Особенности состава и современные способы очистки сточных вод пищевых предприятий
Опубликовано: 04.09.2018
В статье представлены особенности состава сточных вод основных отраслей пищевой промышленности, дана их оценка, как потенциальных источников вторичных ресурсов. Рассмотрены современные способы очистки сточных вод пищевых предприятий, которые позволят создать экологобезопасные, ресурсосберегающие технологии для проведения очистки.
This article presents the characteristics of wastewater from the main branches of food industry. Food wastewater was evaluated as potential sources of secondary resources. Modern methods of food industry wastewater treatment have been described. These methods make it possible to develop eco-safe and resource-saving technologies for wastewater treatment.
ВВЕДЕНИЕ
Переработка сельскохозяйственной продукции не только для Беларуси, но и для любой страны в современных условиях приобретает стратегическое значение, так как этим определяется продовольственная безопасность страны. В Республике Беларусь планируется к 2015 году довести ежегодный объем производства зерна до 12,0 млн т, молока – до 10,7 млн т, скота и птицы в живом весе – до 2,0 млн т, картофеля – до 8,0 млн т, овощей – до 2,0 млн т [ 1]. Наращивание производства сельхозпродукции, ее переработка и выпуск продовольственных товаров значительно увеличат потребление водных ресурсов, и соответственно возрастут объемы сточных вод на предприятиях пищевой промышленности.
Пищевая промышленность, как и другие отрасли строительных производств, является источником негативного воздействия на окружающую среду. По степени интенсивности взаимодействия пищевой промышленности с окружающей средой первое место среди объектов природы занимают водные ресурсы, затем – почва и воздух. По расходу воды на единицу выпускаемой продукции пищевая промышленность занимает одно из первых мест. К наиболее водоемким отраслям относятся: мясо- и молокоперерабатывающая, рыбоперерабатывающая, плодоовощная, ликероводочная, спиртовая. Количество потребляемой свежей воды на предприятиях указанных отраслей в несколько раз превышает объем перерабатываемого сырья. Высокий уровень потребления обуславливает и большой объем образования сточных вод. Так, в мясоперерабатывающей промышленности он составляет 12,0–19,3 м3 на тонну мяса, в молокоперерабатывающей – 3,2–5,4 м3 на тонну молока [ 2]. На предприятиях большинства отраслей пищевой промышленности основной объем сточных вод образуется при гидротранспортировании и мойке сырья и оборудования. Доля загрязненных вод к общему объему сбрасываемых вод составляет 77 % [ 3].
Основной целью исследований автора статьи является анализ состава и свойств сточных вод пищевых предприятий, выбор и обоснование современных методов их очистки.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Широкая номенклатура перерабатываемого сырья и выпускаемой продукции наряду с разнообразием применяемых технологий предопределяет значительные различия в видах загрязнений сточных вод пищевых предприятий. В этих водах могут содержаться многочисленные и различные по природе загрязнения: жир, молоко, чешуя, шерсть, кровь, кусочки тканей животных, соли, кислоты, минеральные нерастворимые примеси, моющие вещества и др. Кроме того, в последнее время в связи с достаточно большим расширением ассортимента выпускаемой продукции и с применением различных загустителей, красителей, консервантов и т. п. в сточные воды поступают трудноокисляемые вещества, которые значительно усложняют процессы биологической очистки. Более подробно источники образования и состав сточных вод пищевых предприятий представлены в [ 4].
В таблице 1 представлены основные показатели, характеризующие степень загрязнения производственных сточных пищевых предприятий, а также минимальные и максимальные значения показателей, характеризующих общезаводской сток. Для отдельных цехов и производств значения этих показателей могут быть гораздо выше. Например, на молокоперерабатывающих предприятиях, вследствие влияния побочных продуктов, концентрация органических веществ в сточных водах, выраженная в БПК5, г/м3, составляет:
– первые промывные воды – 10 000;
– сыворотка – 35 000;
– маслянка – 70 000.
Как следует из таблицы 1, сточные воды пищевых предприятий (исключение составляют лишь сточные воды предприятий ликероводочной промышленности) характеризуются высокими показателями БПК, ХПК, взвешенных и биогенных веществ, что не позволяет, как правило, осуществлять сброс сточных вод в коммунальные системы водоотведения населенных пунктов или непосредственно в водные объекты. Эти сточные воды можно в основном отнести к категории высококонцентрированных стоков по органическим загрязнениям.
