ОТХОДЫ МОЛОЧНОГО ПРОИЗВОДСТВА
Вода, использованная в домашних условиях или в промышленности, может стать в той или иной степени загрязненной. Помимо этого, воду используют и в качестве среды для удаления различного рода отходов производства. По мере роста осознания важности улучшения стандартов обработки воды соответственно повышаются и требования к технологическим процессам этой обработки. Значительный вклад в загрязнение окружающей среды, в особенности отходами органического происхождения, вносит пищевая промышленность. Обычно загрязнения органического происхождения состоят на 1/3 из компонентов, присутствующих в растворенном, на 1/3 в коллоидном и на 1/3 в суспензированном состоянии, в то время как минеральные вещества находятся главным образом в растворенном виде.
ОРГАНИЧЕСКИЕ ЗАГРЯЗНЕНИЯ
Обычно концентрацию любого загрязняющего вещества выражают через его общее содержание в единице объема сточных вод. Другим и более современным способом качественного и количественного анализа органических веществ в сточных водах является применение хроматографии, в частности, высокоэффективной жидкостной хроматографии (ВЭЖХ).
И все же количество органических веществ в сточных водах обычно выражают через следующие показатели:
- биохимическое потребление кислорода (БПК);
- химическое потребление кислорода (ХПК);
- потери при прокаливании;
- общий органический углерод (ООУ).
БИОХИМИЧЕСКОЕ ПОТРЕБЛЕНИЕ КИСЛОРОДА (БПК)
БПК является мерой содержания в сточных водах биологически разлагаемых загрязнений. Эти вещества распадаются под действием микроорганизмов в присутствии (и, следовательно, с потреблением) кислорода. Потребление кислорода оценивается количеством кислорода, потребленным микроорганизмами в течение 5 (БПК5) или 7 дней (БПК7) в процессе разложения ими органических загрязняющих веществ, содержащихся в сточных водах, при 20 °С. БПК измеряют в мг кислорода на 1 л или в г кислорода на 1 м3.
Для муниципальных сточных вод имеет место следующее соотношение:
БПК7 = 1,15 х БПК5.
БПК является мерой содержания в сточных водах биологически разлагаемых загрязнений.
ХИМИЧЕСКОЕ ПОТРЕБЛЕНИЕ КИСЛОРОДА (ХПК)
ХПК определяет содержание в сточных водах загрязнений, которые могут быть окислены химическим путем. Применяемыми обычно для этой цели реактивами могут являться концентрированные растворы бихромата или перманганата калия в сильных кислотах (используемых для проведения полного окисления), действующие при высоких температурах. Потребление окислителя является показателем содержания органических веществ и выражается через соответствующее количество кислорода, измеряемое в мг кислорода на 1 л или в г кислорода на 1 м3.
Отношение ХПК/БПК указывает, насколько данный сток допускает биологическое разложение сточных вод. Низкоез начение этого отношения (например,<2) указывает на наличие сравнительно легко разлагаемых соединений, в то время как высокое значение говорит о противном. Однако этим соотношением нельзя пользоваться во всех случаях, типичная величина отношения ХПК/БПК для городских сточных вод часто бывает < 2.
В бюллетене по сточным водам молочной промышленности (документ 138, 1981), изданном Международной федерацией по производству молочных продуктов (FIL-IDF), сообщается (Деденсом [Doedens]) о том, что отношение ХПК/БПК5 для сточных вод у различных групп предприятий по производству питьевого молока, масла и сыра лежит в пределах 1,16–1,57 при средней его величине 1,45. В другой группе предприятий, специализирующихся на производстве сухого молока, сухой сыворотки, лактозы и казеина, рассматриваемое отношение меняется от 1,67 до 2,34 при средней его величине 2,14. В то же время общим выводом данного бюллетеня относительно вышесказанного является то, что отношение ХПК/БПК, которое справедливо для одного молочного предприятия, нельзя распространять с полной достоверностью на другое предприятие той же отрасли.
ХПК определяет содержание в сточных водах загрязнений, которые могут быть окислены химическим путем.
