CC BY
0Т.В. Ерёмина, д-р техн. наук, проф. О.В. Ижунцов, аспирант, e-mail: izholeg@yandex Восточно-Сибирский государственный университет технологий и управления, г. Улан-Удэ
УДК 628.3 628.31 628.33 628.334
СРЕДСТВА ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД НА ЖИВОТНОВОДЧЕСКИХ КОМПЛЕКСАХ
Очистка сточных вод в животноводческих комплексах является одним из актуальных направлений данного производства. В статье приведены источники и виды техногенных воздействий, а также представлены методы локальной очистки сточных вод. Проведен сравнительный анализ существующих методов очистки.
Ключевые слова: сточные воды, загрязнение, электрофлотация, эмульгированные частицы, электрокоагуляция, кек.
T.V. Eryomina, Dr. Sc. Engineering, Prof.
O.V. Izhuntsov, P.G.
WASTEWATER TREATMENT IN LIVESTOCK BREEDING COMPLEXES
Wastewater treatment in livestock breeding complexes is one of the important activities of the production. The article presents the sources and types of anthropogenic impacts, as well as provides methods for local wastewater treatment. The comparative analysis of existing methods ofpurification is given.
Key words: wastewaters, pollution, electroflotation, emulsified particles, electrocoagulation, cake.
Охрана окружающей среды
Под охраной окружающей среды понимается система мер, направленных на поддержание рационального воздействия человеческого общества и окружающей природной среды, обеспечивающих сохранение и восстановление окружающих природных богатств, рациональное использование природных ресурсов, предупреждающих прямое и косвенное влияние результатов деятельности общества на природу и здоровье человека. Таким образом, охрана окружающей среды представляет собой весьма многогранную проблему, для решения которой формируются и принимаются государственные программы, постановления и законы, основным из которых является «Закон об охране окружающей природной среды», в котором сформулированы экологические требования к источникам техногенных воздействий на природную среду и здоровье человека при размещении, проектировании и строительстве систем и сооружений.
Источники и виды техногенных воздействий
Из-за нарушений условий эксплуатации водонесущих коммуникаций и коррозии трубопроводов допускаются утечки в больших объемах. В толще техногенных отложений постепенно формируется новый водоносный горизонт, уровень которого со временем повышается. Техногенные подземные воды содержат повышенную концентрацию хлоридов, бикарбонатов, сульфатов, нитратов, ионов калия и натрия, магния, обладают агрессивностью по отношению к фундаментам зданий и сооружений, железобетону, металлам.
Значительно усложняется жизнь людей и работа многих предприятий в период ливневых дождей, когда из-за подпора поверхностного стока происходит искусственное заболачивание, а иногда и подтопление пониженных мест дождевыми водами на длительный срок. Причиной этого являются плохая организация ливневого стока и неудовлетворительная работа водопропускных устройств. Аналогичные последствия отмечаются при скоплении технических вод в результате аварийных выбросов и утечек из тепломагистралей и водоводов. Все это приводит к ухудшению микроклимата, из-за сырости размножаются насекомые, нарушаются санитарные нормы.
Методы локальной очистки сточных вод
Производственные сточные воды животноводческих комплексов относятся к категории высококонцентрированных по содержанию органических загрязнений, что не только не позволяет сбрасывать их в водные объекты, но и передавать на коммунальные и даже собственные сооружения биологической очистки без предварительной обработки.
Согласно нормативам, животноводческие предприятия размещаются как в населенных пунктах, имеющих условия для приема производственных стоков в системы канализации, так и в населенных пунктах, не обладающих такими возможностями. В первом случае производственные стоки предприятий должны быть подвергнуты локальной (первичной) очистке на территории предприятия. Этим достигается защита канализационных сетей от засорения, а также возможность извлечения и возврата в фонды производства компонентов сырья (жира и белка), унесенного стоками. Во втором случае предприятия вынуждены для обеспечения условий сброса в водные источники строить собственные сооружения биологической очистки [1 ].
Допустимые концентрации загрязнений, поступающих на очистные системы канализации со сточными водами животноводческих комплексов, представлены в таблице.
Таблица
Допустимые концентрации загрязнений
Показатель состава сточных вод Взвешенные вещества Биохимическое потребление кислорода (БПК) Химическое потребление кислорода (ХПК) Нефтепродукты Жиры Хлориды Сульфаты
Допусти мая концентрация 388 125 272 2 27,6 2,3 17,2
К методам локальной очистки жиросодержащих сточных вод относятся механические, химические, физико-химические, электрохимические, электрофизические методы.
