УСОВЕРШЕНСТВОВАННАЯ СХЕМА ОБРАБОТКИ ВОДНЫХ РАСТВОРОВ ПИЩЕВЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ТЕХНОЛОГИЙ AOPS Текст научной статьи по специальности «Экологические биотехнологии»

ОХРАНА ТРУДА. ОХРАНА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ. ЭКОЛОГИЯ

DOI: 10.53078/20778481_2022_4_84 УДК 628.3:621.3

В. Н. Штепа, С. В. Тыновец, А. Б. Шикунец

УСОВЕРШЕНСТВОВАННАЯ СХЕМА ОБРАБОТКИ ВОДНЫХ РАСТВОРОВ ПИЩЕВЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ТЕХНОЛОГИЙ AOPS

V. N. Shtepa, S. V. Tynovets, A. B. Shykunets

IMPROVED SCHEME FOR PROCESSING AQUEOUS SOLUTIONS AT FOOD ENTERPRISES USING AOPS TECHNOLOGIES

Аннотация

Комплексно рассмотрена проблематика комбинированной электротехнологической обработки многокомпонентных водных растворов. Из полученных анализов качества сточной воды установлены ключевые загрязнители изучаемых пищевых предприятий (сырзавод и мясокомбинат). Установлено, что ключевые загрязнители имеют биологическую природу и хорошо поддаются окислению. Обоснована комбинация различных технологий и подтверждена эффективность такого подхода результатами исследований очистки фактических сточных вод сырзавода и мясокомбината. Предложена схема локальных сооружений очистки и определена последовательность обработки водных растворов пищевых предприятий с ее использованием.

Ключевые слова:

очистка сточных вод, экологическая безопасность, ресурсоэффективность, геоэкосистемы.

Для цитирования:

Штепа, В. Н. Усовершенствованная схема обработки водных растворов пищевых предприятий с использованием технологий AOPS / В. Н. Штепа, С. В. Тыновец, А. Б. Шикунец // Вестник Белорусско-Российского университета. - 2022. - № 4 (77). - С. 84-91.

Abstract

The problems of combined electrotechnological processing of multicomponent aqueous solutions are comprehensively considered. Based on the obtained analyses of wastewater quality, key pollutants of the food enterprises under study (a cheese factory and a meat processing plant) were determined. It was found that the key pollutants are of a biological nature and lend themselves well to oxidation. The combination of different technologies is substantiated and the effectiveness of this approach is confirmed by the studies of the processing of actual wastewater from the cheese factory and meat processing plant. A scheme for local processing facilities is proposed, and based on its use, the sequence of aqueous solution processing at food enterprises is determined.

Keywords:

wastewater treatment, environmental safety, resource efficiency, geoecosystems.

© ШтепаВ. H., Тыновец С.В., Шикунец А. Б., 2022

For citation:

Shtepa, V. N. Improved scheme for processing aqueous solutions at food enterprises using AOPS technologies / V. N. Shtepa, S. V. Tynovets, A. V. Shykunets // Belarusian-Russian University Bulletin. - 2022. -№ 4 (77). - P. 84-91.

Введение

Одним из наиболее экологически опасных поллютантов сточных вод пищевых предприятий, прежде всего сыр-заводов и молокозаводов, является молочная сыворотка. Ее кислая среда, например, угнетает микроорганизмы, применяемые на коммунальных сооружениях биологической очистки [1]. При этом окисление органических соединений вызывает неприятный запах, кроме того, ее наличие в геоэкосистемах оказывает крайне негативное влияние на биоразнообразие водоемов, поскольку попадая в них без очистки органические вещества сыворотки потребляют для своей нейтрализации большое количество кислорода, вследствие чего резко ухудшаются условия развития флоры и фауны, в том числе рыб [2]. Также в сточных водах сырзаводов и молокозаводов содержатся растворы солей и кислот, которые используются в технологических процессах [3].

