СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ ЦЕЛЛЮЛОЗНО-БУМАЖНЫХ ФАБРИК ПУТЕМ ВНЕДРЕНИЯ АЛЬТЕРНАТИВНЫХ МЕТОДОВ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД

DOI: 10.53078/20778481 2022 1 128

УДК 502 В. В. Лихачев

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ ЦЕЛЛЮЛОЗНО-БУМАЖНЫХ ФАБРИК ПУТЕМ ВНЕДРЕНИЯ АЛЬТЕРНАТИВНЫХ МЕТОДОВ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД

V. V. Likhachyov

IMPROVING BIOLOGICAL TREATMENT PROCESSES OF PULP AND PAPER MILLS BY INTRODUCING ALTERNATIVE METHODS FOR INDUSTRIAL WASTEWATER TREATMENT

Аннотация

Приведены сведения об особенностях загрязнения водных объектов целлюлозно-бумажными предприятиями и описана типовая схема очистки загрязненных сточных вод. Проведен анализ особенностей биологической очистки. Предложено смешивать производственные стоки данных предприятий с хозяйственно-бытовыми с целью повышения эффективности биологической очистки загрязненных производственных стоков. Обосновано успешно реализованными мероприятиями. Возможно использование метода в текстильном, агропромышленном и пищевом производстве.

Ключевые слова:

целлюлозно-бумажная промышленность, загрязняющие стоки, технология очистки стоков, органические загрязняющие вещества, биологическая очистка.

Для цитирования:

Лихачев, В. В. Совершенствование процессов биологической очистки целлюлозно-бумажных фабрик путем внедрения альтернативных методов очистки сточных вод / В. В. Лихачев // Вестник Белорусско-Российского университета. - 2022. - № 1 (74). - С. 128-135.

Abstract

Information about the peculiarities of pollution of water bodies by pulp and paper enterprises is given and a common scheme for the purification of polluted wastewater is described. The analysis of the features of biological treatment has been carried out. It is proposed to mix industrial polluted wastewater from these enterprises with utilities wastewater in order to increase the efficiency of biological treatment of contaminated industrial wastewater. It is substantiated by successfully implemented activities. The method can be used in textile, agro-industrial and food production.

Keywords:

pulp and paper industry, polluting industrial wastewater, industrial wastewater treatment technology, organic pollutants, biological treatment.

©Лих ачевВ. В., 2022

For citation:

Likhachyov, V. V. Improving biological treatment processes of pulp and paper mills by introducing alternative methods for industrial wastewater treatment / V. V. Likhachyov // The Belarusian-Russian university herald. - 2022. - № 1 (74). - P. 128-135.

Предприятия целлюлозно-бумажной промышленности являются не только крупными потребителями ресурсов водного объекта, но и загрязнителями поверхностных вод легко- и труд-ноокисляемыми соединениями, образованными в процессе их производственной деятельности, которые напрямую оказывают существенное воздействие на биоту связанного с ними водного объекта.

Предприятия целлюлозно-бумажной промышленности имеют различные источники образования загрязненных сточных вод, образующихся при подготовке реагентов, в ходе варки измельченной щепы в варочном растворе, при промывке целлюлозного полуфабриката, а также при его отбеливании, во время прессования и высушивания целлюлозы и, наконец, в процессе выпаривания щелочных растворов.

Ключевыми источниками загрязнения природных вод при производстве целлюлозы преимущественным -сульфатным - методом считаются отбельные, варочные и сульфатные цеха. Кроме того, возможно попадание в водоёмы волокон древесины, коры и древесных отходов, а также выброс дурнопахнущих веществ.

Несомненно, состав стоков обусловливается способом получения целлюлозы и зависит от номенклатуры продукции. Промышленные стоки, образованные в ходе производственной деятельности целлюлозно-бумажных предприятий, характеризуются различными органическими и неорганическими веществами (большая часть которых приходится на органику), зависящими от технологии и способа производства целлюлозосодержащего продукта. В основном это могут быть волокна целлю-

лозы (потери около 6 %), смоляные жирные кислоты, содержащие опасные токсичные соединения (фенолы, формальдегид), лигнин, а также присутствующие в стоках соединения, характеризующиеся как дурнопахнущие (сульфиды, метилмеркаптан, метан), и некоторые потери в виде сульфатных или сульфидных щелочей.

