CC BY
185
УДК 628.35:637.1
И. А. Ровенская, ассистент; Н. С. Ручай, доцент;
О. Ю. Фролова, студентка; Т. П. Сергеева, студентка
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ОЧИСТКИ СТОЧНОЙ ВОДЫ МОЛОКОПЕРЕРАБАТЫВАЮЩЕГО ПРОИЗВОДСТВА В АНАЭРОБНЫХ БИОРЕАКТОРАХ РАЗЛИЧНЫХ ТИПОВ
Process of milk processing plant wastewater anaerobic treatment in flow bioreactors has been studied. Three bioreactor types of greatest interest for commercial use have been investigated: a bioreactor with the fixed carrier and ascending liquid stream, a bioreactor with granulated active sludge (combined UASB-reactor) and a biosorber with fluidized activated carbon as a sorbent. It has been found that the biosorber is highly efficient, providing the necessary wastewater purification degree (70% on COD) with sewage processing time of 0,8 h and organic load of 30,8 kg COD/(m3-day).
It has been shown that the combined bioreactor based on UASB-reactor, with specific productivity of 8,7 kg COD/(m3-day), is suitable for commercial use.
Введение. В последнее десятилетие в европейских странах определилась тенденция к широкому применению анаэробных методов обработки производственных сточных вод, что привело к созданию энергосберегающих технологий на основе новых конструкций высокоэффективных биореакторов [1-2].
Анаэробные технологии наиболее перспективны для предварительной очистки стоков, так как позволяют при минимальных эксплуатационных затратах достичь высокой степени очистки и, в некоторых случаях, в результате использования образующегося биогаза в качестве источника энергии становятся экономически выгодными [3].
В мировой практике для реализации анаэробного метода очистки промышленных стоков разработан ряд конструкций биореакторов, различающихся эффективностью очистки, удельной производительностью по деструкти-руемым загрязнениям, эксплуатационными затратами [3-6]. Выбор типа биореактора, наиболее пригодного для очистки конкретного промышленного стока, может быть осуществлен только на основании экспериментальных данных, полученных в результате моделирования процесса.
В Республике Беларусь анаэробные технологии предварительной очистки промышленных сбросов пока не нашли применения, хотя многие предприятия, в частности молочные заводы, остро нуждаются в энергосберегающих биоочистных установках.
Целью настоящей работы является сравнительная оценка эффективности функционирования биореакторов различной конструкции при анаэробной очистке сточной воды молокоперерабатывающего производства.
Объекты и методы исследования. Объектом исследования являлся производственный сток одного из молочных заводов г. Минска. Общий уровень загрязненности сточной воды по химическому потреблению кислорода (ХПК) - 1400-3300 мг/л, показатель биологиче-
ского потребления кислорода (БПК) - 80-90% от величины ХПК, pH 8-9 [7, 8].
Процесс анаэробной обработки сточной воды в проточном режиме моделировали в биореакторах трех типов, представляющих наибольший интерес для промышленного использования: анаэробном биофильтре, биореакторе с гранулированном активным илом (комбинированный иЛ8Б-реактор) и в биосорбере с псев-доожиженным слоем частиц сорбента - активированного угля.
Анаэробный биофильтр (рис. 1, а) представляет собой герметичный аппарат цилиндрической формы, в котором закреплена неподвижная, чаще всего волокнистая насадка. Биореактор такого типа прост по конструкции и в эксплуатации. Деструкцию загрязнений сточной воды осуществляют закрепленные на насадке в виде биопленки спонтанно развивающиеся микроорганизмы, а также крупные агрегаты (хлопья) микробного ила, физически удерживаемые насадкой.
Комбинированный биореактор (рис. 1, б) имеет две реакционные зоны: нижняя (ИЛ8Б-реактор) обеспечивает самопроизвольное уплотнение хлопьев активного ила с образованием гранул, которые не выносятся из аппарата восходящим потоком жидкости, накапливаются в нем и создают высокую концентрацию активного ила в реакционном объеме. Верхняя зона (30-40% от общего объема аппарата) - анаэробный биофильтр с волокнистой насадкой, одновременно выполняющий функции газо-илоотделителя.
В биосорбере с псевдоожиженным слоем (рис. 1, в), циркулирующая через реакционную зону очищаемая вода поддерживает во взвешенном состоянии частицы сорбента, на поверхности которых формируется биопленка из микроорганизмов активного ила, деструкти-рующих загрязнения. Биосорбер требует значительных затрат энергии на циркуляцию жидкости для псевдоожижения частиц сорбента [9, 10].
