Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

В ходе производственных процессов часто образуются сточные воды, представляющие собой стойкие эмульсии, содержащие жиры, масла и нефтепродукты. Примером таких водных систем являются сточные воды молокоперерабатывающих предприятий, маслоэкстракционных заводов, станций техобслуживания и др.

Наличие в воде устойчивых эмульсий не позволяет достигать высокой эффективности очистки при использовании широко известных механических, флотационных и мембранных технологий [1]. Применение сорбционных технологий в таких случаях очень удорожает процесс очистки вследствие блокирования микро- и мезопор гидрофобных материалов, что требует частой замены сорбентов, влечет за собой проблему их регенерации и дальнейшей утилизации. Наиболее рациональным был бы такой подход, чтобы очистка происходила за счет физико-химических свойств веществ, входящих в состав промышленных отходов.

Глава 1. Химический состав, физические свойства и биологическая ценность вторичного молочного сырья

Химический состав

Основными и наиболее ценными компонентами вторичного молочного сырья являются белки, липиды (молочный жир) и углеводы (лактоза). Кроме основных компонентов во вторичное молочное сырье переходят минеральные соли, небелковые азотистые соединения, витамины, ферменты, гормоны, иммунные тела, органические кислоты, т.е. почти все соединения, обнаруженные в настоящее время в молоке. Содержание основных компонентов в обезжиренном молоке, пахте и молочной сыворотке в сравнении с цельным молоком (в %) приведено в табл.1.

Таблица 1

Компоненты	Цельное молоко	Обезжиренное молоко	Пахта	Молочная сыворотка
Массовая доля,% сухого вещества	12,3	8,8	9,1	6,3
В том числе: молочного жира	3,6	0,05	0,5	0,2
белков	3,2	3,2	3,2	0,8
лактозы	4,8	4,8	4,7	4,8
минеральных веществ	0,7	0,75	0,7	0,5

когенерация молокозавод сточный вода

Особенностью молочного жира вторичного молочного сырья является высокая степень дисперсности. Кроме молочного жира обезжиренное молоко, молочная сыворотка и особенно пахта содержат фосфатиды (лецитин, кефалин, сфингомиелин) и стерины (холестерин и эргостерин).

К белковым азотистым соединениям, содержащимся в обезжиренном молоке, пахте и молочной сыворотке, относятся казеин, лактоальбумин, лактоглобулин, автоглобулин и псевдоглобулин. Они содержат все незаменимые аминокислоты, а также аланин, аспарагиновую кислоту, глицин, глютаминовую кислоту и др. Некоторые незаменимые аминокислоты, например, лейцин, изолейцин, метионин, лизин, треонин триптофан, представлены в белках молочной сыворотки даже в большем количестве, чем в белках молока (казеине). Во вторичном молочном сырье и особенно в молочной сыворотке присутствуют также небелковые азотистые вещества в виде мочевины, мочевой кислоты, гиппуровой кислоты, креатина и пуриновых оснований.

В обезжиренном молоке, пахте и молочной сыворотке углеводы представлены главным образом молочным сахаром (лактозой) и продуктами его гидролиза (глюкозой и галактозой). Имеются сведения о незначительных количествах пентозы (арабинозы) и лактулозы.

Минеральные вещества присутствуют во вторичном молочном сырье в виде органических и неорганических соединений. Состав минеральной части обезжиренного молока, пахты и сыворотки представлен катионами калия, натрия, магния, кальция и анионами лимонной, фосфорной, молочной, соляной, серной и угольной кислот. В сыворотке минеральных веществ несколько меньше, чем в обезжиренном молоке и пахте, так как некоторая часть солей переходит в основной продукт (сыр, творог, казеин).

В состав вторичного молочного сырья входят также микро - и ультрамикроэлементы: железо, кобальт, мышьяк, йод, кремний, германий.

Органические кислоты во вторичном молочном сырье представлены лимонной, молочной и нуклеиновой, витамины - водорастворимыми (С, В₁, В₂, В₁₂, РР, пантотеновая и аскорбиновая кислоты) и жирорастворимыми (А, Д, Е).

Ферменты, содержащиеся во вторичном молочном сырье, можно разделить на гидролазы и фосфорилазы, ферменты расщепления, окислительно-восстановительные ферменты, ферменты переноса и ферменты изомеризации. При тепловой обработке обезжиренного молока, пахты или сыворотки при температуре выше 75°С ферменты обычно разрушаются [3].

Физические свойства

Обезжиренное молоко. В результате сепарирования цельного молока происходит его разделение на сливки (жировую часть) и обезжиренное молоко (нежировую часть). Обезжиренное молоко отличается от цельного большим содержанием сухого обезжиренного молочного осадка (СОМО) и меньшим количеством жира. Так, если в цельном молоке на одну часть жира приходится 2,2-2,4 СОМО, то в обезжиренном - 90 - 170.

Содержание сухих веществ в обезжиренном молоке зависит от содержания их в цельном и может колебаться от 8,2 до 9,5%.

Основные физические свойства обезжиренного молока характеризуются следующими данными: плотность 1030 - 1035 кг/м³, вязкость (1,71 - 1,75).10^-3 Па^. с, теплоемкость 3,978 кДж/ (кг^. К), теплопроводность 0,429 Вт/ (м^. К). В связи с незначительным содержанием жира плотность обезжиренного молока выше плотности цельного молока, составляющей в среднем 4028 - 1032 кг/м³, а вязкость меньше вязкости цельного молока примерно на 8-15%. Энергетическая ценность обезжиренного молока меньше по сравнению с цельным в 2 раза вследствие малого количества содержащегося в нем жира.