Таблица 1. Основные показатели загрязнения сточных вод пищевых предприятий
| Мясоперерабатывающая | 800–1500 | 1600–2000 | 1500–2000 | 100–150 | 40,0–80,0 | 6,5–8,5 |
| Молокоперерабатывающая | 1200–2400 | 1500–3000 | 300–600 | 50–90 | 8,0–16,0 | 6,0–8,0 |
| Рыбоперерабатывающая | 590–1300 | 1080–2009 | 1300–1350 | 30–40 | 9,0–29,0 | 7,0–8,0 |
| Хлебопекарная | 400–450 | 550–680 | 100–150 | 40–60 | 5,0–10,0 | 6,0–8,0 |
| Плодоовощная | 150–1610 | 190–2010 | 160–2180 | 20–30 | 0,1–1,4 | 6,0–7,5 |
| Пивоваренная | 800–1000 | 1200–1500 | 500–600 | 24–34 | 4,5–7,5 | 7,0–7,5 |
| Ликероводочная | 50–55 | 90–120 | 500–250 | 15–20 | 2,0–4,0 | 8,0–10,0 |
| Спиртовая | 400–500 | 500–600 | 400–440 | 15–20 | 2,2–4,0 | 5,0–6,0 |
В таблице 2 представлены результаты расчетов массы загрязняющих веществ, сбрасываемых со сточными водами мясомолочных и рыбоперерабатывающих предприятий при суточном объеме образующихся сточных вод 1000 м3 на каждом из указанных предприятий. Их высокие значения указывают на то, что задержанные в результате очистки загрязнения необходимо после соответствующей обработки утилизировать с последующим их использованием в различных отраслях сельского хозяйства.
Таблица 2. Масса загрязняющих веществ, сбрасываемых со сточными водами пищевых предприятий в течение суток и года
| Органические вещества | Взвешенные вещества | Азот | Фосфор | Органические вещества | Взвешенные вещества | Азот | Фосфор | |
| Мясокомбинат | 1,15 | 1,75 | 0,125 | 0,060 | 419,7 | 638,7 | 45,6 | 21,9 |
| Молочный комбинат | 1,80 | 0,45 | 0,070 | 0,012 | 657,0 | 164,2 | 25,5 | 4,38 |
| Рыбокомбинат | 0,93 | 1,32 | 0,035 | 0,019 | 339,4 | 481,8 | 12,8 | 6,93 |
На пищевых предприятиях применяют механические, физико-химические, биологические методы очистки сточных вод, характеризующиеся различным назначением и эффективностью.
Механические методы очистки предназначены для удаления из сточных вод нерастворимых примесей и основаны на процессах процеживания, отстаивания и фильтрования. Кроме того, для удаления механических примесей можно использовать аппараты с действием центробежных сил, например, гидроциклоны.
Для удаления из сточных вод грубодисперсных примесей традиционно используются вертикальные и наклонные решетки с шириной прозоров 15–20 мм. Опыт эксплуатации этих решеток свидетельствует о низкой эффективности их работы и недостаточной надежности. В работе [ 5] представлены результаты исследований решетки тонкой очистки с шириной прозоров 4 мм. Установлено, что количество грубодисперсных примесей, снимаемых с решетки тонкой очистки, в 4–5 раз больше, чем с традиционной решетки с прозорами 16 мм. Решетки тонкой очистки изготовлены из нержавеющей стали, что значительно увеличивает их долговечность, кроме того, они автоматизированы.
Для механической очистки сточных вод пищевых предприятий от взвешенных веществ, представленных песком и нерастворенными органическими примесями, обычно используются песколовки и отстойники различных конструкций. Эффективность работы песколовок составляет до 40 %–50 %, а отстойников – до 30 %–40 %. Эксплуатация этих сооружений также представляет сложный и трудоемкий процесс.
Альтернативным вариантом указанным сооружениям механической очистки является использование аппаратов и оборудования, действие которых основано на использовании центробежных сил [ 6]. К таким аппаратам относятся открытые гидроциклоны. Для данных аппаратов характерны небольшие скорости входа, незначительное гидравлическое сопротивление и большая производительность. Также использование этих аппаратов позволяет сократить в 3–5 раз капитальные затраты и на 20 %–40 % эксплуатационные расходы, уменьшить в несколько раз необходимые площади, а также увеличить эффективность очистки от механических примесей до 70 % по сравнению с применяемыми традиционными сооружениями.
