На сегодня одной из важнейших задач отечественной прикладной экобиотехнологии является дальнейшее совершенствование биологических методов очистки сточных вод предприятий различных отраслей промышленности, включая пищевую и перерабатывающую промышленность. Современные решения проблемы очистки промышленных стоков должны отвечать не только критерию обеспечения необходимого качества очистки сточной воды, но и обеспечивать высокую интенсивность процесса обезвреживания, компактность очистных сооружений при экономии ресурсов и энергии, минимальном образовании вторичных отходов.
Большинство современных технологий выработки этилового спирта до сегодняшнего дня остаются незамкнутыми. При этом основным технологическим отходом винокуренного производства, возникающим после перегонки спирта из затора, является жидкая послеспиртовая барда, которая образуется в более чем двенадцатикратном объеме по отношении к получаемому продукту.
Взвешенные вещества барды представляют собой только 6-8% от ее общей массы, в то время как оставшийся после первичной переработки грубый фильтрат, содержащий мелкодисперсные взвеси и все растворенные вещества, составляет 9/10 исходного объема барды. Послеспиртовая барда обладает высокими показателями ХПК и БПК (более 70 тыс. мг О2/л), поэтому сооружения очитски сточных вод не в состоянии справиться с данным видом отходов при его поступлении в исходной форме.
На основании имеющейся неблагоприятной экологической ситуации, Правительством РФ было принято решение ужесточить требования к производителям этилового спирта. В соответствии с новыми поправками к Федеральному закону «О государственном регулировании производства и реализации алкогольной и спиртосодержащей продукции...» (N 102 от 25.07.2005) эксплуатация спиртопроизводящих предприятий возможна только при условии полной переработки жидкой барды экологически безопасными способами.
Современные технологии переработки барды ориентированы в первую очередь на выделение основной массы сухих веществ. При этом начальная стадия переработки представляет собой первичный передел барды (центрифугирование, фильтрование), в результате чего исходные сточные воды преобразуется в твердую фазу (кек), состоящую из основного объема взвесей, содержащихся в исходном стоке, и жидкую среду (грубый фильтрат, либо фугат).
Основная трудность современного этапа развития технологий глубокой утилизации барды заключается в переработке ее жидкой фазы, в которой содержится целый комплекс загрязняющих веществ.
На сегодня имеется технология переработки фильтрата путем его упаривания. При этом оставшийся после выпаривания сухой остаток, образующий смесь с первичным (после декантирования) кеком, высушивается в термодинамических сушилках с получением сухого кормопродукта стандарта DDGS.
Несмотря на то, что данные технологии практически полностью исключают выбросы в окружающую среду и кроме того позволяют возвращать очищенную воду обратно в основное производство, тем не менее обладают крайне негативным моментом — имеют высокую капитальную стоимость, а также чрезмерный уровень потребления электроэнергии.
Большинство современных спиртзаводов, занимающихся утилизацией барды, используют усеченную технологию, предполагающую выделение и переработку только твердой фазы с получением кормопродукта стандарта DDG. При этом конечным результатом подобной очистки сточных вод является вода различной степени загрязнения, которая также не может быть доочищена дешевыми способами, поэтому в виде неочищенного фильтрата сбрасывается на рельеф (открытые водоемы) или в канализацию.
К настоящему времени также достаточно хорошо разработаны технологии, основанные на биологической переработке послеспиртовой барды. Однако биологическая очистка таких стоков традиционными аэробными методами с использованием аэротенков или биофильтров, несмотря на имеющиеся у них положительные качества (удаление биогенных элементов стоков, более полная очистка сточных вод по БПК, большая устойчивость к токсичным примесям, простота конструкции, безопасность) обладает рядом недостатков:
— необходимость разбавления высококонцентрированных отходов для обеспечения стабильной работы сооружений очистки сточных вод, что ведет к увеличению объемов перерабатываемых стоков и очистных сооружений, потребляемой технологической воды, энергозатрат на прокачивание сточной воды;
— высокие энергозатраты на аэрацию сточных вод (до 70-80% совокупных энергозатрат на очистку стоков);
— образование вторичных отходов: избытка биомассы (активного ила, биопленки), утилизация или захоронение которой также является экологической проблемой;
— необходимость введения дополнительных количеств биогенных элементов в случае их дефицита в перерабатываемом потоке; их несбалансированное добавление ведет к дополнительному загрязнению окружающей среды;
— сложность обеспечения требуемых нормативов содержания остаточных загрязнений в случае очистки без разбавления сточной воды, особенно жестких в России вследствие холодного климата и низкой самоочищающей способности природных экосистем.
