Обеззараживание сточных вод

Охрана окружающей среды от промышленных сбросов

Загрязнений (в гидросферу) в пищевой промышленности

 

Характеристика загрязнений производственных сточных вод

Производственные сточные воды предприятий пищевой промышленности разнообразны как по компонентному составу, так и по концентрации и представляют собой сложную физико-химическую систему.

Качественный и количественный состав сточных вод зависит от производственного профиля предприятия, технологического процесса, типа перерабатываемой продукции, объема производства и степени механизации работ.

Общей характеристикой всех сточных вод пищевых производств является наличие в них большого количества органических загрязнений естественного происхождения. В технологии пищевых производств действующим законодательством запрещено применение веществ, попадание которых в продукт недопустимо, поэтому сточные воды пищевых предприятий не содержат ксенобиотиков (веществ, чуждых жизни). Отсутствует или крайне ограничено содержание в стоках тяжелых металлов, радионуклидов, пестицидов и других опасных веществ.

Поскольку сточные воды пищевых производств содержат главным образом органические вещества естественного происхождения, в них обязательно присутствуют биогенные элементы – азот и фосфор. Азот в сточных водах содержится как в составе аминогрупп, так и в виде ионов аммония, фосфор главным образом представлен в виде фосфатов.

Основными минеральными загрязнениями сточных вод пищевых производств являются хлориды, нитраты, минеральные взвешенные вещества (песок, глина).

В табл. 1.1 представлены обобщенные данные по качественному составу сточных вод пищевых производств, приведенные в научно-исследовательской литературе.

 

 

Таблица 1.1 - Характеристика загрязнений сточных вод пищевой промышленности

Показа-тель	Рыбообраба-тывающие заводы	Мясоком-бинаты	Молоко-заводы	Свеклоса-харные заводы	Пивова-ренные заводы	Спиртовые заводы (зерно-карто-фельное сырье)
Кон-серв-ные	Коп-тиль-ные
рН	7,0	7,6	7,4	5,6	6,8	7,5	7,7
БПКполн, мгО2/л
ХПК, мг О2/л			-
Взвешен-ные ве-щества, мг/л
Жиры, мг/л					-	-	-
Общий азот, мг/л			-		47,7
Фосфаты, мг/л			-		2,5	7,0
Хлориды, мг/л				-	50,9	-	-
Фенолы, мг/л	0,12		-	-	-	-	-

 

На предприятиях пищевой промышленности основными источниками сточных вод являются:

- воды, образующиеся при промывке сырья и протекании химических процессов;

- воды, находящиеся в виде свободной и связанной влаги в сырье;

- маточные водные растворы;

- воды охлаждения;

- воды от мытья оборудования и помещений.

Основной физико-химической характеристикой сточных вод, определяющей выбор того или иного метода очистки, является степень дисперсности загрязнений.

В зависимости от степени дисперсности (размера) загрязнений сточные воды пищевых производств подразделяются на:

- грубодисперсные системы с частицами размером более 0,1 мкм (остатки сырья, песок);

- коллоидные системы с частицами размером от 0,1 мкм до 0,1 нм (белки, жиры);

- истинные растворы с частицами размером менее 0,1 нм (растворы поваренной соли, кислоты, щелочи).

 

Для извлечения из сточных вод грубодисперсных примесей используются сооружения механической очистки, коллоидных веществ – методы физико-химической и биологической очистки.

 

Механическая очистка

Для удаления из сточных вод крупных взвешенных веществ (остатки сырья, крупные минеральные частицы) применяют решетки, параболические сита.

При разработке технологической схемы очистки промстока подбор решеток должен осуществляться в соответствии с пп. 6.16 – 6.25 СНиП 2.04.03-85.

В практике очистки сточных вод пищевых производств для этих целей наиболее распространены параболические сита, которые выполняются в виде параболических пластин из нержавеющей стали с углом наклона от 45 до 60 градусов с отверстиями от 2 до 5 мм в диаметре. Задержанные загрязнения на сите периодически удаляются скребком или щеткой.

Крупные минеральные загрязнения из сточных вод извлекаются в песколовках или гидроциклонах. Подбор и расчет данного оборудования (сооружения) должен осуществляться в соответствии с пп. 6.26 – 6.35 и 6.85 – 6.93 СНиП 2.04.03-85.