Рис. 1. Схема конструкции биореакторов: а - анаэробный биофильтр; б - комбинированный иЛ8Б-реактор; в - биосорбер с псевдоожиженным слоем активированного угля
В экспериментах все три типа биореакторов были представлены соответствующими лабораторными моделями. Анаэробный биофильтр имел объем 1,2 л при плотности упаковки волокнистой насадки (насадка «ВИЯ») 12 г/л. Объем комбинированного биореактора - 2,2 л, 36% которого занимает волокнистая насадка «ВИЯ» с плотностью упаковки 12 г/л. Высота колонки биосорбера - 350 мм, внутренний диаметр - 24 мм. Масса активированного угля в биосорбере - 20 г (активированный уголь АГ-5 с размером частиц 0,25-0,5 мм). Линейная скорость циркулирующего через биосорбер потока жидкости для псевдоожижения частиц сорбента — 12-15 м/ч. Биореакторы функционировали в мезофильном режиме (30 С). Температуру процесса поддерживали термостатированием аппаратов. Непрерывное дозирование исходной сточной воды в аппарат и циркуляцию жидкости в биосорбере осуществляли перистальтическими насосами. Скорость протока сточной воды изменяли в пределах 0,01-1,26 ч-1. В экспериментах засев биореакторов инокулятом не производили, создавая условия для естественного формирования хлопьев и гранул активного ила из спонтанно развивающихся в очищаемой воде микроорганизмов.
Анаэробный биофильтр и биосорбер выводили на стабильный режим функционирования в течение 1,5 мес. при малой нагрузке на биореактор по загрязнениям (удельная скорость протока жидкости через биореактор - до 0,1 ч-1), после чего определяли показатели очистки сточной воды при различных нагрузках по жидкостному потоку. Отбор проб биологически очищенной воды (БОВ) для анализа осуществляли после не
менее 1,5-кратной смены всего объема жидкости в аппарате при заданной скорости разбавления среды. Стабильный режим функционирования комбинированного биореактора был достигнут через 4 мес. эксплуатации. За это время сформировались визуально наблюдаемые гранулы активного ила. Продолжительный запуск биореакторов обусловлен низкой скоростью накопления биомассы анаэробными бактериями.
Результаты и их обсуждение. Эксперименты показали (табл. 1), что в анаэробных условиях степень очистки сточной воды молокоперерабатывающего производства при малой скорости протока достигает 97% по ХПК. Допустимый уровень загрязнений производственного стока, направляемого в городскую канализационную сеть, составляет 1000 мг/л по ХПК.
Как следует из таблицы, такой уровень загрязненности стока молочного завода достигается при удалении из сточной воды 70% загрязнений по ХПК. Требуемую степень очистки стока можно получить при продолжительности обработки сточной воды в анаэробном биофильтре 21 ч, в комбинированном биореакторе -5,8 ч, в биосорбере с псевдоожиженным слоем сорбента - 0,8 ч. В этих условиях удельная производительность биореакторов по деструк-тируемым загрязнениям составляет: анаэробного биофильтра - 2,7 кг ХПК/(м3сут), комбинированного биореактора - 8,7 кг ХПК/(м3сут), биосорбера - 30,8 кг ХПК/(м3сут) (рис. 2). Высокая производительность биосорбера обусловлена благоприятными условиями для массооб-мена в севдоожиженном слое и большой поверхностью частиц сорбента, покрытых биопленкой, что обеспечивает удержание в аппара-
те биомассы активного ила в высокой концентрации, а также сорбционными свойствами активированного угля, который способен к сорбции загрязнений сточной воды, микробных клеток и их экзоферментов, формируя таким образом специфическую биосистему с высокой деструктивной активностью.
В связи с явным преимуществом биосорбера перед другими биореакторами в скорости массо-
обмена определим показатели функционирования этого аппарата при очистке стока в условиях аэробиоза. Процесс отличался только тем, что циркулирующую через биосорбер жидкость продували воздухом для насыщения кислородом. Как и следовало ожидать, в аэробных условиях обработки стока производительность биосорбера существенно возросла и достигла 44 кг ХПК/(м -сут) при требуемой степени очистки (табл. 2).