В целом в стоках фабрик будут содержаться волокна целлюлозы, мелкие частицы бумаги, органика и минеральные составляющие, частицы клея и подобных эмульсий. Цвет таких стоков может колебаться в широком диапазоне. Наконец, абсолютно все стоки фабрик целлюлозно-бумажной промышленности характеризуют специфический запах и повышенная температура.

Таким образом, предприятия целлюлозно-бумажной промышленности оказывают негативное воздействие на экологические характеристики связанных с ними водных объектов, которые отражаются на экологической обстановке местности, где они расположены, а также на здоровье жителей ближайших населенных пунктов. Такая особенность позволяет сделать вывод о том, что, несмотря на наличие водоочистных сооружений на предприятиях целлюлозно-бумажной промышленности, необходимо их постоянное совершенствование для обеспечения экологического и иного благополучия населения и окружающей среды [1, 2].

Следует добавить, что при совершенствовании водоочистных сооружений необходимо отдавать предпочтение таким технологиям, которые могли бы быть наиболее эффективны при минимальных затратах, чтобы в рамках существования рыночной системы хозяйство-

вания обеспечить их окупаемость - ключевую составляющую экономической обоснованности [3].

Описание типовой схемы очистки

промышленных сточных вод

В процессе очистки загрязненная вода (в большинстве случаев) последовательно проходит через этапы механической, биологической и физико-химической очистки. Данная типовая схема заключается в постепенном удалении загрязняющих компонентов от наиболее крупных до мелкодисперсных легко-и трудноокисляемых частиц, обеспечивая равномерный процесс и оптимальную эффективность очистки в зависимости от размера данных частиц. Подробнее типовая схема очистки стоков приводится далее.

Сначала на этапе предварительной механической очистки загрязненная вода постепенно проходит через решетки, чтобы обеспечить задержание крупного мусора, а затем - через сооружения песколовок и жироловок. Воздействие силы тяжести обеспечивает быстрое осаждение тяжелых мелких частиц, песка, а разница плотности жидкостей позволять всплывать жировой пленке для её последующего отделения и уничтожения.

Предварительно очищенные от мусора и крупных частиц сточные воды попадают на стадию предварительной аэрации в преаэратор, где происходит перенасыщение стоков сжатым воздухом, необходимым для дальнейшего эффективного биоценоза аэробных бактерий. Ступеней преаэрации может быть несколько, чаще всего одна или две, либо вовсе они могут отсутствовать в зависимости от выбранной предприятием оптимальной технологии очистки. Также на данной стадии происходит продувка всевозможных соединений (в том числе сернистых), при которой они способны разлагаться в процессе их

возможного окисления.

Завершение стадии механической очистки чаще всего происходит в искусственных, радиальных (вертикальных) отстойниках. В ходе этой стадии на дне сооружения осаждаются загрязняющие компоненты, которые не смогли отделиться на решетках и песколовках, прошли сквозь них и остались в стоках. Осаждение считается наиболее простым и экономичным методом для сепарации твердой и жидкой фаз. Конструктивная особенность таких сооружений заключается в том, что большая ширина (диаметр) при относительно небольшой глубине котлована (емкости резервуара) позволяет отстаивать в сооружениях большие объемы мутной воды для осаждения частиц. Днище сооружения выполнено в форме перевернутого конуса, дает возможность концентрировать плотно осевшие накопившиеся загрязняющие частицы (шлам) для их более эффективного удаления и обеспечения в наибольшей степени эффективности сооружений-отстойников. Ускорить процесс осаждения возможно совместно с внедрением физико-химического способа - добавлением в отстойники флокулянта и/или коагулянта - веществ, способных связывать между собой или адсорбировать загрязненные частицы по необходимости.