Другими значимыми пищевыми предприятиями, загрязняющими окружающую среду, с санитарно-эпидемиологической точки зрения являются сточные воды мясокомбинатов, поскольку содержат в своем составе большое количество органических и неорганических загрязнений, в том числе бактерий-возбудителей инфекционных болезней, что также негативно влияет на природные водные ресурсы и гидробионты [3, 4].

Вместе с тем среди методов обработки загрязненных водных растворов отдельным современным и динамично развивающимся направлением выделяются Advanced оxidation рrocess (AOPs) [5], к которым относятся ряд передовых технологических решений: гомогенные и гетерогенные фотокатали-

тические процессы, озонирование, варианты процесса Фентона, ультразвуковая обработка, плазменные процессы, ферратные и персульфатные технологии, использование ионизирующего излучения и микроволновой обработки.

Так, использование реактива Фен-тона при облучении водного раствора ультрафиолетом (длина волны - 254 нм) и управлении значениями рН позволяет обеспечить глубокую деструкцию органических загрязнителей с эффективностью более 80 % [6].

Комбинирование ультрафиолетового облучения (длина волны - 254 нм) и внесение перекиси водорода Н2О2, кроме окисления загрязнителей, усиливает комплексный эффект дезинфекции обрабатываемой среды [7].

Отдельно необходимо выделить использование такого сильного окислителя, как ферраты (VI) [5], которые относятся к одному из наиболее мощных существующих окислителей и благодаря своему действию разлагают большинство токсичных химических веществ в малотоксичные продукты, а также, благодаря дезинфицирующему действию, вызывают гибель вредных микроорганизмов.

Вместе с тем необходимо отметить, что даже используемые AOPs-тех-нологии являются интеграцией двух и более процессов. Именно поэтому проблематику очистки сточных вод необходимо рассматривать в комплексе, сочетая различные технологические решения с комбинацией методов очистки для достижения наиболее устойчивой работы очистных сооружений [8-10].

Соответственно, создание ресур-соэффективных схем обработки водных растворов предприятий пищевой промышленности при очистке много-

компонентных сточных вод и/или водо-подготовке является актуальной научно-прикладной задачей.

Материалы и методы

Из полученных на молокоперера-батывающем предприятии дискретных точечных анализов качества водных растворов можно сделать выводы касательно ключевых загрязнителей сточных вод сырзавода (согласно требований предельно допустимых концентраций):

- «фосфаты» (системное кратное превышение во всех пробоотборах - со значениями в 5,4 раза выше ПДК);

- «рН» (системное кратное превышение во всех пробоотборах (с дрейфом в «кислую сторону») - со значениями до 1,68 раза выше ПДК);

- «хлориды» (периодическое превышение - со значениями в 6 раз выше ПДК);

В то же время оценка соотношения БПК и ХПК для сырзавода (такое значение является интегральным показателем органического и неорганического загрязнения сточных вод) указывает на то, что ключевые поллютанты в этом сегменте имеют биологическую природу и должны эффективно подвергаться окислению

- «сухой остаток» (стабильное кратное превышение - со значениями до 4 раз выше ПДК);

- «взвешенные вещества» (стабильное превышение - со значениями на 6 %...79 % выше ПДК);

- «железо общее» (единичные превышения - на 58 %...78 % раз выше ПДК).

Также имеют место значительные превышения биологического потребления кислорода (БПК) и химического потребления кислорода (ХПК). Усредненные зарегистрированные величины показателей: БПК - 2400 мгО2/л, ХПК -3000 мгО2/л.

Что касается показателей качества производственных сточных вод мясокомбината, то концентрации поллютан-тов также существенно превышают ПДК, которые установлены для отведения не только в природные водоемы, но и в коммунальные канализационные системы (табл. 1).

(2400 мгШл / 3000 мгО2/л = 0,8).

В качестве флокулирующей добавки использовался биоцидный продукт с показателями: pH = 10,47, ОВП = -21 мВ, TDS = 2870. В сточную воду обоих предприятий вносили 0,125 мл/л био-цидного флокулянта (БФ) концентрацией 1 % (в дальнейшем рабочая доза).

