Results of studies on biological wastewater treatment of a brewery

Full Text

Введение. Сточные воды пищевой промышленности характеризуются высокими концентрациями органических загрязнений, которые включают компоненты перерабатываемого сырья и, как правило, не являются токсичными [1]. Для очистки данной категории сточных вод применяются сложные многоступенчатые схемы с использованием механических, химических, физико-химических, биологических и комбинированных методов. Результаты по физико-химической очистке сточных вод пивоваренной промышленности, представленные в [2], показали низкую эффективность по ХПК на уровне 34,08 %. Поэтому возникла необходимость рассмотрения биологических методов очистки.

Для биологической очистки высококонцентрированных сточных вод рекомендуется использовать анаэробные методы. Это связано с тем, что в анаэробных условиях микроорганизмы расходуют гораздо большее количества органических веществ, чем в аэробных, отсутствуют затраты на аэрацию, образуется меньше избыточного активного ила. При этом очистка в аэробных условиях протекает более глубоко. Оптимальное сочетание анаэробных и аэробных процессов позволяет наиболее полно использовать преимущества каждого метода и исключить их недостатки, а тем самым увеличить эффективность и производительность процесса в целом [1, 3–5].

Аэробная биологическая очистка высококонцентрированных сточных вод может осуществляться в классических аэротенках, реакторах периодического действия, мембранных биореакторах [5]. В работе [6] было установлено, что процессы в аэротенке и реакторе периодического действия идентичны. Основным отличием является то, что аэротенк представляет собой полностью смешанный непрерывный процесс, а в реакторе периодического действия процесс также полностью смешанный, но имеет прерывистую подачу. Поэтому в своём исследовании мы использовали лабораторный реактор периодического действия для моделирования процессов биологической очистки в полномасштабных условиях. Конструктивная и эксплуатационная простота данной установки позволяет получить все необходимые данные для расчёта.

Реактор периодического действия перед аэротенком имеет ряд преимуществ и недостатков. К преимуществам относятся низкие капитальные и эксплуатационные затраты [7]. К недостатком – низкая производительность, нестабильная работа, плохая переносимость залповых сбросов, сложный подбор оптимального циклического режима для проведения нитрификации и денитрификации [8]. SBR технология для очистки сточных вод пивоваренной промышленности зарекомендовала себя как высокоэффективная [9]. Эффективность очистки по ХПК составляла 78–90 % в зависимости от схемы аэрации.

Цель данного исследования заключалась в подборе оптимальных режимов работы реактора периодического действия при очистке исходных сточных вод пивоваренного завода.

Методика эксперимента. Эксперимент был проведен на реальной сточной воде одного из предприятий производства пива. Сточную воду для исследований отбирали из канализационной насосной станции действующего завода. Отбор осуществлялся с интервалом приблизительно два-три дня в течение двух месяцев при значительных колебаниях концентрации загрязнений. ХПК исходных сточных вод изменялось от 3325 до 19100 мг/л, БПК_полн – от 2230 до 12800 мг/л. Содержание соединений азота, изменялось в пределах, мгN/л: аммоний – 0,3–78,95, нитраты – 0–45,48, нитриты – 0–0,4, фосфор – 3,02–125,81. Значение pH колебалось от 4,5 до 9. Соотношение БПК_полн и ХПК в исходных сточных водах составляло 0,67, что говорит о возможности протекания процессов биологической очистки.

