CC BY
45
Некоторые аспекты водоотведения в рыбообрабатывающей отрасли
0.A. Федорова, И.Г. Береза
Технологический факультет МГТУ, кафедра экологической безопасности и рационального природопользования
Аннотация. В статье изложены основные проблемы водоотведения в рыбообрабатывающей отрасли. Предложен способ решения одной из них - извлечения жировых загрязнений. Приведена математическая модель процесса жироизвлечения методом аэрирования и на ее основе рассчитаны оптимальные параметры исследуемого процесса. Эффективность очистки по эфирорастворимым веществам - до 85%.
Abstract. The main water disposal problems of fish industry are described in the paper. One of the problems is fat pollution extraction. The decision of this problem is offered in the paper. Mathematical model of the fat extraction process by the aeration method and optimization of the model are adduced. Treatment efficiency of the ether soluble substances is about 85%.
1. Введение
Биосфера функционирует по принципу встроенности систем: каждая форма конструируется за счет деструкции других форм, составляя звено всеобщего кругооборота вещества в природе. Хозяйственная деятельность человека вносит дисгармонию в естественные циклы вещества и энергии, поскольку до настоящего времени антропогенный ресурсный цикл остается разомкнутым. Это объясняется принципами современной организации производства: максимальная эксплуатация природных ресурсов и игнорирование проблемы деструкции отходов производства.
В настоящее время назрела необходимость перехода к принципиально новой форме связи между производством и окружающей средой - к созданию безотходных технологических систем, которые должны обеспечить возможно большую встроенность производственных процессов во всеобщий круговорот вещества и энергии в природе, замыкая ресурсный цикл и обеспечивая естественное функционирование биосферы.
Вследствие этого безотходная технологическая система должна включать не только технологию производства, но и технологию утилизации отходов этого производства. Введение локальной очистки производственных сточных вод в технологический процесс, таким образом, является одним из условий создания безотходных технологических систем.
В рыбообрабатывающем производстве основными загрязнениями промышленных сточных вод, которые необходимо не только извлекать, но и утилизировать, являются белковые и жировые вещества. Кроме того, существуют жесткие нормы на содержание жировых загрязнений в сточной воде, подаваемой на сооружения биологической очистки.
В практике очистки сточных вод рыбообрабатывающих производств используются гравитационные жироловки, как правило - конструкции ЛИСИ. Проектная эффективность жироизвлечения в данном очистном оборудовании должна составлять 50%, фактическая степень извлечения жировых веществ в них не превышает 20-25%.
Таким образом, при очистке сточных вод пищевых производств, в том числе рыбообрабатывающих, очевидна необходимость эффективного локального извлечения жировых загрязнений.
2. Извлечение жировых загрязнений сточных вод рыбообрабатывающих производств методом аэрирования
Химический состав любых сточных вод зависит главным образом от технологического процесса производства. Для рыбоперерабатывающих производств основными загрязнениями являются белковые вещества и липиды. Липиды гидробионтов, в отличие от животных жиров, содержат большое количество полиненасыщенных высших карбоновых кислот, причем основная доля из общего количества кислот -это кислоты с количеством двойных связей от четырех до шести (четыре - 10%, пять - 30%, шесть -40%) (Зиновьев, 1952), что обусловливает физические свойства жировых загрязнений, а именно: 1) агрегатное состояние при нормальных условиях - жидкость; 2) повышенная гидрофобность по сравнению с животными жирами.
Федорова O.A., БерезаИ.Г. Некоторые аспекты водоотведения ...
В соответствии с положениями коллоидной химии (Воющий, 1976), повышенная гидрофобность загрязнений сточных вод делает процесс аэроизвлечения данных загрязнений наиболее эффективным. На основании вышеизложенного была определена целесообразность очистки "рыбных" стоков от жировых загрязнений методом аэрирования.
В лаборатории МГТУ "Промэкология" была смоделирована и изготовлена пилотная установка аэрируемой жироловушки, которая представляет собой стеклянную колонку высотой 1,5 мс устройством подачи воздуха через диспергатор. В качестве воздушного диспергатора апробировались пористая керамика, дырчатые трубки и перфорированные резиновые трубки. Результаты исследований приведены в табл.1.
