного контролю нормативних параметрів зразків пивних стоків. Предмет дослідження – рішення питань підвищення ефективності очищення стічних вод пивоварних підприємств малої потужності та зменшення впливу антропогенного навантаження на навколишнє природнє середовище районів населених пунктів, у яких розміщуються підприємства пивоварної галузі. Дисертаційне дослідження присвячене пошуку шляхів підвищення ефективності очищення стічних вод підприємств пивоварної галузі розташованих у районах населених пунктів за рахунок реалізації раціонального комбінованого методу очищення стічних вод міні-пивоварень та удосконалення відповідної технологічної схеми, яка передбачає омагнічування стічних вод, на основі попереднього інформативного електромагнітного контролю нормативних параметрів зразків пивних стоків. У вступі обґрунтовано наукову актуальність дисертаційної роботи, сформульовано мету і задачі дослідження, визначено об’єкт, предмет і методи дослідження, показано зв’язок роботи з госпдоговірною тематикою НТУ «ХПІ», сформульовано наукову новизну та наведено практичне значення отриманих результатів дисертаційного дослідження, а також дані про особистий внесок здобувача, інформацію щодо апробації результатів дисертації, дані про публікації, обсяг та структуру дисертації. Перший розділ присвячено аналізу науково-технічної інформації щодо методів та технологічних схем очищення пивних стоків, які є висококонцентрованими та різноманітними за своїм складом та представляють собою слабкі електролітичні рідини. Наведений аналіз свідчить щодо необхідності урахування на міні-пивоварнях специфічних особливостей стоків, які обумовлені: технологіями виробництва продукції, споживанням води, а також технічними можливостями інформативних методів контролю фізико-хімічних характеристик зразків стічних вод. З’ясовано, що стічні води, які надходять на очисні споруди, утворюються на різних стадіях виробничого процесу (затирання солоду, бродіння, кип'ятіння, фільтрація та ін.). При цьому, відсутність чітких законодавчих норм створює умови щодо порушення діючого законодавства стосовно скиду стічних вод міні-пивоварні у міську каналізацію без попереднього очищення навіть від механічного сміття, залишків сировини та мийних стічних вод, які утворюються внаслідок миття обладнання, посуду і спеціальної тари. Слід визначити, що інформацію стосовно відповідності (чи невідповідності) стічних вод нормам водовідведення, отримують на основі результатів вимірювань фізико-хімічних параметрів зразків стічних вод при реалізації сучасних інформативних методів вимірювань. Наведено основні інформативні параметри пивних стоків у відповідності зі державними та міжнародними стандартами, до яких відносять питому електричну провідність χ (питомий електричний опір λ), відносну діелектричну проникність εr, температуру t, густину ρ та пов’язані з ними характеристики мінералізації ТДС, в’язкості μt, водневого показника рН, показників біохімічного споживання кисню (БСК) і хімічного споживання кисню (ХСК). Саме тому є підстави вважати, що питання обирання методу очищення, а також моделювання подальшої екологічної ситуації, яка пов’язана зі скидом стічних вод пивоварних виробництв – потребує створення нових широкомежових інформативних методів контролю пивних стоків. В цьому плані представляє важливий теоретичний і практичний інтерес сумісний вимірювальний багатопараметровий контроль параметрів зразків стічних вод методами, які реалізуються на базі електромагнітних перетворювачів (ЕП), що використовують поздовжнє магнітне поле. Таким чином, подальших досліджень потребують проблемні питання стосовно підвищення екологічної безпеки за рахунок моделювання ситуацій, пов’язаних з процесами урбанізації та руйнуванням навколишнього природного середовища районів населених пунктів в яких розміщуються виробництва пивоварної галузі. У відповідності з розглянутою технологічною схемою виробництва пива, з’ясовано утворення кислого стоку після здійснення технологічних операцій з напівфабрикатом у заторному чані та у циліндро-конічному танку гарячої води, у свою чергу, спостереження лужного стоку виникало під час отримання готового продукту з утворенням великої кількості водного органічного залишку. При цьому, для зменшення антропогенного впливу на навколишнє природнє середовище районів населених пунктів, необхідно дослідити питання удосконалення технологічного процесу виробництва пива і вибору раціонального методу очищення, а також удосконалення відповідної технологічної схеми за рахунок омагнічування зразків стічних вод. Другий розділ присвячено дослідженню можливості застосування теорії роботи теплового трансформаторного електромагнітного перетворювача (ТТЕП) та індуктивного параметричного електромагнітного перетворювача (ІПЕП) зі зразками стічних вод кислого і лужного складу та усереднених пивних стоків. На основі рівнянь Дебая, рівнянь Максвела