Для исследования процессов биологической очистки сточных вод методом непрерывного культивирования использовался лабораторный реактор периодического действия (SBR) полезным объемом 5 л, изготовленный из стеклянной трубы внутренним диаметром 110 мм, толщиной стенки 6 мм. На дне реактора установлены два распылителя для исключения оседания активного ила и создания однородных условий при работе в аэробной фазе. Воздух расходом 300 л/ч подавался двумя аэраторами. Для аноксидной фазы использовалась мешалка длиной вала 500 мм и пропеллер диаметром 60 мм, изготовленные из нержавеющей стали. Частота вращения мешалки 300 об/мин исключала оседание ила. Отбор проб осуществлялся с помощью трёх пробоотборников, расположенных по длине корпуса установки. Полное опорожнение установки осуществлялось через отверстие, расположенное на дне реактора. Последовательное включение аэробного и аноксидного режимов осуществлялось вручную. Концентрация растворенного кислорода и температура производились оксиметром Oxi 3310 фирмы WTW. Регулирование pH осуществлялось только на заливаемой сточной воде. В аэробных условиях для избегания анаэробных условий концентрация растворённого кислорода (КРК) поддерживалась на уровне 7-8 мгO₂/л. Перевод установки в аноксидную фазу считался при КРК менее 0,5 мгO₂/л.

Реактор периодического действия эксплуатировался по циклу: заполнение, аэробная/аноксидная фаза, седиментация, декантация. Аэробная фаза исследовалась для окисления органических веществ и осуществления процесса нитрификации. Аноксидная фаза изучалась для окисления органических веществ и осуществления процесса денитрификации. Продолжительность заполнения и декантации – не более 1 мин, отстаивания – 60 мин. Длительность анаэробной/аноксидной фаз определялась экспериментально, методом ежечасного отбора проб объёмом 100 мл.

Химические анализы были выполнены по стандартным методикам. Определение ХПК проводили на приборе Флюорат-02-05М, БПК определяли с помощью манометрической системы OxiTop IS12, рН и температуру – на портативном приборе OHAUS ST 20, взвешенные вещества, дозу и зольность ила – с использованием мембранных фильтров (размер пор 0,22 мкм) на установке вакуумного фильтрования ПВФ-35(47). Минеральные формы азота, фосфаты определялись на спектрофотометре UNICO 2800, общий азот – на спектрофотометре ПЭ-5300ВИ, органический азот получен по разности концентраций общего азота и его минеральных форм.

Экспериментальная часть. Работа реактора периодического действия начиналась с двухнедельного периода пусконаладочных работ. За это время активный ил с городских очистных сооружений Самары адаптировался к сточной воде пивоваренного завода. Для исключения дефицита биогенных элементов в сточную воду дозировался аммоний хлористый (2,62–131 мгN/л) и натрий фосфорнокислый однозамещенный двуводный (0,52–77,5 мгР/л). В ходе лабораторных исследований было установлено, что органического азота вполне достаточно для жизнедеятельности активного ила и даже требуется проведение процесса нитри-денитрификации.

На рис. 1 представлено детальное изменение органических веществ и соединений азота в аэробном (а), аноксидно-аэробном (б), двойном чередовании аноксидных и аэробных режимов (в).

 

Рис. 1. Результаты работы реактора периодического действия в аэробной (а), аноксидно-аэробной (б), двойное чередование аноксидной и аэробной (в) фаз на сточной воде

 

Исследования начинались с 23-часового аэробного режима (рис. 1, а). После загрузки 0,4 л сточной воды внутри реактора установились следующие концентрации загрязнения, мг/л: ХПК – 516,80, N-NH₄– 12 , N-NO₂– 0, N-NO₃– 17,15, P-PO₄– 38,30. Значение pH сточной воды внутри реактора составляло 6,71, температура – 22,4 °С. Реактор работал при дозе ила 4,71 г/л, нагрузке по ХПК 0,07 г/г/сут. По результатам первых двух часов работы установлено, что ХПК снижалось на 63,30 %, большая часть из которого снималась в первые 30 мин в результате сорбции активным илом. Зольность активного ила перед загрузкой составляла 27,18 %. Цикл работы реактора завершился со следующими показателями, мг/л: ХПК (после отстаивания) – 150, N-NH₄ – 1,11, N-NO₂– 0,04, N-NO₃ – 32,41, P-PO₄ – 37,36.

Эффективность снижения в этом эксперименте по ХПК и азоту аммонийному составляла, %: 70,98 и 90,97 соответственно.