Пахта. Пахта образуется на стадиях сбивания или сепарирования сливок при производстве сливочного масла и представляет собой жидкую несбиваемую часть сливок. В зависимости от метода выработки масла различают следующие виды пахты: пахта, получаемая при производстве сливочного масла методом сбивания сливок - СC на маслоизготовителях периодического и непрерывного действия; пахта, получаемая при производстве сливочного масла методом преобразования высокожирных сливок - ЛВС.

Способом выработки сливочного масла во многом определяются состав и свойства шахты. Кроме того, в зависимости от вида вырабатываемого масла различают пахту, получаемую при производстве сладкосливочного масла, и пахту, получаемую при производстве кислосливочного масла.

Физические свойства пахты характеризуются следующими данными: плотность 1029 - 1035 кг/м³, вязкость (1,65 - 1,7) 10^-3 Па^. с, теплоемкость 3,936 кДж/ (кг^. К), теплопроводность 0,452 Вт/ (м^. К).

Молочная сыворотка. Молочная сыворотка является побочным продуктом при производстве сыров, творога, казеина. В зависимости от вида вырабатываемого продукта получают подсырную, творожную или казеиновую сыворотку. В процессе производства сыров, творога и казеина в молочную сыворотку переходит около 50% сухих веществ молока. Степень перехода основных компонентов молока в молочную сыворотку определяется главным образом размерами их частиц. Состав и свойства молочной сыворотки обусловлены видом основного продукта и особенностями технологии его получения.

Основным компонентом в составе сухих веществ молочной сыворотки является лактоза, которая составляет более 70%. В молочной сыворотке в среднем на 100 мл содержится 0,135 мг азота, около 65% которого входит в состав белковых азотистых соединений и около 36% в состав небелковых. Содержание белковых азотистых соединений в сыворотке колеблется от 0,5 до 0,8% и зависит от способа коагуляции белков молока, принятого при получения основного продукта (творог, сыр, казеин).

Состав углеводов молочной сыворотки аналогичен углеводному составу молока: моносахара, олигосахара и аминосахара. Основной углевод - лактоза. Из моноз в сыворотке обнаружены глюкоза и галактоза. В творожной сыворотке содержится 0,7-1,6% глюкозы, что обусловлено гидролизом лактозы при производстве творога.

В молочной сыворотке содержится 0,05-0,5% жира, что обусловлено содержанием его в исходном сырье и технологией выработки основного продукта. В сепарированной сыворотке содержание жира составляет 0,05-0,1%. Молочный жир в сыворотке диспергирован больше, чем в цельном молоке, что положительно влияет на его усвояемость.

В молочную сыворотку переходят почти все соли и микроэлементы молока, а также соли, вводимые при выработке основного продукта. Абсолютное содержание основных зольных элементов в сыворотке следующие: калий 0,09-0,19%, магний 0,009-0,02, кальций 0,04-0,11, натрий 0,03-0,05, фосфор 0,01-0,1, хлор 0,08-0,11%.

Минеральные вещества в сыворотке находятся в форме истинного и молекулярного растворов и в коллоидном состоянии, в виде солей органических и неорганических кислот. В состав неорганических солей входит 67% фосфора, 78% кальция и 80% магния. Количественное содержание анионов (5,831 г/л) и катионов (3,323 г/л) в молочной сыворотке аналогично содержанию микроэлементов в цельном молоке. Из катионов в сыворотке преобладают калий, натрий, кальций, магний и железо; из анионов - остатки лимонной, фосфорной, молочной и соляной кислот.

В подсырную сыворотку переходит 23-75% сычужного фермента, введенного в молоко. При производстве казеина сыворотка содержит некоторое количество минеральных кислот - соляной или серной.

Молочная сыворотка имеет следующие основные показатели: плотность 1022 - 1027 кг/м³, вязкость (1,55 - 1,66) 10^-3 Па^. с, теплоемкость 4,8 кДж/ (кг^. К), рН 4,4 - 6,3, буферная емкость то кислоте 1,72 мл и по щелочи 2,32 мл, мутность 0,15 - 0,25 см^-1. Энергетическая ценность сыворотки несколько ниже, чем цельного молока, а биологическая - примерно та же, что обусловливает возможность и целесообразность ее использования в диетическом питании [3].

Биологическая ценность

Биологическая ценность вторичного молочного сырья обусловлена содержанием в нем молочных белков (казеина, сывороточных белков), углеводов, жира, минеральных солей, витаминов, микро - и ультрамикроэлементов и других веществ, необходимых для нормального роста и развития организма человека и животных.

Молочный жир в обезжиренном молоке, пахте и молочной сыворотке находится в состоянии высокой степени дисперсности. Размер жировых шариков составляет 0,06 - 1 мкм, что способствует более легкому эмульгированию, омылению и усвояемости (94 - 96%) жира.

Усвояемость молочного сахара живым организмом достигает 98 - 99,7%. Наряду с энергетическими функциями лактоза выполняет функции структурного углевода. Кроме того, медленнее всасываясь, она способствует поддержанию жизнедеятельности молочных бактерий. Молочная кислота, продуцируемая из лактозы, угнетает деятельность гнилостной микрофлоры желудка, что обусловливает диетические свойства простокваши, кефира и других кисломолочных продуктов.

Больше всего в молочном белке содержится лизина. Так как в белках злаковых растений лизина содержится недостаточно, то молочный белок может существенно восполнить этот недостаток. Если принять биологическую ценность белка куриного яйца за 100 (тест белка), то для комплекса молочных белков этот показатель составит 92 (для казеина - 73, а для сывороточных белков - 110). Биологическая ценность смеси, состоящей из 76% молочного белка и 24% белка пшеницы, равняется 105 - 112, что превосходит биологическую ценность белка пшеницы (56) и превышает биологическую ценность самого молочного белка. Смесь концентрата сывороточных белков с другими растительными белками дает еще больший эффект.