Для механической очистки стоков пищевых производств от жирных загрязнений применяют гравитационные жироловки.

В настоящее время для этих целей в России наиболее часто устанавливаются жироловки конструкции ЛИСИ с нисходяще-восходящим потоком жидкости (рис. 1.1).

Жироловка представляет собой цилиндрический резервуар с коническим днищем. Исходная сточная вода поступает по водораспределителю 1 в периферийный лоток 2. Из периферийного лотка жидкость попадает в отстойную зону жироловки 3 и, сохраняя вращательное движение, направляется по нисходящей спирали к центральной сборной камере 4. Очищенная сточная вода отводится через лоток 5. Всплывшие загрязнения непрерывно удаляются с поверхности отстойной зоны пеногоном 6. Примеси, выпавшие в осадок, скапливаются в конической части, откуда их периодически удаляют по трубопроводу 7.

6 1

 

 

 

Рис. 1.1 Схема жироловки конструкции ЛИСИ:

1 – водораспределитель; 2 - периферийный лоток; 3 – очистная зона; 4 – центральная камера; 5 – лоток очищенной воды; 6 – пеногон; 7 – трубопровод осадка.

 

Опыт эксплуатации жироловки такой конструкции показал, что эффективность извлечения жировых загрязнений составляет 30 %.

На практике довольно часто возникает необходимость в доочистке биологически очищенных производственных сточных вод. Наиболее широко для этих целей используют фильтры различной конструкции. В качестве фильтрующего материала применяют кварцевый песок крупных фракций, гравий, щебень, гранулированный доменный шлак, антрацит, керамзит, шунгезит.

В результате фильтрации в сточной воде уменьшается содержание взвешенных веществ, остаточной органики, фосфора.

 

Физико-химическая очистка

В практике очистки сточных вод пищевых производств наибольшее применение получили следующие методы физико-химической очистки: флотация, реагентная обработка, ультрафильтрация.

Метод флотационной очистки сточных вод основан на способности многих органических соединений (жиры, белки) адсорбироваться на поверхности жидкости в виде ионного слоя.

В зависимости от способа введения в жидкость пузырьков газа и их диспергирования флотация подразделяется на механическую, напорную, электрофлотацию.

При механической (импеллерной) флотации сточных вод диспергирование воздуха во флотационных машинах обеспечивается турбинками импеллеров. На очистных сооружениях пищевых предприятий, построенных в 60-70-х годах, зачастую в качестве сооружения физико-химической очистки устанавливались импеллерные машины. Однако практика эксплуатации данного оборудования показала невысокую эффективность их работы. Так, степень извлечения жировых загрязнений из сточных вод не превысила 15 %. В настоящее время импеллерные флотационные установки на очистных сооружениях пищевых предприятий не применяются.

Наибольшее распространение на предприятиях пищевой промышленности получили установки напорной флотации (рис. 1.2).

На рис. 1.2 представлена рециркуляционная схема флотационной очистки сточных вод. Часть очищенной воды из резервуара 1 центробежным насосом 2 подается в напорный бак 3. На байпасной линии насоса для подсоса воздуха устанавливается эжектор. Водо-воздушная смесь выдерживается определенное время в напорном баке при повышенном давлении (0,4 – 0,6 МПа). При поступлении водо-воздушной смеси в открытый флотатор 4 растворенный воздух выделяется в виде пузырьков и флотирует загрязнения. Пену с поверхности воды удаляют скребковым механизмом 5. Для обеспечения выделения растворенного воздуха непосредственно во флотаторе на подводящем трубопроводе водо-воздушной смеси устанавливается дросселирующее устройство 6.

 

3 6 5 4 1

 

 

Исходная

вода

2 воздух

 

 

Рис. 1.2 Схема установки напорной флотации:

1 – резервуар очищенной воды; 2 – насос;

3 – напорный бак; 4 – флотатор; 5 – скребок;

6 – дросселирующий клапан.

 

На предприятиях пищевой промышленности флотационную очистку применяют для извлечения из сточных вод жиро-белковых загрязнений, степень очистки при этом достигает 70 %, степень снижения БПК_полн – 50 %.

