Біотехнологія локального очищення жировмісних стічних вод

Размещено на http://www.allbest.ru/

УКРАЇНСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ХАРЧОВИХ ТЕХНОЛОГІЙ

ДИЧКО Аліна Олегівна

УДК 628.1/3:628.54:628543.531.53

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Біотехнологія локального очищення жировмісних стічних вод

03.00.20 - Біотехнологія

Київ - 2002

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Українському державному університеті харчових технологій Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: кандидат технічних наук, доцент

Салюк Анатолій Іванович,

Український державний університет харчових технологій, кафедра біохімії та екології харчових виробництв, завідувач кафедри

Офіційні опоненти:доктор технічних наук, професор

Циганков Сергій Петрович,

Інститут харчової хімії і технології Міністерства аграрної політики України, заступник директора з питань науки і нової техніки

кандидат технічних наук

Кошель Михайло Іванович,

Український науково-дослідний інститут спирту і біотехнології продовольчих продуктів Міністерства аграрної політики України, завідувач відділу екології

Провідна установа: Інститут колоїдної хімії та хімії води ім.А.В.Думанського НАН України, м. Київ.

Захист відбудеться “_10_” квітня 2002 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.058.03 Українського державного університета харчових технологій за адресою: 01033, м.Київ, вул. Володимирська, 68, корпус А, ауд. 311.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Українського державного університету харчових технологій за адресою: 01033, м.Київ, вул. Володимирська, 68.

Автореферат розісланий “__7__” березня 2002 р.

Вчений секретар спеціалізованої

вченої ради, к.т.н.РОМОДАНОВА В.О.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА ДИСЕРТАЦІЙНОЇ РОБОТИ

біотехнологія локальне очищення жировмісний стічний вода

Актуальність теми. Висока водоємність та відсутність досконалих очисних споруд характерні для більшості підприємств олійно-жирової промисловості в Україні. Найдоцільнішим при вирішенні проблеми утилізації відходів є створення замкнутого циклу виробництва з метою додаткового отримання з відходів цінних білково-вітамінних та ліпідних компонентів, біогазу тощо.

Тому актуальним є дослідження процесу очищення висококонцентрованих жировмісних стічних вод із застосуванням методів біотрансформації органічних забруднень, що містяться в стоках, зокрема їх аеробної та анаеробної обробки. Розробка ефективної енерго- та ресурсоощадної технологічної схеми обробки стічних вод цієї категорії дасть змогу створити систему очищення стоків, якість яких відповідатиме нормативним вимогам при скиданні стічних вод у міську каналізацію.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертація виконувалась у рамках постанови Кабінету Міністрів України від 22.06.1994 р. №429 “Про реалізацію пріоритетних напрямів розвитку науки і техніки”, Державної науково-технічної програми Міністерства України у справах науки і технологій “Відновлення якості природних вод України” (1997 р.), постанови Верховної Ради України “Про концепцію розвитку водного господарства України” від 14.01.2000 р. №1390-XIV, а також у рамках наукової роботи кафедри біохімії та екології харчових виробництв Українського державного університету харчових технологій на 1995-2002 рр. за темою “Розробка технологій очищення стічних вод і переробки відходів харчової промисловості”.

Мета і завдання досліджень. Метою цієї роботи є розробка технології очищення жировмісних стічних вод (ЖСВ) до норм при скиданні стоків у міську сплавну каналізацію.

Для досягнення поставленої мети були визначені такі завдання:

- аналіз існуючих технологій очищення висококонцентрованих ЖСВ олійно-жирового виробництва з максимально можливою утилізацією продуктів, що утворюються (біогаз, зброджені осади);

- розробка технології локального очищення стоків олійно-жирового комбінату;

- вивчення закономірностей процесу метанової ферментації ЖСВ олійно-жирового виробництва в періодичному та безперервному режимах за різних температурних умов;

- дослідження аеробних процесів доочищення ЖСВ до норм їх скидання в міську сплавну каналізацію;

- розробка апаратурно-технологічної схеми очищення стічних вод олійно-жирових підприємств;

- аналіз процесу анаеробної обробки ЖСВ із застосуванням кінетики метанової ферментації;

-розробка технічної документації на впровадження технології очищення ЖСВ у виробництво.

Наукова новизна роботи. Встановлено, що при підвищенні температури до 55оС процес метанового збродження стічних вод олійно-жирового виробництва інтенсифікується, а інші досліджені температурні режими обробки таких стоків недостатньо ефективні. Виявлено, що інтенсивність процесу бродіння покращується також при збільшенні концентрації активного мулу до 19 г/л, а вища концентрація мулу не призводить до поліпшення якості очищення. В результаті визначення оптимальних температури та концентрації активного мулу досягнуто високого ступеня попереднього очищення стічних вод і максимальної кількості біогазу з високим вмістом метану.

Встановлено, що в термофільному режимі при анаеробному очищенні стоків впродовж 36год у першому метантенку та подальшій їх обробці впродовж 48 год у другому метантенку глибина очищення досягає 84%, а вихід біогазу - 0,6 л/г ХСКзбр з вмістом метану до 88%, завдяки чому розроблено ефективні режими здійснення безперервного процесу анаеробного очищення стічних вод олійно-жирового виробництва.

Встановлено, що мікрофлора, іммобілізована на дисках, які обертаються, інтенсивніше сприяє доочищенню зброджених стічних вод по всьому об”єму. Визначено, що при доочищенні в симбіотенку тривалістю 12 год досягається необхідна глибина очищення стоків, завдяки чому вперше запропоновано доочищення в симбіотенку зброджених жировмісних стічних вод перед скиданням їх у сплавну каналізацію міста.

За результатами дисертаційної роботи отримано патент України на винахід “Метантенк”.