Глава 2. Предпосылки внедрения когенерации на молокоперерабатывающих предприятиях

В последние годы прошел период бурного роста объемов производства и объединения молочных предприятий в холдинговые структуры. В конкурентной борьбе за потребителя на первый план наряду с необходимостью технической реконструкции, внедрением европейских стандартов контроля качества, разработкой новых видов продуктов, вышли проблемы снижения себестоимости продукции и в первую очередь - экономия топлива, электроэнергии, воды, улучшение очистки сточных вод. Важнейшая задача сегодня - это серьезная реконструкция производства, основанная на новейших технологиях и процессах, предлагающих существенные возможности экономии энергии.

Для молочной промышленности характерно то, что электрическая и тепловая энергия потребляются одновременно. При этом электроэнергию получают от сетей энергоснабжающих компаний, а тепловая энергия - производится собственными котельными. Практически отсутствующая на данный момент конкуренция среди генерирующих и энергораспределительных компаний приводит к отсутствию мотивации в сокращении издержек при производстве, транспортировке и поставке электроэнергии конечным потребителям, вызывает постоянный рост цен на энергоносители для конечных потребителей и негативно сказывается на себестоимости продукции.

Удельное потребление энергии (количество использованной энергии на производство одной тонны переработанного молока) отличается в значительной степени среди различных предприятий и зависит от ассортимента продукции, загруженности предприятия, эффективности используемого оборудования и его технического состояния. В производственных затратах молокозаводов в Украине расходы на энергоресурсы составляет 10%, а в странах-членах ЕС всего 0,8-2%.

Для существенного снижения энергоемкости и, соответственно, себестоимости молочной продукции необходима альтернативная более эффективная технология энергоснабжения. В настоящее время самой эффективной технологией производства электрической и тепловой энергии из органического топлива является когенерация и тригенерация. Когенерационные установки на базе газопоршневых двигателей имеют наивысшую на сегодняшний день эффективность преобразования энергии топлива в электричество. Например, для современных установок производства General Electric GE Jenbacher (мировой лидер в производстве газопоршневых двигателей и электростанций на их базе), электрический КПД составляет 43%, а с учетом тепла общий КПД достигает 90%. Это позволяет иметь минимальную топливную составляющую в себестоимости производимой электроэнергии.

Суть нового подхода к энергообеспечению молокоперерабатывающих предприятий - использование когенерационных технологий и технологий тригенерации для собственной комбинированной выработки дешевой электроэнергии, тепловой энергии при сжигании природного газа с максимальной эффективностью в когенерационных газопоршневых установках и преобразование последней в холодоноситель для использования в технологических производственных процессах молокозавода.

На молочных предприятиях холод используется в технологических процессах производства продукции, для хранения продукции, а на сырзаводах - еще и для камер созревания сыра. Технические особенности абсорбционных чиллеров позволяют получать лед-воду с температурой 5-10 оС, поэтому для камер хранения продукции целесообразно использовать компрессионную холодильную технику, а потребности в холоде (лед-воде) технологических процессов можно обеспечить абсорбционными чиллерами, работающими в комплексе с когенерационными модулями.

Применение для молочных предприятий тригенерационных комплексов в составе собственных мини-ТЭЦ и абсорбционных холодильных машин решит известные сегодняшние проблемы, приведя электро-, тепло- и холодоснабжение к современному техническому уровню, снизит затраты на энергоресурсы, обеспечит независимость производства от внешних сетей облэнерго.

Конкретные и неоспоримые конкурентные преимущества собственной когенерационной электростанции:

· Более эффективное использовать сжигаемое дорогостоящее топливо (общий КПД использования топлива в установках достигает 90%);

· Возможность получения дешевой электроэнергии для нужд потребителей молокозавода;

· Получение необходимого количества дешевого теплоносителя для технологии тригенерации;

· Снижение уровня выбросов вредных веществ и парниковых газов;

· Внедрение передовой высокоэффективную технологию тригенерации в технологический цикл предприятий.

Традиционное электроснабжение молокоперерабатывающих предприятий осуществляется от сети облэнерго по 33,7 коп/кВтч (без НДС) - тариф 2-класса (напряжение ниже 35 кВ). При сегодняшней цене газа на собственной ТЭЦ на базе модуля GE типа JMC-420 мощностью 1,4 МВт (электрической) и 1,4 МВт (тепловой) затраты составляют до 18 коп. за 1 кВтч электроэнергии и еще 1 кВтч тепловой энергии без дополнительных затрат. С учетом замещения производства тепла на существующей котельной тепловой энергией от когенерационных модулей: себестоимость электроэнергии 11 коп/кВтч, а себестоимость тепла - до 80 грн/Гкал.

При увеличении цены газа например до 260$, себестоимость выработки электроэнергии на собственной ТЭЦ, с учетом производства тепла, составит 16,7 коп/кВтч., что все равно намного выгодней, чем покупать в облэнерго. Но удвоение цены на газ пройдет на фоне увеличения цены и на электроэнергию. Есть много объективных факторов для роста цены на электроэнергию: тот же рост цен на топливо, в т.ч. природный газ, уголь и ядерное топливо, необходимость обновления распределительных сетей и генерирующих мощностей, рост заработной платы персонала по всей энергетической отрасли (от шахтеров до обслуживающего персонала тепловых электростанций и распределительных сетей) и т.д.

Благодаря такой экономии затрат простой срок окупаемости проекта по строительству собственной ТЭЦ может составить 3 года при правильном выборе генерирующего оборудования и режимов его работы.

