Разработка технологии очистки сточных вод кондитерских предприятий от полидисперсных загрязнений в аэробных условиях
На правах рукописи
СКОСЫРЕВА ЕКАТЕРИНА ВЛАДИМИРОВНА
РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД
КОНДИТЕРСКИХ ПРЕДПРИЯТИЙ ОТ ПОЛИДИСПЕРСНЫХ
ЗАГРЯЗНЕНИЙ В АЭРОБНЫХ УСЛОВИЯХ
05.23.04-Водоснабжение, канализация, строительные системы охраны водных ресурсов
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Волгоград 2013
Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования
«Астраханский государственный технический университет»
| Научный руководитель: | |
| кандидат технических наук, доцент | Саинова Виктория Николаевна |
| Официальные оппоненты: | |
| доктор технических наук, профессор | Серпокрылов Николай Сергеевич ФГБОУ ВПО «Ростовский государственный строительный университет», профессор кафедры «Водоснабжение и водоотведение» |
| кандидат технических наук, доцент | Юрьев Юрий Юрьевич ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет» доцент кафедры «Водоснабжение и водоотведение» |
| Ведущая организация: | ФГБОУ ВПО «Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова» |
Защита состоится: 25.12.2013 в 12-30 часов на заседании диссертационного совета ДМ212.026.05 при ФГБОУ «Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет» по адресу: 400074, г. Волгоград, ул. Академическая, 1, ауд. 203 б.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО
«Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет».
Автореферат разослан _____________________.
| Ученый секретарь диссертационного совета |  | Фокин Владимир Михайлович |
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. В последние годы в России наблюдается ярко выраженная тенденция технического переоснащения заводов. Прежде всего, это затрагивает процессы производства продуктов питания. Предприятия приобретают новые технологические линии, покупателям предлагается широкий спектр новых продуктов. Стремление соответствовать высшему потребительскому уровню приводит к изменению технологии производства. Изменение технологии, как следствие, влечет за собой изменение качества и количества образующихся производственных сточных вод.
Существенное воздействие на загрязнение природной среды органическими компонентами сточных вод оказывают кондитерские предприятия. Отечественные и зарубежные ученые активно занимаются разработкой технологий очистки сточных вод от полидисперсных загрязнений, однако, несмотря на то, что перспективность применения многоступенчатых технологий комплексной очистки сточных вод для пищевых производств доказана, актуальна и необходима разработка эффективной технологии комплексной очистки сточных вод непосредственно для кондитерских предприятий.
Представленная работа посвящена разработке технологии очистки сточных вод кондитерских предприятий от полидисперсных загрязнений и выполнялась в рамках научного направления кафедры «Инженерная экология и природообустройство» ФГБОУ ВПО АГТУ по госбюджетной теме № 012.0105.1060 – «Разработка способов снижения экологического риска в условиях возрастающего антропогенного воздействия».
Целью работы является теоретическое обоснование, разработка и исследование эффективной технологии очистки сточных вод кондитерских предприятий от полидисперсных загрязнений в аэробных условиях.
Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:
1) Проведение экспериментальных исследований:
– уточнение особенностей физико-химического состава сточных вод кондитерских производств на примере ООО «Кондитерская фабрика “Карон”» г. Астрахань;
– обоснование выбора метода очистки сточных вод;
– идентификация видового состава микроорганизмов активного ила по ступеням процесса биологической очистки сточных вод.
2) Отработка параметров аэробной биологической очистки сточных вод для оценки эффективности различных технологических схем на лабораторной установке сооружений комплексной очистки.
3) Разработка технологии очистки сточных вод кондитерских предприятий, позволяющей использовать очищенные сточные воды повторно или осуществлять их сброс в водоем, и технико-экономическая оценка ее эффективности.
Основная идея работы состоит в разработке и усовершенствовании технологической схемы очистки производственных сточных вод кондитерских предприятий, состоящей из нескольких ступеней и учитывающей формирование на каждой ступени специфического активного ила.
