CC BY
50
УДК: 628.351, 628.356
Р.Э. Хабибуллин1, А.М.Петров2, И.В. Князев2, Н.Ю. Крапивина2
'Казанский государственный технологический университет, Казань 2Институт проблем экологии и недропользования АН РТ, Казань
ВЛИЯНИЕ РАЗДЕЛЕНИЯ ФАЗ НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРОЦЕССА ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД МОЛОЧНОГО
ПРОИЗВОДСТВА
Представлены результаты исследования процесса анаэробно-аэробной очистки сточных вод молокопере-рабатывающего предприятия в комбинированной лабораторной установке. Показано, что с увеличением скорости протока выше 0,8 сут-1 эффективность работы анаэробной ступени уменьшалась, что вызвано вымыванием взвешенной неиммобилизованной анаэробной биомассы, в то время как с ростом органической нагрузки от 1,41 до 2,77 кг ХПК-м~3-сут-1 эффективность работы лабораторной установки возрастала. С помощью пространственного разделения фаз анаэробной ступени удалось существенно повысить эффективность очистки сточных вод.
Ключевые слова: сточные воды, анаэробная очистка, комбинированная анаэробно-аэробная технология, разделение фаз, эффективность процесса очистки, скорость протока, органическая нагрузка.
Введение
Сточные воды пищевой и перерабатывающей промышленности остаются мощным источником антропогенного и техногенного воздействия на окружающие экосистемы. Известно, что для Республики Татарстан характерен высокий уровень развития сельского хозяйства, в том числе животноводства, а также пищевой и перерабатывающей промышленности, поэтому защита объектов окружающей среды, прежде всего водоемов, продолжает оставаться актуальной экологической проблемой.
Традиционно для очистки сточных вод применяются аэробные технологии очистки, которые в последнее время активно развиваются и модифицируются. К числу перспективных энерго- и ресурсосберегающих технологий очистки производственных сточных вод и переработки полужидких отходов сельского хозяйства и пищевых производств относятся анаэробные биотехнологии и комбинированные, включающие анаэробную и аэробную ступени очистки. Их преимущества хорошо известны, прежде всего, это экономичность, высокая эффективность очистки, минимальное образование избыточного ила и возможность получения альтернативного энергоносителя - биогаза (Калюжный и др., 1991; Хабибуллин и др., 2010).
В условиях лабораторного моделирования исследовали показатели технологического процесса комбинированной анаэробно/аэробной очистки модельных и реальных сточных вод предприятия по переработке молока с целью оценки эффективности пространственной сукцессии микробного сообщества, осуществляющего последовательные биохимические реакции деструкции органического вещества.
Цель и задачи исследования
Цель исследования - оптимизация процесса анэроб-но-аэробной биологической очистки сточных вод предприятия по переработке молока.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
1. Оценить эффективность изъятия органических ве-
ществ на последовательных ступенях процесса биологической очистки сточных вод;
2. Исследовать влияние скорости протока на технологические показатели процесса биологической очистки сточных вод;
3. Исследовать влияние органической нагрузки на показатели очистки сточных вод;
4. Определить эффективность пространственного разделения фаз анаэробной ступени процесса на эффективность очистки;
5. Определить ключевые технологические параметры для проектирования промышленной установки биологической очистки сточных вод предприятия по переработке молока.
Материалы и методы исследований
При лабораторном моделировании процесса биологической очистки сточных вод были использованы модельные и реальные сточные воды, образующиеся в процессе переработки цельного молока, производства сливочного масла, сухого цельного и сухого обезжиренного молока.
Лабораторные установки включали анаэробную и аэробную ступени обработки сточных вод с суспензированной и иммобилизованной биомассой и были выполнены в виде цилиндров диаметром 5-10 см, высотой 50-125 см, рабочим объемом 0,5-2,0 дм3, соединенных между собой силиконовыми шлангами диаметром 5 мм. Для иммобилизации микробных сообществ использовали инертную загрузку типа «Шлейф-1». Подача сточных вод в установки осуществлялась непрерывно с помощью восьмиканально-го перистальтического насоса «ОПбоп». Подача сжатого воздуха для перемешивания и аэрации на аэробной ступени обработки обеспечивалась компрессором ПК-1. Внешний вид установок представлен на рисунке 1.