Технология переработки барды путем ее анаэробного сбраживания в метантенках и последующим упариванием метановой бражки и сушкой получаемого концентрата, предполагает получение высокобелкового продукта и биогаза. Однако подобные малоотходные анаэробные системы биологической очистки сточных вод в метантенках или септитенках вследствие наличия у них существенных изъянов малопригодны для обезвреживания стоков с высоким содержанием органических загрязнений.
Основным недостатком данной схемы являются:
— экстенсивность вследствие медленного протекания процесса биологического разложения;
— необходимость использования под оборудование очистки сточных вод (метантенков) значительных площадей;
— повышенный расход тепла на обогрев анаэробного реактора, особенно в холодной климатической зоне;
— нестабильность анаэробного брожения и метанообразования вследствие недостаточно высокого для этих процессов содержания органических веществ в очищаемом стоке;
— необходимостью утилизации взрывоопасных газов
— невозможность обеспечения требуемых нормативов содержания остаточных загрязнений в очищенной воде.
Таким образом, методы биологической очистки сточных вод, являющиеся более дешевыми и эффективными, в отличие от механических, химических и физико-химических методов, заняли доминирующее положение среди методов обезвреживания пищевых стоков и в настоящее время продолжают активно развиваться.
В связи с необходимостью совершенствования сооружений очистки сточных вод пищевой и, в частности, спиртовой промышленности, развитие исследований по практическому применению биотехнологий и относительно низкая стоимость использования биологических методов по сравнению с другими создают основу для дальнейшего распространения биологических методов очистки стоков.
Для совершенствования стадии биологической очистки сточных вод перспективно использование технологий, позволяющих перерабатывать стоки с высоким содержанием органических загрязнений, обеспечивающих нормативы очистки без стадии доочистки, устойчивость к перегрузкам (отсутствие вспухания и вымывания ила) и высокую производительность на единицу площади. Применительно к очистке сточных вод с высоким содержанием органических относительно легко разлагаемых загрязнений (стоки пищевой, перерабатывающей, пивоваренной отраслей промышленности) в настоящее время основное внимание уделяется разработке анаэробно-аэробных технологий с использованием анаэробных реакторов нового поколения, двухстадийных аэробно-анаэробных технологических схем. Также в зарубежной литературе уделяется большое внимание решению проблем вспухания ила, в частности, поискам путей получения и использования гранулированного ила вместо хлопьеобразующего для улучшения его седиментационных свойств, разработке новых методов снижения остаточного количества биогенных элементов и ХПК при доочистке сточных вод.
Таким образом, имеющиеся на сегодня технологии очистки послеспиртовой барды предполагают использование сложного дорогостоящего либо малоэффективного оборудования, которое требует существенных энергетических и эксплуатационных расходов и зачастую сопряжено с образованием значительного количества не переработанных отходов.
Следовательно, актуальной является задача разработки дешевой, эффективной и безотходной системы очистки сточных вод, а также исследование возможностей интенсификации процесса очистки стоков.
Однако имеющихся на сегодня практических наработок, касающихся применения данных технологий очистки, ориентированных на переработку и утилизацию послеспиртовой барды явно не достаточно для широкого внедрения их на производства, и, таким образом, требуют предварительного проведения серьезных научно-исследовательских и конструкционных разработок.
Основные задачи, которые ставит перед собой коллектив компании «НПП МЕДИАНА-ЭКО», следующие;
— создание лабораторной блочно-модульной установки для исследования биологического процесса разложения стоков пищевых производств и мембранной очистки и обеззараживания сточных вод;
— поиск путей совершенствования процесса биологической очистки барды;
— разработка технологии очистки и обеззараживания сточных вод после биологической очистки на основе мембранных методов очистки.
Предлагаемая схема не затрагивает имеющееся и нормально функционирующее оборудование для разделения послеспиртовой барды на твердую и жидкую части, а также линии сушки для получения продукта стандарта DDG. Все внимание сосредоточено на жидкой части – фильтрате.
Технология очистки вторичной барды (фильтрата), представляющей собой грязную воду, содержащую мелкодисперсные взвеси и растворенные примеси, предполагает использование биоочистки стоков, в основе которой лежит использование биореактора, отличающегося от прочих предлагаемых на сегодня типов подобного водоочистного оборудования повышенной интенсивностью процесса биосинтеза. Принципиальной особенностью применяемого биореактора является устройство системы аэрации, позволяющее значительно лучше перемешивать и обогащать очищаемый раствор кислородом и, таким образом, увеличить поверхность межфазового контакта фаз воздух - активный ил, сводя к минимуму имеющийся диффузионный барьер.