Далее наступает стадия биологической очистки, которая происходит в естественных или искусственно созданных сооружениях. Обеспечение данного процесса осуществляется под воздействием активного ила - биоценоза зоогенных скоплений (колоний) бактерий и простейших одноклеточных организмов. Биологическая очистка загрязненных стоков проводится с целью удаления (разложения, окисления) из них легко- и трудноокисляемых загрязняющих органических веществ, образованных в ходе производственной деятельности предприятия. Подробнее данный этап очистки с его особенно-

стями будет рассмотрен автором далее.

На сегодняшний день совершенным преимуществом обладают искусственные сооружения биологической очистки, т. к. происходящие в нем процессы поддаются мониторингу и активному управлению, а также имеют много больший период эксплуатации по сравнению с естественными сооружениями и более приспособлены к реконструкции.

Последним этапом является процесс доочистки стоков, который предполагает вторичное осаждение загрязняющих компонентов с целью разделить твердую и жидкую фазы, обеспечив осветление очищаемых стоков. В данном случае агентом твердой фазы является использованный активный ил, часть которого после осаждения снова будет направлена в повторный цикл биологической очистки на аэротенки, а избыточная с помощью илососов будет направлена в емкости илоуплотнители, после которых будет произведено его обезвоживание и утилизация на полигоне.

Отделенная жидкая фаза, как показывает практика водоочистных сооружений ведущих предприятий России и всего мира, поступает на стадию доочист-ки - дополнительной фильтрации (например, дисковые фильтры) и обеззараживания - и уже затем может сбрасываться в водные объекты [4-6].

Анализ особенностей биологической очистки промышленных сточных вод

Автором исследования предлагается модернизация очистки стоков на этапе биологической очистки, поэтому прежде чем предлагать мероприятия для совершенствования, необходимо определить особенности активного ила. Сложную систему микроорганизмов активного ила составляют представители простейших и микроводорослей. Наиболее известными важными представителями являются инфузория, амеба, коловратка, хиладанелла, жгутиконосцы и

тихоходки, а также множество бактерий и грибов.

Как было отмечено, биологическая очистка заключается в удалении (разложении) органических веществ простейшими микроорганизмами под действием ферментов до простых неопасных соединений. Поглощая и перерабатывая органические вещества, они снижают уровень загрязнения по таким показателям, как БПК и ХПК в выходных стоках после очистки, практически перед выпуском в водный объект. При этом органические вещества производственных стоков: клеи, эмульсии, содержащие в том числе фенолы и формальдегиды, а также углеводы, белки, спирты, жиры, соли фосфатов и аммония - являются источником питательных веществ и энергии жизнедеятельности микроорганизмов, с одной стороны, и загрязняющими веществами для всей биоты водоемов, представляя для них опасность, с другой. Конечным продуктом переработки простейших являются вода, углекислый газ, метан, а также воссозданный в ходе их размножения активный ил. Микроорганизмы постоянно погибают при завершении их жизненного цикла. Но в этом нет никакой опасности: они неядовитые и растворяются в воде.

Микроорганизмы в зависимости от их жизнедеятельности и способа воздействия на органические загрязнители подразделяются на аэробные и анаэробные. Аэробные микроорганизмы способны к существованию и жизнедеятельности только в присутствии кислорода, который жизненно необходим для дыхания микроорганизмов, осуществления и поддержания окислительных процессов органики. При недостаточном уровне кислорода и в ходе его расхода в процессе окисления микроорганизмы перестанут справляться с возлагаемой на них нагрузкой и вскоре могут погибнуть. Поэтому необходимо дополнительно насыщать воду кислородом,

который содержится в сжатом воздухе. Уникальность аэробов заключается в том, что их дыхание происходит вследствие непосредственного окисления метана, водорода, солей азота, фосфора, а также сероводорода.

Анаэробные микроорганизмы, в свою очередь, являются неотъемлемой составляющей совокупности микроорганизмов и противоположны аэробным. Они способны вести свою жизнедеятельность и осуществлять процессы разложения органики в ограниченном количестве кислорода либо при полном его отсутствии. Заменой кислороду и важным составляющим в цикле жизнедеятельности является азот. Анаэробные организмы, в отличие от аэробов, составляют меньшую часть активного ила. Их схожесть заключается в том, что в ходе жизнедеятельности представители обоих типов выделяют тепло, но анаэробные меньше. Ключевая особенность анаэробных организмов заключается в том, что разложение обусловлено гниением активного ила с выделением большого количества биогаза, в составе которого более половины объема приходится на метан, а также сероводорода, углекислого газа. Поэтому при целесообразности и экономической обоснованности следует проектировать метан-тенки, с помощью которых будет аккумулироваться метан и подаваться в котлы для сжигания излишнего активного ила и/или отопления помещений, чтобы не допустить чрезмерного влияния метана на парниковый эффект атмосферы.