Объект исследования – реальные производственные сточные воды ООО «Кондитерская фабрика “Карон”», после их предварительной механической очистки.
Предмет исследований – процесс аэробной биологической очистки сточных вод от полидисперсных загрязнений на многоступенчатой установке с илоотделителями на каждой ступени.
Методы исследований – анализ результатов известных научных и практических исследований; методы химического анализа, рекомендованные Госстандартом РФ; обработка результатов исследований на ПЭВМ по стандартным программам с использованием методов математической статистики; для технологических расчетов и усовершенствования сооружений комплексной очистки использована исследовательская математическая модель, применяемая в НИИ ВОДГЕО.
Достоверность научных положений и выводов основана на использовании общепризнанных методов исследований и необходимом объеме экспериментальных данных и подтверждена удовлетворительной сходимостью полученных результатов с расчетными зависимостями в пределах погрешности
= ±10% при установленной доверительной вероятности р = 0,95. Достоверность результатов экспериментальных исследований по определению качества вод подтверждалась параллельными анализами в Аккредитованном Испытательном лабораторном центре и Испытательной лаборатории экологического контроля г. Астрахань.
Научная новизна:
1) на основе теоретических предпосылок и экспериментальных исследований выявлены особенности физико-химического состава загрязняющих веществ сточных вод кондитерских предприятий, служащие основанием для проведения экспериментальных исследований;
2) отработана в лабораторных условиях технология процесса очистки сточных вод кондитерских предприятий от полидисперсных загрязнений в аэробных условиях;
3) выявлены параметры режима работы комплексных сооружений очистки реальных сточных вод ООО «Кондитерская фабрика “Карон”»: в аэротенке первой ступени время аэрации 1,17 суток и доза активного ила 3,5 г/л; в аэротенке второй ступени время аэрации 0,73 суток и доза активного ила 2 г/л, для обеспечения максимальной производительности при заданном качестве исходной и очищенной воды;
4) впервые получены данные по кинетике процесса для двух ступеней комплексной очистки сточных вод кондитерских предприятий, необходимые для полной и глубокой биологической очистки, что позволит удовлетворить требования к сбросу очищенных сточных вод в водоём рыбохозяйственного назначения или повторному их использованию для технических целей и на благоустройство территории: для первой ступени максимальная удельная скорость очистки – 357 мгБПК/г·ч, коэффициент ингибирования – 1,6 л/г, константа полунасыщения субстрата – 130 мг БПК/л; для второй ступени максимальная удельная скорость очистки – 90 мгБПК/г·ч, коэффициент ингибирования – 6,2 л/г, константа полунасыщения субстрата – 6,5 мгБПК/л.
Практическая значимость. В лабораторных условиях получены и экспериментально подтверждены оптимальные параметры процесса очистки сточных вод кондитерских предприятий от полидисперсных загрязнений.
Анализ научно-технической литературы и результаты экспериментальных исследований показали целесообразность и необходимость разделения процесса на стадии для формирования специфичного активного ила на каждой ступени, что интенсифицирует работу сооружений в целом.
Результаты выполненных исследований рекомендуется применять для комплексной очистки сточных вод предприятий пищевой промышленности (в частности для кондитерских предприятий) от полидисперсных загрязнений.
Разработанная технология очистки с оптимальными параметрами работы сооружений подтверждена материалами теоретических и экспериментальных работ, показавших высокую степень сходимости, что обеспечило возможность их использования в производственных условиях с учетом технологических особенностей предприятия.
Реализация результатов работы.
– разработан и защищен патентом РФ способ очистки сточных вод, заключающийся в двухступенчатой очистке сточных вод кондитерских предприятий от полидисперсных загрязнений в аэробных условиях;
– проведены испытания экспериментальной установки очистки сточных вод кондитерских предприятий от полидисперсных загрязнений в производственных условиях ООО «Кондитерская фабрика “Карон”», которые подтвердили эффективность разработанной технологии;
– разработанные в диссертационной работе рекомендации используются проектной фирмой ООО ПСФ «ГЕОэкспресс» г. Астрахань в проектировании строящихся и реконструируемых кондитерских предприятий пищевой промышленности;
– результаты практической реализации работы применяются в учебном процессе ФГБОУ ВПО «Астраханский государственный технический университет (АГТУ)» для студентов специальности «Комплексное использование и охрана водных ресурсов» и направления «Природообустройство и водопользование».