Электрофлотация – способ очистки, при котором с помощью соответствующих электродов в процессе электролиза воды происходит образование пузырьков газа кислорода и водорода.

В отечественной практике очистки сточных вод пищевых производств электрофлотация применяется редко, в связи с тем что данный метод требует значительного расхода электроэнергии.

Реагентная обработка сточных вод пищевых производств применяется для ускорения процесса осаждения (всплытия) тонкодисперсных примесей и эмульгированных веществ. Механизм коагуляции сводится к укрупнению дисперсных частиц загрязнений в результате их взаимодействия с реагентами и объединения в агрегаты.

В практике реагентной обработки сточных вод применяются: коагуляция – процесс дестабилизации коллоидных загрязнений, достигаемый добавлением химических реагентов – коагулянтов; флокуляция – процесс агломерации (укрупнения) «нейтрализованных» коллоидов, достигаемый введением химических реагентов – флокулянтов.

В качестве коагулянтов применяют традиционные неорганические соединения (соли алюминия, трех- и двухвалентного железа, негашеную известь). Для интенсификации процесса коагуляции применяют флокуляцию, в результате которой происходит укрупнение полученных хлопьев. В качестве флокулянтов используют, как правило, органические полимерные соединения: алгинат натрия, желатину, лигносульфонаты.

Технология реагентной обработки сточных вод включает несколько операций: растворение реагента, дозирование, смешение растворов коагулянтов и флокулянтов со сточной водой, процесс хлопьеобразования, процесс выделения образовавшихся хлопьев из раствора.

Схема установки для реагентной обработки сточных вод пищевых производств представлена на рис. 1.3.

Рисунок 1.3 – Схема установки реагентной обработки сточных вод:

1 – емкость для приготовления раствора; 2 – дозатор; 3 – смеситель; 4 – камера хлопьеобразования; 5 – отстойник, флотатор.

 

В качестве сооружения (оборудования) для выделения скоагулированных загрязнений на очистных сооружениях пищевой промышленности используются флотаторы, реже – отстойники. В практике очистки сточных вод пищевых производств реагентную обработку применяют, как правило, для интенсификации процесса флотационной обработки, степень извлечения жировых, белковых загрязнений при этом достигает 80 – 90 %.

 

Ультрафильтрация, одна из разновидностей технологии мембранной сепарации, представляет собой процесс фильтрования растворов через полупроницаемые мембраны под давлением, превышающим осмотическое давление (0,2 – 0,5 МПа), мембраны, пропуская молекулы воды, задерживают загрязнения. При ультрафильтрации диаметр задержанных частиц (молекул) загрязнений составляет величину 0,001 – 0,02 мкм.

Простейшая установка ультрафильтрационной обработки сточных вод (рис.1.4.) состоит из насоса высокого давления 1 и модуля (мембранного элемента) 2, соединенных последовательно. Очищенная вода проходит через мембрану под давлением, в то время как концентрат непрерывно удаляется через управляемый клапан 4.

Основной частью мембранных элементов является полупроницаемая мембрана. В настоящее время используют полимерные мембраны из ацетилцеллюлозы различных конфигураций: плоскопараллельные, трубчатые, рулонные.

 

Рисунок 1.4 – Схема ультрафильтрационной установки:

1 – насос; 2 – модуль; 3 – мембрана; 4 – выпускной клапан.

 

В практике очистки сточных вод пищевых предприятий ультрафильтрация начала применяться сравнительно недавно исключительно для внутрицеховой (локальной) обработки технологических сливов, например, для очистки отработанных тузлуков с целью их повторного использования, для концентрации ценных органических соединений в сливах от центрифуг и т.д. Эффективность извлечения органических загрязнений при этом очень высока и достигает 90-98%.

 

Биологическая очистка.

Для очистки сточных вод пищевых производств наиболее эффективными являются биологические методы. Это объясняется присутствием в производственном стоке органических загрязнений в основном естественного происхождения (белки, аминокислоты), которые легко "поедаются" микроорганизмами.

Сточные воды, направляемые на биологическую (биохимическую) очистку, характеризуются величинами БПК и ХПК. БПК - биологическая потребность в кислороде, или количество кислорода, потреблённое микроорганизмами при окислении органических загрязнений за определённый промежуток времени. Для экологической оценки сточных вод основным показателем является БПК_полн - полная биохимическая потребность в кислороде. ХПК - химическая потребность в кислороде, т.е. количество кислорода, пошедшее (в составе окислителя) на окисление всех органических загрязнений.