Для осуществления эффективной жизнедеятельности микроорганизмов необходимо создавать и поддерживать для них определенные условия, заключающиеся в создании комфортной среды.

1. Непрерывное присутствие в воде кислорода. Чем его будет больше, тем быстрее и эффективнее будет протекать процесс биоразложения. Поэтому имеет смысл подавать сжатый воздух по перфорированным трубам, уложенным

на дне аэротенков, обеспечивая так называемый «барботаж» активного ила.

2. Оптимальная температура в диапазоне от 12 °С до 30 °С, а также показатель кислотности рН воды в диапазоне значений 6,5...8,5 и отсутствие токсинов. Небольшое отклонение от заданных значений будет ингибировать процесс, а сильное и вовсе способно уничтожать популяцию активных микроорганизмов.

3. Наличие в очищаемых стоках различных органических веществ для обеспечения питания и источника энергии, а при их недостатке - необходимость восполнить подкормкой в виде фосфатных или азотных соединений (например, ортофосфорная кислота или аммонийные соли, карбамид).

4. Условия эксплуатации и проектные мощности сооружений биологической очистки:

- подача стоков на сооружения без перегрузки или недобора поступающих на сооружения стоков;

- степень загрязнения (насыщенности) органическими соединениями для достижения требуемой эффективности;

- регулирование избыточного ила, его своевременный вывод из цикла с целью недопущения перегнива-ния и выделения из него побочных нежелательных токсичных соединений (метан, метилмеркаптан, цианиды, сероводород) [7].

Таким образом, были приведены основные условия, позволяющие реали-зовывать процесс биологической очистки загрязненных стоков. При этом необходимо искать такие возможности, благодаря которым будет осуществимо непрерывное совершенствование системы водоочистных сооружений, которое могло бы удовлетворять принципам устойчивого развития - большей эффективности при минимуме затрат без ущерба окружающей среде.

Исследование особенностей хозяйственно-бытовых стоков.

Преимущества и нюансы

Автором исследования предлагается альтернативный метод биологической очистки сточных производственных вод, заключающийся в смешении коммунальных муниципальных стоков, прошедших предварительную механическую очистку.

Потенциальные преимущества внедрения способа.

1. Вследствие жизнедеятельности человека хозяйственно-бытовые стоки обладают обогащенным содержанием биоразлагаемой массы (белки, ли-пиды, жиры, углеводы, спирты, соединения фосфатов и аммонийной группы), которая является обогащенным источником питания и энергии для осуществления активной жизнедеятельности микроорганизмов.

2. Данный подход позволит сократить объем подкормки (например, ортофосфорной кислоты и карбамида), которая будет частично замещена содержанием подобных соединений в хозяйственно-бытовых стоках.

3. Смешение двух видов стоков предоставит возможность сбалансировать значение температуры и достичь её оптимальных значений, необходимых для создания комфортных условий мик-робиоты. Как правило, производственные стоки обладают повышенной температурой (около 40 °С...60 °С); коммунальные стоки из-за своей невысокой температуры способны нормировать значение смешанных стоков в диапазоне от 15 °С до 30 °С (в зависимости от времени года).

Осуществление данного метода предлагается автором обеспечивать в сооружении смесительной камеры и последующей преаэрацией перед первичными отстойниками. При отсутствии крупного мусора производственные стоки могут сразу направляться в сме-

сительную камеру, а хозяйственно-бытовые должны пройти этап механической очистки, в которой будут задержаны различные виды сложно-разрушающегося мусора, образованного в процессе жизнедеятельности человека, например, ватные палочки, волосы, нетканые салфетки, а также строительный мусор и различные виды крупного мусора, древесины - доски, балки. В смесительной камере также предполагается осуществление подачи подкормки в виде фосфатов и аммонийных солей, необходимых для достижения оптимального баланса эффективной деятельности микроорганизмов.