Механическая очистка
В состав сооружений механической очистки входят решетки с прозором 10-20 мм, песколовки, жироловки и отстойники.
Механический метод очистки основан на отстаивании сточных вод. Отстаивание является наиболее простым методом выделения грубодисперсных примесей. Этим методом выделяются как всплывающие, так и осаждающиеся примеси.
Для отстаивания жиросодержащих сточных вод применяют отстойники горизонтального, вертикального и радиального типа. Они чаще всего оборудованы периодически или непрерывно действующими скребковыми механизмами, в отдельных случаях - пневматическим устройством, для сбора всплывшей жиромассы, которая собирается в специальный бункер. Установлено, что в течение первых 10 мин отстаивания на поверхность всплывает до 45% жира, содержащегося в сточной воде, в осадок переходит около 20%, а остальная часть остается в эмульгированном состоянии. При увеличении отстаивания до 2 ч эффект очистки остается практически прежним [2].
Для выделения жира из сточных вод используются горизонтальные жироловки. Эффект задержания жиров в указанных жироловках - в пределах 40-50% при продолжительности отстаивания 30 мин. Недостатком отстойных жироловок горизонтального типа является трудоемкость сбора жиромассы и осадка. Конструктивно это прямоугольные проточные сооружения. Эффективность жироловок повышает продувка через сточные воды воздуха, который подается в нижнюю часть жироловки.
Преимущества: вода насыщается кислородом, предотвращается оседание взвеси, предотвращается загнивание осадка и образование сероводорода. Длительность пребывания 3-10 мин, количество воздуха 0,3-0,8 м на 1 м очищенных сточных вод [3].
Жироловка с аэрированием имеет форму продольной камеры с двумя разделительными перегородками. Воздух проводится в центральную часть снизу через систему перфорированных труб. Воздух вызывает эмульгирование жировых веществ, которые всплывают с образующейся пеной на поверхность жидкости. Вместе с жиром удаляется часть взвешенных веществ. Пена переливается в боковые секции - успокаивающие камеры, выполняющие роль отстойников. В центральной части камер взвешенные вещества оседают и затем удаляются с обезжиренными сточными водами. Выделенные жировые вещества скапливаются на поверхности и сливаются через перелив в сборный колодец для жира, расположенный на территории предприятия.
Известна конструкция вертикальной жироловки с реактивным водораспределителем сточных вод. Эффективность и надежность работы вертикальных жироловок выше, чем у горизонтальных. Однако все используемые жироловки не обеспечивают необходимой степени очистки от жиров и жироподобных веществ, т.е. необходимы сооружения для более глубокой очистки стоков от жиров. Вопросам повышения эффективности работы жироловок и разработке их новых конструкций посвящены ряд работ.
Эффективность работы вертикальных отстойников при продолжительности отстаивания 0,5-0,3 ч составляет 30-50%. Остаточная концентрация взвешенных веществ составляет 200800 мг/л. Ввиду низкого эффекта очистки вертикальные отстойники не рекомендуются в качестве основных очистных сооружений.
Физико-химические методы очистки
В последнее время все более широкое распространение получили физико-химические методы очистки, такие как экстракция, сорбция, флотация и др.
Физико-химические методы очистки в отличие от биологических могут обеспечивать устойчивую работу сооружений при низкой температуре жидкости, изменении гидравлических и органических нагрузок, а также рН. Такие методы отличаются значительно меньшей продолжительностью обработки сточной жидкости. Запуск этих сооружений возможен непосредственно после их монтажа или перерывов в работе, они быстро восстанавливают требуемые параметры процессов очистки сточных вод и обработки осадков.
Мембранный метод очистки основан на способности мембран задерживать загрязнения, содержащиеся в сточных водах за счет создаваемого осматического давления. В НИИ жировой промышленности проведены исследования по очистке жиросодержащих сточных вод методом обратного осмоса. На основе полученных результатов спроектирована установка, где в качестве мембран используются керамические трубки диаметром 20 мм и длиной 150 мм с различной пористостью (0,47, 1,15, 1,12, 1,30 мкм). Испытания этой установки при давлении 3,0 МПа и пористости материала 0,47 мкм дали положительные результаты. Эффект очистки составлял более 95%, микроорганизмы более чем на 98% задержались на мембране, что равносильно обеззараживанию жидким хлором.