Табл. 1. Результаты анализа проб сточной воды мясокомбината при пиковых значениях загрязнителей

Наименование показателя Нормативное требование (ПДК) Качество сточной воды на входе в локальные очистные сооружения

рН среды 6,5...8,5 7,49

Фосфор общий, мг/л 5 10,7

Азот аммонийный, мг/л 35 13,1

Хлориды, мг/л 700 253,05

Взвешенные вещества, мг/л 500 1260,9

Сухой остаток, мг/л 1000 1650

Для электролизной обработки водных растворов использовали диа-фрагменный электролизер с неактивной мембраной (анод и катод выполнены из электродного графита) объемом 3 л при силе постоянного тока 10 А. Время электролизного воздействия на водные растворы составляло 120 с. Продолжительность обработки, соответственно, количество вносимого окислителя и экспозиция облучения в единицу объема воды регулировались скоростью протока раствора через реактор. Именно в электролизере реализованы AOPs.

Основными реакциями такого электролиза сточных вод и разрушения органических загрязнителей являются образование кислорода О2 и водорода Н2, а также гидроксид-иона ОН :

- на аноде 2Н2О ^ О2Т + 4Н+ + 4е-;

- на катоде 2Н2О + 2е ^ + + 2ОН".

При электролизе воды также образуются озон Оз и перекись водорода Н2О2:

- на аноде ЗН2О ^ Оз| + 6е- + 6Н+;

- на катоде 2Н2О + О2 + 2е- ^ ^ Н2О2 + 2ОН-.

Как ранее обозначалось, в присутствии хлоридов (находятся в сточной воде предприятия) при электролизе воды образуется растворенный хлор: на аноде 2СГ ^ С12 + 2е-.

Растворенный хлор С12, реагируя с водой и гидроксид-ионом, образует хлорноватистую кислоту НС1О:

С12 + Н2О ^ НС1О + Н+ + С1";

С12 + он" ^ Нею + а".

Разложение хлорноватистой кислоты НС1О в воде приводит к образованию гипохлорит-иона: НОС1 ^ Н+ + ОС1 .

Из приведенных выше реакций следует, что при электролизе воды образуется ряд сильных окислителей: кислород О2, озон Оз, перекись водорода Н2О2, гипохлорит-ион ОС1 , которые выполняют деструкцию органических компонентов сточных вод.

Появление при электролизе воды ОН-радикалов, Н2О2 и Оз приводит к образованию других сильных окислителей, таких как Оз , О2 , О, НО2, НОз, НО4 и др.

При флотокоагуляционной обработке использовали флотокоагулятор с напорной подачей атмосферного воздуха. Режим флотокоагуляционной обработки: расход воздуха - 200 л/ч, доза реагента-коагулянта FeQз - 40 мг/л. Также применялся озонатор авторской разработки производительностью 15 г Оз/ч.

Задача физического моделирования процессов очистки сточных вод предприятий пищевой промышленности - создание и исследования последовательности этапов использования различных технологий [11], в том числе БФ и электротехнологической обработки.

Результаты и их обсуждение

Предварительная обработка сточных вод сырзавода разными способами очистки не обеспечила требуемого качества водного раствора (табл. 2).

На основе анализа вышеуказанных данных (см. табл. 2) была обоснована комбинация способов очистки (рис. 1). Эффективность использования предложенной схемы комбинации разных способов очистки была подтверждена исследованиями очистки сточной воды сырзавода (рис. 2) и мясокомбината (табл. з).

Соответственно, эффективность (редукция поллютантов) очистки сточных вод сырзавода по загрязнителям следующая: ХПК - 41 %, фосфору -65 %, сухому остатку - 28 %, хлоридам - 25 %.

Основываясь на полученных результатах, предложена схема локальных сооружений очистки сточных вод сырзаводов и мясокомбинатов (рис. з).