В технологических схемах очистки сточных вод пищевых предприятий используются следующие физико-химические методы: мембранная фильтрация, электродиализ, флотация, реагентная обработка. Эффективность перечисленных методов очистки зависит от совокупности производственных факторов, влияющих на состав сточных вод, поступающих на очистку, от качества предшествующих стадий очистки, от количества поступающих сточных вод, а также от режима их поступления. Однако широкому внедрению физико-химических методов в локальных схемах предварительной очистки сточных вод пищевых предприятий препятствует тот факт, что стоки этих предприятий трудно прогнозируемы в качественном отношении, концентрации загрязнений колеблются в достаточно широком диапазоне и даже применение усреднителей не позволяет стабилизировать эти показатели. Это приводит к необходимости корректировки параметров проведения процесса в зависимости от качества поступающей на очистку сточной воды и усложняет эксплуатацию сооружений, реализующих физико-химические методы обработки. Применение реагентных методов требует, к тому же, громоздких сооружений реагентного хозяйства и становится невозможным утилизировать извлекаемые загрязнения ввиду их смешивания с коагулянтами.
Для удаления из сточных вод пищевых предприятий растворенных органических веществ наиболее целесообразно применять их биологическое окисление в искусственно созданных условиях. Работа сооружений биологической очистки характеризуется такими показателями, как БПК, ХПК, перманганатная окисляемость, наличием биогенных элементов, реакцией среды, температурой. Известно, что для одних и тех же сточных вод величина ХПК всегда больше БПК. При этом, если БПК/ХПК больше 0,5, сточные воды следует направлять на сооружения биологической очистки. В противном случае их подвергают физико-химической обработке.
В таблице 3 представлены параметры производственных сточных вод основных отраслей пищевой промышленности, выраженные через БПК/ХПК, ХПК/БПК, ХПК/Nобщ, БПК/Nобщ. Как следует из таблицы 3, отношение БПК/ХПК больше 0,5. По этому показателю все сточные воды можно подвергать биологической очистке.
Таблица 3. Параметры производственного стока пищевых предприятий
| ХПК/БПКп | 1,56 | 1,25 | 1,63 | 1,45 | 1,25 | 1,50 | 2,00 | 1,22 |
| ХПК/Nобщ | 14,40 | 32,1 | 44,0 | 12,4 | 44,0 | 46,5 | 6,0 | 31,4 |
| БПК/Nобщ | 9,2 | 25,7 | 27,0 | 8,5 | 35,2 | 31,0 | 3,0 | 25,7 |
| БПКп/ХПК | 0,64 | 0,80 | 0,61 | 0,69 | 0,80 | 0,67 | 0,51 | 0,81 |
| * Цифрами обозначены следующие отрасли пищевых предприятий: 1 – мясоперерабатывающая; 2 – молокоперерабатывающая; 3 – рыбоперерабатывающая; 4 – хлебопекарная; 5 – плодоовощная; 6 – пивоваренная; 7 – ликероводочная; 8 – спиртовая. |
Высокое значение отношения ХПК/БПК (более 2,5) свидетельствует о наличии в сточных водах трудноразлагаемых органических веществ. В рассматриваемом случае это отношение не превышает 2,0. Высокое значение отношения ХПК/Nобщ (среднее значение находится в пределах 8–12) делает предпочтительной денитрификацию. Для нормального хода процесса биологической очистки необходимо присутствие в сточных водах биогенных элементов – азота и фосфора. Содержание азота и фосфора должно удовлетворять соотношению БПК:N:Р = 100:5:1. Для рассматриваемых сточных вод такие соотношения представлены в таблице 4.
Из данных таблицы 4 следует, что для сточных вод практически всех рассматриваемых отраслей пищевой промышленности это соотношение соблюдается, исключение составляют лишь сточные воды плодоовощной промышленности. При биологической очистке указанных сточных вод требуется подпитка фосфором или смешивание с другими сточными водами, содержащими фосфор в избытке.
