Современные технологии очистки сточных вод пивоваренных заводов

Современные технологии очистки сточных вод пивоваренных заводов

П.Э. Соренсен

«Крюгер А/С» (Дания) Б. Бучак

«Веолия Вотер Системз Поланд»

Процессы и оборудование, используемые при очистке стоков, хорошо знакомы специалистам, занятым в пивоваренной промышленности. Те из них, которые являются также и специалистами в области очистки сточных вод, должны уметь эффективно использовать микроорганизмы и оптимизировать их деятельность.

В процессе очистки стоков используют 3 группы микроорганизмов:

• анаэробные бактерии для разложения органических веществ и выработки метана;

• аэробные бактерии для дальнейшего удаления органики, азота и фосфора;

• нитрифицирующие бактерии для окисления азотсодержащих компонентов.

Оборудование, используемое в очистных сооружениях, предназначено

для оптимизации взаимодействия и деятельности данных бактерий.

Состав стоков

пивоваренных заводов

Сточные воды, поступающие с пивоваренных заводов, легко разлагаются бактериями. Однако по сравнению с бытовыми стоками они имеют очень высокую концентрацию органических веществ (ХПК). Проблемой является также изменчивость pH и температуры.

При обсуждении вопроса о производительности очистных сооружений очень часто используют термин «приведенный житель», или п.ж. Уровень загрязняющих веществ от одного жителя принимается около 90 г ХПК/сут

Таблица 2

и называется «один п.ж. по ХПК». Если пивоваренный завод сбрасывает 2000 м3 стоков/сут с содержанием ХПК в 3500 мг/л, то полная нагрузка составит 7000 кг ХПК/сут, что соответствует 78000 п.ж.

Состав пивоваренных стоков в сравнении с составом бытовых показан в табл. 1.

Нормативные требования ЕС

для сброса сточных вод

В 1991 г. ЕС принял Директиву по очистке хозяйственно-бытовых сточных вод (91/271). Данная Директива касается сбора, очистки и сброса хозяйственно-бытовых сточных вод и осадки, очистки и сброса сточных вод конкретных промышленных секторов (пищевая промышленность). В Директиве также указаны нормативы сброса очищенных сточных вод, методы контроля и сроки выполнения данной Директивы.

Директива определяет два типа выпуска, а именно: выпуск в «чувствительные» и менее «чувствительные» водоприемники. К «чувствительным» водоприемникам относят пресноводные озера и другие водоемы, которые используют в качестве водоисточников для систем водоснабжения, устья рек и прибрежные зоны со слабым режимом водообмена. «Чувствительные» водоприемники определяются государствами — членами ЕС.

Нормативы директивы ЕС для выпуска в водоприемники различного типа приведены в табл. 2. Применяются показатели концентрации или процент снижения концентрации, который рассчитывается исходя из уровня нагрузки неочищенных стоков.

Выбор метода очистки

В случае очистки стоков пивоваренных заводов с последующим их сбросом в поверхностные водоприемники существует две возможные альтернативы: анаэробная очистка в комбинации с аэробной доочисткой; аэробная очистка.

Анаэробная предварительная очистка применяется для предварительной очистки сточных вод до их подачи на городские канализационные очистные сооружения или на очистные сооружения аэробной очистки. Кроме того, в анаэробном процессе вырабатывается метан, который может быть использован в качестве источника энергии.

Общее сравнение анаэробной и аэробной систем приведено в табл. 3.

Таблица 1

Показатель Типовые стоки

пивоваренные бытовые

ХПК, мг/л 2000-6000 200-700

Взвешенные вещества, мг/л 200-1000 100-400

Азот (общ.), мг/л < 50 20-80

Фосфор (общ.), мг/л < 25 5-15

Температура, °С 18...38 10.17

рн 4,5-12,0 7,0-8,0

Показатель, Водоприемники

мг/л (% сниж.) менее «чувствительные» «чувствительные»

хпк5 25

БПК 125

ВВ * 35

ВВ ** 60 (70) 60 (70

Азот

Азот

Фосфор

Фосфор

* > 10 000 п.ж. ** 2000-10 000 п.ж.

* 10 000-100 000 п.ж. «« > 100 000 п.ж.

ПИВО и НАПИТКИ

5•2003

22

Рис. 1. Очистные сооружения анаэробной/аэробной очистки на пивоваренном заводе в Германии

Виды реальных очистных сооружений показаны на рис. 1 и 2. На рис. 1 представлены очистные сооружения анаэробной/аэробной очистки, а на рис. 2 — очистные сооружения чисто аэробной очистки.