Табл. 2. Результаты обработки сточной воды сырзавода разными способами очистки

Номер пробы Вид обработки рН ХПК, мгО2 /л Азот аммонийный, мг/л Сухой остаток, мг/л Хлориды, мг/л

1 Исходная вода 6,2 9240 2,6 11730 1168

2 Озонирование 7 9500 3,3 11783 1179

3 Электролизное окисление (без внесения реагентов) 6,7 8160 5,3 10283 920

4 Внесение только биоцидного флокулянта 10 9540 2,2 13246 1418

5 Флотокоагуляция 6,8 9940 4,8 11850 1254

Рис. 1. Структура комбинации различных способов очистки сточных вод пищевых предприятий

Сухой остаток, мг/л 14000

12 ООО

юооо зооо

6 ООО 4О00 2 ООО

о

11730

В <5-50

Хлориды, мг/л

1400 1300 1000 яоо

бОО ЛОО

200

о

116В

его

Рис. 2. Результаты очистки сточной воды с^1рзавода: 1 - концентрация загрязнителя до очистки; 2 - концентрация загрязнителя после очистки

Фосфор общий, мг/л

12

Окончание рис. 2

Табл. з. Результаты обработки сточной воды мясокомбината

Режим обработки Фосфор, мг/л рН Сухой остаток, мг/л Азот аммонийный, мг/л ХПК, мгО2 /л

0 (сточная вода) 9,9 6,8 2620 12,з 1700

1 (электролиз совместно с рабочей дозой БФ) 2,4 7,4 1812 5,1 804

2 (флотокоагуляция) 7,1 7,1 1944 2,6 1зз0

4 (электролиз совместно с двойной рабочей дозой БФ) 0,58 7,7 1781 6,2 298

Следовательно, комбинирование различных способов очистки усиливает эффективность удаления ключевых загрязнителей сточных вод, что подтверждено на примере обработки сточных вод пищевых предприятий: сырза-вода и мясокомбината [12]. Представленная редукция удаления загрязнителей достигнута в промышленных условиях, что позволит значительно проще масштабировать аналогичные технологические решения на другие объекты [1з]: локальные очистные сооружения и/или водоподготовку.

Функциональное описание последовательности обработки сточной воды (см. рис. з):

- сточная вода поступает в емкость регулировки расхода, где происходит предварительная фильтрация;

- вода подается в электролизный модуль; в электролизный модуль предварительно вносится биоцидный фло-кулянт; далее происходят комплексные процессы окисления органических загрязнителей (AOPs), их коагулирование и флокуляция;

- на выходе электролизного модуля с использованием гидроциклонов происходит разделение взвешенных частиц и потока очищенной воды (для повышения эффективности работы флотатора);

- флотатор выполняет отделение полученных взвешенных загрязнителей от сточной воды;

- окончательно доочищаются сточные воды на фильтрующих элементах;

- продукты очистки отводятся в емкость осадка (шлама).

Вода на очистку

V

Модуль стабилизации расхода и предварительной механической очистки

V

Очищенная вода

Рис. з. Усовершенствованная схема локальных сооружений очистки сточных вод пищевых предприятий

Заключение

При проведении обработки сточных вод разными способами очистки отдельно не удалось достичь требуемого качества водного раствора. Была обоснована комбинация технологических решений и подтверждена эффективность такой схемы результатами исследования очистки сточной воды сырза-вода и мясокомбината. На основе исследований предложенной структуры локальных сооружений очистка сточных вод пищевых предериятий определена последовательность обработки во-

дных растворов, которая обеспечивает минимизацию антропогенного воздействия на геоэкосистемы и позволяет ставить задачи выполнения требований ресурсоэффективности.

Последующие исследования обосновано нацелить на создание технологий интенсификации биологических процессов, которые происходят в водных растворах на основе воздействия физических факторов и построения математических моделей прогнозирования синерге-тических результатов при использовании разных способов водоподготовки.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Храмцов, А. Г. Промышленная переработка вторичного молочного сырья / А. Г. Храмцов, С. В. Василисин. - Москва: ДеЛи принт, 2003. - 100 с.