Практичне значення одержаних результатів. Розроблено комплексну технологію локального очищення стічних вод олійно-жирових виробництв, що включає термофільне метанове бродіння та аеробну обробку із застосуванням мікрофлори, іммобілізованої на дисках, які обертаються. Розроблено оригінальну конструкцію метантенка для очищення висококонцентрованих стічних вод. Видано завдання на розробку робочого проекту локальних очисних споруд, рекомендації до впровадження технології та розроблено дослідно-промисловий регламент технології очищення стічних вод Вінницького олійно-жирового комбінату. Введено в експлуатацію станцію “Симбіотенк” на Білоцерківському хлібокомбінаті і видано рекомендації щодо впровадження технології очищення стоків та експлуатації станції. Розроблено дослідно-промисловий регламент очищення стічних вод на станції “Симбіотенк” на Діанівській птахофабриці.

Особистий внесок здобувача. Визначення завдання досліджень проводилось за безпосередньою участю автора. Проведення експериментів, аналітичний контроль та інтерпретація отриманих результатів виконані автором особисто. Розробка технічної документації на впровадження біотехнології очищення стічних вод на Вінницькому олійно-жировому комбінаті проводилась автором особисто. Розробка технічної документації та впровадження технології очищення жировмісних стічних вод на Білоцерківському хлібокомбінаті та Діанівській птахофабриці проводились автором сумісно з Підприємством “Науково-інженерна фірма по охороні навколишнього середовища “Екосервіс” та Українським державним науково-дослідним та проектно-вишукувальним інститутом “УКРНДІВОДОКАНАЛПРОЕКТ”.

Апробація роботи. Матеріали дисертації доповідались та дістали позитивну оцінку на Міжнародній науково-технічній конференції "Розроблення та впровадження прогресивних ресурсоощадних технологій та обладнання в харчову та переробну промисловість", Київ, УДУХТ, 21-24 жовтня 1997 р., Міжнародній науково-технічній конференції “Техника и технология пищевых производств”, Могильов, 25-27 березня 1998 р., ІІ Всеукраїнській науково-методичній конференції з міжнародною участю “Екологія та інженерія. Стан, наслідки, шляхи створення екологічно чистих технологій”, Дніпродзержинськ, 13-15 жовтня 1998 р., ІІ Міжнародній конференції “Наука і освіта'99”, Київ-Дніпропетровськ-Луганськ-Черкаси- Дніпродзержинськ, 15-30 січня 1999 р., Міжнародній науковій конференції "Фальцфейновські читання", Херсон, 21-23 квітня 1999 р., ІІ Всеукраїнській науково-практичній конференції студентів, аспірантів та молодих вчених “Екологія. Людина. Суспільство” пам'яті професора О.П.Шутька, Київ, НТТУ “КПІ”, 13-14 травня 1999 р., Міжнародній науково-практичній конференції “Актуальные проблемы водоснабжения и водоотведения”, Одеса, 9-11 вересня 1999 р., ІІІ Міжнародній конференції “Наука і освіта'2000”, Київ-Дніпропетровськ-Харків-Черкаси, 1-15 лютого 2000 р., VIІІ Міжнародній науково-технічній конференції “Экология и здоровье человека. Охрана водного и воздушного бассейнов. Утилизация отходов”, Щелкино, АР Крим, 12-16 червня 2000 р., ІХ Міжнародній науково-технічній конференції “Экология и здоровье человека. Охрана водного и воздушного бассейнов. Утилизация отходов”, Щелкино, АР Крим, 11-15 червня 2001 р., VII Міжнародній науково-технічній конференції “Пріоритетні напрями впровадження в харчову промисловість сучасних технологій, обладнання і нових видів продуктів оздоровчого та спеціального призначення”, Київ, 23-25 жовтня 2001 р.

Публікації. Основні положення дисертації викладені в 16 друкованих працях - у 5 статтях, 10 тезах та патенті України на винахід.

Обсяг і структура роботи. Дисертаційна робота складається з вступу, 7 розділів, висновків, списку літератури (252 назви, в тому числі 154 зарубіжних) та 10 додатків. Робота викладена на 115 сторінках друкованого тексту, містить 21 таблицю та 21 рисунок.

ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність дисертаційної роботи, сформульовані мета і завдання досліджень, наукова новизна та практичне значення одержаних результатів. Наведено дані про апробацію результатів досліджень, публікації основних положень роботи та особистий внесок здобувача.

У першому розділі “Сучасний стан проблеми очищення жировмісних стічних вод” наведено огляд світової літератури з питання джерел утворення на виробництві та існуючих методів очищення стоків олійно-жирового виробництва. Наведено кількісну та якісну характеристику стічних вод цієї категорії. На основі аналізу науково-технічної літератури показано, що ЖСВ належать до висококонцентрованих промислових стоків, а деструкція їх забруднень потребує будівництва складного комплексу очисних споруд. Застосування існуючих механічних та фізико-хімічних методів очищення жировмісних стічних вод не є економічно доцільним, оскільки вони потребують значних витрат, не дають достатнього ефекту очищення і призводять до утворення нових відходів, що потребують додаткової утилізації. Разом з тим підкреслюється, що для очищення висококонцентрованих стічних вод доцільно впроваджувати процес метанового зброджування. Для досягнення високої ефективності процесу необхідно застосовувати технології двоступінчастого метанового бродіння з рециркуляцією активного мулу, а стабільність процесу підтримувати за рахунок мікрофлори, іммобілізованої на носіях. Економічність процесу залежить від глибини зброджування органічних сполук, тривалості оброблення стоків та утилізації корисних продуктів метанового бродіння - використання отриманого біогазу як палива та застосування збродженої біомаси як сировини для виробництва БВК.