В качестве диспергаторов были выбраны перфорированные резиновые трубки по следующим причинам: 1) наибольшая эффективность очистки по эфирорастворимым веществам; 2) больший, чем у других материалов, срок службы. Кроме того, перфорированные резиновые трубки при прекращении подачи воздуха становятся непроницаемыми для загрязнений сточной воды в отличие от других диспергаторов, при эксплуатации которых в результате прекращения подачи воздуха происходит засорение пор и выход из строя устройства подачи воздуха.
Таблица 1. Зависимость эффективности извлечения жира от материала диспергатора
Материал диспергатора Время аэрирования, Высота столба Эффективность по
мин жидкости, м эфирорастворимым
веществам, %
Пористая керамика 10 1,2 45,2 ± 3,8
30 1,2 76,4 ± 3,1
Дырчатые трубки 10 1,2 19,4 ± 4,1
30 1,2 24,3 ± 3,7
Перфорированные 10 1,2 51,6 ± 2,1
резиновые трубки 30 1,2 80,1 ± 2,6
Эксперименты проводились как в статическом, так и в динамическом режимах работы лабораторной установки с целью построения математической модели и определения оптимальных условий проведения процесса. Построение эмпирических формул можно вести по результатам активных и пассивных экспериментов. Причем активным экспериментам (Саутин, 1975; Львовский, 1982) приписывается ряд преимуществ перед пассивными.
Первоначально была произведена проверка воспроизводимости результатов опытов путем сравнения расчетного и табличного значения критерия Кохрена, которая дала положительный результат, на основании чего был сделан вывод о возможности использовании статистических методов для исследования изучаемого процесса. В качестве влияющих факторов были приняты: 1) время аэрирования сточных вод; 2) рабочая высота аэрации; 3) степень насыщенности жидкости пузырьками воздуха -относительная величина, характеризующая площадь адсорбции. В качестве функции отклика -эффективность очистки по эфирорастворимым веществам (жировым загрязнениям).
При составлении модели математической, как и всякой другой, был сделан ряд допущений:
• сточная вода любого рыбообрабатывающего предприятия, кроме производства рыбного жира;
• в качестве диспергаторов используются резиновые трубки, выпускаемые отечественной промышленностью, с фиксированным количеством отверстий;
• температура очищаемой сточной воды лежит в пределах от 18 до 22° С;
• подача воздуха осуществляется с интенсивностью, обеспечивающей создание ламинарного режима движения пузырьков;
• во время всего процесса аэрирования образующаяся пена постоянно удаляется.
Первое допущение сделано в связи с тем, что при производстве рыбного жира липиды в сточной воде находятся в виде стойкой эмульсии, что обусловлено самим технологическим процессом, в результате чего аэрирование этих стоков дает эффект очистки не более 15 - 20%, и возникает необходимость в разрушении эмульсии. Некоторые исследователи предлагают в качестве критерия возможности применения пенной сепарации в очистке сточных вод использовать величину поверхностного натяжения. Они рекомендуют проводить флотацию, пенную сепарацию в тех случаях, когда значения коэффициента поверхностного натяжения стоков превышают 54 мН/м. Как подтвердили исследования, для "рыбных" стоков это утверждение не является справедливым, т.к. поверхностное
натяжение зависит не только от концентрации белковых и жировых загрязнений, но и от величины рН и солености промышленных стоков. Вот почему, например, значение коэффициента поверхностного натяжения сточной воды, приблизительно такое же, как у чистой воды (белковые и жировые вещества понижают, а используемая в технологическом производстве щелочь или поваренная соль повышают значение поверхностного натяжения) не может быть критерием для оценки возможности применения того или иного метода очистки. Очевидно, следует анализировать технологические операции с тем, чтобы иметь представление о качественном составе стоков и на основании этого судить о необходимости и целесообразности применения того или иного метода.
В результате проведения активных экспериментов и обработки полученных данных не удалось построить модель, соответствующую исследуемому процессу. Был сделан вывод о необходимости проведения пассивных экспериментов, что повлекло за собой значительное увеличение количества опытов, зато позволило получить модель, адекватную процессу аэрирования сточных вод. В качестве примера, на рис.1 представлена зависимость эффективности очистки жиросодержащих сточных вод от времени аэрирования.