2. Евдокимов, И. А. Обработка молочного сырья мембранными методами / И. А. Евдокимов, Д. Н. Володин, М. В. Головкина // Молочная промышленность. - 2012. - № 2. - С. 34-37.

3. Корчик, Н. М. Технологии очистки сточных вод предприятий пищевой промышленности [Электронный ресурс] / Н. М. Корчик // Сотрудничество для решения проблемы отходов: материалы 3 Междунар. конф. - Харьков, 2006. - Режим доступа: http://www.waste/com.ua/cooperation/2006/ theses/korchik.html. - Дата доступа: 02.09.2022.

4. Малахова, Н. Д. Очистка сточных вод мясоперерабатывающих предприятий / Н. Д. Малахова // Мясная индустрия. - 2001. - № 5. - С. 49-51.

5. Stasinakis, A. Use of selected advanced oxidation processes (AOPs) for wastewater treatment /

A. Stasinakis // Global NEST journal. - 2008. - Vol. 10. - P. 376-385.

6. Oliveira, L. Digital Services in Crisis, Disaster, and Emergency Situations / L. Oliveira, F. Tajariol, L. Gongalves // IGI Global. - 2021. - P. 411.

7. Optimization of UV/H2O2 and ozone wastewater treatment by the experimental design methodology / J. A. Malvestiti [et al.] // Environmental technology. - 2019. - Vol. 40. - P. 1910-1922.

8. Мазоренко, Д. I. 1нженерна еколот сшьськогосподарського виробництва / Д. I. Мазоренко,

B. Г. Цапко, Ф. I. Гончаров. - Кшв: Знання, 2006. - 376 с.

9. Штепа, В. Н. Концепция управления оборудованием водоочистки с учетом доминирующего загрязнителя / В. Н. Штепа, А. П. Левчук // Агропанорама. - 2018. - № 5. - С. 33-38.

10. Штепа, В. М. Обгрунтування та розробка критерию енергоефективносл функцюнування еле-ктротехнолопчних систем водошдготовки / В. М. Штепа, Ф. I. Гончаров, М. А. Сироватка // Науковий вюник Национального ушверситету бюресурав i природокористування Украши. Сер. Техшка та енерге-тика АПК: зб. наук. пр. - Кшв: НУБШУ, 2011. - Вип. 161. - С. 187-193.

11. Штепа, В. М. Обгрунтування робочо! мiри ефективносл електротехнолопчно! водоочистки [Електронний ресурс] / В. М. Штепа // Енергетика i автоматика. - 2018. - № 4. - С. 99-111. - Режим доступу: http://journals.nubip.edu.ua/index.php/Energiya/article/view/11558. - Дата доступу: 27.05.2022.

12. Штепа, В. Н. Адаптивные решения интеллектуального управления очистными сооружениями / В. Н. Штепа, Н. А. Заец, Д. Г. Алексеевский // Новые методы и технологии в водоснабжении и водо-отведении: сб. тр. / Ин-т ЖКХ ПАП Беларуси; под общ. ред. В. О. Китикова. - Минск: БГТУ, 2022. - С. 281-287.

13. Shtepa, V. N. Preventive improvement of wastewater treatment efficiency / V. N. Shtepa, Ye. Yu Chernysh, D. V. Danilov // Journal of Engineering Sciences. - 2021. - Vol. 8, iss. 1. - Р. H8-H15.

Статья сдана в редакцию 14 октября 2022 года

Владимир Николаевич Штепа, д-р техн. наук, доц., проректор по научной работе, Полесский государственный университет. E-mail: shtepa.v@polessu.by.

Сергей Васильевич Тыновец, ст. преподаватель, Полесский государственный университет. Алексей Борисович Шикунец, магистрант, Полесский государственный университет.

Vladimir Nikolayevich Shtepa, DSc (Engineering), Associate Prof., Pro-Rector for Research, Polessky State University. E-mail: shtepa.v@polessu.by.

Sergey Vasilievich Tynovets, senior lecturer, Polessky State University. Alexey Borisovich Shykunets, MSc (Engineering), Polessky State University.