і рівняння дифузії змінного електромагнітного поля у проводійну середу, що досліджується, доповнено наукові данні щодо теоретичних основ роботи ТТЕП та ІПЕП. Досліджено двопараметровий електромагнітний метод сумісних вимірювань питомої електричної провідності χ та температури t кислих, лужних та усереднених пивних стоків. Реалізація метода здійснюється за рахунок встановлення універсальних функцій перетворення Gt=f(Δφt) та Δφ =f(At), тобто залежностей амплітуди Gt від різницевого фазового кута зсуву Δφt та різницевого фазового кута зсуву Δt від узагальненого параметра Аt. Отримано залежності нормованих характеристик Lпн та φ₂t ІПЕП від узагальненого параметра Аt. Досліджено трипараметровий метод сумісних вимірювань питомого електричного опору λ, відносної діелектричної проникності εr та температури t зразків пивних стоків, наведено алгоритми вимірювальних та розрахункових процедур при реалізації запропонованого трипараметрового методу. Розроблено чотирипараметровий метод сумісного вимірювального контролю питомого електричного опору λ, відносної діелектричної проникності εr, температури t та густини ρ кислих, лужних та усереднених зразків стічних вод. Запропонований чотирипараметровий метод передбачає застосування двох близьких частот електромагнітного поля f0= 20,3 МГц і f1= 22 МГц. Отримано степеневі ряди, які відображують залежності відносної діелектричної проникності εr від густини ρ у діапазоні температур t = [15….35°С], при цьому отримані залежності представляють собою інтерполяційний поліном четвертого ступеня. Для знайденого інтерполяційного полінома на частотах f0 і f1 розраховано сталі коефіцієнти К0 і К1. З метою розширення функціональних та технічних можливостей багатопараметрових електромагнітних пристроїв, а також для підвищення точності вимірювань питомої електричної провідності χ, відносної діелектричної проникності εr, температури t та густини ρ стічних вод безпосередньо у великих ємностях та резервуарах малих, середніх та крупних пивоварних підприємств, досліджено чотирипараметровий інформативний метод на основі занурюваного параметричного електромагнітного перетворювача ЗПЕП, який замість осердя застосовує провідний шар стічних вод. ЗПЕП містить одну обмотку та може занурюватися в достатньо великі ємності, що надає змогу зчитувати вимірювальну інформацію навіть у тому випадку, якщо рідина не є гомогенною. У третьому розділі за рахунок отриманих співвідношень, які описують точнісні характеристики багатопараметрових електромагнітних перетворювачів, визначено похибки вимірювань компонентів сигналів на основі оцінювання характеристик функції багатьох змінних. Наведено методику оцінювання температурної похибки зразків стічних вод, яка безпосередньо впливає на амплітудні, фазові та частотні компоненти сигналів електромагнітних перетворювачів. Досліджено методику оцінювання відносних похибок спільних вимірювань питомого електричного опору λ, відносної діелектричної проникності εrt та температури t пивних стоків у раціональних режимах роботи ТЕТП при дослідженні температурного діапазону 15 ≤t ≤ 35 ºС. При реалізації чотирипараметрового методу спільних вимірювань питомої електричної провідності ꭓt, відносної діелектричної проникності εr, температури t та густини ρ пивних стоків визначено похибки вимірювань фізико-хімічних параметрів ɤλ, ɤεr, ɤρ и ɤt. Досліджено багатопараметровий електромагнітний метод визначення характеристик мінералізації TDS (St), в’язкості µt та температури t зразків пивних стоків. Виходячи з оброблюваного масиву даних, отриманих в результаті вимірювання параметрів усереднених зразків стічних вод, розраховано степеневий ряд, який відображує залежність в’язкості µt від питомої електричної провідності χ, отримана відповідна залежність (при постійному значенні тиску P=0,101325 МПа) в досліджуваному температурному діапазоні [15-35°C]. При дослідженні трьох та чотирипараметрових методів вимірювального контролю параметрів кислих, лужних та усереднених зразків пивних стоків, визначено загальну складову вірогідності контролю, яка складає відповідно DΣ = 0,978, що свідчить про ефективність запропонованих в дисертації інформативних методів контролю фізико-хімічних параметрів зразків пивних стоків. У четвертому розділі запропоновано шляхи удосконалення процесу виробництва пива за рахунок встановлення додаткових температурних пауз під час затирання солоду. З'ясовано, що температурні паузи повинні бути точно витримані у відповідності з часом відстоювання пивного напівфабрикату, є важливою також точність виміру температури t напівфабрикату, як під час температурної паузи, так і у терміни визначення t охолодження готового продукту, при цьому чим ближче значення температури до нижньої межі температурного діапазону паузи, тим довше ії необхідно підтримувати, нагрів до температури t = 78°С, призводить до псування готового продукту, залпових скидів пива і, як