Микробное сообщество, осуществлявшее анаэробную обработку сточных вод, формировали из ряда природных и антропогенных резервуаров - анаэробного стабилизатора активного ила городских очистных сооружений и содержимого рубца убойных сельскохозяйственных жи-
ш » »— научно-технический журнал
ШЬ Георесурсы 5 (41)
вотных и других. Активный ил аэробной части отбирали из аэротенков действующих биологических очистных сооружений.
Моделирование осуществляли при варьировании начальной суммарной концентрации загрязняющих веществ, времени обработки и концентрации биомассы на последовательных ступенях очистки сточных вод.
Химический анализ воды проводили с использованием аттестованных методик, допущенных для целей экологического контроля.
Острую токсичность сточных вод оценивали с использованием в качестве тест-объектов инфузорий Paramecium caudatum, рачков Ceriodaphnia affinis.
Измерение интегральных параметров сточных вод и иловой суспензии осуществлялось с помощью портативных приборов «Марк 302» (концентрация растворенного кислорода), «рН -150» (рН, окислительно-восстановительный потенциал (ОВП)).
Статистическую обработку результатов проводили в соответствии с принятыми методиками (ГОСТ Р ИСО 57251-5725-6-2002).
Результаты и их обсуждение
Ключевыми параметрами, определяющими эффективность микробного метаболизма в непрерывных условиях культивирования, являются скорость протока ферментационной среды, в данном случае, очищаемой сточной воды, а также суммарная концентрация органических веществ в ней (Калюжный и др., 1991). Производными величинами от них являются среднее время пребывания сточной воды в биореакторе HRT (hydraulic retention time) и величина удельной органической нагрузки L (Хен-це и др., 1986).
Кроме того, известно, что различные стадии анаэробного метаногенного процесса, а именно, гидролиз, аци-догенез, ацетогенез и, наконец, метаногенез отличаются составом и физиологическими особенностями соответствующих микробных сообществ, в первую очередь, максимальной удельной скоростью роста, а также условиями их жизнедеятельности (Stronach et al., 1986). Это вызывает необходимость обеспечения оптимальных условий их жизнедеятельности на каждой ступени, чего можно добиться
Фазы очистки Режим очистки
1 2 3 4 5 6 7
1 анаэробная 41,2 52,4 -46,0* 46,8 54,1 15,1 50,0
2 анаэробная 74,5 43,6 75,5 88,4 86,6
3 аэробная 81,0 90,0 87,4 81,6 79,0 63,7 32,2
4 аэробная 41,4 60,0 61,1 63,1 84,0
Суммарная 98,3 98,9 98,2 99,6 99,6 69,2 66,1
Табл. 2. Показатели эффективности очистки сточных вод по ХПК при исследованныгх режимах (% от входящего на данную фазу). * - наблюдается увеличение значения исследованного параметра.
их пространственным разделением.
Учитывая вышесказанное, в работе проводили сравнительное исследование процесса в непрерывном режиме при различных удельных скоростях протока (Табл. 1, режимы 1, 2, 3), при различных величинах удельной органической нагрузки (режимы 1, 4, 5), а также с пространственным разделением фаз анаэробной ступени (режимы 1 и 3) и без такого разделения (режимы 6 и 7). Удельную скорость протока Б, сут-1, и удельную органическую нагрузку Ь, кг ХПК-м"3-сут-1, рассчитывали по формулам:
D = G / V
р'
где О - объемный расход жидкости, дм3 •сут-1; Ур - объем биореактора, л;
L = ХПК ■ Б,
вх 7
где ХПК - концентрация органического вещества во входящей жидкости, кг 02 • м-3.
Численные параметры и характеристики исследованных режимов представлены в таблице 1.
В описанных режимах вели моделирование процесса биоочистки до установившегося стационарного режима, что занимало в среднем 12-16 суток. Культивирование вели при комнатной температуре, изменявшейся в пределах от 22,0 до 26,0°С.