У другому розділі “Матеріали та методи досліджень” наведено характеристику вибраних об'єктів досліджень, описано лабораторні установки та прилади для проведення експериментів, методи біохімічних аналізів та методика математичної обробки результатів досліджень. Визначення якісних показників води та якісного складу біогазу проводили за загальноприйнятими стандартними методиками. Для проведення досліджень використовували лабораторні установки й прилади кафедри біохімії та екології харчових виробництв УДУХТ.

У третьому розділі “Анаеробне очищення стічних вод олійно-жирового виробництва” наведено результати досліджень метанового зброджування висококонцентрованих стоків у періодичному та проточному режимах. Анаеробній обробці піддавали загальний стік олійно-жирового комбінату, забруднення якого за ХСК становило 11700 мгО2/л.

Процес метанового бродіння здійснювали за температур 37, 45 та 55+2 оС, що відповідають мезофільному режиму, температурі вихідних стоків та термофільному режиму бродіння. Результати досліджень періодичного зброджування стоку за різних температурних режимів наведено в табл.1, 2 та відображено на рис.1.

Таблиця 1

Характеристика ЖСВ в періодичному режимі метанового бродіння за різних температурних умов

ПоказникВихідні ЖСВЖСВ, зброджені при

37 оС45 оС55 оС

Час бродіння, діб-846

ХСК, мгО2/л11 700194036861746

Сухі речовини, мг/л120013701460950

Жири, г/л6,51,884,12,5

Таблиця 2

Ступінь зброджування органічних речовин у стоках та теоретична швидкість протоку в метантенку за різних температурних режимів

Температура, +2оСТеоретична швидкість протоку, год-1Ступінь зброджування, %

за вмістом жирівза ХСК

370,00571,183,4

450,01436,968,5

550,00761,585,1

Як видно з табл. 1, 2, високий ступінь очищення стоків - 83,4% (з 11700 до 1940 мгО2/л) та 85,1% за ХСК (з 11700 до 1746 мгО2/л) - може бути досягнутий за умов ведення процесу відповідно при 37 та 55 +2оС.

Незважаючи на те що глибина очищення та вихід біогазу в результаті мезофільної метанової ферментації досить високі, оптимальною температурою ведення процесу є 55+2 оС, оскільки мезофільний режим є тривалим і на практиці швидкість протоку рідини в метантенку буде набагато меншою за швидкість протоку в термофільному режимі.

У зв'язку з тим, що режим метанової ферментації при 45 +2 оС є перехідним режимом анаеробного бродіння, що підтвердилось отриманими результатами - недостатньою глибиною очищення жировмісних стоків за даних умов ведення періодичного процесу, необхідне проведення другого ступеня доброджування стоків цієї категорії за такої самої температури.

Встановлено, що при доочищенні стоків на другому ступені при 45 +2 оС значення ХСК не знижується до величини, допустимої для подальшого біохімічного доочищення стоків.

а

б

в

Рис. 1. Динаміка зміни основних величин у процесі періодичного метанового зброджування ЖСВ: а - при 37+2оС; б - при 45+2оС; в - при 55+2оС;

Проведеними дослідженнями щодо збільшення концентрації активного мулу з метою інтенсифікації процесу біотрансформації органічних забруднень, наявних у ЖСВ, за температури 45 +2 оС встановлено, що оптимальною концентрацією активного мулу є 19 г/л, а збільшення завантаження не сприяє підвищенню ступеня очищення цих стоків (табл. 3).

Таблиця 3

Вплив концентрації активного мулу на процес зброджування ЖСВ при 45+2оС

Концентрація активного мулу, г/лБіогаз, л/г ХСКзбрВміст метану, %Ступінь зброджування за ХСК

190,41820,52

220,54760,33

270,59790,38

У зв'язку з тим, що теоретична швидкість протоку рідини в метантенку дуже мала для проведення дослідів на існуючих лабораторних установках у безперервному режимі, для визначення оптимального часу обробки жировмісних стічних вод в проточному режимі були проведені дослідження відбирально-доливного способу анаеробного очищення стоків.

Проточне зброджування ЖСВ олійно-жирового комбінату проводили за температур 45 і 55+2oС та рециркуляції активного мулу концентрацією 19 г/л за сухими речовинами (табл. 4, 5).

Таблиця 4

Характеристика одноступінчастого проточного процесу бродіння ЖСВ при 45 +2оС

Швидкість протоку D, год-1Навантаження, кг ХСК/м3 за добуСтупінь зброджування, %ХСКпоч, мгО2/л ХСКкінц, мгО2/лБіогаз, л/г ХСКзбр

0,0041,56841170018540,254

0,0082,93791170024720,325

0,0143,95701170034920,203

Таблиця 5

Характеристика одноступінчастого проточного процесу бродіння ЖСВ при 55 +2оС

Швидкість протоку D, год-1Навантаження, кг ХСК/м3 за добуСтупінь зброджування, %ХСКпоч, мгО2/л ХСКкінц, мгО2/лБіогаз, л/г ХСКзбр

0,0072,33841170018540,333

0,0083,09831170019800,329

0,0144,94801170023600,336

Під час дослідження проточного режиму анаеробного очищення стоків при 45+2 оС та швидкості протоку рідини в метантенку 0,004-0,014 год-1 отримали низький ступінь очищення стоків (з 11700 до 2472-3492 мгО2/л).

Разом з тим встановлено, що під час термофільного бродіння швидкість протоку рідини в метантенку можна збільшити до 0,008 год-1 і при цьому досягається достатньо високий ступінь очищення води - до 83% за ХСК (з 11700 до 1980 мгО2/л) та утворюється до 0,329 л/г ХСКзбр біогазу.