Внедрение когенерации можно проводить параллельно с внедрением 3-х зонного учета. Тогда Собственник получает возможность дополнительно снизить затраты на энергоснабжение, получая электроэнергию от сетей облэнерго по дешевому ночному тарифу, а в периоды дорогой пиковой и полупиковой электроэнергии производить электричество на собственной когенерационной электростанции.

В начале 2007 года действует такой коэффициент к одноставочному тарифу в период ночного провала нагрузки (7 часов) k = 0.25. Таким образом, цена электроэнергии в ночной период будет дешевле себестоимости ее производства. Отключая когенерационные установки на ночной период Собственник может снизить затраты на энергоснабжение еще на 10ч30% (по сравнению с постоянной работой когенерационной станции). По такой схеме работает большинство маневренных электростанций в Европе.

Одним из важнейших преимуществ внедрения когенерации является повышение надежности энергоснабжения. Цена надежного электроснабжения достаточно высока: отсутствие, или внезапное отключение энергоснабжения несет за собой недополучение прибыли, а возможно убытки и потерю деловой репутации. Аварийные отключения могут стать причиной выхода из строя дорогостоящего оборудования, потерь сырья и порчи продукции.

В случае наличия собственной ТЭЦ потребитель застрахован от перебоев в централизованном энергоснабжении, время от времени возникающих либо вследствие износа основных фондов энергоснабжающих компаний, либо других непредвиденных причин. Помимо этого, устраняются организационные, финансовые и технические проблемы при реконструкции и росте мощностей предприятий, поскольку не требуется прокладка новых линий электропередач, строительство новых трансформаторных подстанций, перекладка теплотрасс. Кроме того, Собственник защищен от монопольного повышения тарифов на энергоснабжение.

2.1 Особенности конструкции, выбора и инсталляции когенерационных установок на предприятии

Когенерационные модульные установки хорошо вписываются в существующую инфраструктуру предприятия. Возможны два варианта размещения:

1) Исполнение во всепогодном, шумозащитном кожухе комплектной поставки открыто на фундаментах возле здания существующей котельной. Когенерационный агрегат в контейнерном исполнении представляет собой полностью смонтированный производителем функциональный модуль, в состав которого входит как основное оборудование, так и такие вспомогательное системы как масляное хозяйство, вентиляция, пожарная и газовая сигнализации. Может быть в сжатые сроки установлен и, после подключения инженерных коммуникаций, запущен в эксплуатацию.
2) Открытое исполнение для установки в существующем здании котельной.

Когенерационный модуль представляет собой агрегат, в состав которого входят:

1. Четырехтактный газовый двигатель с искровым зажиганием, турбонаддувом газовоздушной смеси, оснащенный специальной системой управления.

2. Электрогенератор.

3. Теплообменники: масла, 1-ой ступени газовоздушной смеси, рубашки двигателя, тепловая мощность которых используется для подогрева теплоносителя (вода 90/80°С). Дальнейший подогрев теплоносителя производится в теплообменнике выхлопных газов. В теплообменнике 2-ой ступени газовоздушной смеси отбирается низкопотенциальное тепло, которое выбрасывается в атмосферу посредством вентиляторного охладителя.
Источником теплоснабжения являются агрегаты (модули), предусматривающие использование тепловой энергии в виде горячей воды 110/70 °С, либо пара. Вырабатываемая вода с температурой 110 °С используется абсорбционными холодильными машинами для производства холода (лед-воды).

Рис.1. Тепловая принципиальная схема выработки воды с температурой 110 °С.

При снижении потребления горячей воды абсорбционными холодильными машинами, излишнее тепло утилизируется системой аварийного охлаждения сетевой воды. Система аварийного охлаждения обеспечивает нормальную работу агрегатов при полном отсутствии присоединенной нагрузки теплоснабжения.

На молокоперерабатывающем предприятии использование когенерации позволит исключить из себестоимости продукции затраты на закупку электроэнергии. Обеспечивается сокращение расхода газа на котельной в следствие использование горячей воды, для промывки оборудования и технологических трубопроводов и отопления от собственной мини-ТЭЦ.

Кроме того, снижаются объемы потребления собственной электроэнергии на производство холода (лед-воды) для технологических нужд. Благодаря использованию абсорбционных чиллеров повышается холодопроизводительность холодильной установки при снижении потребляемой электрической мощности, используются хладагенты R-134a, R-718 (вода), без применения аммиака в системе.

Молокоперерабатывающие предприятия в Украине, где уже работают когенерационные установки: молокозавод «Рогань» г. Харьков (1 МВт эл.), предприятие «Фани» г. Павлоград Днепропетровской области (0,5 МВт), разработан проект с использованием тригенерации для Донецкого молзавода и еще целого ряда украинских молочных заводов и сыркомбинатов.

Еще одним важнейшим применением когенерационной установки на молокоперерабатывающих предприятиях является использование тепла выхлопных газов газопоршневого двигателя в процессах сушки сконцентрированного цельного молока, сконцентрированного обезжиренного молока, заменителей цельного молока с содержанием жира 30%, а также сконцентрированной подсырной сыровотки - в качестве альтернативы для паровых систем и теплообменников пар-воздух.

Цеха сушки потребляют в среднем 60 % всего пара, вырабатываемого котельной, причем давление пара требуется 11-12 кгс/см2. Как правило, цеха сушки находятся на значительном расстоянии от котельных, а на многих предприятиях неудовлетворительное состояние изоляции паропроводов, что приводит к потерям. Оснащение цехов сушки молока когенерационными установками позволит существенно разгрузить существующие котельные.