Поскольку микроорганизмы могут окислить далеко не все органические загрязнения, показатель ХПК сточных вод всегда больше показателя БПК_полн.

Возможность подачи промышленных сточных вод на сооружения биологической очистки устанавливают по соотношению БПК_полн/ ХПК, которое должно быть более чем 0,5. Для сточных вод пищевых производств это условие всегда соблюдается. Как правило, соотношение БПК_полн к ХПК составляет величину 0,75.

Кроме того, составными условиями пригодности пищевого промстока к биологической очистке являются: рН = 6,5 - 8,5; содержание солей < 10 мг/л; соотношение БПК_полн:N:P = 100:5:1; содержание фенолов не более 15 мг/л; содержание жиров не более 100 мг/л.

Процесс биологической очистки основан на способности микроорганизмов использовать органические вещества для питания в процессе жизнедеятельности.

В практике очистки сточных вод применяются аэробные и анаэробные методы.

Аэробный метод основан на использовании гетеротрофных микроорганизмов, для жизнедеятельности которых необходим постоянный приток кислорода.

Общий механизм биологического окисления в аэробных условиях гетеротрофными микроорганизмами можно представить следующей схемой:

 

R - CH ₃ + N ₂ + P CO ₂ + H ₂ O + микроорганизмы

 

Приведённая схема показывает окисление исходных органических загрязнений до углекислоты и образование новой биомассы.

При аэробной очистке микроорганизмы культивируются в активном иле и биопленке.

Сооружения биологической очистки, в которых используются микроорганизмы активного ила, называются аэротенками.

Аэротенки представляют собой железобетонные аэрируемые резервуары (рис.1.5).

 

 

Рисунок1.5 - Схема очистки сточных вод в аэротенках:

1 - аэротенк; 2 - вторичный отстойник; 3 - система аэрации

 

Процесс очистки в аэротенке 1 проходит по мере протекания через него аэрируемой смеси сточных вод и активного ила. Во вторичном отстойнике 2 происходит разделение очищенной воды и ила, который возвращается в аэротенк. Система аэрации 3 необходима для насыщения воды кислородом и поддержания ила во взвешенном состоянии.

Активный ил представляет собой амфотерную коллоидную систему влажностью 98%. Сообщество живых организмов (биоценоз) включает скопление бактерий, простейшие, грибы, дрожжи, различные инфузории.

При проектировании очистных сооружений биологической очистки основным расчётным показателем является перид аэрации (время пребывания сточной воды в аэротенке), определяемый в соответствии с п. 6.142 СНиП 2.04.03 - 85.

Биофильтры - сооружения аэробной экологической очистки, в которых загрязнение окисляют микроорганизмы, биоплёнки.

Биофильтры представляют собой железобетонные или металлические резервуары, заполненные фильтрующим материалом - загрузкой. В качестве загрузки используют различные материалы: щебень, гравий, керамзит, керамические и пластмассовые кольца.

Для очистки сточных вод пищевых предприятий пищевой промышленности наиболее экологически целесообразным является так называемый пластинчатый биофильтр с пластмассовой загрузкой (рис.1.6).

В данном биофильтре 1 исходная сточная вода, проходя через сооружение, контактирует с биоплёнкой, прикреплённой к щитам загрузки 2. Толщина биоплёнки составляет 1 - 3 мм. Биоплёнка выполняет те же функции, что и активный ил, содержит микроорганизмы, окисляющие органические загрязнения сточных вод. Для аэрации сточных вод предусмотрена соответствующая система.

 

 

Рисунок1.6 - Схема очистки сточных вод в биофильтре:

1- биофильтр; 2 - пластмассовые щиты

 

Проектирование биофильтров осуществляется в соответствии с пп. 3.235 -6.249 СНиП 2.04.03 - 85.

Для очистки высококонцентрированных жидких отходов предприятий применяют метод анаэробного сбраживания. Сущность данного метода заключается в процессе разрушения органических загрязнений анаэробными бактериями до конечных продуктов - метана и двуокиси углерода.