З метою досягнення вищої якості очищення стоків здійснювали двоступінчасте проточне зброджування ЖСВ за температури 55+2оС та рециркуляції активного мулу концентрацією 19 г/л за сухими речовинами. Стічні води подавали в метантенк І ступеня і далі - знизу вгору в метантенк ІІ ступеня. Біогаз, що утворювався під час розкладання органічних речовин, наявних у стоках, з першого метантенка пропускали крізь культуральну рідину другого метантенка. При цьому процеси розкладання забруднень на другому ступені метанової ферментації інтенсифікувалися за рахунок повнішого контакту активного мулу з органічними речовинами, що містяться в стоках. Співвідношення об'ємів I і II метантенків становило відповідно 1:1 та 1:2.

Під час дослідження двоступінчастого проточного процесу метанової ферментації в однакових за об'ємом метантенках було з'ясовано, що за швидкості протоку 0,014 год-1 на першому ступені відбувається значне зниження ХСК стічної води і глибина зброджування становить 75,4%, однак на другому ступені через триваліший процес біотрансформації органічних речовин ступінь зброджування становить лише 25,9% і мінімальне значення ХСК очищеної води дорівнює 2134 мгО2/л, що робить такі умови ведення процесу анаеробного очищення ЖСВ недоцільними. Тому було застосовано диференціацію об'ємів метантенків з урахуванням різних швидкостей перебігу процесів на двох стадіях розкладання органічних забруднень стоків.

При співвідношенні об'ємів І і ІІ метантенків як 1:2 швидкість протоку в першому метантенку D1 була збільшена до 0,027 год-1, а навантаження на активний мул становило 6,745 кг ХСК/м3 за добу. Проведеними дослідженнями встановлено оптимальні параметри ведення процесу, за яких швидкість протоку в другому метантенку становить 0,021 год-1, глибина зброджування - 83,8% (з 12000 до 1940 мгО2/л), вихід біогазу - 0,63 л/г ХСКзбр або 5 м3/м3 стічної води з високим вмістом метану - до 88,3% (табл.6).

Таблиця 6

Характеристика двоступінчастого проточного процесу метанового зброджування ЖСВ

в ІІ метантенку при D1=0,027 год-1

Швидкість протоку D2, год-1Навантаження, кгХСК/м3за добуЗагальна ступінь зброджування, %ХСКпоч, мгО2/лХСКкінц, мгО2/л.Біогаз, л/г ХСКзбр

0,0080,67888,7560017600,22

0,0141,09987,7560018220,47

0,0211,46383,8560019400,63

0,0271,59378,2560026160,65

Зброджені за таких умов ЖСВ можуть бути направлені на аеробне доочищення.

У четвертому розділі “Аеробне доочищення жировмісних стічних вод” зазначається, що процес аеробного доочищення попередньо зброджених ЖСВ олійно-жирового комбінату в аеротенку проводили в періодичному режимі впродовж 24 год. Доочищені стоки мали різкий запах гниття, характеризувалися високим значенням ХСК - 845,0 мгО2/л (ступінь очищення 57,3%) та БCК5 - 564,0 мгО2/л (ступінь очищення 64,7%), вміст жирів становив 0,45-1,8 г/л. За фізико-хімічним складом такі стічні води характеризуються як сильно мінералізовані.

При концентрації мулу 10 г/л порівняно з початковою 3,6 г/л було досягнуто вищого ступеня аеробного доочищення стоків від жирів (на 34,5%), завислих речовин (на 5,6%), азоту амонійного (на 12,5%) та фосфатів (на 27%), а вміст органічних забруднень зменшився ще на 7,6% за БСК5 та на 12,4% за БСК. Ступінь доочищення становив 69,7% за ХСК (з 1980 до 600,0 мгО2/л).

Таким чином, доочищення в аеротенку зброджених ЖСВ не задовольняло вимогам до якості очищення стоків для можливого їх скидання у сплавну каналізацію міста. Крім того, параметри аеробного процесу через велику тривалість обробки є економічно недоцільними.

Враховуючи вищевикладене, досліди з біохімічного доочищення ЖСВ, зброджених у метантенку, проводили на лабораторній моделі симбіотенка.

Вибір симбіотенка для доочищення зброджених ЖСВ зумовлений тим, що в кожному модулі споруди складається свій специфічний біоценоз, пристосований до певних умов вегетації при надходженні стічних вод із забрудненнями, які розкладаються в процесі життєдіяльності симбіозу бактерій, грибів та найпростіших. Це дає змогу використовувати споруду для очищення висококонцентрованих стічних вод, при цьому ступінь очищення стоків залежить від кількості модулів симбіотенка.

Дослідження процесу доочищення ЖСВ олійно-жирового комбінату, зброджених при 55+2оС та охолоджених до ~45оС, в симбіотенку здійснювали впродовж 6, 8 та 12 год.

Дані досліджень (табл. 7) свідчать про те, що вже через 6 год перебування стоків у симбіотенку якість води значно поліпшилась. Зі збільшенням тривалості обробки в споруді якість очищення стоків підвищується.

Ступінь очищення зброджених стічних вод олійно-жирового комбінату, які піддавали доочищенню в симбіотенку впродовж 12 год, становить 80,3% за ХСК (з 1980 до 390 мгО2/л), а якість очищених стоків, загальний ступінь очищення яких - 96,8% за ХСК (з 12000 до 390 мгО2/л), відповідає вимогам до якості стоків, що скидаються в каналізацію міста (див. табл. 7).