Анаэробные системы

В анаэробных очистных сооружениях используется способность некоторых микроорганизмов разлагать органические вещества в условиях отсутствия кислорода с последующим образованием метана. Таким образом, происходят экономия электроэнергии за счет отсутствия подачи кислорода и выработка дополнительной энергии, высвобождаемой из сточных вод, так как метан может быть использован для отопления помещений и получения электроэнергии.

В анаэробном процессе очистки одновременно участвует множество различных бактерий. А так как способность бактерий к размножению очень ограниченна, то необходимо поддерживать оптимальные условия для их роста, а именно постоянную и высокую температуру и постоянную нагрузку.

Анаэробный процесс разложения органических веществ может быть грубо разделен на две стадии. До начала этих стадий осуществляется гидролиз с помощью ферментов без участия бактерий, затем следуют две главные ста-

Рис. 2. Очистные сооружения

Таблица 3

Анаэробный процесс очистки Аэробный процесс очистки

Площадь поверхности: 20 % от площади Реакторы больших объемов

типовых очистных сооружении

Выработка энергии в виде биогаза Потребление энергии при аэрации

МалыИ объем производимого осадка — БольшоИ объем производимого осадка

10 % от объема осадка, производимого

в аэробноИ системе (анаэробныИ осадок имеет

коммерческую значимость)

Частичная очистка — 70-85 % нагрузки по ХПК Полная очистка

Нет Удаление азота

Нет Удаление фосфора

Эксплуатационные затраты

Ниже Выше

дии: процесс окисления и последующее образование метана при участии бактерий. Поддержание необходимого уровня pH — важный фактор для оптимизации данного процесса. При прекращении образования метана продолжается процесс окисления, что приводит к падению уровня pH и может остановить процесс в целом с созданием больших проблем с запахом. Поэтому в процессе анаэробной очистки добавляется каустическая сода, если отмечается падение уровня pH.

Разработки последнего десятилетия позволили получить значительный технологический скачок при использовании анаэробных систем, а именно повысить их эффективность и объемную скорость загрузки реакторов. Это дало возможность строить меньшие по объему и более дешевые системы. Голландская компания Paques разработала современный анаэробный реактор — IC-типа (внутренняя циркуляция). Впервые внедренный в пивоваренную промышленность в 1990 г. IC-реактор стал самым популярным используемым технологическим решением для анаэробной очистки стоков пивоваренных заводов. Технология основана на процессе UASB (взвешенный анаэробный ил в восходящем потоке) с использованием трехфазного сепаратора (стоки/биогаз/ил) для удержания биомассы. IC-реактор представляет собой двухсекционный UASB-реактор (одна секция располагается над дру-

гой). Первая секция работает с большой нагрузкой по органическому веществу, в то время как вторая секция работает с низкой нагрузкой. IC-реак-тор оснащен двухстадийной сепарирующей системой, где в первом отстойнике в результате гашения турбулентности удаляется около 90 % биогаза. В результате во втором отстойнике происходит эффективное отделение ила от сточной воды.

Отделенный на первой стадии био-газ спонтанно поднимается вверх, вызывая тем самым внутреннюю циркуляцию в простой, надежной и саморегулирующейся системе (больше ХПК > >больше биогаза > больше циркуляция), не требующей ни контроля, ни технического обслуживания. Система анаэробной очистки IC состоит из башенного реактора с относительно небольшой площадью поверхности и высотой до 24 м. Конструкция реактора приведена на рис. 3.

В настоящее время очистные сооружения типа IC строятся дочерней компанией «Крюгер А/С» — «Веолия Во-тер Системз Поланд» (Польша) по лицензии компании Paques для пивоваренного завода SAB в Тышке (Польша).

В статье (Верейкен и др.) приводится обзор методов очистки стоков, используемых на пивоваренных заводах. Согласно данным обзора около 250 пивоваренных заводов по всему миру применяют анаэробную очистку стоков. Предпочтение отдается техноло-

5•2003

НАПИТКИ

23

Биогаз

2-й сепаратор

Обратный трубопровод

1-й сепаратор

Отсек дегазации

Очищенные стоки

Отсек доочистки

Подъемный

трубопровод

Отсек

со взвешенным илом

Распределительная система

Стоки на очистку

Рис. 3. Анаэробный Biopaq — IC-реактор

гии UASB, включая недавно разработанный и представленный в настоящей статье IC-реактор.

Аэробные системы

Большинство бактерий при аэробной очистке живет за счет разложения органических веществ с потреблением кислорода. В процессе их жизнедеятельности формируется безвредный остаток, а именно углекислый газ и вода, и образуются новые бактерии. После удаления из очищенных вод выработанные бактерии формируют остаточный ил, который в дальнейшем должен быть как-то утилизован. Небольшая часть азота и фосфора ассимилируется клетками и, таким образом, удаляется.