Тепловая мощность, которую можно получить от выхлопного газа зависит от установленной мощности когенерационного модуля, например: до 0,44 МВт - от модуля в 1 МВт установленной мощности, 1,4 МВт - от модуля 3 МВт. Температура выхлопных газов газопоршневого двигателя достигает 500 оС. Объем выхлопного газа: 4491 нмі/час (модуль 1 МВт), 13 666 нмі/час (модуль 3 МВт). В качестве сушильного агента применяется воздух. Его нагрев может быть произведен путем подачи воздуха в сушильную камеру через воздухоподогреватель за счет утилизации тепла отходящих продуктов сгорания. Воздухоподогреватель располагают по ходу движения продуктов сгорания. Обычно для нужд сушки воздухоподогреватели рассчитываются на заданную производительность по горячему воздуху с температурой 200 °С.

Использование когенерации выгодно и в случае, если в цехах сушки вместо паровых калориферов уже были установлены газовые теплогенераторы. Когенерационный модуль кроме такого же продукта, как и у теплогенератора, - горячего воздуха, еще обеспечивает производство электроэенргии.

Очевидно, что при реализации проектов когенерации на украинских предприятиях в будущем ставку нужно делать на выбор когенерационного оборудования, имеющего максимальную эффективность.

Экономически целесообразно применять оборудование, которое характеризуется минимальным потреблением топлива, при этом, в первую очередь, с высокой эффективностью производить электрическую энергию, как самый дорогой продукт, т.е. иметь максимальный электрический коэффициент полезного действия (КПД). При этом тепловая энергия производится путем утилизации тепла от работающего оборудования во время производства электроэнергии. Электрический КПД современных когенерационных установок достигает более 43 %, при этом на каждый 1 кВт/час полученной электроэнергии производится 1 кВт/час полезно используемой тепловой энергии.

Глава 3. Очистка сточных вод молокозаводов и сыркомбинатов с получением биогаза и его утилизацией в когенерационных установках с выработкой электрической и тепловой энергии

Изменение технологии влечет за собой изменение качества образующихся сточных вод. Кроме того, все большее внимание уделяется рациональному потреблению свежей воды. Снижение ее потребления приводит к тому, что сточные воды молокозаводов становятся более концентрированными при уменьшении их общего количества. Для многих предприятий соответствующая очистка сточных вод представляет серьезную проблему.

Это происходит на фоне возрастающего давления на предприятия со стороны водоканалов и контролирующих органов. Все чаще перед предприятиями встают проблемы поиска эффективных, надежных в эксплуатации, гарантирующих стабильное и высокое качество очистки очистных сооружений, а во многих случаях - реконструкции и расширения уже имеющихся. Рост стоимости топливно-энергетических ресурсов заставляет украинских производителей задуматься и о таких источниках снижения себестоимости молочной продукции, как рациональное использование энергоресурсов, эффективное управление отходами производства, одним из которых является сточные воды.

Многие предприятия пытаются оттянуть момент, когда придется заняться очистными сооружениями, считая это высокозатратным мероприятием, которое не принесет ни какой пользы непосредственно производителю молочной продукции.

Решение этой проблемы - выбор наиболее эффективной, энергосберегающей технологии очистки сточных вод молокоперерабатывающих предприятий с получением биогаза и дальнейшей его утилизации в когенерационных установках с получением электроэнергии и тепловой энергии. Кроме того, на многих молокоперерабатывающих предприятиях, которые производят твердые сыры, образуется большие количества подсырной сыворотки, которая практически не пригодна для дальнейшей переработки, и с утилизацией которой многие предприятия имеют серьезные проблемы. Эта сыворотка может с успехом использоваться для производства биогаза.

Метановое брожение используется как предварительная стадия очистки концентрированных стоков с последующей аэробной доочисткой. При этом образуется большое количество биогаза, с содержанием метана до 60-80 %. Вода, очищенная на 60-80% с применением анаэробного метода, направляется на существующую аэробную доочистку в аэротенк, где достигается требуемая степень ее очистки.

Метанреакторы позволяют получать на выходе сточную воду с БПК - 100-300 мг О2/л, выход биогаза составляет 0,6 л/кг ХПК. Степень очистки по ХПК, БПК достигает 80-95%, по взвешенным веществам более 85%.

При концентрации загрязнений на входе (по ХПК) 2000 - 20000 мг/л сбраживающая мощность реактора достигает (по ХПК) 10-40 кг/м3/сут, время пребывания сточной воды в реакторе 20-30 ч. Процесс метанообразования практически сразу откликается на изменение нагрузки на реактор, при пиковых нагрузках на очистные сооружения и после кратковременных перерывов в подаче сточной воды.

Затраты электроэнергии на 1 кг удаленных загрязнений (по ХПК) для анаэробно-аэробного процесса составляют 0,2-0,4 кВт.ч/кг ХПК, что также в десять и более раз ниже показателей, типичных для аэробных процессов. При этом количество образуемого избыточного ила (сумма анаэробного и аэробного) составляет 0,14-0,18 кг/кг ХПК (по абсолютно сухим веществам), что в 2-3 раза меньше, чем в случае использования только аэробного процесса.

Как показал опыт молочных заводов, применение современных анаэробных реакторов для очистки сточных вод позволяет решить сразу несколько проблем: обеспечить высокую производительность очистных сооружений, повысить качество очистки сточной воды, резко уменьшить количество избыточного ила и за счет использования образующегося на предприятии биогаза снизить потребление покупного газа. При этом локальные установки для удаления жира и взвешенных веществ из сточной воды не нужны. Наоборот, концентрированные загрязнения - жиры, белки, углеводы должны быть направлены непосредственно и без потерь на биологическую очистку и подвергнуты биоконверсии для получения максимального количества биогаза.