ПОТЕРИ ПРИ ПРОКАЛИВАНИИ
Потери на прокаливание получают сначала определением содержания сухих веществ в образце, а затем его прокаливанием до полного сгорания органических веществ. Разность между массой до и после прокаливания и будет соответствовать количественному содержанию органических веществ в образце. Этот показатель выражается в процентах.
ОБЩИЙ ОРГАНИЧЕСКИЙ УГЛЕРОД (ООУ)
ООУ является еще одной мерой количественного содержания органических веществ, определяемой по количеству диоксида углерода, выделяемого при сгорании исследуемого образца. Единица измерения этого показателя – мг/л.
ПИТЬЕВАЯ ВОДА
Ниже приводится таблица из Нормативов для качества питьевой воды, 2-ое издание, том 2, санитарные критерии и другая вспомогательная информация, 1996 г., Женева, Всемирная организация здравоохранения (ВОЗ).
В нормативах ВОЗ для качества питьевой воды можно также найти многочисленные микробиологические и другие химические параметры, влияющие на качество воды.
Питьевая вода
Ниже приводится таблица из Нормативов для качества питьевой воды, 2-ое издание, том 2, санитарные критерии и другая вспомогательная информация, 1996 г., Женева, Всемирная организация здравоохранения (ВОЗ).
В нормативах ВОЗ для качества питьевой воды можно также найти многочисленные микробиологические и другие химические параметры, влияющие на качество воды.
Нормативные значения для качества питьевой воды
Элемент | Сокр. | Нормативное значение мг/л |
---|---|---|
Кадмий | Cd | < 0.003 |
Мышьяк | As | < 0.01 |
Хром | Cr | < 0.05 |
Свинец | Pb | < 0.01 |
Ртуть | Hg | < 0.001 |
НЕОРГАНИЧЕСКИЕ ЗАГРЯЗНИТЕЛИ
Неорганические загрязнители сточных вод в основном представляют собой соли ив значительной степени определяются ионным составом и концентрацией солей в воде. Присутствие этих солей в сточных водах обычно не является определяющим фактором. Современные процессы обработки сточных вод концентрируются на вопросах снижения содержания тяжелых металлов, азота и фосфорсодержащих солей.
На содержание азота и соединений фосфора нужно обратить особое внимание, так как они являются питательными веществами для организмов, например, водорослей, находящихся в резервуаре-сборнике. В результате роста водорослей в резервуаре могут протекать вторичные процессы с образованием дополнительных органических соединений, которые при разложении могут привести к значительно более высокому потреблению кислорода, чем если бы это было вызвано первичными органическими загрязнениями в сточных водах.
Тяжелые металлы могут быть токсичными при высоких концентрациях и даже в низких концентрациях могут оказывать отрицательное влияние на окружающую среду.
СТОЧНЫЕ ВОДЫ МОЛОЧНЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ
Эти сточные воды могут быть разделены на три категории:
- охлаждающая вода;
- бытовые сточные воды;
- производственные сточные воды.
ОХЛАЖДАЮЩАЯ ВОДА
Так как обычно охлаждающая вода не содержит загрязнений, она направляется в трубопроводную систему для ливневых вод, например, в систему для стоков дождевой воды или воды после таяния снега и т. д.
БЫТОВЫЕ СТОЧНЫЕ ВОДЫ
Бытовые сточные воды обычно направляют потрубопроводам непосредственно на установки для обработки сточных вод после возможного смешивания с производственными сточными водами.
ПРОИЗВОДСТВЕННЫЕ СТОЧНЫЕ ВОДЫ
Промышленные сточные воды образуются при утечке молока и молочных продуктов, а также при промывке оборудования, которое контактирует с молочными продуктами. Концентрация и состав загрязнений в этом случае зависят от технологии, способов регулирования процесса производства и конструктивного выполнения производственных установок.
Предприятия по обработке сточных вод имеют производительность, достаточную для обработки установленного количества органических веществ, и способны выдерживать определенные пиковые нагрузки. Однако одно органическое вещество, а именно жир, создает особенно трудноразрешимые проблемы. Помимо того, что жир обладает высоким БПК (сливки с массовой долей жира 40 % имеют БПК5 около 400 000 мг кислорода на 1 л, вто время как для обезжиренного молока этот показатель составляет лишь 70 000 мг/л), он прилипает к стенкамтрубопровода и к тому же значительно затрудняет функционирование отстойных резервуаров, так как всплывает на поверхность.
