Очистка сточных вод бродильных производств (обзор)

УДК 628.31

Т.С. Лозовая, Т.Ф. Казаринова

ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД БРОДИЛЬНЫХ ПРОИЗВОДСТВ

Иркутский государственный технический университет

Проанализированы сточные воды бродильных производств с точки зрения их состава и способов очистки.

Ключевые слова: сточные воды, бродильные производства, очистка

FERMENTATION MANUFACTURING WATER REFINEMENT

T.S. Lozovaya, T.F. Kazarinova

Irkutsk State Technical University, Irkutsk Research Institute of Biology of Irkutsk State University, Irkutsk

Wastewaters of fermentative industries from the point of their compositions and methods used, for refinement have been analyzed.

Key words: wastewaters, fermentative industries, refinement______________________________________

Используемая промышленными предприятиями и коммунальными объектами чистая вода почти полностью возвращается в водоемы в виде сточных вод (СВ), содержащих различные загрязнения. Теоретически большинство сбрасываемых веществ с течением времени должны разрушаться за счет процессов самоочищения водоемов. Но все возрастающая концентрация загрязнений, особенно органических и трудноразлагаемых, приводит к нарушению и исчезновению процессов самоочищения, результатом чего является дефицит воды и проблемы с водообеспечением.

Водопотребление. Из всего водозабора промышленности на пищевую промышленность приходится около 19 %. При этом водопотребление зависит от типа производства и его мощности. Судя по литературным данным, приоритет в загрязнении воды имеют в основном бродильные производства (БП) и производство прессованных дрожжей, т.к. они потребляют наибольшее количество воды. При этом доля СВ составляет 64 — 95 % от потребленной воды. Например, для получения 1000 дал водки требуется 84 м3 исходной воды; ви-номатериалов марочных вин — 58,05; спирта (из

зерно-картофельного сырья) — 1500 — 2500; пива

— 109,2; прессованных дрожжей — 195,5 м3/т [2,

17, 18].

Образующиеся в результате промышленного процесса СВ имеют различный состав и очищаются разнообразными способами. Состав СВ зависит от качества сырья, применяемой технологии, ассортимента предприятия, источника СВ и др.

Источниками СВ являются все стадии пищевого производства. На предприятиях СВ часто разделяют на 3 или более категорий, в зависимости от состава и концентрации загрязнений: 1-я категория — стоки от вспомогательных операций и процессов и теплообменные; 2-я — стоки от подсобных помещений и вспомогательных цехов (ма-лозагрязненные); 3-я — стоки, образующиеся в результате использования воды в основном процессе (грязные). Считается, что стоки 1-й категории являются условно чистыми и могут использоваться повторно (после некоторой подготовки) или направляться в естественные водоемы после предварительно охлаждения и насыщения кислородом. Стоки 2-й и 3-й подвергаются обязательной очистке перед сбросом в водоем [2, 17, 18].

Характеристика СВ. Промышленные сточные воды БП и дрожжевых заводов являются органоминеральной системой сложного состава. Они содержат органические загрязнения животного и растительного происхождения (белки, аминокислоты, углеводы, жиры), минеральные примеси (сульфаты, фосфаты, нитраты, нитриты), биологические загрязнения (микроорганизмы). Особенностью данных сточных вод является плохая способность к осаждению и фильтрации. Для загрязненных стоков конкретного производства характерны свои особенности [9, 17].

В производстве пива наиболее грязными являются стоки, образующиеся при мойке и замачивании ячменя, мойке остаточных дрожжей. В среднем, состав стоков пивоваренных заводов следующий: рН 6,0 — 7,0; концентрация взвешенных веществ — 100-400 мг/л; БПК„, мг О2/л = 400-1000; ХПК,

Нол_п 2

мг О2/л = 600-1200, т.е. близки по составу к бытовым стокам и могут очищаться вместе с ними [1, 5]. Однако в литературе имеются данные о том, что эти стоки характеризуются гораздо более высокой степенью загрязнения: рН 8-11; БПКполн, мг О2/л = 600-1500; ХПК, мг О2/л = 1000-6000; концентрация взвешенных веществ - 350-450 мг/л [3, 4, 20, 21].

Наиболее грязными СВ зерно-картофельных спиртовых заводов являются: стоки после мойки, замачивания, гидроподачи зерна; от продувки паровых котлов; мойки технологического оборудования, помещений; лютерная вода. Они характеризуются следующими усредненными данными: рН 6,0; концентрация взвешенных веществ -550 мг/л; БПКпплн, мг О2/л = 500- 1000; ХПК,

полн 2

мг О2/л = 700-1200 [1-3]. Т.е. в целом стоки загрязнены незначительно: величина БПК не превышает 1000, соотношение БПК/ХПК близко к 1.