наслідок, забруднення стічних вод. Запропоновано комбінований метод очищення пивних стоків, який передбачає омагнічування стічних вод. Досліджено технологічну схему очищення пивних стоків, при цьому для удосконалення процесу очищення рекомендується в схемі для реалізації комбінованого методу очищення додавати фільтр М1, який передбачає спеціальну зону для введення магнітної рідини на водній основі. В основі запропонованого комбінованого методу очищення стічних вод пивоварних виробництв, лежить принцип омагнічування шляхом додавання магнітної рідини (параметри якої розраховано заздалегідь) у фільтр зі стічною водою та подальшому видаленні забруднень при реалізації процесу сепарації. Запропоновано метод сумісного визначення статичних характеристик досліджуваної модельної магнітної рідини (на водній основі): питомої електричної провідності χt, магнітної сприйнятливості kt і температури t магнітної рідини, яку у подальшому рекомендується застосовувати задля очищення стічних вод. Знайдено раціональне співвідношення стічна вода: магнітна рідина (СВ:МР), СВ:МР = 8,7‧10-3: 1. Наведені результати свідчать про ефективність запропонованого комбінованого метода очищення пивних стоків стосовно норм водовідведення у міську каналізацію, а саме водневий показник рН зменшується в результаті очищення на 34, 6%, ХСК в 7,14 рази, БСК5 в 1,52 рази, зважені речовини в 1,52 рази, катіони кальцію Са²⁺ в 1,53 рази, катіони магнію Mg²⁺ в 1,51 рази, загальна жорсткість dH в 1,64 рази, карбонатна жорсткість KH в 1,86 рази. Слід визначити, що введення магнітної рідини також дозволяє осаджувати дрібно дисперсні забруднення в каламутних стоках міні-пивоварні.Doctor of Philosophy Dissertation in the specialty 101 - "Ecology". - National Technical University "Kharkiv Polytechnic Institute" of the Ministry of Education and Science of Ukraine, Kharkiv, 2023. The dissertation work was carried out at the Department of Chemical Engineering and Industrial Ecology, National Technical University "Kharkiv Polytechnic Institute" of the Ministry of Education and Science of Ukraine. The object of the study is the wastewater treatment process of breweries, implementing a combined method based on a treatment scheme that involves magnetization of wastewater with consideration of comparative preliminary informative control of regulatory parameters of beer samples. The subject of the study is addressing the issues of improving the efficiency of wastewater treatment in small-scale breweries and reducing the impact of anthropogenic load on the surrounding natural environment in the areas where breweries are located. The dissertation research is dedicated to finding ways to enhance the efficiency of wastewater treatment in breweries located in residential areas by implementing a rational combined method of wastewater treatment in mini- breweries and improving the corresponding technological scheme. This method involves magnetizing wastewater based on preliminary informative electromagnetic monitoring of the normative parameters of beer samples. The scientific relevance of the dissertation work was substantiated in the introduction, the goal and tasks were formulated, the object, subject and methods of the research were defined, the connection of the work with the subject of economic contracts of the NTU «KhPI» was shown, the scientific novelty was formulated and the practical significance of the obtained results of the dissertation research was given, and as well as data on the applicant's personal contribution, information on the approval of the results of the dissertation, data on publications, the scope and structure of the dissertation were provided. The first section focuses on the analysis of literature sources and relevant scientific and technical information regarding methods and technological schemes for treating beer wastewater, which is highly concentrated and diverse in composition, representing weak electrolytic solutions. The analysis demonstrates the need to consider the specific characteristics of wastewater in mini-breweries, which are influenced by production technologies, water consumption, and technical capabilities of informative methods for monitoring the physicochemical characteristics of wastewater samples. It is revealed that wastewater entering treatment facilities is formed at various stages of the production process (mashing, fermentation, boiling, filtration, etc.). However, the absence of clear legislative norms creates conditions for violating existing legislation regarding the discharge of wastewater from mini-breweries into the municipal sewerage system without prior treatment, even from mechanical debris, raw material residues, and washwater generated during equipment, dish, and specialized container cleaning. It should be noted that information on the compliance (or non-compliance) of