Поэтому сточные воды молочных предприятий должны проходить через флотационную установку, в которой их подвергают аэрации (этот способ подачи тонко диспергированных пузырьков воздуха в воду под давлением 400–600 кПа называется флотацией растворенным воздухом). Воздушные пузырьки присоединяются к жиру и быстро поднимают его к поверхности, с которой его удаляют вручную или механическим способом в зависимости от размеров установки. Флотационную установку часто располагают вплотную к молочному заводу, сточные воды которого проходят через нее непрерывным потоком.
Обезжиренные сточные воды направляются на установку для их обработки после смешивания с бытовыми сточными водами. В таблице 22.2 приведены величины БПК для некоторых видов молочных продуктов
БПК для некоторых видов молочных продуктов
Продукт | БПК5 мг/л | БПК7 мг/л | |
---|---|---|---|
Сливки | 40% жира | 400 000 | 450 000 |
Цельное молоко | 4% жира | 120 000 | 135 000 |
Обезжиренное молоко | 0.05% жира | 70 000 | 80 000 |
Сыворотка | 0.05% жира | 40 000 | 45 000 |
Конц. сыворотка | 60% СВ | 400 000 | 450 000 |
pН СТОЧНЫХ ВОД МОЛОЧНЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ
Сточные воды с молочных предприятий имеют значение рН в пределах 2–12 из-за применения кислотных и щелочных моющих средств при мойке оборудования этих предприятий.
Как низкие,такивысокие величины рН влияю тна активность микроорганизмов, вызывающих распад органических загрязнений на стадии биологической обработки воды, перерабатывая их в активный ил (клеточный детрит).
Как правило, сточные воды с рН выше 10 или ниже 6,5 не должны сливаться в канализацию, так как они вызывают коррозию трубопроводов. Поэтому использованные моющие средства обычно собирают в смесителе, часто располагаемом вблизи от установки для мойки оборудования, измеряют их рН и изменяют его примерно до 7,0, перед тем как слить в канализацию.
Сточные воды с рН выше 10 или ниже 6,5 не должны сливаться в канализацию.
Нормативные значения для сточных вод, прошедших улучшенную переработку
Сброс в реку/озеро | Сброс в море | Сброс в муниципальные КОС | |
---|---|---|---|
Аммиак-азот, мг/л | 1 – 5 | < 10 | < 100 |
Всего азота, мг/л | < 25 | 10 – 15 | 80 – 100 |
Всего фосфора, мг/л | 0.3 – 0.5 | 0.5 – 1.5 | 10 – 30 |
БПК7, мг/л O2 | 10 – 15 | 15 – 20 | 500 – 2000 |
pH | 6 – 9 | 6 – 10 | > 6.5 |
Смазка, мг/л | < 1 | < 1 | < 100 |
Особые нормативы, применяемые к получателю, должны оговариваться с местными и федеральными органами охраны окружающей среды. Как основное правило, качество воды в водоприемнике не должно страдать от приемки обработанных стоков.
КОС – канализационно-очистные сооружения.
СНИЖЕНИЕ СОДЕРЖАНИЯ ЗАГРЯЗНЕНИЙ В СТОЧНЫХ ВОДАХ
Существует множество вариантов решения проблемы снижения загрязнений в сточных водах предприятий молочной промышленности. Замкнутые системы, повторное использование воды, рециркуляция смеси продукт/вода через мембранные фильтры – вот лишь немногие примеры того, как можно сократить содержание загрязнений в сточных водах. Для очистки и повторного использования CIP-растворов на многих молочных предприятиях используют ультрафильтрацию и микрофильтрацию. Вода, конденсируемая после испарителей, может быть без проблем использована для других целей на предприятии.
Необходимо постоянно контролировать и предотвращать потери воды и продукта в процессе производства.
Скрытые потери воды на предприятиях в черном полу и заглубленных трубопроводах могут быть определены путем снятия показаний водомеров и регистрации количества использованной воды в конце рабочего дня.