Процесс брожения проводится в герметически закрытых резервуарах - метантенках (рис.1.7).

Основным параметром анаэробного сбраживания является температура, регулирующая интенсивность процесса. Процессы сбраживания ведут в мезофильных (30 - 35 ºС) и термофильных (50 - 55 ºС) условиях.

 

 

Рисунок1.7 = Схема метантенка:

1 - метантенк; 2 - мешалка; 3 - змеевик

 

Метановое сбраживание жидких отходов в последнее время приобретает актуальное значение, поскольку даёт возможность получить дополнительное топливо - биогаз и не загрязняет окружающую атмосферу.

 

Обеззараживание сточных вод

Перед спуском в водоёмы очищенные сточные воды необходимо обеззараживать.

Под обеззараживанием понимают дезинфекцию воды, т.е. уничтожение патогенной микрофлоры. Оценку эффективности обеззараживания сточных вод производят по коли-титру.

В настоящее время для дезинфекции сточных вод применяют жидкий хлор, гипохлорид натрия (полученный на месте в электролизёрах), озон.

Проектирование установок по обеззараживанию воды осуществляется в соответствии со СНиП 2.04.02 – 84.

 

1.6. Проектирование технологии очистки сточных вод пищевых производств

Технологическая схема очистки сточных вод предприятий должна обеспечивать минимальный сброс сточных вод в водоем, максимальное использование очищенных сточных вод в системе оборотного водоснабжения, максимальное извлечение ценных примесей.

Для очистки производственных сточных вод применяют локальные (цеховые) и общезаводские очистные сооружения.

Локальные очистные сооружения предназначены для очистки сточных вод непосредственно после технологических установок и цехов. Установки локальной очистки являются продолжением технологического процесса производства.

На локальных установках очищаются сточные воды, которые не могут без очистки быть направлены на общезаводские или городские очистные сооружения. На данных установках также должно проводиться извлечение ценных веществ с целью дальнейшей утилизации. На предприятиях пищевой промышленности используют в основном физико-химические локальные установки – жироловки, флотаторы (извлечение жира, белка); реагентную обработку (очистка от фенолов); ультрафильтрацию (извлечение ценных органических соединений).

На крупных предприятиях пищевой промышленности предусматривают общие очистные сооружения первичной (механической), вторичной (биологической) третичной (доочистки) очистки сточных вод.

Выбор технологической схемы очистки сточных вод пищевых производств определяется:

- качественным и количественным составом сточных вод пищевых производств;

- требованиями к качеству очищенной воды.

Требования к качеству очищенной воды устанавливаются в зависимости от условий отведения обработанной воды:

- сброс сточных вод на городские очистные сооружения (в канализационных городских коллекторах);

- сброс очищенных сточных вод в поверхностные водоёмы.

При сбросе производственных сточных вод на очистные сооружения населённых пунктов установлены предельно допустимые концентрации (ПДК) веществ (табл. 1.2).

 

Таблица 1.2- ПДК веществ в промстоке, сбрасываемом на очистные сооружения

рН	Взвешенные вещества, мг/л	Жиры, мг/л	Хлориды, мг/л	Фенолы, мг/л
6,5-8,5

 

При сбросе очищенных сточных вод в поверхностные водоёмы ПДК загрязнений определены «Правилами охраны труда» Госкомприроды (ст.22.03.91) в зависимости от назначения водных объектов. В табл. 1.3 приведены общие требования к составу и свойствам очищенной сточной воды.

 

Таблица 1.3- Общие требования к составу и свойствам очищенной сточной воды

Показатель	Цель водопользования
Хозяйственно-питьевые нужды населения	Комму-нально-бытовые нужды населения	Нужды рыбного хозяйства
Высшая и первая категория	Вторая категория
рН	6,5-8,5	6,5-8,5
БПКполы мгО2/л
ХПК, мгО2/л			-	-
Взвешенные вещества, мг/л	0,25	0,75	0,25	0,75
Хлориды мг/л
Фенолы мг/л	0,001	0,001

 

 

При проектировании очистных сооружений промышленных предприятий состав сооружений может подбираться в зависимости от необходимой степени очистки (эффективности), рассчитываемой по формуле:

(1.6.1)

где С_исх, С_очищ – концентрация загрязнений в исходном и очищенной сточной воде.