Удаление азота представляет собой достаточно сложную технологию в очистке сточных вод, но после принятия директивы ЕС это требование является обязательной нормой в Европе.

Директива ЕС также требует удаления фосфора из сточных вод для предотвращения роста водорослей (эвтрофи-

кации) в водоприемниках. В отличие от азота фосфор может быть удален из сточных вод только вместе с избыточным илом. Поэтому для удаления фосфора необходимо решить вопрос о связывании его в иле и удержании частиц этого ила от выпуска с очистных сооружений вместе с очищенными стоками.

Компания «Крюгер А/С» имеет несколько запатентованных технологий по удалению органических веществ, азота и фосфора, основанных на использовании активного ила. На основе данной технологии было построено около 200 очистных сооружений. Принципиальные схемы данных технологий приведены на рис. 4 и 5.

Системы

с фазовой изоляцией

Данные типы очистных сооружений основаны на принципе регулирования тока воды внутри сооружений в процессе очистки. Процессы очистки BIODENITRO, BIODENIPHO и TRIO N&P были разработаны компанией «Крюгер А/С» в 70-х годах и применяются по всему миру. Основу очистных сооружений BIODENITRO составляют два однотипных резервуара, где происходит смена фаз процесса очистки воды, и один отстойник. Для удаления фосфора процесс BIODENIPHO включает также и анаэробный танк для производства аккумулирующих фосфор бактерий. Системы работают с чередованием подачи сточных вод и режима процесса (аноксичный/анаэробный) в двух резервуарах. В сооружениях TRIO N&P дополнительно оборудован пост-аэрационный танк между резервуарами биологической очистки и отстойником с целью уменьшения содержания аммонийного азота в очищенной воде.

Системы

с рециркуляцией ила

Данные очистные сооружения основаны на принципе подачи сточных вод в ту часть очистных сооружений,

где предусмотрена их наиболее эффективная очистка. В 1991 г. компания «Крюгер А/С» приобрела у американской компании «Эйр Продактс Инкорпорейшн» эксклюзивные права на известные и запатентованные системы A/O и A2/O. Система A/O была специально разработана для биологической очистки фосфора и уменьшения объема волокнистого осадка, в то время как система A2/O создавалась для удаления и фосфора, и азота. Основу систем A/O и A2/O составляют анаэробный и аэробный резервуары, с помощью которых удаляются органические вещества и фосфор. Удаление азота в системе A2/O выполняется путем размещения аноксичного резервуара между двумя другими технологическими резервуарами.

К настоящему времени компания «Крюгер А/С» уже построила несколько таких очистных сооружений для пивоваренных заводов. На рис. 2 изображены очистные сооружения, построенные компанией «Крюгер А/С» в Ванг Ной (Таиланд).

Эрлифтная система CIRCOX

Схема устройства денитрификацион-ного эрлифтного реактораа СМох представлена на рис. 6. Реактор представляет собой цилиндрический сосуд, разделенный на два отсека: оксичный (с кислородом) и аноксичный (без кислорода). Внутри оксичного отсека расположен другой цилиндр, отсекающий область нисходящего тока. Оксичный и аноксич-ный отсеки соединены между собой. Воздух подается в оксичный отсек и индуцирует циркуляцию воды в системе. Поток воды увлекает гранулы ила и обеспечивает превосходное перемешивание содержимого реактора. Взвешенные гранулы ила возвращаются обратно из верхней части аноксичного отсека, где дополнительная аэрация в месте подвода трубы обратного тока обеспечивает рециркуляционный поток в направлении оксичного отсека. Возврат воды в оксич-

BioDeniphotm

BioDenitrotm

Анаэробный

Стоки на очистку

Аэробный Отстойник

Очищенные стоки

Аноксичный/аэробный Trio N и P

Рис. 4. Система с фазовой изоляцией:

процессы Bio-Denitro и Bio-Denipho

ПИВО и НАЛИТКИГ 5 •

5•2003

24

А2/О

i-1-1 А/О i 1-1

Стоки на очистку Отстойник

Рис. 5. Рециркуляционная технология: A/O и A2/O процесс

Вентиляционный выпуск

Кольцевой зазор Осаждение _ ила

Воздушная

с восходящим потоком

\

Воздух

Рис. 6. Эрлифтная система Circox

ный отсек регулируется аэрацией трубы обратного тока.

Система Огеох — замкнутая система, поэтому она позволяет легко контролировать такие побочные процессы, как шум и появление неприятных запахов.