Таблица 1
Показатели процесса очистки сточной воды молокоперерабатывающего производства в анаэробных условиях
Скорость протока сточной воды, ч-1 Загрязненность сточной воды по ХПК, мг/л Остаточная загрязненность очищенной воды по ХПК, мг/л Количество удаленных загрязнений по ХПК, мг/л Степень очистки сточной воды по ХПК, % Удельная производительность биореактора, кг ХПК/(м3сут)
Биофильтр
0,016 3300 560 2740 83 1,1
0,035 760 2540 77 2,1
0,047 880 2420 73 2,7
0,075 1420 1880 57 3,4
Комбинированный биореактор
0,01 3000 90 2910 97 0,7
0,04 320 2680 89 2,6
0,075 500 2500 83 4,5
0,173 900 2100 70 8,7
Биосорбер
0,13 1400 140 1260 90 3,9
0,37 220 1180 84 10,5
0,45 260 1140 81 12,3
1,26 380 1020 73 30,8
Рис. 2. Сравнительная эффективность функцинирования анаэробных биореакторов: 1 - биофильтр; 2 - комбинированный биореактор; 3 - биосорбер
Таблица 2
Показатели функционирования биосорбера при очистке сточной воды в условиях аэробиоза
Скорость протока сточной воды, ч-1 Остаточная загрязненность сточной воды по ХПК, мг/л Количество удаленных загрязнений по ХПК., мг/л Степень очистки сточной воды по ХПК, % Удельная производительность биореактора, кг ХПК/(м3-сут)
0,13 180 1890 91,3 5,9
0,37 315 1755 84,8 15,6
0,45 330 1740 84,0 18,8
1,26 600 1470 71,0 44,4
Заключение. Анаэробный биохимический процесс с использованием иммобилизованных микроорганизмов позволяет осуществить очистку сточной воды молокоперерабатывающего производства по показателю ХПК на 97%. Из числа исследованных анаэробных биореакторов самым высокопроизводительным является био-сорбер с псевдоожиженым слоем частиц активированного угля, который обеспечивает требуемую степень очистки стока (70% по ХПК) при времени обработки сточной воды в аппарате 0,8 ч и нагрузке по деструктируемым загрязнениям 30,8 кг ХПК/(м3сут). При переходе на аэробный режим функционирования удельная производительность биосорбера возрастает до 44,4 кг ХПК/(м3сут). Принимая во внимание необходимость значительных затрат энергии на псевдоожижение сорбента в биосорбере, можно рекомендовать также для использования в производстве комбинированный биореактор на основе иЛ8Б-реактора (с гранулированной биомассой активного ила), удельная производительность которого составляет 8,7 кг ХПК/(м3сут).
Окончательный выбор типа биореактора будет определяться местными условиями на предприятии.
Литература
1. Колесов, Ю. Ф. Аппараты для анаэробной биологической очистки сточных вод / Ю. Ф. Колесов // Изв. строительство. - 1996. -№ 1. - С. 89-92.
2. Репин, Б. Н. Современные технологии анаэробной обработки производственных сточных вод / Б. Н. Репин // Водоснабжение и санитарная техника. - 1995. - № 5. - С. 27-29.
3. Калюжный, С. В. Анаэробная биологическая очистка сточных вод / С. В. Калюжный, Д. А. Данилович, А. Н. Ножевникова // Итоги науки и техники. Сер. биотехнол. - 1991. -№ 29. - 156 с.
4. Очистка промышленных сточных вод прикрепленными микроорганизмами / П. И. Гвоздяк [и др.] // Химия и технология воды. - 1985. -Т. 7, № 1. - С. 64-68.
5. Кравец, В. В. Современное состояние использования биодисков в практике очистки сточных вод / В. В. Кравец, И. В. Березовская // Химия и технология воды. - 1994. - Т. 16, № 2. - С. 209-216.
6. Технологія анаеробного очіщення
стічних вод на основі гранульованої біомаси / С. О. Потапенко [та інш.] // Экотехнол. и ресурсосбережение. - 1995, № 3. - С. 41-48.
7. Ровенская, И. А. Технология анаэробной биологической очистки сточной воды молокоперерабатывающего производства / И. А. Ро-венская, Н. С. Ручай, Н. В. Гриц // Материалы. Технологии. Инструменты. - 2005. - Т. 10, № 4. -С. 76-79.
8. Ровенская, И. А. Очистка сточной воды молокоперерабатывающего производства в анаэробных биореакторах с иммобилизованными микроорганизмами / И. А. Ровенская, Н. С. Ручай, Н. В. Гриц // Вести НАН. Сер. биол. - 2006. - № 1. - С. 72-76.
9. Liuchun, Yang. [Исследование реактора с псеидоожиженным слоем] / Yang Liuchun, Tong Zhiquan // Environ. Sci. - 2003. - № 5. - С. 39-43.
10. Ручай, Н. С. Экологическая биотехнология: учеб. пособие / Н. С. Ручай, Р. М. Маркевич. - Минск: БГТУ, 2006. - 312 с.
