MECHANICAL AND PHYSICOCHEMICAL METHODS OF WASTEWATER TREATMENT IN THE FISH PROCESSING INDUSTRY

Full Text

В настоящее время утверждена Стратегия развития рыбохозяйственного комплекса Российской Федерации на период до 2030 года, согласно которой добыча (вылов) биологических ресурсов будет увеличена до 5396 тыс. т к 2030 году. Для реализации этой стратегии запланировано строительство новых и реконструкция существующих предприятий, судов рыбопромыслового флота [1, 2]. Производство рыбной продукции неразрывно связано с генерацией большого количества сточных вод. Характерной чертой сточных вод рыбоперерабатывающих предприятий является высокое содержание органических загрязнений - белков, жиров, небелковых азотистых загрязнений, моющих средств, поваренной соли. Загрязнения, как правило, содержатся в виде взвешенных частиц, суспензий, эмульсий, коллоидных систем и растворенных в воде веществ в молекулярной или ионной форме [3]. Механическая очистка направлена на выделение из сточных вод грубодисперсных органических и минеральных включений. Главная её задача - подготовка стоков к другим методам очистки. В российской и зарубежной литературе практически отсутствуют данные по работе решёток, грохотов, сит, процеживателей и т. д. Результат работы установок механической очистки очень важен, так как в сточных водах рыбоперерабатывающей промышленности присутствуют ткани рыб, слизь, которые могут Градостроительство и архитектура | 2021 | Т. 11, № 1 64 ВОДОСНАБЖЕНИЕ, КАНАЛИЗАЦИЯ, СТРОИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ ОХРАНЫ ВОДНЫХ РЕСУРСОВ забивать прозоры решеток и сетки барабанных процеживателей. Результаты исследований по безреагентному отстаиванию сточных вод рыбоконсервной промышленности приведены в табл. 1. Эффективность безреагентного отстаивания была достаточно низкая, %: ХПК - 30-57, взвешенные вещества - 46-61, жиры - 44-75. Применение различных коагулянтов было изучено для очистки сточных вод пресервного завода, качество исходного стока которого составляло, мг/л: ХПК - 4817, взвешенные вещества - 1600, жиры - 1674. Наиболее эффективным коагулянтом оказался оксихлорид алюминия с дозой 56 мг/л по Al2O3, эффективность, %: ХПК - 80, взвешенные вещества - 92,1, жиры - 96,3 [6]. В работе [8] исследована очистка сточных вод производства рыбных консервов, вид перерабатываемой рыбы - сардина и скумбрия. Физико-химический состав сточной воды, мг/л: БПК5 - 989, ХПК - 1324, взвешенные вещества - 4485, жиры и масла - 320,5, NH3 - 31, NO3 - 5,5, белок - 812,5, pH - 6,6-7,1. Средний объём сточных вод в сутки составлял 20 м3. Применялись реагенты FeCl3 и Ca(OH)2 с дозами 0,4 г Fe/л и 0,2 г Ca/л соответственно. Эффективность составила, %: БПК5 - 79,4, ХПК - 75,8, взвешенные вещества - 95,4, общее содержание белка - 91,9, масла и жиры - 79,4. В работе [5] исследования проводились на сточной воде предприятия рыбоконсервной промышленности, вид перерабатываемой рыбы - сардина. В результате введения Al2(SO4)3 с дозами 75 и 150 мг/л pH снижалось до 5-5,5, полученная эффективность, %: ХПК - 30 и 32, жиры и масла - 90 и 87, взвешенные вещества - 77 и 63 соответственно. В рассмотренных работах выявлена высокая эффективность неорганических коагулянтов FeCl3 и Ca(OH)2, Fe2(SO4)3, Al2(SO4)3. Органические коагулянты, такие как RIFLOC 1815, RIPOL 070, в работе [9] показали высокую эффективность - 85-99 % только для удаления масел и жиров. В целом, при применении коагулянта для очистки сточных вод рыбоперерабатывающей промышленности (пресный сток), можно рассчитывать на увеличение эффективности, в сравнении с безрегентным отстаиванием, по ХПК - 70-80 %, взвешенным веществам - 90- 95 %, маслам и жирам - 70-80 %. Преимуществом Al2(SO4)3, FeCl3 является относительно низкая цена. По имеющимся литературным данным трудно сделать выводы о применении того или иного коагулянта. Исходные сточные воды имеют отличающийся качественный и количественный состав, при этом современные производители реагентов предлагают различные