У пўятому розділі “Розробка апаратурно-технологічної схеми очищення стічних вод олійно-жирових підприємств” наведено апаратурно-технологічну схему локального очищення ЖСВ та техніко-економічне обґрунтування розробленої технології очищення стоків. За пропонованою схемою (рис.2) стічні води після жировловлювача надходять у збірник- Таблиця 7

Характеристика зброджених ЖСВ олійно-жирового виробництва, доочищених у симбіотенку

Показник Якість ЖСВ

після метанового зброджування після доочищення в симбіотенку впродовж

6 год8 год12 год

Абсолютні величиниЕфект очищення, %Абсолютні величиниЕфект очищення, %Абсолютні величиниЕфект очищення, %

ЗапахСірководнюНемає-Немає-Немає-

рН7,57,8-8,0-8,1-

Розчинений кисень, мгО2/лНемає0,9-1,7-2,5-

Твердість, ммоль-екв/л9,39,0-8,7-7,9-

БCК5, мгО2/л1598,5616,461,4499,068,8325,079,7

ХCК, мгО2/л1980,0742,662,5504,974,6390,080,3

Азот амонійний, мг/л8,05,037,52,371,31,285,0

Азот нітритний, мг/л2,02,0-1,9-1,8-

Азот нітратний, мг/л1,92,6-3,1-3,7-

Фосфати, мг/л Сульфаты, мг/л2,61,830,81,061,50,6 127,076,9

Сульфати, мг/л169,0167,01,2164,02,9160,05,3

Залізо, мг/л2,42,016,71,250,00,195,8

Хлориди, мг/л305,0314,0-321,0-327,0-

Завислі речовини, мг/л3745114669,4459,087,7141,096,2

Сухий залишок, мг/л4850149069,3596,087,7232,595,2

Жири, г/л2,5 - 4,00,00599,9Немає100Немає100

нейтралізатор Р1, де відбувається їх змішування та нейтралізація до оптимального значення рН за допомогою датчиків рН, компенсаційного рН-метра QE4, вимірників кислоти М2 та лугу М3. Нейтралізовані стоки подаються в теплообмінник Т6, в якому стічні води підігріваються за рахунок теплоти стічних вод, оброблених у ІІ метантенку, надходять у метантенк І ступеня Р8 і далі через запірний пристрій, який створює водяний замок для запобігання витоку газу, надходять у метантенк ІІ ступеня Р10, де відбувається доброджування стоків.

Біогаз, що утворюється під час біотрансформації органічних речовин, що містяться в стоках, з метантенка Р8 трубопроводом Т28 пропускається крізь культуральну рідину метантенка Р10 і надходить у газгольдер ГГ12, звідки, проходячи ділянку очищення газу, використовується для спалювання в котельні підприємства.

Зброджена культуральна рідина з метантенка Р10 надходить у теплообмінник Т6, в якому теплота оброблених у метантенку стічних вод передається свіжому стоку, а охолоджена зброджена культуральна рідина з температурою ~45оС через розподільну чашу направляється для доочищення в симбіотенк Р14, який містить авто- і гетеротрофні мікроорганізми, іммобілізовані на дисках, які обертаються. Очищена стічна вода з ХСК~300-400 мгО2/л скидається в міську каналізаційну мережу.

Надлишковий активний мул з метантенків Р8 і Р10 та симбіотенка Р14 через трубопровід Т29 може бути направлений на зневоднення та подальшу утилізацію.

Проведені розрахунки основної апаратури показали, що застосування метанової ферментації висококонцентрованих стоків дає змогу повністю компенсувати витрати на проведення процесу очищення стоків за рахунок енергії біогазу. Кількість газу на самозабезпечення становить 25% від загального виходу біогазу. Надлишкову кількість газу доцільно використати на потреби виробництва.

Для зменшення кількості біогазу, що йде на самозабезпечення метантенка, доцільно використовувати теплоту збродженої культуральної рідини, підігріваючи нею вихідні ЖСВ. Це дає можливість зменшити витрати енергії на нагрівання стоків, що надходять, на 40-50%.

Розрахунок економічного ефекту від впровадження технології анаеробно-аеробної обробки ЖСВ олійно-жирового виробництва показав доцільність застосування запропонованих очисних споруд для очищення таких стічних вод. Так, впровадження анаеробного очищення ЖСВ дає змогу отримати економічний ефект, що становить 7435,07 тис. грн. Економічний ефект впровадження в схему очищення стоків олійно-жирового комбінату симбіотенка становить 4232,3 тис. грн. Загальний економічний ефект від впровадження технології очищення ЖСВ в метантенку з подальшим доочищенням зброджених стоків у симбіотенку досягає 12 млн грн.

У шостому розділі “Аналіз і узагальнення результатів досліджень. Вплив метанового бродіння та аеробного окиснення на якість очищення жировмісних стічних вод” показано відповідність отриманих результатів досліджень існуючим у світовій практиці практичним та теоретичним аспектам процесу біотрансформації органічних речовин, що містяться в жировмісних стоках. Зазначається, що вперше були проведені дослідження з анаеробного очищення висококонцентрованих жировмісних стічних вод, які підтвердили, що термофільний режим у 2-2,5 раза ефективніший за мезофільне зброджування стоків. Отримані результати дають змогу застосувати розроблену технологію для очищення стічних вод олійно-жирових комбінатів як найбільш економічний процес локального очищення стоків цієї категорії на першому ступені.

Підкреслюється, що термофільне анаеробне очищення ЖСВ можна використовувати на практиці з обов'язковим включенням у схему двостадійної метанової ферментації із застосуванням симбіотехнології на заключному етапі процесу очищення.

У сьомому розділі “Застосування кінетики метанової ферментації для аналізу процесу анаеробної обробки стічних вод” проведено математичний аналіз отриманих результатів досліджень. Зазначено, що експериментальні дані щодо продуктивності метану в стаціонарних умовах процесу анаеробного бродіння можна використовувати для вивчення кінетики метанової ферментації. При цьому визначаються максимальна питома швидкість росту мікроорганізмів mmax, на значення якої впливає температурний режим, кінетична константа К, що залежить від концентрації забруднень, та вихід метану В0 (В0ў).