Ежедневные записи потребления воды необходимо затем сравнивать с суточным количеством переработанного молока. Потребление воды, выражаемое в кубических метрах на тонну переработанного молока, необходимо отобразить в виде графика, который помещают в легкодоступное место. Обычно соотношение вода/молоко составляет 2,0:1, которое, однако, при интенсивной экономии воды можно снизить до 1:1.
Приводимые ниже рекомендации могут служить руководством для снижения расхода воды и получаемого продукта.
ОБЩИЕ ТРЕБОВАНИЯ К ПЕРЕРАБОТКЕ МОЛОКА
- При поступлении молока ив особенности при опорожнении автоцистерн очень важно, чтобы выход из этих цистерн был не менее чем на 0,5 м выше приемной емкости или танка и чтобы соединительный шланг в каждом случае был хорошо натянут для уверенности в полном опорожнении цистерн.
- Все трубопроводы должны быть идентифицированы и промаркированы во избежание их неправильных соединений, которые могут привести к нежелательному смешиванию продуктов, а также к утечке молока.
- При монтаже трубопроводов их необходимо устанавливать с небольшим, но правильно рассчитанным уклоном для обеспечения естественного стока. Кроме того, трубопроводы должны быть хорошо укреплены для предотвращения их вибрации, которая могла бы привести к ослаблению соединений между ними и, тем самым, к возникновению утечки жидкости из этих трубопроводов.
- Все танки должны быть снабжены датчиками уровня для предотвращения перелива. При достижении максимально допустимого уровня жидкости в заполняемом танке должно происходить либо автоматическое отключение насоса подачи с соответствующим предупреждающим сигналом для оператора установки, либо автоматическое включение системы клапанов для направления продукта в другой, заранее выбранный танк.
- Лучше предотвратить утечку продукта, чем впоследствии смывать его остатки при помощи шланга. Поддерживайте полы сухими, это дает возможность легко обнаруживать течь.
- Перед ополаскиванием системы трубопроводов и танков водой удостоверьтесь в том, что они действительно полностью слиты.
- Проверьте все соединения между трубопроводами на герметичность; если воздух попадет в систему трубопроводов, то это приведет к пригоранию продукта в теплообменниках, эрозии в гомогенизаторах и пенообразованию в танках для молока и сливок (которые затем труднее полностью слить).
УЧАСТОК ПРОИЗВОДСТВА СЫРА
- Удостоверьтесь в том, что открытые сырные ванны не заполнены до верха; прекращайте их заполнение при достижении молоком уровня, отстоящего от края ванн не менее чем на 10 см.
- Аккуратно соберите сыворотку и попытайтесь найти ей коммерческое применение вместо ее удаления как отходов.
- Творог, упавший на пол, необходимо собрать и утилизировать как твердые отходы, а не смывать водой в водосточный желоб.
УЧАСТОК ПРОИЗВОДСТВА МАСЛА
- Сливки и масло значительно быстрее, чем молоко, прилипают к поверхностям, с которыми они контактируют, и становятся источником дополнительного загрязнения сточных вод, если не будут удалены еще до начала очистки.
- После окончания процесса получения масла все доступныеоткрытые поверхности необходимо очистить скоблением их вручную.
- Сливки и оставшееся масло могут быть затем удалены паром и горячей водой и собраны в контейнере для отдельной переработки.
УЧАСТОК ПРОИЗВОДСТВА СУХОГО МОЛОКА
- Испарители должны функционировать на возможно низком уровне мощности во избежание перекипания.
- Повторно используйте конденсат в качестве охлаждающей воды после его циркуляции через градирню или в качестве питательной воды для бойлера.
- Рассыпанные сухие продукты необходимо собрать и утилизировать как твердые отходы.
УЧАСТОК УПАКОВКИ МОЛОКА
- Упаковочные машины могут быть снабжены приспособлениями для слива в одну или несколько емкостей.
- Возвращенные упаковки с молоком могут быть перелиты в емкости, а образующаяся смесь свежих и прокисших жидкостей может использоваться в качестве корма.
КОНТРОЛЬ НА ВЫХОДЕ
Утилизация сточных вод во многих странах регулируется нормативно. Например, контроль на выходе с предприятий должен быть организован так, чтобы происходило непрерывное измерение и регистрация объема сточных вод, а аликвотная часть, пропорциональная объему потока, отбиралась в качестве пробы.