Таблица 4. Отношение значений БПКп, общего азота и общего фосфора в производственных стоках пищевых предприятий
| Мясоперерабатывающая | 100:10,8:5,20 |
| Молокоперерабатывающая | 100:3,9:0,70 |
| Рыбоперерабатывающая | 100:3,7:2,00 |
| Хлебопекарная | 100:11,7:1,80 |
| Плодоовощная | 100:2,8:0,08 |
| Пивоваренная | 100:3,2:0,67 |
| Ликероводочная | 100:33,3:5,70 |
| Спиртовая | 100:3,9:069 |
Подробный анализ состава и свойств сточных вод пищевых предприятий показывает, что для удаления из них растворенных органических примесей наиболее целесообразно использовать биологические способы очистки.
В качестве основного сооружения биологической очистки следует применять комбинированные биоокислители, так как в этих сооружениях процесс биохимической очистки осуществляется как свободноплавающим, так и прикрепленным биоценозом. Подробные сведения о современных конструкциях комбинированных биоокислителей и результаты исследования процесса очистки сточных вод на них представлены в работах [ 7, 8 ].
Применение комбинированных биоокислителей для очистки сточных вод пищевых предприятий позволяет не только изъять органические загрязнения, но и после соответствующей их обработки утилизировать в качестве кормовых добавок и кормов для сельскохозяйственных животных. Это дает возможность разработать и внедрить экологобезопасную и ресурсосберегающую технологию очистки сточных вод пищевых предприятий.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
На основании выполненных исследований можно сделать следующие выводы.
1 Сточные воды пищевых предприятий можно отнести к категории высококонцентрированных по органическим веществам.
2 Извлекаемые из сточных вод пищевых предприятий органические и биогенные вещества после соответствующей обработки могут служить источником вторичных ресурсов.
3 Перспективными сооружениями для механической очистки сточных вод пищевых предприятий могут служить решетки тонкой очистки и безнапорные гидроциклоны.
4 В сточных водах пищевых предприятий содержится достаточное количество биогенных веществ, необходимых для осуществления процесса биологической очистки.
5 В качестве сооружений биологической очистки целесообразно использовать сооружения на основе комбинированных биоокислителей.
6 Комплексное использование сооружений механической очистки (решетки тонкой очистки, безнапорные гидроциклоны) и комбинированных биоокислителей позволяет разработать экологобезопасную и ресурсосберегающую технологию очистки сточных вод пищевых предприятий.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Постановление Совета Министров Республики Беларусь от 18.02.2011 № 216 // Национальный реестр правовых актов Республики Беларусь, 2011 г., № 29, 5/33370.
2. Укрупненные нормы водопотребления и водоотведения для различных отраслей промышленности / Совет Экономической Взаимопомощи, ВНИИ водоснабжения, канализации, гидротехн. сооружений и инж. гидрогеологии. – 2-е изд. перераб. – М.: Стройиздат, 1982. – 528 с.
3. Гавриленков, А. М. Экологическая безопасность пищевых производств / А. М. Гавриленков, С. С. Зарцина, С. Б. Зуева. – СПб.: Гиорд, 2006. – 272 с.
4. Яромский, В. Н. Очистка сточных вод пищевых и перерабатывающих предприятий / В. Н. Яромский. – Минск: Издательский центр БГУ, 2009. – 171 с.
5. Яромский, В. Н. Экспериментальные исследования канализационной решетки «нового типа» / В. Н. Яромский, В. В. Шкодов // Материалы научно-технической конф., посв. 30-летию ин-та; Брест. политех. ин-т, Брест, 1996 г.: в 2 ч., ч. 1. – С. 228–230.
6. Яромский, В. Н. Эффективное решение вопроса механической очистки сточных вод от грубодисперсных примесей / В. Н. Яромский, М. В. Яковчиц, Т. И. Акулич // Вестник Брестского государственного технического университета. Водохозяйственное строительство и теплотехника. – 2006. – № 2(38). – С. 54–56.
7. Яромский, В. Н. Совершенствование конструкций комбинированных биоокислителей для очистки сточных вод / В. Н. Яромский // Строительная наука и техника. – 2010. – № 1–2 (28–29). – С. 147–149.
8. Яромский, В. Н. Исследование процесса очистки сточных вод на комбинированных биоокислителях / В. Н. Яромский, Э. И. Михневич // Вестник БНТУ. – 2010. – № 6.– С. 62–66.