Таким образом, активно участвующие в разложении микроорганизмы перерабатывают стоки гораздо эффективнее, быстрее и в большем объеме. Перенасыщенность стоков активным илом и постоянное снабжение воздухом создают стремительное биохимическое окисление загрязняющих органических веществ, позволяя многократно снизить незадолго до выпуска очищенных стоков такие показатели загрязнения, как БПК и ХПК [8, 9].

При внедрении данного подхода следует обеспечивать такие условия, при которых процесс будет управляемым. Первым общим важным условием, по мнению автора, является внедрение системы непрерывного активного мониторинга, позволяющей отслеживать всевозможные необходимые показатели (температура, рН-показатель, напор подачи и объем стоков, объем активного ила) для своевременного принятия управленческих решений. Другими частными важными условиями являются:

- непрерывная продувка (аэрация) активного ила, где он принимает непосредственное участие в биоразложении органики до этапа вторичных отстойников, где его необходимо будет отделять и удалять;

- подкормка микробиоты необходимыми агентами (по необходимо-

сти) для предотвращения замедления их жизнедеятельности.

Вместе с этим на завершении этапа биологической очистки немаловажно предусмотреть внедрение стадии до-очистки, т. к. вторичные источники не способны достичь требуемого уровня очистки и прозрачности очищенных стоков. Этап доочистки должен включать в себя систему дисковых фильтров для обеспечения тонкой механической очистки от мелкодисперсных взвешенных веществ, например, частиц плавающего активного ила и/или неокислен-ных соединений, а также стадию обеззараживания УФ-излучением или гипо-хлоритом натрия. Выбор способа обеззараживания во многом будет зависеть от состояния воды, экономической целесообразности и способности предприятия: цветность воды исключает применение УФ-излучения из-за снижения эффективности проникновения лучей, а также из-за дорогостоящей эксплуатации и больших расходов электроэнергии [10].

Успешно реализованные мероприятия и рекомендации

В качестве успешно реализованных мероприятий исследуемой автором темы можно привести одно из ведущих экологически ответственных предприятий российской целлюлозно-бумажной промышленности ОАО «Монди Сыктывкарский ЛПК», которое расположено в столице Республики Коми. Предприятие применяет многоступенчатую поэтапную очистку сточных вод, при которой использует смешение хозяйственно-бытовых и своих производственных стоков, что дает возможность значительно снизить показатели загрязняющих веществ БПК и ХПК в выходной очищенной воде. При этом предприятие также очищает коммунальные стоки, попадающие от муниципальных потребителей, что позволяет избежать

отдельных коммунальных очистных сооружений и значительно снизить тарифы на оплату коммунальных услуг. Такой подход, безусловно, наделяет данное предприятие значительным конкурентным преимуществом по сравнению с подобными благодаря следованию принципам устойчивого развития, а также свидетельствует о его ответственности в области мероприятий по охране окружающей среды [11].

Помимо предприятий целлюлозно-бумажной промышленности, подобные мероприятия возможно внедрять в другие подобные предприятия легкой промышленности: текстильные, агропромышленные комплексы или пищевое производство.

Заключение

1. Предприятия целлюлозно-бумажной промышленности оказывают негативное воздействие на экологические характеристики связанных с ними водных объектов, которые отражаются на экологической обстановке местности, где они расположены, а также на здоровье жителей ближайших населенных пунктов, т. к. являются крупнейшими потребителями ресурсов водного объекта и загрязнителями поверхностных вод легко- и трудноокисляемыми соединениями, образованными в процессе их производственной деятельности, имея множество источников образования загрязненных сточных вод, зависящих от определенных технологических операций.

2. В производственных стоках фабрик будут содержаться волокна целлюлозы, мелкие частицы бумаги, органика и минеральные составляющие, а также частицы клейких и подобных эмульсий. Цвет таких стоков может колебаться в широком диапазоне. Наконец, абсолютно все стоки фабрик целлюлозно-бумажной промышленности характеризуют специфический запах и

повышенная температура.