На рис. 22.1 показана система измерения потока в открытом канале с лотком Вентури. Информацию о лотке Вентури и других измерительных системах можно найти в муниципальных службах, отвечающих за переработку сточных вод. На рис. 22.2 приведен пример процедуры отбора проб.
Сигналы об объеме сточных вод, замеренном в лотке Вентури, передаются через контрольный блок в пробоотборник. Аликвотный объем потока этих вод отбирают каждый раз, когда предварительно определенный объем воды (например, 100 л) проходит через датчик потока. Образцы, собранные за день, смешивают, и через некоторый период времени небольшой объем полученной смеси подвергают анализу.
ПЕРЕРАБОТКА СТОЧНЫХ ВОД. ОБЗОРНЫЙ АНАЛИЗ
Можно использовать различные устройства; выбор методики обработки определяется требуемой степенью снижения содержания загрязнений. На рис. 22.3 показаны четыре возможные системы. При планировании нового предприятия с самого начала необходимо связаться с местными властями и обсудить вопросы переработки жидких отходов и уровни БПК в отходах.
Переработка сточных вод изначально состояла из простого удаления основной массы твердых примесей в результате механического осаждения (А). Когда такую обработку признали недостаточной, она была дополнена стадией биологической обработки (В) для разложения органических соединений.
Многие предприятия по переработке сточных вод позднее были дополнены третьей стадией для химической обработки (С), так как выделение фосфора стало представлять собой серьезную проблему. Процесс, протекающий в предприятиях подобного типа, был назван доосаждением из-за того, что последней его стадией является химическое осаждение.
Однако последующий опыт работы показал, что можно получить те же самые результаты, если химическое осаждение объединить с механической обработкой на первом этапе процесса. Данную систему называют системой с предосаждением, см. рис. 22.3 (2).
Это усовершенствование является наиболее существенной рационализацией всего процесса, так как основная часть обработки сточных вод осуществляется на одном этапе. Содержание фосфора в бассейне с предварительным осаждением уже понижается на 90 %, а БПК – на 75 %. В результате этого на этап биологической обработки ложится значительно меньшая нагрузка, и требуется меньший объем бассейна и пониженный расход энергии.
1 Доосаждение
Традиционный трехстадийный процесс с механической (А), биологической (В) и химической (С) обработкой. Эффективный и надежный, но довольно дорогой метод.
2 Предосаждение
Двухстадийный процесс, разработанный в восьмидесятые годы. Химическая обработка (С) объединена с механическим осаждением (А) на первой стадии, что приводит к высокой степени снижения содержания фосфора, а также примерно к 70 %-ному сокращению БПК. Этоуменьшает нагрузку на биологическую стадию (В), для которой, тем самым, требуется бассейн меньшего объема и меньшие энергозатраты по сравнению с обычным доосаждением.
3 Прямое осаждение
Одностадийный процесс с объединенной механической (А) и химической (С) обработкой, как и при предосаждении, но без всякой последующей стадии биологической обработки.
4 Одновременное осаждение
Двухстадийный процесс с механической обработкой (А) с последующей стадией объединенной биологической и химической обработки (В/С).
Относительно дешевый способ, удовлетворяющий требования понижения содержания фосфора без дорогой дополнительной бассейновой емкости, однако менее эффективный по сравнению с раздельным проведением биологической и химической обработки.
МЕХАНИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА
Участок первичной (механической) стадии обработки сточных вод включает сетчатый фильтр, пескоотстойник и бассейны для первичного осаждения.
Решетка задерживает крупные твердые компоненты: пластмассу, ветошь, пищевые остатки и т. п. Все это непрерывно удаляют с решетки и утилизируют отдельно, обычно вывозя на мусорную свалку.
Пескоотстойник представляет собой бассейн, в котором происходит грубая очистка. Он имеет такие размеры и функционирует таким образом, что у песка и других тяжелых частиц есть время, достаточное для осаждения на дно, в то время как жир и другие загрязнения, будучи более легкими, чем вода, всплывают на поверхность. Образующийся осадок откачивают, а всплывшую пенную массу отделяют скребками. Эти отходы также удаляются в отдельное место.