Эффективность очистки (Э) от органических веществ оценивали по разнице ХПК на входе и выходе всех ступеней очистки, отнесенной к начальному значению:
Э = (ХПК - ХПК ) ■ 100 % / ХПК
4 вх вых' вх
Режим Краткое описание режима Объемный расход сточной воды, 10^ м3- ч1 Объемный расход сточной воды, lCrV- сут"1 Концентрация загрязнений, кг ХПК м"3 Гидравлическая скорость протока D, сут-1 Органическая нагрузка L, кг ХПК • м~3 сут"1
1 Разделение фаз анаэробной ступени, малая скорость протока 78 ±8,2 1,87 ±0,22 3,46 ±0,83 0,42 ±0,09 1,41 ±0,22
2 -«-, средняя скорость протока 112 ±10,4 2,69 ±0,39 3,52 ±0,85 0,60 ± 0,10 2,03 ±0,34
3 -«-, высокая скорость протока 149 ±15,2 3,60 ±0,66 3,80 ±0,91 0,84 ± 0,12 2,96 ±0,41
4 -«-, малая скорость протока, увеличенная концентрация органического вещества 78 ±8,2 1,87 ±0,22 4,22 ± 0,98 0,42 ±0,09 1,72 ±0,28
5 -«-, двойная концентрация органического вещества 78 ±8,2 1,87 ±0,22 6,80 ±1,63 0,42 ±0,09 2,77 ±0,39
6 Без разделения фаз, малая скорость протока 78 ±8,2 1,87 ±0,22 3,52 ±0,85 0,42 ±0,09 0,89 ±0,12
7 Без разделения фаз, высокая скорость протока 149 ±15,2 3,60 ±0,66 3,65 ±0,88 0,84 ±0,12 2,84 ±0,44
Табл. 1. Технологические режимы работы модельных установок.
^научно-техническим журнал
5 (41) 2011 Георесурсы
Рис. 1. Стенд с модельными установками очистки сточных вод.
Показатели эффективности очистки сточных вод по суммарным загрязнениям (ХПК) при исследованных режимах представлены в таблице 2.
Как видно из представленных данных, при увеличении скорости протока от 0,42 до 0,60 и далее до 0,84 суг1 (режимы 1, 2, 3) практически не происходит изменений в общей эффективности работы установок (Рис. 2). Однако наблюдается некоторое перераспределение нагрузки по ступеням, т.е. она все более «сдвигается» на аэробные ступени процесса (3 и 4) , где потребляется основная часть органического вещества. Таким образом, эффективность работы анаэробных ступеней (1 и 2) снижается при увеличении скорости протока очищаемой сточной воды в исследованном диапазоне. При превышении ее величины в 0,8 сут-1 наблюдается повышение значений ХПК , и эффективность на первой ступени очистки принимает отрицательное значение, что можно объяснить активным накоплением летучих жирных кислот (ЛЖК) в ферментационной среде.
Если рассматривать увеличение органической нагрузки при одинаковой скорости протока (Рис. 3, режимы 1, 4, 5), то можно отметить, что на первой анаэробной ступени
Фазы очистки Режим очистки
1 2 3 4 5 6 7
1 анаэробная -235 -185 -160 -255 -275 -180 -150
2 анаэробная -340 -310 -280 -350 -360
3 аэробная + 120 +80 +110 +130 +130 +140 +120
4 аэробная + 140 +110 +155 +160 +155
Табл. 3. Изменение величины ОВП ферментационной среды по фазам процесса (мВ).
Фаза Режим очистки
1 2 3 4 5 6 7
Входящая сточная вода 5,8+0,4 5,8+0,5 5,9+0,6 5,6+0,3 5,5+0,6 5,5+0,4 5,5+0,4
1 анаэробная 7,6+0,4 6,6+0,7 5,4+0,5 4,9+0,3 3,7+0,4 5,1+0,4 7,1+0,3
2 анаэробная 8,4+0,6 7,4+0,6 7,0+0,5 5,5+0,6 7,6+0,5
3 аэробная 8,9+0,6 7,5+0,4 8,1+0,6 8,0+0,4 8,1+0,4 6,7+0,4 8,1+0,4
4 аэробная 8,8+0,7 7,9+0,3 8,4+0,7 8,3+0,6 8,3+0,3
Табл. 4. Изменение величины рН сточных вод по фазам очистки при исследованных режимах.
очистки закономерно повышается эффективность снятия суммарного содержания органических веществ с 41 до 54% при незначительном увеличении эффективности на второй анаэробной ступени с 74 до 78%.