wastewater with wastewater discharge standards is obtained based on the results of measuring the physicochemical parameters of wastewater samples when implementing modern informative measurement methods. The main informative parameters of beer wastewater were considered in accordance with state and international standards, including specific electrical conductivity χ (specific electrical resistance λ), relative dielectric permittivity εr, temperature t, density ρ, and associated characteristics of mineralization total dissolved solids (TDS), viscosity μt, pH value, biochemical oxygen demand (BOD), and chemical oxygen demand (COD). Therefore, there are grounds to believe that the question of selecting a treatment method and modeling the subsequent environmental situation related to the discharge of brewery wastewater requires the development of new comprehensive informative methods for monitoring beer wastewater. In this regard, a significant theoretical and practical interest lies in the joint multi-parameter measurement control of wastewater sample parameters using methods based on electromagnetic transducers (ET) that utilize a longitudinal magnetic field. Thus, further research is needed to address current problems associated with reducing anthropogenic impact on the environment by modeling the degradation processes in the natural environment of areas around large cities where breweries are located, implementing rational treatment methods based on preliminary measurements of the physicochemical characteristics of beer wastewater samples. According to the considered technological scheme of beer production, the formation of acidic wastewater after performing technological operations with semi-finished products in the mash tun and alkaline wastewater during the production of the final product with the formation of a large amount of organic residue was determined. In order to reduce the anthropogenic impact on the natural environment of residential areas, it is necessary to investigate the improvement of the beer production process and the selection of a rational treatment method, as well as the improvement of the corresponding technological scheme through magnetization of wastewater samples. The second section is dedicated to the investigation of the possibility of applying the theory of operation of a thermal transformer electromagnetic transducer (TTEP) and an inductive parametric electromagnetic transducer (IPEP) to samples of acidic and alkaline wastewater and averaged brewery effluents. Based on the Debye equations, Maxwell's equations, and the diffusion equation of the alternating electromagnetic field in the conducting medium under study, scientific data on the theoretical foundations of TTEP and IPEP operation are supplemented. The two- parameter electromagnetic method of combined measurements of specific electrical conductivity χ and temperature t of acidic, alkaline, and averaged brewery effluents is examined. The implementation of the method is achieved by establishing universal transformation functions Gt=f(Δφt) and Δφ =f(At), which means the dependencies of the amplitude Gt on the differential phase shift angle Δφt and the differential phase shift angle Δφt from the generalized parameter Аt. Dependencies of normalized characteristics have been obtained Lпн and φ₂t IPEP as a function of the generalized parameter Аt. A three-parameter method for simultaneous measurements of specific electrical resistance λ has been investigated, relative permittivity εr and temperature t of beer waste samples. Algorithms for measurement and calculation procedures have been provided for the implementation of the proposed three-parameter method. A four-parameter method for compatible measurements of specific electrical resistance λ has been developed, relative dielectric permittivity εr, temperature t, and density ρ of acidic, alkaline, and averaged samples of wastewater. The proposed four-parameter method involves the use of two closely spaced frequencies of the electromagnetic field f0= 20,3 MHz and f1= 22 MHz. Power series have been obtained that represent the dependencies of relative dielectric permittivity εr from the density ρ in the temperature range t = [15….35°С]. Moreover the obtained dependencies represent a fourth-degree interpolation polynomial. For the found interpolation polynomial at frequencies f0 and f1 the steel coefficients K0 and K1 have been calculated. In order to expand the functional and technical capabilities of multiparameter electromagnetic devices and to improve the accuracy of measuring the specific electrical conductivity χ, relative dielectric permittivity εr, temperature t, and density ρ of wastewater in large tanks and reservoirs of small, medium and large breweries, a four-parameter informative method based on an immersed parametric electromagnetic