коагулянты - неорганические, органические и смесевые. Поэтому рекомендуемые дозы коагулянтов колеблются в широких пределах. В каждом конкретном случае подбор коагулянта должен осуществляться индивидуально. Поддержание pH в пределах 6,5-7,5 благоприятствует уменьшению остаточного содержания алюминия и железа в очищенной воде и снижению её коррозийных свойств [10]. Во всех рассмотренных работах значение pH ниже данного интервала, а информация по содержанию остаточных компонентов, к сожалению, отсутствует. В сточных водах рыбоперерабатывающих производств зачастую встречается повышенное содержание солей, которое связано с применением NaCl в производстве, а также с использованием морской воды. В работе [11] Таблица 1 Эффективность безреагентной седиментации для различных производств Показатель Сардины (консервы) [4] Сардины, скумбрия, тунец (консервы) [5] Пресервы [6] Рыбокомбинат [7] исходная очищенная исходная очищенная исходная очищенная исходная очищенная Взвешенные вещества, мг/л 360 187,2 1800 710 1600 870 150-770 60-340 Растворённый органический углерод, мг/л 694 666,2 - - - - - ХПК, мг O2/л - - 7900 5500 4817 2084 - - Масла и жиры, мг/л 67 16,75 1250 360 1674 930 300-870 120-290 Продолжительность отстаивания, мин 90 30 120 120 С. В. Степанов, О. С. Солкина, П. П. Авдеенков, А. В. Беляков, А. С. Степанов 65 Градостроительство и архитектура | 2021 | Т. 11, № 1 проводились исследования реагентного метода очистки сточных вод предприятия, использующего морскую воду в технологии переработки рыбы и морепродуктов. Содержание морской воды в сточных водах - 40-80 %. Характеристики сточной воды, мг/л: ХПК - 1500-3000, БПК5 - 600-1500, взвешенные вещества - 100-1500, жиры - 100-2000, NH4 - 70-100, фосфаты - 10-30. Cl - 9000-15000, Mg2+ - 500-1000, Ca2+ - 170-320. Метод пробного коагулирования показал, что полиоксихлорид алюминия менее эффективен для данного вида сточных вод, чем FeSO4· 7H2O и Al2(SO4)3, которые имеют сопоставимую эффективность. Далее использовался сульфат алюминия. Была определена оптимальная доза Al2(SO4)3 для сточных вод с различным содержанием морской воды, которая составила 80-90 мг/л по Al2O3. Соосаждение ионов кальция, магния и алюминия из сточных вод с содержанием морской воды 30-80 % наступило при рН 9,1-9,6 и в течение 30 мин после начала коагуляции рН снижалось до 8,8-8,6, поэтому перед сбросом в морской водоем не требуется нейтрализация. Достигалась высокая эффективность очистки по БПК5 - 91-93 %. Скорость осаждения хлопьев составила 0,16 мм/с. Натурные испытания пилотной установки показали, что при рециркуляции осадка в объеме 4 % оптимальная доза коагулянта сокращается с 85 до 70 мг/л по Al2O3. По результатам испытаний пилотной установки выявилась необходимость в дополнительном фильтре с загрузкой из пенополистирола, так как происходил вынос отдельных мелких хлопьев из отстойника. Эффективность с применением фильтра составила, %: взвешенные вещества - 99, БПК5 - 91-93. В сточных водах рыбоперерабатывающих предприятий в основном преобладают вещества с аполярным и гетерополярным строением молекул. Такие вещества обладают наименьшей смачиваемостью и потому легко флотируются. Характерным фактором флотируемости сточных вод является величина поверхностного натяжения. Сточные воды рыбоперерабатывающих предприятий содержат кровь, слизь, растворенные органические и поверхностно-активные вещества, которые вызывают понижение величины поверхностного натяжения этих вод. При определении на приборе академика П.