Суммарная эффективность очистки на аэробных ступенях также растет, но при этом если на третьей аэробной ступени она практически не изменяется, то на четвертой характеризуется ростом с 40% до 84%. Эффективность же работы установки в целом при варьировании органической нагрузки практически не менялась и составляла 98,0-99,6%. Экспериментально полученная закономерность хорошо согласуется с многочисленными литературными данными (Бй-опасЪ ей а1., 1986), которые указывают на особую эффективность метода анаэробной обработки для сточных вод с высоким содержанием легкоусвояемого органического вещества.
Влияние пространственного разделения фаз анаэробной ступени процесса представлено на рисунке 4.
Сопоставление показателей процесса биоочистки в установках с разделением анаэробной ступени на 2 фазы (режимы 1 и 3) с аналогичными показателями без такого разделения (режимы 6 и 7), показало, что при равных скоростях протока эффективность очистки в установках без разделения фаз была ниже как на анаэробной и аэробной ступенях по отдельности, так и по установке в целом (6366% против 98-99%), что подтверждает факт повышения эффективности процесса анаэробно/аэробной очистки в модельной установке при пространственном разделении анаэробных биоценозов.
Большой интерес представляли также данные по изменениям физико-химических показателей ферментационной среды по фазам процесса (рН и ЕИ).
Как известно, скорость и направленность метаболизма анаэробных микроорганизмов, осуществляющих конверсию органического вещества из состава сточных вод, зависят от окислительно-восстановительных условий среды, а показателем, позволяющим оперативно их оценить, является ее окислительно-восстановительный (редокс-) потенциал (ЕИ). Известно также, что интерпретация его показаний весьма субъективна, однако качество измерения и воспроизводимость результатов существенно улучшаются при проведении деполяризации измерительных электродов (Кристапсон, Хабибуллин, 1985). Кроме того, существует обратная корреляция редокс-по-тенциала с показателем рН, описываемая линейной зависимостью:
БИ = БЦ - 60 • (7 - рН),
т.е. ЕИ уменьшается на 60 мВ при увеличении показателя рН на единицу, поэтому для оценки условий среды корректнее указывать значения приведенного редокс-потенциала ЕИ7 при рН = 7.
Динамика изменения физико-химических условий на различных фазах биологической очистки сточных вод представлена в таблицах 3 и 4.
Жизнедеятельность микроаэрофиль-ной и факультативно-анаэробной микрофлоры на начальных этапах деструкции и биотрансформации органическо-
|— научно-технический журнал
I еоресурсы 5 (41) 2011
го вещества в анаэробных условиях способствует полному исчерпанию кислорода и накоплению восстановленных форм метаболитов в обрабатываемых сточных водах. Разделение анаэробной ступени обработки на две фазы сопровождается созданием более восстановленных условий среды при последовательном прохождении через эти две последовательно соединенных фазы анаэробной ступени (Табл. 3).
На последующей ступени аэробной доочистки величина редокс-потенциала закономерно резко возрастает до +120 - +140 мВ, что определяется достаточно высоким со-
1 анаэробная
2 анаэробная
3 аэробная
4 аэробная Общая
0,42 0,6 0,84
Скорость протока, сут"1
Рис. 2. Влияние скорости протока на эффективность очистки по ХПК.
100
1 анаэробная
2 анаэробная
3 аэробная
4 аэробная Общая
1,41 1,72 2,77
Органическая нагрузка, кг ХПКм3сут1
Рис. 3. Влияние органической нагрузки на эффективность очистки по ХПК.
100
I 1 анаэробная
2 анаэробная
3 аэробная
4 аэробная Общая
Режим очистки
Рис. 4. Влияние пространственного разделения фаз анаэробной ступени на эффективность очистки по ХПК.
держанием кислорода воздуха в аэрируемой ферментационной среде (более 6 мгО2/дм3). Однако эта величина не достигает максимально возможных значений в диапазоне +250 - +280 мВ, что указывает на высокую метаболическую (в первую очередь дыхательную) активность аэробных биоценозов, вызывающую снижение парциального давления растворенного кислорода в сточной воде относительно максимально возможных значений. Соответственно величина ее редокс-потенциала также не достигает максимально возможных значений. При увеличении скорости протока от 0,42 до 0,84 сут-1 (режимы 1-3) наблюдается повышение величины редокс-потенциала и на первой, и на второй фазах анаэробной ступени, что связано с неспособностью используемых анаэробных сообществ более полно восстановить среду при сокращении времени обработки. Показатели редокс-потенциала на аэробной ступени достаточно высоки и не отличаются значимо от аналогичных показателей в первом режиме.