На спиртовых заводах, перерабатывающих мелассу, к самым загрязненным стокам относят: конденсаты после упаривания барды; лютерную воду; воду после мойки оборудования и помещений; пос-леспиртовую и последрожжевую барду. Усредненные показатели такого стока: рН 5,5-6,2; сухой остаток - 0,45-10 г/л; БПКпплн, мг О2/л = 1000-4500;

полн 2

ХПК, мг О2/л = 1000-5500. Наибольший вклад в состав и концентрацию загрязнений вносят после-спиртовая и последрожжевая барда, у которых: рН4,4-5,2; взвешенные вещества - 1-7,8 г/л; БПК„, мг О2/л = 18000-60000; ХПК, мг О2/л =

полн 2 2

5200-67000. В целом данные стоки содержат большое количество загрязнений [2, 13, 17, 18].

В состав промышленных стоков дрожжевых заводов входят последрожжевая мелассная бражка, вода после мойки оборудования и помещений. Стоки содержат много минеральных, органических, биологических загрязнителей. Цвет вод от кофейного до грязно-серого; рН 6,5; концентрация взвешенных веществ - 230-800 мг/л; БПК„, мг О2/л = 1500-6500; ХПК, мг О2/л =

полн 2 2

670-2300 [17, 22].

Стоки ликероводочных заводов, заводов первичного и вторичного виноделия сильно варьируют по составу и могут отличаться как низким, так

и очень высоким содержанием органических и минеральных веществ [13, 14, 23].

Локализация очистки СВ. Пивоваренные предприятия, ликероводочные заводы, винодельческие заводы направляют свои стоки на городские очистные сооружения (ГОС) для совместной очистки с хозяйственно-бытовыми стоками. Из-за сильной загрязненности и колебаний состава данные СВ нарушают работу ГОС, т.к. поступают туда с недостаточной предварительной подготовкой (механическая очистка, нейтрализация, отстаивание) или вообще без нее. Поэтому на настоящий момент более предпочтительным для подобных производств считают строительство собственных очистных сооружений. Это позволит предприятию снизить плату и штрафы за сброс СВ в систему городского водоканала. Спиртовые же заводы обычно расположены в сельской местности, располагают собственными очистными сооружениями, иногда берут на себя очистку близлежащих населенных пунктов [4, 5, 17, 18, 22, 23].

Способы очистки СВ. Для СВ бродильных производств и дрожжевых заводов используются все основные методы очистки: механические, химические, физико-химические, биологические, обеззараживание. Для механической очистки в пищевой промышленности широко используют решетки, песколовушки, усреднители, отстойники, иногда жироловушки [17, 18]. Химическую очистку часто комбинируют с механической или биологической. Применяют ее для удаления взвесей, коллоидов, солей тяжелых металлов, микроорганизмов. Для этого используют различные коагулянты (хлориды, сульфаты железа, сульфат алюминия, гидрооксид алюминия). Из физико-химических способов для удаления органических загрязнений применяют активированный уголь: это эффективно, но дорого. Перспективны электрокоагуляция и электрофлотация (для удаления микробов), но они очень энергоемки и широкого распространения не получили. Для обеззараживания очищенной воды используют хлор и его производные; предложено также использовать обработку озоном и ультрафиолетом. Для насыщения воды кислородом (перед сбросом в водоем) их аэрируют [1, 15, 16, 17, 18, 21]. Основные отличия в схемах очистки - в методах биологической очистки: в аэробных и анаэробных условиях; в использовании оборудования различного типа.

Стандартные схемы очистки СВ. Для очистки СВ пивоваренных заводов чаще используют аэробную очистку на биофильтрах с обязательной доочисткой во вторичных отстойниках [9]. Стоки спиртовых заводов, перерабатывающих зерно и картофель, подвергают 2-х ступенчатой очистке в аэро-тенках, затем для доочистки направляют в биологические пруды или на гравийно-песчаный фильтр [17]. Спиртовые заводы, перерабатывающие мелассу, свои СВ сбрасывают на поля фильтрации. Но для них, как для наиболее загрязненных стоков, разработаны более сложные схемы очистки. 1-й вариант: сначала анаэробно сбраживают последрожжевую

барду в метантенках, а затем смешивают образовавшуюся «метановую» бражку с остальными производственными стоками. далее всю массу направляют на 2-х ступенчатую аэробную очистку. 2-й вариант: производственные стоки (без барды) очищают аэробно на биофильтрах различного типа или в аэротенках; а последрожжевую барду концентрируют выпариванием и используют в качестве добавки в строительных материалах [17, 1B]. На спиртовых заводах образуется лютерная вода, которая содержит органические кислоты. Перед очисткой ее охлаждают (с 100—105 “С до З0 — З5 “С); нейтрализуют добавлением щелочей и питательных солей; направляют в аэротенки; используют для оборотного водоснабжения [1B]. Стоки заводов первичного и вторичного виноделия, дрожжевых и ликероводочных заводов подвергают аэробной или анаэробной или комбинированной очистке (в аэротен-ках, на биофильтрах, в метантенках) [B, 1З, 22].