Висновки

1. У дисертації наведено теоретичне узагальнення і нове вирішення наукової проблеми, що виявляється у відсутності ефективної технології очищення висококонцентрованих жировмісних стічних вод. Наукове завдання полягає в розробці ефективної енерго- та ресурсоощадної технології очищення жировмісних стічних вод до норм при скиданні стоків у міську сплавну каналізацію. Поставлене завдання вирішене шляхом експериментальних досліджень процесів біотрансформації органічних забруднень у стоках, розробки апаратурно-технологічної схеми очищення стоків та технічної документації на впровадження технології у виробництво з висококонцентрованими жировмісними стоками.

2. Встановлено, що стічні води олійно-жирового виробництва належать до висококонцентрованих промислових стоків, значення ХСК та БСК яких становить відповідно 11700-12500 та 8500-10112 мг О2/л. Огляд світової науково-технічної літератури показав, що застосування існуючих механічних та фізико-хімічних методів очищення жировмісних стічних вод є економічно недоцільним, оскільки вони потребують значних витрат, не дають достатнього ефекту очищення і призводять до утворення нових відходів, які потребують додаткової утилізації.

3. Проведеними дослідженнями визначено, що при періодичному метановому зброджуванні концентрованих ЖСВ олійно-жирової промисловості високий ступінь очищення стоків - 83,4% (з 11700 до 1940 мгО2/л) та 85,1% за ХСК (з 11700 до 1746 мгО2/л) - може бути досягнутий за умов ведення процесу відповідно при 37 і 55 + 2 оС відповідно. Оптимальною температурою ведення процесу анаеробного очищення ЖСВ є 55 оС, незважаючи на те що при мезофільному режимі виділяється більше біогазу, однак процес бродіння при 37 оС є тривалим і на практиці швидкість протоку рідини в метантенку буде набагато меншою порівняно з термофільним режимом.

4. Експериментально доведено, що оптимальним режимом здійснення безперервного процесу анаеробного очищення стічних вод олійно-жирового виробництва є двоступінчасте термофільне зброджування при 55+оС, при цьому швидкість протоку становить: у першому метантенку 0,027 год-1 (що відповідає тривалості перебування стоків у метантенку - 36 год), у другому - 0,021 год-1 (що відповідає тривалості перебування 48 год), глибина зброджування становить 83,8% (з 12000 до 1940 мгО2/л), вихід біогазу - 0,63 л/г ХСКзбр або 5 м3/м3 стічної води з вмістом метану - до 88,3%. Значення ХСК оброблених стоків становить не менш як 2000 мгО2/л, що не дає змоги скидати їх у сплавну каналізацію міста, в зв'язку з чим необхідне подальше доочищення зброджених ЖСВ.

5. Визначено ступінь доочищення зброджених ЖСВ олійно-жирового комбінату в аеротенку, який становить 69,7% за ХСК (з 1980 до 600,0 мгО2/л), при цьому процес є економічно недоцільним, а оброблений стік не може відповідати вимогам для скидання його в сплавну каналізацію міста, оскільки в разі можливих коливань концентрації забруднень у стічних водах значення ХСК очищеної в аеротенку води перевищуватиме допустиме.

6. Дослідження процесу доочищення в симбіотенку дали змогу встановити оптимальну тривалість обробки - 12 год при максимальній глибині очищення зброджених стоків олійно-жирового комбінату 80,3% за ХСК (з 1980 до 390 мгО2/л), завдяки чому якість очищених стоків, загальний ступінь очищення яких становить 96,8% за ХСК (з 12000 до 390 мгО2/л), відповідає вимогам до якості стоків, що скидаються в сплавну каналізацію міста.

7. Результати проведених експериментів і техніко-економічні розрахунки показали, що технології очищення стічних вод у метантенку та симбіотенку є енергозберігаючими і дають змогу скоротити тривалість обробки води в 3-4 рази порівняно з іншими технологіями.

8. Вивчення кінетики анаеробної ферментації дало змогу оцінити потенціал анаеробного процесу для виробництва метану й білкової біомаси та аналітично порівняти різні анаеробні системи, причому кінетичні константи, отримані в ході лабораторних досліджень, можуть бути застосовані для передбачення результатів метанового зброджування відходів у напівпромислових та промислових умовах.

9. За результатами проведених досліджень видано завдання на розробку робочого проекту локальних очисних споруд, рекомендації до впровадження комплексної технології очищення стічних вод і розроблено дослідно-промисловий регламент комплексної технології очищення стічних вод Вінницького олійно-жирового комбінату, які прийняті комбінатом до впровадження. Розроблено технічну документацію та рекомендації на впровадження технології очищення стоків на маргаринових заводах, хлібокомбінатах, а також на інших виробництвах із висококонцентрованими жировмісними стічними водами.

Публікації за матеріалами дисертації

1. Рыбак А.О. Использование биохимических процессов для локальной очистки сточных вод масло-жирового комбината // Пищевая технология. Известия Вузов.- 1998.- №4.- С.85-87.

2. Рибак А.О., Салюк А.І. Модульна схема очищення жировмісних стоків // Харчова і переробна промисловість.- 1999.- №10.- С.22-23.

3. Рибак А.О., Салюк А.І. Анаеробна обробка жировмісних стічних вод // Харчова промисловість.- 2000, вип.45.- С.187-190.

4. Гончарук Є.Г., Гаркавий С.І., Салата О.В., Кравець В.В., Грищенко Н.В., Рибак А.О. Гігієнічна оцінка сучасної технології біологічної очистки господарсько-побутових стічних вод // Довкілля та здоровўя.- 2000.- № 3 (14).- С. 6-10.