Технологии GE Jenbacher дают возможность использования биогазов, газов сточных вод, мусорных свалок, пиролизных, синтез-газов и других особых газов для получения электроэнергии и тепловой энергии. Постоянное совершенствование двигателей GE Jenbacher и специализация на использование особых газов обеспечивают возможность применения газов с низкой теплотой сгорания.

Глава 4. Использование дефеката при очистке сточных вод молокоперерабатывающих и автозаправочных станций

В ходе производственных процессов часто образуются сточные воды, представляющие собой стойкие эмульсии, содержащие жиры, масла и нефтепродукты. Примером таких водных систем являются сточные воды молокоперерабатывающих предприятий, маслоэкстракционных заводов, станций техобслуживания и др.

Наличие в воде устойчивых эмульсий не позволяет достигать высокой эффективности очистки при использовании широко известных механических, флотационных и мембранных технологий [ 1 ]. Применение сорбционных технологий в таких случаях очень удорожает процесс очистки вследствие блокирования микро- и мезопор гидрофобных материалов, что требует частой замены сорбентов, влечет за собой проблему их регенерации и дальнейшей утилизации. Наиболее рациональным был бы такой подход, чтобы очистка происходила за счет физико-химических свойств веществ, входящих в состав промышленных отходов.

Для осуществления глубокой очистки сточных вод, содержащих стойкие эмульсии, предлагают использовать термообработанный дефекат (ТД), который образуется на одной из стадий производства сахара в ходе химической реакции: Са(ОН), + С0₂ -> CaC0₃i + Н₂0.

Дефекат представляет собой тонкодисперсную систему с влажностью около 40 %, в которой частицы размерами менее 0,63 мм составляют до 70 %.

В пересчете на сухое вещество дефекат состоит из СаСОз (74,2 %), органических веществ (19,1 %) и инертных примесей (6,7 %). Органические вещества представлены сахарами, пектиновыми веществами, скоагулированным белком, кальциевыми солями лимонной, щавелевой, яблочной и других кислот, сапонином [2].

Как показали результаты исследований авторов, обжиг дефеката при определенных температурных условиях приводит к неполному сгоранию органических примесей, следствием чего является образование частиц углерода, оседающих на поверхности СаСОз (рис. 1).

В результате образуется тонкодисперсный порошок черного цвета, состоящий из частиц СаСОз, покрытых углеродными частицами. Причем, углеродные частицы оказываются прочно связаны с СаСОз, так как при кипячении в дистиллированной воде, 1 н. растворе NaOH и 1 н. растворе H₂SO, отделения углеродных частиц не происходит, о чем свидетельствует отсутствие помутнения растворов после кипячения. При обработке порошка концентрированной соляной кислотой происходит растворение СаСОз и в осадке остается чистый углерод (рис. 2).

Для сравнения рассмотрим рентгенограмму порошка активированного угля марки КАД-йодный (рис. 3). Как видно из рис. 2 и 3, рентгенограмма порошка, смытого с поверхности обожженного дефеката, имеет большое сходство с рентгенограммой акти- йодный, что дает основание предположить и сходство физико-химических свойств этих двух веществ. Таким образом, углерод, осевший на поверхности СаСОз при обжиге дефеката, имеет сходный с КАД-йодным минералогический состав.

Размытость пиков на рентгенограммах свидетельствует о присутствии углерода в аморфном состоянии в исследуемых веществах.

При определении сорбционной емкости углерода, смытого с поверхности дефеката и КАД-йодного по метиленовому голубому, было установлено, что сорбционная емкость Е для углерода, полученного при обжиге дефеката, составляет 8,6 мг/л, а для КАД-йодного -- 9,2 мг/л.

При повышении температуры обжига увеличивается рН водной вытяжки из образцов дефеката (рис. 4), что свидетельствует о частичном протекании реакции разложения СаСО₃:

СаСО₃ -> СаО + С0₂1.

Таким образом, ТД должен обладать свойствами сорбента и коагулянта одновременно, поскольку СаО является сильным электролитом, вызывающим коагуляцию коллоидных систем.

В качестве нефтепродуктов использовалось соляровое масло. Для сравнения применялся порошок активированного угля марки КАД-йодный. Эффективность очистки оценивали по химическому потреблению кислорода (ХПК).

Для экспериментов использовали фракцию сорбентов с частицами размером менее 0,63 мм, длительность перемешивания смеси составляла 10 мин.

Результаты исследований показали, что с использованием ТД достигается более высокая степень очистки при меньшем количестве сорбента. Более высокие значения эффективности очистки, достигаемые при использовании ТД можно объяснить, по-видимому, тем, что при добавлении в раствор ТД очистка происходит не только за счет сорбционных процессов, но и в результате процесса коагуляции, протекающего благодаря введению в систему небольших количеств СаО, присутствующих в ТД (рис. 5).

Кроме того, было определено, что рН модельных систем в процессе очистки меняется при добавлении ТД, а значения водородного показателя среды при добавлении КАД-йодного остается неизменным. Это свидетельствует о возможности проведения процессов коагуляции в присутствии ТД и одновременном протекании процессов сорбции, в то время как при добавлении КАД-йодного очистка происходит только за счет сорбционных процессов (рис. 6).

При очистке модельных растворов молочной кислоты и лактозы авторами были получены аналогичные зависимости эффективности очистки от массы добавляемого сорбента (рис. 7 и 8).

Полученные в лабораторных условиях высокие значения эффективности очистки были подтверждены в производственных условиях при очистке сточных вод Волоконовского молочноконсервного комбината (см. таблицу).