100 80 60 40 20 0
—♦
10
20
30
—I
40
Рис.1. Среднестатистическая
зависимость эффективности очистки по эфирорастворимым веществам (%) от времени аэрирования (мин) при высоте рабочей зоны 1,0 м и степени насыщенности 0,7.
Обработка экспериментального материала производилась с помощью пакета прикладных программ Statgrafic. Так как данный пакет не дает возможности проведения нелинейного множественного корреляционного анализа, предварительно была произведена линеаризация независимых переменных на основании анализа сечений поверхности функции отклика. В итоге модель:
у = 27,79 1п х1 + 62,94 1п х2 + 30,67 1п х3;
где у - эффективность очистки по эфирорастворимым веществам, %; х1 - продолжительность аэрирования, мин; х2 - высота рабочей зоны, м;
х3 - степень насыщенности - относительная величина, характеризующая площадь адсорбции и определяемая как отношение площади поперечного сечения трубок к площади сечения аппарата;
наиболее достоверно описывала исследуемый процесс на промежутках: х1 е [5; 40]; х2 е [0,6; 1,5]; х3 е [0,5; 1].
Оптимизация полученной модели осуществлялась анализом первой производной, т.к. общепринятые методы проведения оптимизации математических моделей (Львовский, 1982; Саутин, 1975; Смирнов, 1961) использовать нельзя, потому что рассматриваемая поверхность отклика не имеет перегибов типа "седло", "хребет", "овраг" и т.п. Геометрический смысл первой производной состоит в том, что угловой коэффициент (скорость изменения функции) касательной к графику функции Лх) в точке х равен первой производной этой функции. Полный дифференциал полученной модели:
ёу = 27,79ёх1/х1 + 62,94 ёх2/х2 + 30,67ёх3/х3.
Упрощая поставленную задачу, рассматривались сечения исследуемой поверхности отклика плоскостями УОХь УОХ2, УОХ3. Таким образом, задача сводилась к нахождению угловых коэффициентов касательных к плоским кривымД(х1), Дх2), Д(х3): ду1дх1 = 27,79/х1; ду/дх2 = 62,94/х2; ду/дх3 = 30,67/х3. В табл.2 указаны расчетные значения угловых коэффициентов касательных к графику функции
у = Ахд.
Таблица 2. Углы наклона касательных к графику функции у = Д(х1)
х1 5 7 10 12 13 15 17 20 22 25 30
Л^) 5,558 3,970 2,779 2,316 2,138 1,853 1,635 1,390 1,263 1,112 0,926
Очевидно, что скорость изменения функции неравномерна: резко убывает в начале рассматриваемого отрезка от 5 до 10 мин и на отрезке от 15 до 30 мин уменьшается значительно
Федорова О.А., БерезаИ.Г. Некоторые аспекты водоотведения ...
медленнее. Таким образом, оптимальные значения хг находятся в промежутке [10; 15]. Конструктивно и экономически такие параметры х] вполне удовлетворительны, поскольку предполагают сокращение продолжительности проведения процесса по сравнению с жироловками в 5 - 10 раз и, как следствие этого, влекут за собой значительное уменьшение размеров конструкции. Аналогичным образом определены оптимальные значения двух других факторов: х2 = 0.9 -г- 1,1 м, х3 = 0,7.
Как указывалось выше, сточная вода производства рыбного жира требует применения дополнительной обработки перед процессом аэрирования, т.к. жировые загрязнения находятся в виде стойкой эмульсии. Для дестабилизации эмульгированных жировых загрязнений в практике очистки сточных вод используется метод реагентной обработки, обеспечивающий коагуляцию эмульсий. Для этой цели применяют различные минеральные коагулянты, способные образовывать аморфные или мелкокристаллические структуры, малорастворимые в воде: сульфат алюминия, хлорид железа и т.п. Механизм процесса коагуляции в самом общем виде можно представить следующим образом. Каждая частица неоднородной системы несет определенный заряд. Так как все частицы заряжены одинаково, они не могут соединиться между собой. Вводимый в эмульсию электролит (коагулянт) подвергается гидролизу, распадается на ионы и образует хлопьевидные осадки гидроксидов алюминия или железа, которые притягивают частицы с отрицательным зарядом и образуют агрегаты с большей массой и поверхностной энергией. В качестве коагулянтов исследовались растворы сульфата алюминия и сульфата железа различной концентрации. На рис.2 и рис.3 в качестве примера приведены зависимости эффективности очистки сточных вод производства рыбного жира аэрированием с предварительной коагуляцией при различных добавках сульфатов железа и алюминия.