Другой отличительной особенностью предлагаемого биореактора следует считать возможность соответствующей регулировки рабочих параметров в ответ на изменения объема стока, подаваемого на линию очистки сточных вод.
Согласно предлагаемой схеме, следующая за биореактором ступень очистки сточных вод представляет собой двухступенчатый мембранный модуль, который состоит из установки ультрафильтрации, предназначающейся для финальной доочистки вторичного фильтрата от оставшихся загрязнений (в том числе от проскакивающих из биореактора частиц активного ила).
Мембранное разделение грубого фугата (фильтрата) позволяет практически полностью исключить выбросы и возвратить очищенную воду в рецикл. Данный метод очистки сточных вод, несмотря на необходимость соблюдения высокой производственной и технологической дисциплины, обладает наибольшими конкурентными возможностями для массового внедрения в бардоочистное производство.
Преимущество мембранных процессов очистки стоков:
— могут использоваться и для очистки, и для концентрирования одновременно;
— являются ресурсосберегающими, энергосберегающими, а также экологически чистыми;
— представляют собой малосточные технологии;
— обладают относительной простотой аппаратурного оформления;
— могут протекать в герметичных и асептических условиях;
— позволяют концентрировать очень вязкие среды;
— являются безреагентным способом очистки сточных вод, вследствие чего перерабатываемые стоки не подвергается дополнительным химическим воздействиям.
Таким образом, жидкая среда путем применения технологии комплексной (в том числе биологической) очистки стоков преобразуется в активный ил, перерабатывающийся в итоге в сухое твердое топливо (в том числе брикетированное), а также очищенную воду, которая может возвращаться в производство, либо сбрасываться в открытые водоемы.
Представленная технология очистки послеспиртовой барды в отличие от предлагаемых на сегодня схем, обладает рядом неоспоримых преимуществ:
1. Высокое качество очистки стоков от органических компонентов (показатели ХПК и БПК сводятся к менее 3 мг О2/л), а также микробиологии (общее микробное число менее 50 кл./мл).
2. Уменьшение энергопотребление на единицу объема перерабатываемых сточных вод (более 15% по сравнению с традиционными биологическими методами очистки стоков).
3. Меньшее количество времени, необходимое для очистки единицы объема перерабатываемых стоков (более 10-15% по отношению к сходным технологиям).
4. Снижение занимаемой сооружениями очистки сточных вод площади на единицу перерабатываемых стоков (более 30%, чем того требуют современные линии биологической очистки стоков).
5. Возможность получения твердого биотоплива для реализации населению.
Следует заметить, что применение данной технологии переработки жидких стоков наряду с утилизацией послеспиртовой жидкой барды позволяет перерабатывать сточные воды, образующиеся при пивоварении.
Кроме того предлагаемая технология, состоящая из модулей, является универсальной, поскольку позволяет путем изменения характера и сочетания применяемых блоков очистного оборудования (особенно относящегося к первичному этапу переработки отходов) наряду с очисткой послеспиртовой барды также осуществлять утилизацию целого ряда пищевых стоков.
При этом очевидно, что благодаря гибкому масштабируемому переходу предлагаемой технологии в границах ее мощностного режима, позволяет подстраивать ее под очистку сточных вод различного объема и характера, и, таким образом, решать задачи водоочистки различных по производительности пищевых предприятий.
Предлагаемый проект по очистке и утилизации барды позволяет перерабатывать вторичные жидкие отходы в твердые брикетированные топливные ресурсы.
Принципиальная значимость данного проекта состоит во внедрении инновационных мембранных методов очистки в биологическую переработку грубого фильтрата послеспиртовой барды.
На первом этапе реализации проекта планируется создать опытно-промышленную установку очистки сточных вод для проведения пилотных испытаний непосредственно на действующих спиртовых заводах. При разработке опытно-промышленной установки будут задействованы аналитические и испытательные лаборатории на базе Российского химико-технологического университета им. Д.И. Менделеева (РХТУ) и Московского государственного университета инженерной экологии (МГУИЭ).
Технологическая часть будет прорабатываться на базе РХТУ им. Д.И. Менделеева, конструкторская часть — на базе МГУИЭ.
На втором этапе проекта, руководствуясь полученными в ходе первой части работы научно-исследовательскими результатами, планируется создание пилотной установки, которая в итоге создаст предпосылку к производству и внедрению серийных станций для переработки послеспиртовой барды. Одновременно с этим предполагается изучение рынка потенциальных покупателей конечного продукта — брикетированного биотоплива.
Водоподготовка и очистка сточных вод