Степень очистки СВ по стандартным схемам теоретически составляет 90 — 95 %, на практике — 50 — B0 % [9]. Поэтому при выборе схемы очистки для БП следует учитывать не только существующие стандарты, уровень загрязнений СВ, месторасположения завода, но существующие направления в развитии способов очистки СВ.

Тенденции в очистке СВ:

1. Аэротенки-вытеснители заменяют на аэро-тенки-смесители (позволяет стабильно очищать СВ с резкими изменениями состава) или на ячеистые аэротенки с прикрепленной биомассой (обеспечивает максимальное соответствие состава СВ и активного ила (АИ); снижение степени вспухания АИ; решение проблемы наращивания АИ на низкоконцентрированных СВ).

2. Аэротенки заменяют на биофильтры. При этом обеспечивается соответствие состава СВ и биопленки; отсутствует вспухание и вынос биомассы; отсутствует пена; улучшаются седимента-ционные свойства.

3. Биофильтры с объемной загрузкой заменяют на биофильтры с плоскостной загрузкой. Достоинства последних: возможность быстрого монтажа; отсутствие заиления верхнего слоя; низкая энергоемкость.

4. Комбинируют аэротенки с биофильтрами для минимизации негативных свойств тех и других [19].

5. Аэробную очистку СВ БП заменяют анаэробной или комбинируют с ней. Это связано с тем, что, во-первых, на практике состав СВ БП гораздо концентрированней, чем принято считать. Во-вторых, анаэробная очистка имеет ряд преимуществ, таких как: отсутствие затрат на аэрацию; простота в обслуживании; низкий прирост АИ; хорошие водоотдающие свойства АИ; низкий уровень вреда, наносимого окружающей среде; покрытие расходов на очистку СВ за счет образования метана [З, 5, 11, 12, 14, 1B, 20]. Существуют данные, которые говорят о возможности эффективной анаэробной очистки СВ пивоваренной, винодельческой, спиртовой промышленности в различных климатических условиях, в том числе при низких

температурах (от 4 до 21 °С) [5, 6, 11, 12]. Имеются рекомендации, согласно которым при очистке СВ пивоваренных предприятий желательно сочетать аэробную и анаэробную очистку и доочистку, а для очистки винной барды и стоков спиртовой промышленности наиболее эффективно 2-х ступенчатая анаэробная очистка в иЛ8Б-реакторе (реакторе с восходящим слоем жидкости через слой адаптированного анаэробного АИ) [5, 6, 11, 12, 13].

6. Последним направлением в развитии очистки СВ является создание мало- и безотходных технологий. При очистке СВ пивоварения стараются добиться такой очистки воды, чтобы ее можно было вернуть в технологический процесс; а образовавшийся в результате очистки АИ используют как удобрение или кормовую добавку [4, 7]. Разработаны технологии очистки сточных вод спиртовой и винодельческой промышленности с получением возвратной воды, биогаза, биомассы, обогащенной витамином В12 [6, 9, 10, 15].

Таким образом, видно, что сточные воды бродильных производств и дрожжевых заводов вносят значительный вклад в загрязнение водоемов. Но при правильном, грамотном, научно обоснованном подходе вполне возможно предотвратить вредное воздействие данных предприятий на окружающую среду.

ЛИТЕРАТУРА

1. Белов А.В. Экологические проблемы переработки отходов пивоваренной промышленности / А.В. Белов, Н.М. Мусаева, Э.Ю. Булычев // Известия вузов. Пищевая технология. - 2003. -№5-6. - С. 132-133.

2. БираговаН.Ф. Очистка сточных вод спиртовых заводов / Н.Ф. Бирагова, С.Р. Бирагова // Экология и промышленность России. - 2004. -№7. - С. 14-15.

3. Вайсер Т. Использование биологических методов очистки сточных вод / Т. Вайсер, В. Хелль-манн, М.В. Чеботаева // Пиво и напитки. - 2001.

- № 1. - С. 30-31.

4. Вайсер Т. Очистка сточных вод на пивоваренных заводах / Т. Вайсер, М.В. Чеботаева // Пиво и напитки. - 2004. - №4. - С. 40-42.