Наиболее полно изучен флотационный способ очистки сточных вод, содержащих жир, масло, нефть, нефтепродукты. Метод флотации основан на извлечении взвешенных или коллоидных частиц из жидкости в результате их прилипания к пузырькам воздуха, диспергированного или образующегося в этой жидкости. Прикрепившиеся к пузырькам частицы всплывают на поверхность, образуя пенный слой с более высокой концентрацией частиц, чем в исходной воде.
Суть производственных флотационных процессов заключается в том, что искусственно созданный в жидкой среде восходящий поток газовых пузырьков захватывает и уносит с собой к поверхности жидкости частицы жира, образуя слой пены. Пена удаляется различными устройствами с поверхности очищаемой жидкости на дальнейшую обработку.
В зависимости от способа насыщения сточной жидкости методы флотации делятся на импеллерную, напорную, электрофлотацию.
Способ импеллерной флотации осуществляют с помощью импеллерного типа машин, которые представляют собой квадратный резервуар, в нижней части которого расположена
турбинка - импеллер, соединенная приводом с электродвигателем, находящимся над флотационной машиной [4].
Известен метод пневматической флотации, которую осуществляют, вводя под напором воздух в жидкость и диспергируя его с помощью пористых материалов. Разновидностью данного метода является пенная сепарация, отличающаяся от других видов флотации тем, что очищаемая вода подается во флотатор на сформированный в результате барботирования воздуха пенный слой, т.е. очищаемая жидкость движется навстречу потоку тонко диспергированного воздуха, который, создавая пенный слой, обеспечивает необходимую продолжительность пребывания частиц загрязнений в пене. Попадая в пенный слой, частицы загрязнений закрепляются не только на поверхности пузырьков воздуха, но и на поверхности гидрофобных частиц, которые ранее закрепились на воздушных пузырьках. В результате создается развитая поверхность пены, которая позволяет сократить продолжительность флотации. В машинах пенной сепарации в качестве аэраторов используют специальные перфорированные резиновые трубки, собранные в кассеты. Проведенные исследования показали, что этот метод дает эффект очистки по жирам 90-95%, по взвешенным веществам - 90-96%.
К недостаткам метода можно отнести то, что воздух, поступающий во флотационные камеры, плохо диспергирует, в результате чего образуются воздушные пузырьки повышенной крупности, что отрицательно сказывается на протекании процесса.
Метод напорной флотации заключается в насыщении сточной воды газом (воздухом) под избыточным давлением, с последующим снижением давления до атмосферного. При этом происходит интенсивная десорбция газа и выделение большого количества мельчайших пузырьков. Пузырьки с прилипшими к ним частичками жира и взвеси всплывают, что позволяет значительно ускорить процесс выделения жировых веществ из сточных вод. Однако, как показал опыт промышленной эксплуатации таких установок, эффект очистки жиросодержащих сточных вод не превышает 50-60%.
К основным конструктивным недостаткам относятся использование напорного резервуара барботажного типа, не обеспечивающего достаточного насыщения сточных вод воздухом; распределение сточной воды во флотаторе с помощью перфорированных труб, которые быстро забиваются жиром и взвешенными веществами.
Установки малоэнергоемки, обеспечивают оборотное водоснабжение, не требуют много места и больших капитальных вложений, эффективно работают как локальные установки, так и в составе очистных сооружений.
Электрохимическая очистка. Процесс выделения из жидкости взвешенных частиц путем их флотации газовыми пузырьками, получаемыми при электролизе воды, называют электрофлотацией. В процессе электролиза выделяются электролизные газы: водород, кислород, азот, хлор. Основная часть газов - водород. Преимущество электрофлотации заключается в том, что обеспечивается генерация газовых пузырьков весьма тонкой дисперсности - от 10 до 200 мкм, причем на долю пузырьков от 25 до 40 мкм приходится более 50%. Поверхность пузырьков малого размера обладает большой свободной поверхностной энергией, создает более благоприятный гидрологический режим в зоне флотации, что увеличивает эффект очистки.
Положительным также является и то, что при электрофлотации можно в широком диапазоне изменять дисперсность и гранулометрический состав пузырьков путем изменения величины и плотности тока, что имеет большое значение в достижении оптимальных условий для извлечения жировых частиц любых размеров. Наличие солей в сточной воде обеспечивает необходимую электропроводность воды и делает процесс экономически целесообразным.
Исследования, выполненные с целью выяснения возможности применения электрофлотации для обезжиривания сточных вод, показали, что на эффективность процесса электрофлотации влияют величина плотности тока на электродах, продолжительность обработки, материал и способы выполнения анода и катода, температура сточной жидкости и другие факторы.