3. В качестве совершенствования методов биологической очистки загрязненных в ходе производства сточных вод было предложено их смешение с хозяйственно-бытовыми муниципальными стоками, прошедшими предварительную механическую очистку. Особенность данного способа позволяет увеличить эффективность окисляемости (разложе-

ния) загрязняющих органических компонентов под воздействием множества простейших микроорганизмов.

4. Приведен пример успешного применения метода, даны рекомендации всевозможного внедрения способа в различные виды производства (в текстильное, агропромышленное и пищевое).

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Воичишин, Г. Н. Гигиеническая оценка среды обитания и состояния здоровья населения в районе размещения целлюлозно-бумажных предприятий Сокольского района Вологодской области: дис. ... канд. мед. наук: 14.00.07 / Г. Н. Воичишин. - Санкт-Петербург, 2004. - 175 л.

2. Очистка сточных вод. Экологические загрязнения. Технологические особенности [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://www.vo-da.ru/articles/stochnye-vody-cbk/ekologicheskie-zagryazneniya. - Дата доступа: 01.10.2021.

3. ИТС 1-2015. Информационно-технический справочник по наилучшим доступным технологиям [Электронный ресурс] // Электронный фонд правовых и нормативно-технических документов. - Режим доступа: https://docs.cntd.ru/document/1200128661. - Дата доступа: 01.10.2021.

4. ГОСТ Р 56847-2015. Процессы производства целлюлозы. Нормативы образования отходов [Электронный ресурс] // Электронный фонд правовых и нормативно-технических документов. - Режим доступа: https://docs.cntd.ru/document/1200129485. - Дата доступа: 01.10.2021.

5. Регион. Инжиниринг, проектирование, строительство. Проектирование очистных сооружений промышленных сточных вод [Электронный ресурс] // Очистка сточных вод в бумажной промышленности (ЦБК). - Режим доступа: https://dc-region.ru/ochistka-stochnyh-vod-v-bumazhnoy-promyshlennosti-cbk. -Дата доступа: 01.10.2021.

6. Waste-free technology of ^oratta sorokiniana microalgae biomass usage for lipids and sorbents production / N. A. Politaeva [et al.] // Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii, Seriya Khimiya i Khimicheskaya Tekhnologiya. - 2019. - № 61 (12). - P. 137-143.

7. НПО «АгроСтройСервис» [Электронный ресурс] // Биологические очистные сооружения. Методы очистки. - Режим доступа: https://acs-nnov.ru/. - Дата доступа: 01.10.2021.

8. Что такое аэротенк? Аэротенк (аэрация) - биохимическое окисление стоков [Электронный ресурс] // Автономные канализации и септики. - Режим доступа: https://delfin.one/aerotenk/. - Дата доступа: 01.10.2021.

9. Energy production from chlorella algae biomass under St. Petersburg climatic conditions / N. A. Politaeva [et al.] // Chemical and Petroleum Engineering. - 2018. - Vol. 53, № 11-12. - С. 801-805.

10. МДК 3-02.2001. Правила технической эксплуатации систем и сооружений коммунального водоснабжения и канализации [Электронный ресурс]: утв. приказом Госстроя РФ, 30.12.1999 г., № 168. - Режим доступа: https://sudact.ru/law/mdk-3-022001-pravila-tekhnicheskoi-ekspluatatsii-sistem-i/pravila/razdel-3/3.5/aerotenki/. - Дата доступа: 01.10.2021.

11. Экологический аудит состояния сточных вод ОАО «Монди Сыктывкарский ЛПК» [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://knowledge.allbest.ru/ecology/ 2c0a65625b2bd68b5d43a88521216d37_0.html. - Дата доступа: 01.10.2021.

Статья сдана в редакцию 14 октября 2021 года

Владислав Владимирович Лихачев, магистрант, Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого. E-mail: lihachev.vv@edu.spbstu.ru.

Vladislav Vladimirovich Likhachyov, MSc student, Peter the Great St. Petersburg Polytechnic University. E-mail: lihachev.vv@edu.spbstu.ru.