– результаты исследований внедрены ООО «Кондитерская фабрика “Карон”» и ООО «ABC», что подтверждено актами внедрения результатов кандидатской диссертационной работы. Предложенные решения прошли производственную экспертизу.
На защиту выносятся следующие положения:
– константы уравнений ферментативных реакций, использование которых дает возможность усовершенствовать процесс очистки сточных вод в аэробных условиях и позволяет установить размеры сооружений в многоступенчатых схемах, а также оптимальный режим их работы;
– исследованные многоступенчатые схемы очистки сточных вод кондитерских предприятий от полидисперсных загрязнений в аэробных условиях;
– разработанная технология очистки сточных вод, позволяющая 80% очищенной воды использовать повторно для технических целей и на благоустройство территории или осуществлять сброс в водоем рыбохозяйственного назначения в соответствии с действующими нормативами.
Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на научных конференциях ФГБОУ ВПО АГТУ (2005-2009 гг.), на Международной научно-практической конференции, посвященной 100-летию со Дня рождения К.В. Горбунова «Фундаментальные аспекты биологии в решении актуальных экологических проблем» (2008), на Всероссийской научно-практической конференции «Экологическая безопасность современных социально-экономических систем» (2009), на Международной научно-практической конференции «Роль мелиорации в обеспечении продовольственной и экологической безопасности России» (2009).
Публикации. Основные результаты и положения диссертации отражены в 11 печатных работах, из них 2 – в изданиях, рекомендованных ВАК РФ. Получен 1 патент на изобретение.
Личный вклад автора состоит в формулировании цели и задач, организации и непосредственном участии в проведении теоретических и экспериментальных исследований, анализе их результатов, формировании выводов, разработке технологии очистки сточных вод от полидисперсных загрязнений в аэробных условиях, а также написании статей по результатам собственных разработок и анализа предшествующего опыта.
Структура и объем диссертации. Диссертация включает введение, четыре главы, общие выводы, список литературы. Общий объем диссертационной работы 128 страниц машинописного текста, 20 таблиц, 25 рисунков, приложения.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель, задачи и основная идея работы, ее научная новизна и практическая значимость, приведены сведения об апробации и практическом внедрении результатов проведенных исследований.
В первой главе проанализировано современное состояние и проблемы очистки сточных вод предприятий пищевой промышленности, в частности кондитерских фабрик.
Отмечено, что современные кондитерские производства помимо более высокой степени автоматизации процессов приготовления сырьевых компонентов и аппаратов используют новые ранее не применявшиеся компоненты составов смесей, в частности, пальмовое масло и сою. Это обуславливает и особенности состава производственных сточных вод, т. к. пальмовое масло нерастворимо в воде, а соевая мука имеет различные показатели коэффициента растворимости азота в зависимости от температуры.
Критически рассмотрены существующие методы, сооружения и схемы обработки производственных сточных вод от компонентов сырья и сделан вывод, что для сточных вод современных кондитерских предприятий наиболее доступен и технологически целесообразен комплексный способ очистки в аэробных условиях на многоступенчатых установках, оптимальные режимы работы которых устанавливаются только экспериментально, учитывая конкретные условия основного производства (состав смесей выпускаемой продукции).
Для усовершенствования процесса очистки в аэробных условиях целесообразно использовать уравнения ферментативных реакций, которые учитывают все основные факторы: концентрацию загрязнений, кинетику их деструкции, концентрацию микроорганизмов активного ила.
Во второй главе представлены объекты и методы исследования процесса очистки сточных вод кондитерских предприятий в аэробных условиях.