Увеличение концентрации азота нитратов с 17,15 до 32,41 мг/л потребовало проведения процесса денитрификации.

Для удаления азота нитратов в реакторе создавались аноксидные (бескислородные) условия (рис. 1, б). После фазы заполнения сразу включалась фаза перемешивания. Концентрация загрязнений в реакторе составляла, мг/л: ХПК – 460,40, N-NH₄ – 2,18, N-NO₂ – 0,03, N-NO₃ – 52,77, P-PO₄ – 12,84. Значение pH сточной воды внутри реактора находилось от 7,28 до 7,70. Температура внутри реактора составляла 23,5 °С. Реактор работал при дозе ила 5,02 г/л, нагрузке по ХПК – 0,05 г/г/сут.

За первый час аноксидного режима ХПК сточной воды внутри реактора снижалось на 52,43 %. Большая доля снижения концентрации органического вещества за сравнительно короткое время объясняется как деятельностью микроорганизмов, так и сорбцией активного ила. Азот нитратный – уменьшился до 27,9 мг/л. Отметим, что зольность активного ила в первоначальный момент была 20 %. Аноксидный режим закончился за 4 часа с результатами, мг/л: ХПК – 117, N-NH₄ – 1,62, N-NO₂ – 3,99, N-NO₃ – 19,69. За 4 часа аноксидного режима ХПК снизилось на 343,28 мг/л, азот нитратный – на 33,01 мг/л. Дальнейшая денитрификация была невозможна из-за недостаточного количества органических веществ. Далее установка была переведена в аэробный режим. Цикл работы реактора завершился со следующими показателями, мг/л: ХПК (после отстаивания) – 161,90, N-NH₄ – 1,19, N-NO₂ – 1,47, N-NO₃ – 26,20.

Достаточно высокий уровень азота нитратов потребовал рассмотреть возможность проведения более глубокой денитрификации в две аноксидные фазы.

Во время двойного аноксидного режима (рис. 1, в) концентрация загрязнений в реакторе составляла, мг/л: ХПК – 4477, N-NH₄ – 3,81, N-NO₂ – 0,04, N-NO3 – 40,41, P-PO₄– 4,68. Температура сточной воды внутри реактора изменялась от 24,0 до 24,5 °С, pH – 8,1. Реактор работал при дозе ила 5,58 г/л, нагрузке по ХПК – 0,15 г/г/сут.

За первую двухчасовую денитрификацию ХПК снизилось до 2175,5 мг/л, N-NH₄ – до 0 мг/л, N-NO₂ – до 8,16 мг/л, N-NO₃ – до 2 мг/л. За первую денитрификацию ХПК было снижено на 2302 мг/л, азот нитратный – на 38,41 мг/л. Имело место увеличение нитритов с 0,04 до 8,16 мг/л.

Реактор был переведен в двухчасовой аэробный режим, который закончился с концентрациями, мг/л: ХПК – 1535, N-NH₄– 0, N-NO₂–9, N-NO₃ – 1,2.

Второй аноксидный режим длился два часа и был завершен с концентрациями, мг/л: ХПК – 1265, N-NH₄ – 0,94, N-NO₂ – 0,035, N-NO₃ – 0,85. Имело место значительное снижение нитритов с 9 до 0,035 мг/л. Нитраты остались практически без изменений. Значение ХПК снизилось на 270 мг/л.

Последующая аэрация в течение 18 часов привела к снижению ХПК до 1265 мг/л, азота аммонийного и нитритного – до 0,13 и 0,005 мг/л соответственно. Азот нитратный увеличился до 6,41 мг/л.

Результаты работы установки в течение двух месяцев представлены в таблице.