А. Ребиндера значение поверхностного натяжения составило 0,0625 Дж/м2, что показало возможность применение флотационного способа без добавления флотореагентов [7]. В работе [12] проводились экспериментальные исследования пневматического безреагентного флотатора (аэрируемая жироловка) для извлечения жировых загрязнений из сточных вод рыбообрабатывающих предприятий. Средний диаметр капель жировых загрязнений был равен 50 мкм. Пузырьки воздуха имели диаметр 0,2-1 мм со средним значением 0,3 мм, средняя скорость всплытия пузырьков составляла 0,032 м/с, интенсивность аэрации - 13-15 м3/(м2·ч). Исследования проводились на сточных водах производств солёной, копчёной и мороженой рыбы с исходной концентрацией, мг/л: ХПК - 1630, БПК - 1210, взвешенные вещества - 595,6, жиры - 430,1. Продолжительность обработки была 20 мин, в качестве аэраторов использовались перфорированные трубки из синтетического каучука, диаметр которых составлял 8 мм, толщина стенок - 3 мм, диаметр отверстий - 0,08 мм, частота перфорации - 40 отверстий на 1 см2, глубина погружения аэрационной системы - 1 м. Результаты работы жироловки, мг/л: ХПК - 326, БПК - 245, взвешенные вещества - 147,6, жиры - 94,0. Степень извлечения загрязнений составила, %: жиры - 78,1, взвешенные вещества - 75,2, БПК - 79,7. В работах [4, 7] изучался метод напорной флотации на сточных водах рыбоконсервного производства. В [4] сточная вода имела следующие характеристики, мг/л: взвешенные вещества - 350, масла и жиры - 405. Наилучшая эффективность была получена при давлении 6 кг/ см2, коэффициенте рециркуляции 0,67 - по взвешенным веществам 43,2 %, по жирам - 93,5 %. Для улучшения процесса применялся реагент FeCl3 - 400 мг/л. Вид реагента и его доза были взяты согласно предварительным исследованиям по коагуляции. Применение FeCl3 ухудшило эффективность напорной флотации по взвешенным веществам с 43,2 до 41 %, но улучшило по маслам и жирам с 93,5 до 96 %. Применение FeCl3 в качестве реагента для напорной флотации оказалось малоэффективным. В [7] изучалось насыщение воздухом не всего объёма очищенной воды, а только 30 и 50 %, остальной объём впускался во флотатор в исходном состоянии для совместной очистки. Начальное давление в напорном резервуаре составляло 2,94 кг/см2, продолжительность насыщения - 2 мин, флотации - 10 мин. Качественный состав исходных сточных вод, мг/л: жиры - 610, взвешенные вещества - 933. Наилучшая эффективность получена при насыщении воздухом всего объёма очищенной воды, %: жиры - 98,4, взвешенные вещества - 86,5. Также проводились исследования на экспериментальной флотационной установке. Время пребывания стоков во флотационной камере было принято 20 мин, давление воздуха было в пределах 2,45-2,94 кг/см2, расход воздуха - 35-45 л/м3 сточных вод. Эффективность очистки составила, %: взвешенные вещества - 77,7, жиры - 97,9, ХПК - 45,2. Градостроительство и архитектура | 2021 | Т. 11, № 1 66 ВОДОСНАБЖЕНИЕ, КАНАЛИЗАЦИЯ, СТРОИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ ОХРАНЫ ВОДНЫХ РЕСУРСОВ В работе [12] был изучен метод флотации. В качестве реагентов применялись следующие коагулянты: CaO, Al2(SO4)3, FeSO4, FeCl3. Исследования проводились на сточной воде с pH - 8,7- 9,6 и ХПК - 5285-7997 мг/л. Наиболее эффективными реагентами для флотационной очистки сточных вод производства рыбьего жира оказались Al2(SO4)3 и FeCl3. В случае применения хлорида железа (III) при дозе 500 мг/л эффективность процесса составляла 96 %, а остаточное содержание жировых загрязнений в воде - 100 мг/л. При предварительной обработке сточных вод завода медицинского жира сернокислым алюминием при дозах 400 мг/л и выше эффективность очистки была стабильна и составляла 98,5-95 %. Остаточное содержание жировых веществ в очищенных стоках при этом не превышало 100-110 мг/л. Применение реагентной напорной флотации позволило получить эффективность по взвешенным веществам 41 %, по маслам и жирам - 93,5-98 %. При применении пневматического безреагентного флотатора наблюдалась эффективность, %: по жировым загрязнениям - 78,1, взвешенным веществам - 75,2, БПК - 79,7. Таким образом, применение напорной реагентной флотации целесообразно в случае необходимости удаления жиров при его содержании в исходной воде более 400 мг/л, для удаления других загрязнений она малоэффективна. Таким образом, наилучшая эффективность очистки была получена при применении напорной флотации с давлением в напорном резервуаре 2,94 кг/см2, продолжительностью насыщения 2 мин и флотации 10 мин, %: жиры - 98,4, взвешенные вещества - 86,5. Как и для предыдущих методов, выбор параметров флотации в каждом конкретном случае необходимо осуществлять индивидуально. Авторами были проведены исследования по очистке сточных вод ООО «Сызранский рыбокомбинат № 1, 2» с применением коагулянтов. Предприятие перерабатывает как морскую, так и речную рыбу. Количество готовой продукции, включающей консервы, пресервы, копченую, вяленую и соленую рыбу, составляет Таблица 2 Результаты проведенных экспериментов Реагент Доза коагулянта, мг/л по Ме2О3 Доза NaOH, мг/л pH ХПК, мг/л Взвешенные вещества, мг/л Остаточный Al, мг/л Al2(SO4)3 0 - 6,52 735 292 0,04 25 - 6,29 322 95 1,1 50 - 5,78 284 78 0,41 75 - 5,77 380 90 0,84 100 - 5,37 362 58 1,4 125 - 4,93 342 104 1,2 Аква-Аурат 10М 0 - 6,52 735 292 0,04 50 - 5,74 398 108 0,04 75 - 5,37 376 94 0,04 100 - 5,35 428 65 0,04 150 - 5,22 395 85 0,04 Al2(SO4)3 0 - 6,69 686 458 0,04 25 29,4 6,98 470 164 1,12 50 58,8 6,96 392 140 1,07 75 88,2 6,82 451 48 0,79 100 117,6 6,97 451 40 0,45 125 146,7 6,96 470 88 0,99 Аква-Аурат 10М 0 - 6,69 686 458 0,04 50 0,75 6,8 507 125 0,24 75 11 6,75 507 170 - 100 15 6,72 470 128 0,32 125 19 6,98 490 118 0,45 FeCl3 0 - 6,69 686 458 0,04 100 115,2 6,86 507 156 - 100 - 6,39 470 126 - С. В. Степанов, О. С. Солкина, П. П. Авдеенков, А. В. Беляков, А. С. Степанов 67 Градостроительство и архитектура | 2021 | Т. 11, № 1 Рис. 2. Зависимость взвешенных веществ от дозы примененного коагулянта Рис. 1. Зависимость ХПК от дозы коагулянта 3 т/сут. Расход сточных вод - 8 м3/сут за восьмичасовую смену. Пробное коагулирование проводили в цилиндрах объемом 500 мл. После добавления растворов реагентов сточную воду сначала интенсивно перемешивали в течение 10 с со скоростью 120 об/мин, затем медленно перемешивали в течение 60 с со скоростью 45 об/мин. Далее смесь отстаивали в течение 30 мин. Исследование состояло из двух серий опытов: первая - применение Al2(SO4)3 и Аква-Аурата 10М без корректировки pH; вторая - применение тех же реагентов с подщелачиванием едким натром. Также во второй серии было проведено коагулирование хлоридом железа (III) с подщелачиванием и без него. Результаты эксперимента приведены в табл. 2 и на рис. 1 и 2. Градостроительство и архитектура | 2021 | Т. 11, № 1 68 ВОДОСНАБЖЕНИЕ, КАНАЛИЗАЦИЯ, СТРОИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ ОХРАНЫ ВОДНЫХ РЕСУРСОВ В первой серии опытов наилучший результат при применении Al2(SO4)3 был получен с дозой 50 мг/л по Al2O3. Эффективность удаления при использовании сульфата алюминия оказалась, %: ХПК - 61,4, взвешенные вещества - 73,3. При применении Аква-Аурат 10М наилучший результат был достигнут с дозой 75 мг/л по Al2O3. Эффективность удаления в этом случае составила, %: ХПК - 48,9, взвешенные вещества - 67,8. Остаточное содержание алюминия при использовании Аква-Аурата 10М не превышало 0,04 мг/л, а в опытах с Al2(SO4)3 этот показатель был высоким - 0,41-1,4 мг/л. Во второй серии опытов наилучший результат при применении Al2(SO4)3 был получен при той же дозе 50 мг/л по Al2O3. Эффективность удаления при этом была ниже, чем в первой серии, %: ХПК - 42,9, взвешенные вещества - 69,4. При применении Аква-Аурата 10М наилучший результат был достигнут при дозе 100 мг/л по Al2O3. Эффективность удаления, %: ХПК - 31,5, взвешенные вещества - 72,0. Применение FeCl3 · 6H2O дало следующую эффективность, %: ХПК - 31 и 26, взвешенные вещества - 72 и 66 без корректировки pH и с ней соответственно. Корректировка pH ухудшила эффективность очистки по всем трём реагентам, остаточное содержание алюминия стало превышать ПДК даже при применении Аква-Аурата 10М. Результаты экспериментов показали, что наилучший результат был получен при применении Al2(SO4)3 с дозой 50 мг/л по Al2O3 без корректировки pH. Эффективность удаления, %: ХПК - 61,4, взвешенные вещества - 73,3. Исследования в производственных условиях были проведены нами на рыбоперерабатывающем заводе «Русская треска», г. Мурманск. Данное предприятие производит около 