Как было установлено, высокая эффективность очистки в этом случае достигается не только по ХПК, но и по сульфатам, фосфатам, ВПК, взвешенным веществам, тяжелым металлам, жирам и нефтепродуктам. Очистку по ХПК, ВПК и взвешенным веществам можно объяснить протеканием сорбционно-коагуляиионных процессов, очистку от тяжелых металлов, сульфатов и фосфатов -- сорбцией и протеканием следующих реакций:

S0₄² + Са²- -> СаБОД:

РОг + Са² -> Са(РО)Д;

Me- + пОН -> Ме(ОН)Д.

Результаты производственных экспериментов показывают принципиальную возможность использования ТД для очистки сточных вод и доказывают перспективность данного способа водоочистки.

Практический опыт использования биологических методов очистки сточных вод, образующихся в индустрии напитков

Индустрия напитков использует свежую воду в больших количествах для предварительной обработки исходного сырья, в производстве, для различных промывок, а также как составную часть производимых продуктов.

Очистные сооружения сточных вод в индустрии напитков должны быть особенно надежны, так как образующаяся здесь вода зачастую сильно загрязнена и состав загрязнений отличается особым разнообразием: белки, органические кислоты, спирты, углеводы, щелочи, красители и т.д.

Требования к качеству воды также различны и зависят от того, что произойдет со сточной водой дальше, будет ли она использована повторно, предназначается ли она для сброса на городские очистные сооружения или в поверхностные водоемы.

Можно выделить две основные группы биологических методов очистки предлагаемые для такого типа сточных вод: анаэробные и аэробные.

Особенностью анаэробных методов очистки является получение в качестве конечных продуктов при разложении органических углеводородных соединений - метана и диоксида углерода. При использовании этих методов не требуется аэрация воды кислородом и образуется незначительное количество избыточного ила.

Особенностью аэробных методов очистки является обеспечение водных биоценозов кислородом. Кислород используется для окисления содержащихся в воде загрязнений путем получения минеральных соединений и биомассы.

Для России характерно использование аэробных методов очистки сточных вод, загрязненных органическими соединениями, анаэробные методы очистки применяются в основном для переработки избыточного активного ила или биологических отходов.

Мировой опыт использования анаэробных методов очистки сточных вод не раз подтверждал эффективность данных методов очистки для сточных вод пищевой промышленности. Разработанные фирмой Еnviro Chemie Wasser- und Abwassertechnik GmbH очистные сооружения серии Биомар Т являются дополнительным тому подтверждением.

Сооружения серии BIOMAR^® включают в себя широкий спектр биологических методов, используемых для очистки сточных вод и систем повторного использования воды. Данные методы подходят для промышленных сточных вод с органическими загрязнениями и прекрасно оправдывают себя в последние годы.

Особенности анаэробных процессов, происходящих при биологической очистке

Биологическое разложение сложных органических соединений происходит в течении нескольких фаз, следующих друг за другом, в результате воздействия различных групп бактерий. В это время постоянно образуются и разлагаются различные промежуточные продукты. Очень укрупнено можно выделить четыре основные стадии (смотри схему 1).

Схема анаэробного процесса

Детали этих процессов широко известны и о них можно осведомиться в специальной литературе. Для практики эксплуатации очистных сооружений прежде всего очень важен тот факт, что все эти различные фазы должны протекать в сточной воде одновременно. Разложение сложных органических веществ до метана будет происходить настолько быстро, насколько быстро в сточной воде будут образовываться вещества, пригодные для питания метанообразующих бактерий. Метанообразующие бактерии могут использовать в качестве питательного субстрата уксусную кислоту, водород (Н2), оксид углерода (СО2) или метанол (для очистных сооружений несущественно). Процессы гидролиза и солюбилизации нерастворимых в воде веществ (полимеры, эмульсии…) протекают медленно и требуют создания системы с длительностью пребывания в течении многих дней.

Однако в большинстве своем лимитирующей фазой по скорости протекания реакций является ацетогенная фаза (процесс образования уксусной кислоты). При пуско-наладочных работах, особенно при нештатных ситуациях или при превышении проектной нагрузки на анаэробные очистные сооружения, концентрация органических кислот, особенно пропионовой и уксусной, может сильно повыситься. Высокая концентрация органических кислот в комбинации с вытекающим из этого низким значением Рн тормозит протекание ацетогенных и метаногенных процессов. В экстренных случаях очень низкое значение Рн может привести к подавлению жизнедеятельности биоценоза очистных сооружений.

Расчет выхода биогаза при применении анаэробного метода очистки

В закрытых, анаэробных системах органические соединения в отсутствии кислорода разлагаются и превращаются в друг в друга без окислительных реакций. Общее значение ХПК (химическое потребление кислорода) остается в системе в течении всего времени постоянно. Однако значение ХПК в сточной воде, содержащей органические соединения, которые благодаря метановому брожению превращаются в биогаз, тем не менее снижается, за счет удаления из воды ХПК-метана, образующегося в процессе очистки. Этот процесс может быть описан следующей формулой:

CH₄ + 2O₂ CO₂ + 2H₂O

молекулярная масса 16 2х32

1 молярный объем метана (= 22,4 л) соответствует таким образом 64 г кислорода (потребности):

0,350 Nm3 метана = 1 кг ХПК

Органические вещества, в процессе очистки на анаэробных очистных сооружениях, не полностью превращаются в биогаз. Меньшая часть образует биомассу (избыточный активный ил) - от 5 до 15% от общего количества загрязнений . Некоторая часть биогаза ( от 0 до 5%) теряется или остается растворенной в воде, вытекающей из реактора ( от 30 до 50 мл/л). Поэтому для очистных сооружений правильнее рассчитывать выход биогаза из соотношения нетто от 0,30 до 0,33 Nm3 метана на кг снижения значения ХПК.