 

Результаты работы установки

Показатель, мин.-макс.(средн.)	Исходная сточная вода
рН	4,5-8,6 (6,8)
Доза ила, г/л	3,67-5,9 (4,5)
Иловый индекс, мл/г	60-145 (68)
Зольность ила, %	21,9-27,2(24,0)
ХПК исходной, мг/л	3325-19100 (6241)
ХПК очищенной воды, мг/л	147-2900 (1250)
БПКполн исходной воды, мг/л	2227-12797 (4200)
БПКполн очищенной воды, мг/л	36,0-919 (389)
Взвешенные вещества в исходной воде, мг/л	560-920(780)
Взвешенные вещества в очищенной воде, мг/л	10-45 (30)
Нагрузка по ХПК, г/(г∙сут)	0,15-1,62 (0,47)
Окислительная мощность по ХПК, г/(м3.сут)	539-8885 (1635)
Показатель, мин.-макс.(средн.)	Исходная сточная вода
Уд. скорость окисления по ХПК при 20 °С, мг/(г∙ч)	4,6-27,1 (11,7)
Окислит. мощность по БПК, г/(м3∙сут)	435-6262 (1239)
Уд. скорость окисления по БПК при 20 °С, мг/(г∙ч)	3,1-21,1 (8,5)
Азот аммонийный в исходной воде, мгN/л	0,35-79 (17,7)
Азот аммонийный в очищенной воде, мгN/л	1,5-43,2 (10,2)
Азот нитратный в исходной воде, мгN/л	0,07-6,1 (2,4)
Азот нитратный в очищенной воде, мгN/л	2,38-99,45 (21,1)
Азот нитритный в исходной воде, мгN/л	0-0,395 (0,16)
Азот нитритный в очищенной воде, мгN/л	0,15-36,0 (12)

 

Выводы. 1. Соотношение БПК_полн и ХПК в исходных сточных водах составляло 0,67, что говорит о возможности протекания процессов биологической очистки.

2. Биологическая очистка сточных вод пивоваренных заводов позволила достичь следующих показателей, мг/л: ХПК – 147, БПК_полн – 36, взвешенные вещества – 10; N-NH₄– 0,68, N-NO₂ – 0,01, N-NO₃ – 15,3.
3. Эффективность работы установки по ХПК достигает 79,97 %, БПК_полн – 90,74 %.
4. В режиме нитри-денитрификации концентрации N-NH₄, N-NO₂ достигали 0,68 и 0,01 мг/л. При этом добиться снижения N-NO₃ ниже 15,3 мг/л не удалось.
5. В связи с накоплением продуктов метаболизма и сложностью проведения денитрификации в реакторе периодического действия дальнейшие исследования планируются на проточной установке.

About the authors

Alexander K. Strelkov

Samara State Technical University

Email: a19400209@yandex.ru

Doctor of Engineering Science, Head of the Water Supply and Wastewater Chair

Russian Federation, 443100, Samara, Molodogvardeyskaya str., 244

Olga S. Ponomarenko

Samara State Technical University

Email: olga_solkina@mail.ru

PhD in Engineering Science, Associate Professor the Water Supply and Wastewater Chair

Russian Federation, 443001, Samara, Molodogvardeyskaya str., 244

Pavel P. Avdeenkov

Samara State Technical University

Email: avdeenkovpp@mail.ru

Postgraduate Student of the Water Supply and Wastewater Chair

Russian Federation, 443001, Samara, Molodogvardeyskaya str., 244

Ekaterina R. Zontova

Samara State Technical University

Email: zontova.cat@yandex.ru

Master’s Degree Student of the Water Supply and Wastewater Chair

Russian Federation, 443001, Samara, Molodogvardeyskaya str., 244

Ekaterina Yu. Tuktasheva

Samara State Technical University; LLC «Ob”edinennye Sistemy Vodoochistki»

Author for correspondence.
Email: osv_samara@mail.ru

Postgraduate Student of the Water Supply and Wastewater Chair, Director

Russian Federation, 443001, Samara, Molodogvardeyskaya str., 244; 443030, Samara, Uritskogo, 10

References

Supplementary files