5. Рибак А.О., Салюк А.І. Застосування кінетики метанової ферментації для оцінювання потенціалу процесу // Наукові праці УДУХТ.- 2001.- №10, ч.І - С. 173-174.

6. Пат. №31331А. Україна. Метантенк / А.І.Салюк, А.О.Рибак (Україна).- 4 с. іл.; Опубл. 15.12.2000, Бюл.№ 7-ІІ.

7. Рибак А.О., Салюк А.І. Культивування мікроводоростей на стічних водах харчових виробництв // Тези доповідей Міжнародної науково-технічної конференції "Розроблення та впровадження прогресивних ресурсоощадних технологій та обладнання в харчову та переробну

промисловість". - К.: УДУХТ. - 1997 р.- С. 52.

8. Салюк А.И., Рыбак А.О. Характеристика сточных вод масло-жировой промышленности // Тезисы докладов Международной научно-технической конференции “Техника и технология пищевых производств”.- Могилев: МТИ.- 1998. - С.122-123.

9. Салюк А.І., Рибак А.О., Товстуха О.Р. Біологічне очищення стічних вод оліє-жирових підприємств // Тези доповідей ІІ Всеукраїнської науково-методичної конференції з міжнародною участю “Екологія та інженерія. Стан, наслідки, шляхи створення екологічно чистих технологій”.- Дніпродзержинськ: ДДТУ.- 1998.- С.196.

10. Рибак А.О., Салюк А.І. Шляхи інтенсифікації процесу метанової ферментації жиромістких стічних вод // Тези доповідей другої міжнародної конференції ”Наука і освіта'99”.- Том 10.- Дніпропетровськ: Наука і освіта.- 1999.- С.45.

11. Кравець В.В., Губенко М.Б., Рибак А.О. Малі очисні споруди - майбутнє в практиці очистки стічних вод великих міст // Фальцфейновські читання.- Херсон: Айлант.- 1999.- С.96-97.

12. Кравець В.В., Рибак А.О. До впливу малих очисних споруд на екологічний стан довкілля // Збірка тез доповідей учасників ІІ Всеукраїнської науково-практичної конференції студентів, аспірантів та молодих вчених “Екологія. Людина. Суспільство” пам'яті професора О.П.Шутька.- К.: НТУУ “КПІ”.- 1999. - С.53-54.

13. Рибак А.О. Сучасний стан предочищення концентрованих стоків оліє-жирових комбінатів // Материалы международной научно-практической конференции “Актуальные проблемы водоснабжения и водоотведения”.- Одеса.- 1999.- С.179-181.

14. Рибак А.О., Салюк А.І. Застосування метанової ферментації для очищення стічних вод олієжирових підприємств // Тези доповідей третьої міжнародної конференції ”Наука і освіта'2000”.- Том 2.- Дніпропетровськ: Наука і освіта.- 2000 р.- С.49.

15. Рибак А.О., Шаповал О.Є. Біотрансформація жирів в аеробних та анаеробних умовах // Сборник трудов VIІІ международной научно-технической конференции “Экология и здоровье человека. Охрана водного и воздушного бассейнов. Утилизация отходов”. - Том ІІІ. - Харків. - 2000 р. - С. 593-596.

Дичко А.О. Біотехнологія локального очищення жировмісних стічних вод. - Рукопис

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 03.00.20 - біотехнологія.- Український державний університет харчових технологій, Київ, 2002.

Дисертація присвячена дослідженню процесів біотрансформації органічних забруднень, що містяться в стічних водах олійно-жирового виробництва, та розробці технології локального очищення стоків цієї категорії. Досліджено періодичне анаеробне бродіння стічних вод олійно- жирового комбінату в різних температурних режимах. Розроблено оптимальний режим безперервного метанового зброджування таких стоків. Досліджено вихід біогазу та його енергетичну цінність залежно від параметрів анаеробної ферментації. Вивчено процес аеробної обробки зброджених стоків олійно-жирового виробництва. Доведено доцільність застосування симбіотехнології для доочищення зброджених стічних вод олійно-жирових виробництв до вимог до якості стоків, що скидаються в сплавну каналізацію міста. Випробувано роботу симбіотенка для очищення жировмісних стічних вод у промислових умовах.

Запропоновано технологію комплексного локального очищення висококонцентрованих стічних вод олійно-жирових підприємств, що включає термофільне метанове бродіння та аеробну обробку із застосуванням іммобілізованої мікрофлори. Показано можливість застосування кінетичних констант метанової ферментації, отриманих під час лабораторних досліджень, для передбачення результатів анаеробного зброджування відходів у напівпромислових та промислових умовах.

Ключові слова: біогаз, жировмісні стічні води, метанове бродіння, симбіотехнологія.

Дичко А.О. Биотехнология локальной очистки жиросодержащих сточных вод. - Рукопись

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 03.00.20 - биотехнология.- Украинский государственный университет пищевых технологий, Киев, 2002.

Диссертация посвящена вопросам биотрансформации органических загрязнений, содержащихся в высококонцентрированных сточных водах масло-жирового производства, и разработке технологии локальной очистки стоков данной категории. Изучен процесс периодического метанового брожения сточных вод масло-жирового комбината в разных температурных режимах. Показано, что при 55+2 оС достигается наибольшая степень очистки стоков - до 85,1% по ХПК, по сравнению с 83,4% при 37+2 оС и 68,5% при 45+2 оС.

Установлен выход биогаза и его энергетическая ценность в зависимости от параметров анаэробной ферментации. Выявлено, что при 37 и 55 +2 оС образуется большее количество биогаза, чем при 45+2 оС.