Проведен сравнительный анализ сточных вод ряда кондитерских предприятий, отличающихся номенклатурой выпускаемой продукции и, соответственно, составом загрязнений (табл. 1). На его основе сделан вывод, что по составу и источникам образования сточные воды ООО «Кондитерская фабрика “Карон”» могут быть приняты, как типичные, и выводы, полученные при обработке их, можно распространить и на родственные предприятия.
Отбор проб осуществлялся перед сбросом сточных вод в канализацию, после предварительной их обработки на сооружениях механической очистки.
Основным видом деятельности ООО «Кондитерская фабрика “Карон”» является производство мучных кондитерских изделий в большинстве своем представленных сахарным печеньем и вафлями. Сточные воды кондитерских предприятий характеризуются наличием в их составе растворенных органических веществ, находящихся также во взвешенном и коллоидном состоянии. Главным образом это части сырья: смывы теста, мука, жиры, яйца, сахар и другое сырье согласно рецептуре.
Непрерывность технологического процесса производства на фабрике обуславливает равномерность формирования количества и качества сточных вод в течение года. Потребление воды питьевого качества осуществляется из городского водопровода, сброс – в городскую канализацию.
После предварительного отстаивания соотношение в сточной воде взвешенных веществ, белков и жиров и составляет 5,5:1:1,2, а содержание окисляемых веществ (по ХПК) почти не меняется. Это свидетельствует о том, что органические вещества находятся в воде главным образом в растворенном состоянии, а также в виде тонкодисперсных и коллоидных частиц.
Жиры поступают в сточные воды кондитерских предприятий в составе сырья: молока, масла, маргарина, яиц, муки и пр. Жировая дисперсия молочного и масляного жиров в силу их одинакового происхождения и сходного состава в сточных водах представляет собой эмульсию, стабилизаторами которой также являются гидрофильные коллоиды, представленные в сточных водах в виде белков и крахмала.
Состав белков в сточных водах достаточно разнообразен. Около 65 % белковой массы относится к полидисперсными соединениям, которые наряду с нерастворимыми белками образуют в воде коллоидные дисперсии. Применением предварительной механической очистки в комплексе очистных сооружений можно удалить основные белки яиц, составляющие до 20 % от общей белковой массы.
Таблица 1 – Сравнительный анализ состава сточных вод кондитерских предприятий
| Наименование загрязняющих веществ | Ед. изм. | ООО «Кондитерская фабрика “Карон”», г. Астрахань | Санкт-Петербургская кондитерская фабрика №1 | ОАО «Смольнинский хлебозавод» (с кондитерским цехом) | ЗАО «Русский бисквит», г. Череповец | ООО «Одинцовская кондитерская фабрика» («Коркунов») | Кондитерская фабрика «АВС», г. Саратов | Усредненный состав сточных вод кондитерских фабрик | Требования для сброса в городскую канализацию | Требования для сброса в водоем рыбохозяйственного значения | |
| ХПК | мг/л | 1250,72±7,45 | 2820 | 1100 | 1300 | 2200 | 1790 | 1000-2500 | 450 | 30 | |
| БПК | мг/л | 620,11±3,93 | 2190 | 560 | 580 | 980 | 820 | 500-2500 | 300 | 3 | |
| Белки | мг/л | 215,20±1,33 | 290 | 210 | 250 | 280 | 350 | 200-400 | - | - | |
| Моно-, дисахариды | мг/л | 1735±12,15 | 1800 | 1650 | 1700 | 1750 | 2600 | 1500-3000 | - | - | |
| Жиры | мг/л | 261±1,85 | 350 | 185 | 300 | 420 | 480 | 200-500 | 17,6 | - | |
| Азот общий | мг/л | 43,0±0,25 | 49,66 | 47,34 | 45,22 | 46,18 | 42,84 | 40-50 | - | - | |