transducer (IPEP) has been investigated. Instead of a core, the IPEP utilizes a conductive layer of the wastewater. The IPEP consists of a single winding and can be immersed in sufficiently large tanks, allowing for measurement even in the presence of non-homogeneous liquids. In the third section, using the obtained relationships that describe the accuracy characteristics of multiparameter electromagnetic transducers, the measurement errors of signal components were determined based on estimating the characteristics of a function with multiple variables. A methodology for estimating the temperature error of wastewater samples was provided, as it directly affects the amplitude, phase, and frequency components of electromagnetic transducer signals. The methodology for evaluating the relative errors of the joint measurements of the specific electrical resistance λ, relative dielectric permittivity εrt and temperature t of brewing mashes in rational operating modes of thermal enzymatic treated plant TETP has been investigated within the temperature range of 15 ≤t ≤ 35 ºС. During the implementation of the four-parameter method for joint measurements of specific electrical conductivity χt, relative dielectric permittivity εr, temperature t and density ρ of brewing mashes, errors of the measurements of physicochemical parameters ɤλ, ɤεr, ɤρ and ɤt. The multi-parameter electromagnetic method for determining the characteristics of mineralization TDS (St), viscosity µt and temperature t of brewing mash samples was investigated. Based on the processed dataset obtained from measuring the parameters of averaged wastewater samples, a power series was calculated, which reflects the dependence of viscosity µt on specific electrical conductivity χ, with the corresponding dependence obtained within the investigated temperature range [15-35°C] at a constant pressure value of P=0,101325 MPa. In the study of three- and four-parameter methods for measuring and controlling the parameters of acidic, alkaline, and averaged brewing mash samples, the value of the overall control reliability component was obtained as DΣ = 0,978, indicating the effectiveness of the proposed informative methods for controlling the physicochemical parameters of brewing mashes in the dissertation. In the fourth section, ways to improve the beer production process through the establishment of additional temperature rests during the mashing of malt have been proposed. It has been found that the temperature rests should be precisely maintained in accordance with the maturation time of the beer wort. The accuracy of temperature measurement t of the wort is crucial both during the temperature rests and during the determination of the cooling temperature of the final product. The closer the temperature value is to the lower limit of the temperature range for the rest, the longer it needs to be maintained. Heating the wort to a temperature of t = 78°C leads to spoilage of the final product, sudden beer losses, and consequently, wastewater pollution. A combined method for treating brewing wastewater, involving magnetic treatment, has been proposed. A technological scheme for the treatment of brewery wastewater has been investigated, and it is recommended to add a filter M1 in the scheme to implement a combined treatment method. This filter includes a special zone for introducing a water-based magnetic fluid. The proposed combined treatment method for brewery wastewater is based on the principle of demagnetization, achieved by adding a predetermined magnetic fluid (with pre- calculated parameters) to the filter containing the wastewater. This allows for the subsequent removal of contaminants during the separation process. A method for the simultaneous determination of the static characteristics of the investigated model magnetic fluid (water-based) has been proposed, specifically the specific electrical conductivity. χt, a rational ratio of wastewater to magnetic fluid (WW:MF) has been found, WW: MF = 8,7 × 10-3:1, which is recommended for the treatment of brewery wastewater. The presented results indicate the effectiveness of the proposed combined treatment method for brewery wastewater in terms of meeting the standards for municipal wastewater discharge. Specifically, the pH value decreases by 34,6% as a result of the treatment, the COD is reduced by 7,14 times, the BOD5 is reduced by 1,52 times, the suspended solids are reduced by 1,52 times, calcium cations (Ca²⁺) are reduced by 1,53 times, magnesium cations (Mg²⁺) are reduced by 1,51 times, the total hardness (dH) is reduced by 1,64 times, and the carbonate hardness (CH) is reduced by 1,86 times. It should be noted that the introduction of the magnetic fluid also allows for the sedimentation of finely dispersed impurities in the turbid wastewater of microbreweries.