При исследовании влияния продолжительности обработки было выявлено, что скорость извлечения жировых загрязнений имеет наибольшее значение в первые 5-10 мин работы элек-трофлотациолнной установки, дальнейшая обработка мало влияет на относительную эффективность обезжиривания сточных вод.
Исследования влияния высоты слоя обрабатываемой сточной воды показали, что при высоте слоя 80-100 см эффект обезжиривания составляет около 90 %. С увеличением высоты слоя обрабатываемой жидкости эффект выделения жира снижается. От расстояния между электродами зависит величина напряжения, а также потребляемая мощность и, следовательно, расход электроэнергии на обработку сточной воды.
С увеличением расстояния между электродами для получения одной и той же плотности тока величина подводимого напряжения должна изменяться в сторону увеличения. Следовательно, расстояние между электродами должно быть минимальным (6-8 мм) и регламентироваться только конструктивными возможностями.
Как показали исследования, при подборе оптимальных параметров процесса электрофлотационной обработки эффект отчистки жиросодержащих сточных вод достигает 98% при начальной концентрации жировых загрязнений 4000-4500 мг/л. Высокий эффект отчистки в сочетании с простотой изготовления электрофлотационных аппаратов и несложностью их обслуживания, а также возможностью регулирования степени отчистки жидкости в зависимости от фазово-дисперсного состояния загрязнений путем изменений только одного параметра (плотности тока) технологического процесса, отсутствие вращающихся частей в рабочей зоне аппаратов, гарантирующих надежность работы и исключающих перемешивание обрабатываемой жидкости и измельчения содержащихся в ней взвешенных частиц, делают метод электрофлотационной отчистки приоритетным в сравнении с другими методами флотации для обработки концентрированных сточных вод масложировой промышленности.
Известен метод электрокоагуляции для отчистки промышленных сточных вод, основанный на электролизе с использованием металлических (стальных или алюминиевых) анодов, подвергающихся электролитическому растворению. Вследствие растворения анодов вода обогащается соответствующими ионами, образующими затем в нейтральной или слабощелочной среде гидроксид алюминия или гидроксид железа, которые под воздействием растворенного в воде кислорода переходят в гидроксид железа. В результате осуществляется процесс коагуляции, аналогичный обработке воды соответствующими солями алюминия или железа. Однако в отличие от применения солевых коагулянтов при электрокоагуляции вода не обогащается сульфатами или хлоридами, содержание которых в очищенной воде лимитируется как при сбросе ее в водоемы, так и при повторном использовании в системах промышленного водоснабжения.
Из числа перечисленных методов очистки наиболее приемлемым является комбинированный метод, включающий электрокоагуляцию и электрофлотацию (электрофлотокоагуля-ция), который отличается высоким эффектом выделения из сточной воды жиров и других загрязнений, более экономичен по расходу электроэнергии и металлических электродов по сравнению с элктрокаогуляцией.
При использовании электрофлотокоагуляционной установки отпадает необходимость введения реагентов в очищаемую жидкость. Пена, получаемая при электрокоагуляции, имеет высокую стойкость. При отстаивании она разрушается через 24 ч. Объем флотоконцентратов при установке дюралалюминевых электродов составил 6% от расхода сточных вод, при установке железных - 10%. Влажность полученного флотоконцентрата была соответственно равна 80 и 90%. Недостатки этого метода - относительно высокий расход материалов - листового алюминия или железа, а также исключение возможности утилизации отходов, выделенных на этапе реагентной обработки стоков.
Несмотря на эти недостатки, метод электрофлотокоагуляции более эффективен, чем флотационные методы отчистки или электрокоагуляция. Эффект отчистки в электрофлотоко-агуляционных аппаратов составляет по жирам 96-97%, по взвешенным веществам - 92-95%.
Электрофлотокоагуляция заключается в пропускании постоянного электрического тока через сточную воду, причем в качестве электродов применяют металлические растворимые электроды. Под действием электрического тока ионы металла подвергаются гидролизу с образованием гидроокиси. Хлопья гидроокиси образуют частицы загрязнений, в том числе и коллоидные. Общая продолжительность пребывания воды в установке составляет 15 мин. Выбор электродов зависит от необходимости очистки жидкости. Так, при использовании железосодержащих электродов, эффект очистки на 30% ниже.
К недостаткам данного метода можно отнести высокую стоимость электроэнергии, дефицит материала электродов и т.д. [5].