Пескоотстойник продувают воздухом для поддержания более мелких частиц во взвешенном состоянии и для предотвращения процессов гниения, вызывающих появление неприятных запахов.
ХИМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА
Основной целью химической обработки сточных вод, также называемой осаждением, является удаление из воды фосфора. В городских сточных системах обычно собирают 2,5–4,0 грамма фосфора на одного жителя в день, в основном в виде фосфатов. Моющие средства дают примерно 30 % содержания фосфатов, а остальные 70 % приходятся на экскреты человека и остатки пищи.
Химическое осаждение при помощи осадителей на основе соединений алюминия и железа способно удалить фосфор, содержащийся в сточных водах, практически на 100 %, в то время как обычная биологическая обработка понижает это содержание всего лишь на 20–30 %.
Процесс осаждения начинается в камерах для осаждения, в которых сточные воды при помощи мешалок интенсивно перемешиваются с введенными в них осадителями. Это вызывает осаждение нерастворимых фосфатов первоначально в виде очень мелких частиц, которые, однако, постепенно соединяются в достаточно крупные хлопья. Образовавшиеся хлопья осаждаются в бассейнах для предосаждения, из которых прозрачная вода перетекает через край в бассейн для биологической обработки.
Предосаждение является заключительным этапом объединенного процесса механической и химической обработки сточных вод. Вода медленно проходит через один или несколько бассейнов, в которых более мелкие частицы постепенно оседают на дно в виде первичного ила. Осадительные бассейны снабжены устройствами, которые непрерывно выгребают осадок
в сточный колодец, и поперечными водостоками для удаления воды из очищенного поверхностного слоя.
БИОЛОГИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА
Органические примеси, оставшиеся в воде, «перелившейся через край», после химической обработки подвергаются разложению при помощи микроорганизмов, например, бактерий, которые питаются органическими примесями, присутствующими в воде.
Для выполнения своей функции у этих микроорганизмов должен быть доступ к кислороду. Его подают в виде воздуха, продуваемого через аэрационный бассейн.
При непрерывном размножении микроорганизмы образуют в бассейне активный ил. Этот ил удаляется из воды, оседая в доосадительных бассейнах. Основная его часть возвращается в аэрируемые бассейны для поддержания в них биологических процессов распада органических веществ, а избыточный ил извлекается для дальнейшей обработки. Поток очищенных сточных вод направляют к потребителю.
Альтернативой аэрируемому бассейну является биологический фильтр, представляющий собой контейнер, заполненный мелкими камнями или кусками пластмассы. Этот фильтр при помощи вращающегося распределителя орошают сверху водой, которая проходит вниз через фильтрующий слой и насыщается циркулирующим воздухом. На поверхности камней и т. д. нарастает слой микроорганизмов, разлагающих органические загрязнения, содержащиеся в сточных водах.
ОБРАБОТКА ИЛА
С начала девяностых годов разработке методов переработки ила уделялось пристальное внимание. В некоторых странах есть спрос на термофильную переработку ила при температуре 70–75 °C для уничтожения вредных микроорганизмов.
Ил с различных стадий обработки сточных вод собирают в уплотнителях ила, в которые добавляются химические средства, облегчающие дальнейшую агрегацию твердых частиц.
Для дальнейшего разложения органических веществ и для понижения содержания веществ с неприятным запахом ил в конце обработки перекачивают в биореактор, в котором органические вещества разлагаются в анаэробных условиях на углекислый газ, метан и очень незначительное количество водорода, аммиака и сероводорода.
Углекислый газ и метан являются основными компонентами биогаза, пригодного для применения в качестве топлива для обогрева.
Ил после обработки в биореакторе представляет собой однородную субстанцию темного цвета, практически без запаха, но все еще имеющую высокое содержание воды 94–97 %. Поэтому его обезвоживают наиболее эффективно в деканторной центрифуге, получая на выходе твердую фазу с объемом, составляющим около 1/8 от объема исходного ила, как показано на рис. 22.5.
Обезвоженный ил можно затем использовать в качестве удобрения, или вывезти на свалку, илиудалить как обычныеотходы. Этотил можно использовать при выращивании энергетического леса (например, ивы),так как он содержит очень много питательных веществ для роста растений.