1
2,3,4 5
90 л 80 -70 -60 -50 40 30 20 '. 10 0
2,5 5 10 15 20 25 30
Рис.2. Зависимость эффективности очистки (в %) сточных вод производства рыбного жира (рН = 7,4 - 8,9) при сульфата алюминия: 1 - 2 г/л, рН = 4,0; 3 - 6 г/л, рН = 3,0;
разных добавках раствора
2 - 4 г/л, рН = 3,2; 4 - 8 г/л, рН = 2,95;
5 - 10 г/л, рН = 2,9 от времени аэрирования (в мин) при высоте рабочей зоны 0,9 м и степени насыщенности 0,7; (значения рН приведены для растворов сульфата алюминия).
70 60 50 40 30 20 10 0
2,5 5 10 15 20 25 30
Рис.3. Зависимость эффективности очистки (в %) сточных вод производства рыбного жира (рН = 7,4 - 8,9) при разных добавках раствора сульфата железа (III):
1 - 2 г/л, рН = 5,9; 2 - 4 г/л, рН = 5,9; 3 - 6 г/л, рН = 5,87; 4 - 8 г/л, рН = 5,82;
5 - 10 г/л, рН = 5,72 от времени аэрирования (в мин) при высоте рабочей зоны 1,0 м и степени насыщенности 0,7; (значения рН приведены для растворов сульфата железа).
Сточная вода производства рыбного жира имеет повышенное значение рН, что обусловлено технологическим процессом. Величина рН, как было установлено, колеблется в диапазоне от 7,4 до 8,9. При растворении электролитов в воде происходит частичный гидролиз соли, который при смешивании с исследуемой сточной водой (щелочная среда) усиливается и протекает до конца (по второй и третьей ступеням), образуя малорастворимые гидроксиды. В свою очередь, образующаяся при гидролизе кислота нейтрализует присутствующую в стоке щелочь, и тем самым достигается дополнительный положительный эффект - понижение рН сточной воды.
Экспериментально было установлено, что добавление раствора сульфата алюминия приводит к образованию более легких хлопьев, чем добавление раствора сульфата железа, что влечет за собой лучшее всплывание хлопьев на поверхность. В результате анализа и обработки полученных экспериментальных данных были определены оптимальные условия проведения коагуляции с последующим аэрированием сточной воды: 1) концентрация сульфата алюминия - 2 г/л сточной воды; 2) время аэрирования - 15 - 20 мин; 3) высота рабочей зоны аэрирования - 0,8 - 1,0 м.
3. Заключение
1. С целью экологизации технологических процессов, а также обеспечения эффективной работы сооружений биологической очистки установлена необходимость локальной очистки сточных вод пищевых производств от жировых загрязнений.
2. В качестве сооружения локальной очистки сточных вод пищевых производств от жировых загрязнений целесообразно использовать аэрируемые жироловки. Оптимальный режим процесса аэрирования: время проведения процесса - 10 - 15 мин; высота рабочей зоны -1м; степень насыщенности - 0,7.
3. Для очистки сточных вод рыбообрабатывающих производств, содержащих эмульгированные жиры (производство рыбного жира) процесс аэрирования необходимо проводить с предварительной реагентной обработкой.
Литература
Воюцкий С.С. Курс коллоидной химии. М., "Химия", 512с., 1976.
Зиновьев A.A. Химия жиров. М., Пищепромиздат, 256с., 1952.
Львовский E.H. Статистические методы построения эмпирических формул. М., Высш. школа, 224с., 1982.
Саутин С.Н. Планирование эксперимента в химии и химической технологии. Л., "Химия", 48с., 1975.
Смирнов В.И. Курс высшей математики. М., Гос. изд-во физ.-мат. лит-ры, 625с., 1961.