Биологические методы очистки. На предприятиях мясной промышленности применяют биологическую очистку сточных вод. Установлено, что на очистных сооружениях, включающих в себя решетки, песколовки, осветлители-перегниватели, аэротенки с механической аэрацией, вторичные вертикальные отстойники, хлораторную и контактные резервуары, может быть обеспечено снижение взвешенных веществ до 20 мг/л.
Также используют в качестве биологической очистки биофильтры, которые представляют собой очистные сооружения в виде круглых или прямоугольных резервуаров, заполненных фильтрующим материалом (загрузкой). В качестве загрузки применяют щебень, гравий, керамзит, пластмассу, асбестоцемент и другие материалы. На поверхности материала загрузки нарастает биологическая пленка, представляющая собой ассоциацию микроорганизмов, простейших и более высокоорганизованных животных. Особенностями процесса очистки в биофильтрах являются контактирование с биологической пленкой, свободно протекающей через загрузку сточной воды, и диффузия загрязнений из сточной воды в биопленку.
Обработка осадков, высокие концентрации загрязнений производственных стоков животноводческих комплексов промышленности обусловливают образование при их обработке значительных количеств твердых отходов (осадков). Состав и свойства, во многом определяющие направление их утилизации, специфичны для каждого этапа очистки стока. Общей характерной особенностью является содержание в них жира, белка и зараженность микрофлорой (в том числе патогенной). Осадки способны быстро загнивать с образованием неприятного запаха. Наличие в осадках жиров способствует образованию плотных отложений на стенках труб и в резервуарах. Из-за зараженности осадков микрофлорой, большой влажности, подверженности загниванию их необходимо обрабатывать и обезвоживать.
Важной и в значительной степени нерешенной проблемой для животноводческих комплексов является обработка осадков из отстойных сооружений, в которых образуются два вида отходов - концентрирующиеся на поверхности (жиромасса) и оседающие (донные осадки).
Среди немногих действующих схем обработки осадков из отстойных сооружений в животноводческих комплексах можно выделить три: 1) механическое обезвоживание в осветли-телях-перегнивателях с последующей подсушкой на иловых площадках; 2) подсушка на иловых площадках; 3) обезвоживание осадка в центрифугах - наиболее интенсивный метод. Состав полученного кека следующий: влага - 48-62 %, жир - около 35, минеральные вещества -38-45 %. Возможна утилизация полученного кека в качестве удобрений или для вытопки жира с целью приготовления добавок к комбикормам. Но эти способы требуют доработки в части обеспечения эффективного обезвреживания и минерализации (для удобрений) или выделения жира и минеральных веществ (для кормовых добавок).
Библиография
1. Канализация населенных мест и промышленных предприятий: справочник проектировщика / под ред. В.Н. Самохина. - М: Стойиздат, 1982. - 637 с.
2. Пушкарев В.В, Южанинов А.Г., Мэн С.К. Очистка маслосодержащих сточных вод. - М.: Металлургия, 1980. - 200 с.
3. Очистка производственных сточных вод / под ред. Ю.Н. Турского, И.В. Филиппова. - Л.: Химия, 1967. - 330 с.
4. Рабилизиров М.Н, Лисенкова Л.Я. Физико-химические методы очистки сточных вод предприятий мясной промышленности. Обзорная информация. - М.: Изд-во ЦНИИТЭИ мясопром, 1986.
5. Дубинин А.Г., Вишняков В.Г. Применение методов электрокоагуляции и электрофлотации для очистки сточных вод // НИИТЭХИМ. - М., 1976. - Вып. 3. - 21 с.
Bibliography
1. Canalization of populated areas and industrial enterprises: Designer's reference book / Ed. by V.N. Samokhin. - M: Stoyizdat, 1982. - 637 p.
2. Pushkaryov V.V., Yuzhaninov A.G., Man S.K. Purification of oily wastewater. - M.: Metallurgiya, 1980. - 200 p.
3. Industrial wastewater treatment / Ed. by Yu.N. Turskiy, I.V. Filippov. - L.: Khimiya, 1967. - 330 p.
4. Rabilizirov M.N., Lisenkova L.Ya. Physical and chemical methods of wastewater treatment for the meat industry. Overview. - M.: TsNIITEI myasoprom, 1986.
5. Dubinin A.G., Vishnjakov V.G. Application of electrocoagulation and electroflotation methods for wastewater treatment // NIITEKHIM. - M., 1976. - Issue 3. - 21 p.