При анализе динамики окислительно-восстановительного потенциала (ОВП) по фазам процесса в зависимости от величины органической нагрузки (режимы 1, 4 и 5) становится очевидным, что увеличение нагрузки интенсифицирует процесс деструкции органического вещества, который сопровождается более выраженным снижением ОВП, особенно показательно на первой фазе анаэробной ступени очистки (Табл. 3). На второй фазе анаэробной ступени эти показатели практически равны.
Кроме того, анализ влияния пространственного разделения фаз анаэробной ступени биодеструкции (режимы 1, 3, 6 и 7) позволяет сделать однозначный вывод, что их разделение способствует более четкой дифференциации процессов за счет создания различных окислительно-восстановительных условий на первой и второй фазах анаэробной ступени очистки.
Изменения рН по фазам процесса свидетельствуют о том, что при относительно невысоких концентрациях органического вещества в сточных водах (режимы 1, 2, 3) на первой анаэробной ступени показатель рН снижается всего на 1,0-2,2 единицы (Табл. 4), т.е. не происходит существенного накопления в среде летучих жирных кислот (ЛЖК). Данный факт можно объяснить хорошей сбалансированностью между их накоплением в результате жизнедеятельности ацидогенной микрофлоры, с одной стороны, и утилизацией ЛЖК представителями собственно метаногенной микрофлоры, с другой стороны. Повышение органической нагрузки (режимы 1, 4, 5) приводит к возникновению дисбаланса между процессами накопления и потребления ЛЖК, что способствует повышению их концентрации в ферментационной среде и выражается в снижении величины рН. В процессе без разделения фаз анаэробной и аэробной ступеней (режимы 6 и 7) такая тенденция явно не выражена.
Модельная сточная вода на входе в установку и всех последовательных фазах очистки сточных вод не проявила острой токсичности по отношению к тест-объекту Paramecium caudatum во всех испытанных технологических режимах.
По отношению к тест-объекту Ceriodaphnia affinis сточная вода в большинстве исследованных режимов показала полное отсутствие токсичности. Лишь в режимах 3 и 5 после первой аэробной ступени очистки выявилось
^научно-технический журнал
5 (41) 2011 I еоресурсы i
слабое токсическое действие, которое устранялось при 1,5-2,0-кратном разбавлении. Поскольку режимы 3 и 5 характеризуются наиболее высокой гидравлической и органической нагрузкой, соответственно, то можно трактовать такие результаты как обоснование необходимости разделения анаэробной ступени как минимум на две фазы с целью устранения последствий залповых выбросов сточных вод на биологические очистные сооружения.
Очищенная же вода на выходе из установок во всех испытанных режимах не обладала острой токсичностью по отношению к вышеназванному тест-объекту.
Заключение
Таким образом, на основании представленных результатов можно сделать следующие выводы:
1. Предварительная анаэробная обработка сточных вод предприятия по переработке цельного молока позволяет существенно снизить органическую нагрузку на аэробную ступень очистных сооружений и изъять до 85 % органического вещества. В условиях реальных биологических очистных сооружений это приведет к существенному снижению затрат на аэрацию и снижению эксплуатационных затрат на очистку сточных вод.
2. Влияние гидравлической нагрузки на показатели эффективности работы лабораторной комбинированной анаэробно-аэробной установки по очистке сточных вод неодинаково для анаэробных и аэробных ступеней. На фазах анаэробной ступени она снижается при превышении значения в 0,8 сут1, на аэробных повышается во всем исследованном диапазоне скоростей протока.
3. С ростом удельной органической нагрузки от 1,41 до 2,77 кг ХПК-м^суг1 существенно улучшаются показатели эффективности работы как анаэробной ступени от 70 до 90 %, так и на аэробной ступени от 40 до 84 %.