Так как биогаз содержит зачастую примерно 60 - 70% метана и около 30% оксида углерода, выход биогаза можно рассчитывать по следующей формуле:

0,5 Nm3 метана = 1 кг ХПК

Зависимость выхода биогаза от величины ХПК сточных вод отражена на приведенном графике 1:

Сравнение анаэробных и аэробных методов

Cточные воды индустрии напитков, образующиеся либо непосредственно в процессе производства, либо при мойке технологического оборудования, имеют различную степень загрязненности. Загрязненность сточной воды органическими соединениями, выраженная в величине ХПК, представляет собой остатки или потери исходного сырья, либо остатки произведенного продукта и поэтому такие загрязнения хорошо разлагаются биологическим путем. Для очистки такой сточной воды , как и для любых других сточных вод, необходимо выбрать оптимальную обработку. При использовании биологических методов прежде всего требуется рассмотреть, какие преимущества и недостатки, в том числе и с точки зрения экономической эффективности, имеют анаэробный и аэробный методы очистки сточных вод. Ниже мы приводим короткий перечень особенностей обоих методов, который мы составили, исходя из многолетнего опыта применения фирмой Еnviro Chemie Wasser- und Abwassertechnik GmbH биологических очистных сооружений серии Биомар Т. Надеемся, что данный опыт поможет специалистам сделать хороший выбор.

Аэробный метод очистки Анаэробный метод очистки Область и условия применения ? только после предварительного осветления (отстаивания) ? может применяться при невысоких концентрациях загрязнения сточных вод ? также относительно холодная вода ? поступление токсичных веществ на очистные сооружения условно разрешено ? требуется предварительная нейтрализация для щелочных сточных вод ? можно применять без предварительного осветления (отстаивания) ? может применяться только при высоких концентрациях загрязнениях сточных вод (>2000 мг/л) ? относительно теплая вода (>25°C) ? поступление токсичных веществ на очистные сооружения запрещено ? щелочные сточные воды обрабатываются без предварительной нейтрализации Особенности эксплуатации очистных сооружений ? непрерывная подача сточных вод на очистные сооружения ? при жеских требованиях к качеству сточных вод используя несколько ступеней очистки можно получить требуемые значения ПДС ? возможно интегрированное снижение содержания в сточной воде N и P ? образуется большое количество избыточного активного ила ? из-за этого при применении носителей биомассы большая опастность их засорения ? небольшая объемная производительность очистных сооружений, потребность в больших производственных площадях ? высокая трудоемкость обслуживания систем аэрации, обезвоживающего оборудования и т.д. ? часто сильный неприятный запах ? могут существовать значительное время без поступления "свежих" сточных вод при жеских требованиях к качеству сточных вод требуется аэробная ступень доочистки ? не наблюдается значительное снижение содержания в воде N и P ? образуется очень мало избыточного активного ила ? нет опастности засорения носителей биомассы ? высокая объемная производительность очистных сооружений, потребность в малых производственных площадях ? почти не требуют технического обслуживания ? отсутствие запаха, так как закрытая емкость Отходы ? проблема утилизации отходов ? получение энергетически ценного биогаза Денежные затраты ? меньшие инвестиционные затраты ? высокие эксплуатационные издержки ? аэрация воды, большая потребность в электроэнергии ? питательные вещества ? обезвоживание, транспортировка и размещение активного ила ? тоже самое при небольших объемах сточных вод ? часто значительные инвестиционные затраты ? высокие эксплуатационные издержки ? небольшая потребность в электроэнергии ? не требуется питательных веществ ? очень мало избыточного активного ила ? рентабельно при относительно больших размерах

Литература

1. Промышленная переработка вторичного молочного сырья / А.Г. Храмцов, К.К. Полянский, С.В. Василисин, П.Г. Нестеренко. - Воронеж: Изд-во ВГУ, 1986. - с.3 - 7

2. И.Г. Лернер. Использование отходов молочной промышленности. М., 1964. С.3 - 16.

3. Промышленная переработка вторичного молочного сырья / А.Г. Храмцов, К.К. Полянский, С.В. Василисин, П.Г. Нестеренко. - Воронеж: Изд-во ВГУ, 1986. - с.8 - 15.

4. Промышленная переработка вторичного молочного сырья / А.Г. Храмцов, К.К. Полянский, С.В. Василисин, П.Г. Нестеренко. - Воронеж: Изд-во ВГУ, 1986. - с.31 - 45.

5. Храмцов А.Г. Молочный сахар. М., "Пищевая промышленность", 1972, 192 с.

6. Фиалков А.Н. Теоретические и экспериментальные исследования в целях комплексного решения проблемы рационального использования составных частей молока. Автореф. дисс. на соиск. уч. степ. докт. наук. М., 1974, 39 с.

7. Босов В.М., Жилин Н.М., Нестеренко П.Г., Казьмина В.Д. Технология производства сухого сывороточного концентрата (ССК) на корм скоту. Инф. листок № 321 - 76 Ставроп. ЦНТИ, 1976, 4 с.

8. Жилин Н.М., Босов В.М., Нестеренко П.Г., Москаленко В.М., Волосевич Б.И. Технология производства жидкого сывороточного концентрата (ЖСК) на корм скоту. Инф. листок № 506 - 76 Ставроп. ЦНТИ, 1976, 2 с.

9. Нестеренко П.Г., Храмцов А.Г., Висилисин С.В., Ширяева Т.К., Жилин Н.М. И др. Комплексное использование промежуточных продуктов производства молочного сахара на кормовые концентраты / Труды ВНИИМСП / Вып.26. Ярославль, 1978, с.63 - 69.

Размещено на Allbest.ru