15 т/сут филе трески и не менее 1 т/сут продукции из отходов рыбного производства. Для очистки сточных вод была разработана и изготовлена компанией «ЭКОЛОС» следующая схема производительностью 10 м3/ч: приемный колодец с корзиной, барабанная решетка с прозорами 2 мм, горизонтальный жироуловитель, усреднитель, установка напорной реагентной флотации. Реагент Аква-Аурат 10М подавался насосом-дозатором производительностью 30 л/ч с дозой 52,8 мг/л по Al2O3. В табл. 3 представлен качественный состав исходной и очищенной воды после флотатора. Как показали результаты, приведенные в табл. 3, эффективность работы сооружений физико-химической очистки была больше для более высоких исходных концентраций загрязнений и лежала в интервалах, %: ХПК - 39,5- 59,4, БПКполн - 43,5-78,3, взвешенные вещества - 47,1-74,9. Таблица 3 Качественный состав исходных и очищенных сточных вод, мг/л Показатель 28.02.2020 17.04.2020 исходная очищенная исходная очищенная ХПК 430 260 1289,5 523 БПКполн (БПК5*) 200 113 745* 162* Взвешенные вещества 85 45 231 58 pH 7,52 6,26 6,68 7,78 Жиры 2,1 1,6 - - Фосфаты по фосфору 3,50 2,24 93,82 14,14 Аммоний 24 25 50,40 4,46 Нитриты 0,4 0,094 <0,033 0,069 Нитраты 5,3 0,17 <0,10 0,739 АПАВ 1,2 1,5 - - Хлориды 190 160 89,0 243,5 Сульфаты 11 24 - - Выводы. 1. Анализ литературных данных показал, что эффективность безреагентного отстаивания сточных вод рыбоперерабатывающих производств достаточно низкая, %: ХПК - 30-57, взвешенные вещества - 46-61, жиры - 44-75. 2. Анализ литературных данных показал, что эффективность безреагентного отстаивания сточных вод рыбоперерабатывающих производств достаточно низкая, %: ХПК - 30-57, взвешенные вещества - 46-61, жиры - 44-75. 3. Обзор технической литературы выявил высокую эффективность неорганических коагулянтов FeCl3, Fe2(SO4)3 и Al2(SO4)3. Органические коагулянты показали высокую эффек- С. В. Степанов, О. С. Солкина, П. П. Авдеенков, А. В. Беляков, А. С. Степанов 69 Градостроительство и архитектура | 2021 | Т. 11, № 1 тивность - 85-99 % только для удаления масел и жиров. При применении коагулянтов для очистки пресных сточных вод рыбоперерабатывающей промышленности, можно рассчитывать на значительно большую эффективность по сравнению с безрегентным отстаиванием: по ХПК - 70-80 %, взвешенным веществам - 90-95 %, маслам и жирам - 70-80 %. 4. Анализ литературных данных по очистке солесодержащих сточных вод показал, что наилучшие результаты были достигнуты при использовании сульфата железа (II) и сульфата алюминия, которые имели сопоставимую эффективность. Оптимальная доза Al2(SO4)3 для сточных вод с различным содержанием морской воды составила 80-90 мг/л по Al2O3. При применении дополнительной ступени фильтрования достигался высокий эффект очистки по БПК5 - 91-93 %. 5. Результаты лабораторного эксперимента показали, что наилучший результат был получен при применении Al2(SO4)3 с дозой 50 мг/л по Al2O3 без корректировки pH. Эффективность удаления составила, %: ХПК - 61,4, взвешенные вещества - 73,3, однако наблюдалось высокое значение остаточного алюминия - 0,41 мг/л. Корректировка pH ухудшила эффективность очистки по всем трём реагентам, остаточное содержание алюминия превышало ПДК даже при применении Аква-Аурат 10М, чего не было в серии опытов без применения NaOH. 6. Производственный эксперимент показал, что эффективность совместной работы сооружений механической (барабанная решетка, горизонтальный жироуловитель) и физико-химической (напорный флотатор плюс коагулянт) очистки сильно зависела от концентрации загрязнений в исходном стоке. Эффективность очистки составила, %: по ХПК - 39,5-59,4, по БПКполн - 43,5-78,3, по взвешенным веществам - 47,1-74,9.

About the authors

Sergey V. STEPANOV

Samara State Technical University

Olga S. SOLKINA

Samara State Technical University

Pavel P. AVDEENKOV

Samara State Technical University

Andrey V. BELYAKOV

LLC «Trading House «ECOLOS»

Aleksandr S. STEPANOV

Samara State Technical University

References

Supplementary files