5. Вайсер Т. Очистка сточных вод пивоваренных предприятий / Т. Вайсер, В. Хелльманн, М.В. Чебота-ева // Пиво и напитки. - 2001. - №4. - С. 24-25.

6. Гладченко М.А. Разработка биотехнологического способа утилизации отходов виноделия / М.А. Гладченко // Использование и охрана природных ресурсов в России. - 2002. - № 6. - С. 181.

7. Ивчатов А.Л. Еще раз о биологической очистке сточных вод / А.Л. Ивчатов, С.Н. Гляденов // Экология и промышленность России. - 2003. -№4. - С. 37-40.

8. Каранов Ю. Очистка сточных вод дрожжевых заводов / Ю. Каранов, М. Кошель, Б. Добриловьс-кий, С. Башмакова // Пищевая перерабатывающая промышленность. - 2000. - № 7. - С. 22-23.

9. Комаров В.И. Проблемы экологии в пищевой промышленности / В.И. Комаров, Т.А. Ману-

илова // Экология и промышленность России. -2002. - № 6. - С. 4-8.

10. Кухаренко А.А. Безотходная технология пищевого спирта из зернового сырья / А.А. Кухаренко, С.Н. Скородумов, И.В. Бельчаков // Окружающая среда для нас и будущих поколений: экология, бизнес и экологическое образование: Тез. докл. 5-го Междунар. конгр., Самара. - Астрахань, 8-15 сент., 2000. - Самара, 2000. - С. 58-59.

11. Обзор современного состояния анаэробной очистки сточных вод бродильных производств / М.А. Гладченко, В.И. Скляр, С.В. Калюжный, С.С. Щербаков // Производство спирта и ликероводочных изделий. - 2002. - №2. - С. 14-17.

12. Обзор современного состояния анаэробной очистки сточных вод бродильных производств / М.А. Гладченко, В.И. Скляр, С.В. Калюжный, С.С. Щербаков // Производство спирта и ликероводочных изделий. - 2002. - №3. - С. 32-33.

13. Обзор современного состояния анаэробной очистки сточных вод бродильных производств / М.А. Гладченко, В.И. Скляр, С.В. Калюжный, С.С. Щербаков // Производство спирта и ликероводочных изделий. - 2002. - № 1. - С. 22-23.

14. Повышение экологической эффективности сооружений биохимической очистки сточных вод / М.А. Гликин, А.Д. Тюльпинов, В.А. Губернаторов и др. // Экотехнологии и ресурсосбережение. - 1998. - № 1. - С. 56-59.

15. Способ и устройство дл очистки сточных вод производства алкоголя / Г.И. Яковлев, А.И. Со-

клонеко, А.Ю. Шевченко и др. // Пат. 39014 Украина, МПК7 С 02 F 1/28, В 01 D 24/00. - № 2000127615; Заявл. 28/12/2000; Опубл. 15/05/2001.

16. Способ очистки сточных вод спиртового производства / А.А. Образцов, Г.А. Бобринская, В.Ф. Селеменев и др. // Пат. 2151172 Россия, МПК7 С 12 F 3/10. - №99106698/13; Заявл. 31.03.1999; Опубл. 20.06.2000, Бюл. № 17.

17. Технология пищевых производств / Л.П. Ковальская, И.С. Шуб, Г.М. Мелькина и др. — М.: Колос, 1999. - 752 с.

18. Технология спирта / В.Л. Яровенко, В.А. Маринченко, В.А. Смирнов и др. — М.: Колос, «Колос-Пресс», 2002. — 464 с.

19. Тихомиров В.Г. Технология пивоваренного и безалкогольного производств / В.Г. Тихомиров. — М.: Колос, 1999. — 448 с.

20. Decolorization of a baker's yeast plant by membrane processes / S.H. Mutlu, U. Yetis, T. Gur-can, L. Yilmaz // Water res. — 2002. — Vol. 36, N 3.

— P. 609 — 611.

21. Le Y. Ziran kexue ban / Y. Le, F. Dong // J. Fuzhou Univ. nature. Sci. Ed. — 2003. — Vol. 31, N 1.

— P. 120—123.

22. Pareek V.K. Continuous process for photodegradation of industrial bayer liquor / V.K. Pareek, M.P. Brungs, A.A. Adesina // Ind. and Eng. Chem. Res. — 2001. — Vol. 40, N23. — P. 5120 — 5125.

23. Zettl U. Dynamishe Simulation von Weinbauklaranlagen / U. Zettl // Wassertechn. — 2002.

— N 7. — S. 31—33.