Широта применения Огеох-техноло-гии совместно с флотационной установкой сопоставима с применением мало-нагруженных систем с активным илом. Качество очищенных сточных вод, которое может быть достигнуто при использовании данной технологии, также соизмеримо с технологиями применения активного ила. Эксплуатационные затраты обеих систем приблизительно одинаковы. Тем не менее, требуемый объем реактора системы Огеох в 6 раз меньше, чем у типовых систем, использующих активный ил (рис. 6).

Оборотное использование воды

Процесс Вшэер, разработанный компанией «Вивенди Вотер», являет-

Упрощенная технологическая схема

Стоки на очистку

Погруженные мембраны

Био-реактор

Очищенные стоки —

\

Отсасывающий насос

Аэрация

Рис. 7. Система Biosep

—Воздуходувка  Избыточный ил

ся процессом аэробной очистки новейшего типа, который уже был внедрен на нескольких промышленных предприятиях во Франции. Вшэер-технология сочетает биологическую очистку и механическую сепарацию с использованием погружных мембран в одном и том же резервуаре. В связи с этим в данных очистных сооружениях не предусмотрены отстойники и они очень компактны. Очищенные стоки имеют высокие качественные показатели, так как бактерии не проникают через мембраны. После очистки стоки в дальнейшем могут быть использованы для котельных и башенных охладителей.

Принцип работы данной системы показан на рис. 7.

Обработка осадка

Качество осадка. Основная цель, которая преследуется в процессе обработки осадка, — получение продукта, пригодного к утилизации или захоронению наиболее экономичным способом. Начальный процесс часто включает стабилизацию ила с целью снижения проблемы запаха в процессе последующей обработки. В случае использования биологических методов стабилизации ила также уменьшается масса взвешенного твердого вещества.

Уменьшение общего объема ила происходит путем удаления воды в процессе его уплотнения и (или) обезвоживания. В случаях, когда требуемое содержание сухого вещества превышает возможности применения механического обезвоживания, также применяется термическая сушка. В зависимости от методов дальнейшей обработки ила используется как частичная, так и полная сушка. Самый радикальный способ уменьшения количества ила — его сжигание, после которого остается только зола.

Ил,получаемый после очистки стоков пивоваренных заводов, имеет очень низкую концентрацию тяжелых металлов и поэтому без каких-либо проблем может быть использован для удобрения сельскохозяйственных угодий.

Продажа анаэробного ила. Ил,

производимый анаэробным реактором, имеет высокое качество по отношению к уровню активности микроорганизмов и осаждающим свойствам. Это означает, что он имеет коммерческую значимость для «посевов» его на других очистных сооружениях, применяющих анаэробную техноло-

Заключение

В течение последних 10 лет появились новые эффективные методы очистки стоков для пивоваренных заводов. Наиболее оптимизированы анаэробные методы очистки, поскольку при использовании очень небольших площадей они позволяют удалять большие объемы загрязнений. Как следует из табл. 3, наибольшие преимущества дает комбинированное применение анаэробных и аэробных систем. Поскольку анаэробный процесс удаляет до 80 % органической нагрузки, то комбинация двух процессов дает следующие результаты:

аэрация необходима только для удаления оставшихся 20 % ХПК, что дает экономию электроэнергии;

аэробный реактор имеет значительно меньшие размеры;

производство значительно меньшего объема избыточного ила, чем при использовании только аэробного процесса;

производство энергоносителя — метана;

минимальные требования к площадям для размещения очистных сооружений.

Полная очистка сточных вод, удовлетворяющая нормам ЕС, может быть выполнена только при применении комбинации анаэробной и аэробной очистки или только аэробной очистки. Для небольших пивоваренных заводов с целью сокращения инвестиционных расходов можно использовать только аэробную очистку. Для больших пивоваренных предприятий оптимальное решение — сочетание предварительной анаэробной и последующей аэробной очистки. Возможности и объемы применения предварительной анаэробной очистки различны для разных предприятий. Они зависят от местных цен на энергоносители и имеющихся площадей для размещения очистных сооружения на пивоваренном заводе.

Оборотное использование очищенных стоков становится более привлекательным в связи со значительным снижением за последние несколько лет стоимости мембранных фильтров. Если пивоваренный завод имеет ограниченные площади или хочет использовать очищенные стоки в оборотном цикле, то в данном случае технология Вшэер наиболее приемлема.

ЛИТЕРАТУРА

Верейкен и др. ^егецкеп е! а1.). Аспекты управления стоками пивоваренного производства. Материал был представлен на 7-й Конференции Африканской секции Международного общества пивоваров, Найроби, Кения, 1-4 мая 1999 г.

5•2003

1ПИВО и НАПИТКИ

25