Проведены эксперименты по осуществлению второй стадии анаэробной очистки сброженных при 45+2 оС стоков в периодическом режиме метановой ферментации при этой же температуре. При этом выявлена нецелесообразность дображивания таких сточных вод в данных условиях, поскольку в результате достигается незначительная степень разложения органических веществ, содержащихся в стоках, до значения ХПК 3100 мгО2/л.

Исследованиями подтверждено влияние рециркуляции активного ила на глубину биотрансформации органических веществ сточных вод. Определена оптимальная концентрация активного ила - 19 г/л. При дальнейшем повышении концентрации ила процессы очистки стоков замедляются из-за вторичного загрязнения сточных вод самим активным илом.

Установлено, что наибольшая скорость протока в метантенке, обеспечивающая максимальную степень сбраживания, может быть достигнута в термофильном режиме.

Проведение процесса анаэробной очистки сточных вод масло-жирового производства при 55 +2 оС по сравнению с 45 +2 оС дает возможность повысить скорость протока культуральной жидкости в метантенке вдвое, почти вдвое увеличить нагрузку на активный ил, получить в 1,3 раза больший выход биогаза при високой степени очистки стоков, которые могут быть направлены на дальнейшую их биохимическую доочистку.

Показано, что ведение процесса анаэробного брожения стоков масло-жирового комбината в две стадии позволяет увеличить глубину очистки стоков - до 83,8% (до ХПК 1940 мгО2/л) - и выход биогаза - 0,63 л/г ХСКзбр - с большим содержанием в нем метана - до 88,3%.

Разработан оптимальный режим непрерывного метанового сбраживания стоков масло-жировых производств, при котором скорость протока составляет: в первом метантенке -0,027 ч-1 (что соответствует длительности пребывания стоков в метантенке 36 ч), во втором - 0,021 ч-1 (что соответствует длительности пребывания 48 ч) при температуре 55 +2оС.

Изучен процесс аэробной обработки сброженных стоков масло-жирового комбината. Экспериментами, проведенными в лабораторных условиях, выявлено, что ХПК окисленных в аэротенке сточных вод данной категории снижается до ХПК 600,0 мгО2/л, что не позволяет сбрасывать очищенные воды в канализационную сеть города.

В то же время показана целесообразность применения симбиотехнологии для доочистки сброженных сточных вод масло-жировых производств до норм при сбросе сточных вод в городскую сплавную канализацию. Так, степень очистки сброженных сточних вод масло-жирового комбината после доочистки в симбиотенке в течение 12 часов составляет 80,3% по ХПК (с 1980 до 390 мгО2/л).

Проведены испытания работы симбиотенка для очистки жиросодержащих сточных вод в промышленных условиях.

В результате проведенных исследований предложена технология комплексной локальной очистки высококонцентрованных сточных вод масло-жировых предприятий, включающая двухступенчатое термофильное метановое брожение с рециркуляцией активного ила и аэробную обработку с использованием микрофлоры, иммобилизированной на вращающихся биодисках.

Произведенные расчеты основной аппаратуры показали, что применение метановой ферментации высококонцентрированных стоков дает возможность полностью компенсировать затраты на ведение процесса очистки стоков за счет энергии образующегося биогаза. Количество газа на самообеспечение составляет 25% общего выхода биогаза. Остаточное количество газа рационально трансформировать в электроэнергию. Использование теплоты сброженной культуральной жидкости для подогрева исходных сточных вод даст возможность уменьшить расход энергии на нагревание поступающих стоков на 40-50%.

Расчет экономического эффекта от внедрения технологии анаэробно-аэробной обработки сточных вод масло-жировых производств показал целесообразность применения таких очистных сооружений для очистки стоков данной категории. Так, применение технологии метанового брожения позволяет получить экономический эффект от внедрения 7435,07 тыс. грн, а применение симбиотехнологии - 4232,3 тыс. грн. Общий экономический эффект от внедрения технологии очистки стоков данной категории в метантенке с доочисткой сбродженных стоков в симбиотенке достигает 12 млн грн.

В работе представлен математический анализ полученных результатов с применением кинетики метанового брожения. Показана возможность применения кинетических констант метановой ферментации, полученных в ходе лабораторных исследований, для предвидения результатов анаэробного сбраживания отдходов в промышленных условиях.

Ключевые слова: биогаз, жиросодержащие сточные воды, метановое брожение, симбиотехнология.

Dichko A. O. Biotechnology of local treatment of fat-containing waste water.- Manuscript.

The dissertation competing for scientific degree of candidate of technical sciences by specialty 03.00.20 - biotechnology.- Ukrainian State University of Food Technologies, Kyiv, 2002.

Dissertation is devoted to research of processes of biotransformation of organic pollution present in waste water of oil mill productions, and to working out the technology of local treatment of such waste waters. Periodic anaerobic digestion of oil mill waste water under different temperature conditions is researched. The optimal regime of continuous methane fermentation of such wastes is processed. The output of biogas and its energetic value in dependence on parameters of anaerobic fermentation are researched. The process of aerobic treatment of digested wastes of oil mill productions is learnt. It is proved the expediency of symbiotechnology use for treatment of digested waste water of oil mill productions up to demands of organizations of water and sanitary control on dropping of waste waters in municipal sewerage. The work of symbiotenk for treatment of fat containing waste water is experienced under industrial conditions.

In result of realized researches it is proposed the complex technology of local treatment of high- concentrated waste water of oil mill plants, which includes thermophilic methane fermentation and aerobic treatment with use of immobilized microflora. It is shown the possibility of use of kinetic constants of methane fermentation, received from laboratory researches, for foreseeing of results of anaerobic digestion of wastes under half-industrial and industrial conditions.

Key words: biogas, fat-containing waste water, methane fermentation, symbiotechnology.

Размещено на Allbest.ru