4. Оптимальное время пребывания исследованных сточных вод составляет на анаэробной ступени 0,6-0,7 суток, или 14-17 часов, на аэробной - 0,4-0,5 суток, или 9-12 часов. Эти параметры в дальнейшем были использованы для технологического расчета проектируемых очистных сооружений действующего предприятия по переработке молока.
5. Величина редокс-потенциала ферментационной среды на различных фазах процесса находится в прямой корреляционной зависимости от величины метаболической активности микробного сообщества и поэтому может быть использована как показатель эффективности процесса деструкции органического вещества загрязнений на анаэробной ступени очистки и как показатель степени насыщенности среды кислородом на аэробной ступени.
6. В режимах с наибольшей гидравлической и органической нагрузкой рекомендуется пространственное разделение аэробной ступени очистки для гарантии предотвращения токсичности очищенных сточных вод.
Литература
ГОСТ Р ИСО 5725-1 - ГОСТ Р ИСО 5725-6 - 2002. Точность (правильность и прецизионность) методов и результатов измерений.
Калюжный С.В., Данилович Д.А., Ножевникова А.Н. Анаэробная биологическая очистка сточных вод. М.: ВИНИТИ. Итоги науки и техники. Сер. Биотехнология. 1991. 29. 187.
Кристапсон М.Ж., Хабибуллин Р.Э. Принципы измерения окислительно-восстановительного потенциала в биотехнологии микробного синтеза. М: ВНИИСЭНТИ. 1985.
Хабибуллин Р.Э., Князев И.В., Хасанова Э.Ф., Петров А.М. Энергетический потенциал сточных вод пищевых производств Республики Татарстан в процессе их анаэробной очистки. Сборник тезисов Второго международного конгресса «ЕвразияБио-2010». М. 2010. 201-203.
Хабибуллин Р.Э., Петров А.М., Князев И.В., Хасанова Э.Ф., Абдуллина Ф.М. Технологические аспекты комбинированной аэробно-анаэробной технологии очистки сточных вод молочного производства. Вестник Казанского государственного технологического университета. № 11. 2010. 317-326.
Хенце М., Армоэс П., Ля-Кур-Янсен И., Арван Э. Очистка сточных вод. Биологические и химические процессы. М: Мир. 1986.
Stronach S.M., Rudd T., Lester J.N. Anaerobic digestion processes in industrial waste water treatment. Berlin, Heidelberg, N 4, Tokyo: Springer-Verlag. 1986.
R.E. Khabibullin, A.M. Petrov, I.V. Knyazev, N.Yu. Krapivina. Influence of phase separation on efficiency of dairy wastewater treatment.
The results of the study of anaerobic-aerobic dairy wastewater treatment in combined lab-scale installation are presented. It was shown that the dilution rate of anaerobic stage increasing above 0.8 d-1 caused decreasing of treatment efficiency due to leaching of non-immobilized anaerobic biomass, while the growth of the organic load rate from 1,41 to 2,77 kg CODm-3d-1 caused better performance of laboratory installation. Spatial separation of anaerobic destruction phases has resulted in significant improvements in wastewater treatment psrameters.
Keywords: Wastewaters, anaerobic treatment, combined anaerobic/aerobic technology, phase separation, process efficiency, hydraulic retention time, organic load rate.
Рустем Эдуардович Хабибуллин к.т.н., доцент кафедры технологии пищевых производств Казанского государственного технологического университета. Научные интересы: экологическая биотехнология, экология, технология пищевых производств, энерго- и ресурсосбережение в пищевой промышленности и сельском хозяйстве.
420015, Казань, ул.К.Маркса, 68. Тел.: (843) 231-43-73.
Игорь Владимирович Князев научный сотрудник лаборатории экологических биотехнологий. Научные интересы: экология, экологическая биотехнология, эколого-аналитический контроль природных экосистем и промышленных объектов.
Наталья Юрьевна Крапивина научный сотрудник лаборатории эколого-аналитичес-ких измерений и мониторинга окружающей среды. Научные интересы: эколого-аналитический контроль природных экосистем и промышленных объектов.
Институт проблем экологии и недропользования АН РТ 420087, Казань, ул. Даурская, 28. Тел.: (843) 299-35-02.
I-•— научно-технический журнал
ШЪ. Георесурсы 5 ир