| Азот аммонийный (N-NH4+) | мг/л | 30,02±0,13 | 33 | 28,7 | 27 | 32 | 26,2 | 20-35 | 28,8 | 0,5 (в пересчете на азот 0,4) | |
| Азот нитритов (N-NO2–) | мг/л | 0,15±0,002 | 0,16 | 0,14 | 0,12 | 0,18 | 0,14 | 0,1-0,2 | 0,0 | 0,08 (в пересчете на азот нитритов 0,02) | |
| Азот нитратов (N-NO3–) | мг/л | 8,2±0,12 | 11 | 14 | 12,1 | 9 | 10 | 5-15 | 0,0 | 40,0 (в пересчете на азот нитратов 9,0) | |
| Азот органический | мг/л | 4,63±0,02 | 5,5 | 4,5 | 6 | 5 | 6,5 | 4-7 | - | - | |
| Азот по Кьельдалю | мг/л | 34,65±0,11 | 38,5 | 33,2 | 33,0 | 37,0 | 32,7 | 30-40 | - | - | |
| Взвешенные вещества | мг/л | 1200,19±6,75 | 1590 | 1050 | 1370 | 1390 | 1510 | 1000-1600 | 483 | 4,0 | |
| pH | ед. | 6,33±0,04 | 5,5 | 5,9 | 6,5 | 5,8 | 5,9 | 5-7 | 6,5-9,0 | 6,5-7,5 | |
| Фосфор (Р-P2O5-) | мг/л | 6,1±0,04 | 6,4 | 9,0 | 7,2 | 6,1 | 8,3 | 5-10 | - | 0,39 | |
Углеводы в составе сточных вод определяются как моно- и дисахариды, крахмалы и клетчатка. Простые сахара являются полидисперсными соединениями и извлекаются только при помощи биологических, окислительных и сорбционных методов очистки.
Исследования процесса очистки сточных вод проводились на лабораторных моделях сооружений комплексной очистки по методике, разработанной в НИИ ВОДГЕО. Состав загрязненной и очищенной воды оценивали по физическим (температура, взвешенные вещества) и химическим (реакция среды, БПК, ХПК, фосфаты, азот нитритов, азот нитратов, азот органический и т.д.) показателям, согласно методам анализа, рекомендованным Госстандартом РФ.
Патентные исследования отражены в Патенте на изобретение № 2415815 «Способ очистки сточных вод» от 02.07.2009 г.
Результатом анализа научно-технической и патентной литературы и проведенных экспериментальных исследований является способ очистки сточных вод, заключающийся в предварительном отстаивании для удаления взвешенных и жироподобных веществ, в последующем окислении в аэротенке первой ступени в аэробных условиях при аэрации в течение 1,076 суток и дозе активного ила 3,4 г/л и отстаивании для удаления части активного ила, окислении в аэротенке второй ступени при аэрации в течение 0,58 суток и дозе активного ила 2,04 г/л и отстаивании для удаления активного ила. Данный способ очистки сточных вод позволяет достичь показателей, разрешающих сброс в водоем рыбохозяйственного значения.
Анализ усредненного состава сточных вод и компонентного состава белковых веществ в стоках кондитерской фабрики показал, что воды ООО «Кондитерская фабрика “Карон”» относятся к концентрированным по органическим загрязнениям, а их состав соответствует средним показателям для кондитерских предприятий, выпускающих аналогичную продукцию. Патентные исследования показали, что наиболее простым, эффективным и менее капиталоемким способом очистки сточных вод в аэробных условиях для кондитерских предприятий является двухступенчатая технология.
В третьей главе представлены исследования технологических схем очистки сточных вод кондитерских предприятий от полидисперсных загрязнений в аэробных условиях.
Учитывая высокую концентрацию полидисперсных загрязнений в сточных водах кондитерских предприятий и возможное разнообразие в условиях сброса сточных вод: в водоем или в городскую канализацию, были исследованы одно- и двухступенчатая технологическая схема очистки сточных вод кондитерских предприятий.
Одноступенчатая очистка не давала возможности достигнуть полной очистки сточных вод за период аэрации 60,92 часа. Для интенсификации процесса целесообразно применение многоступенчатых схем.
Исследования двухступенчатой схемы проводились в лабораторных условиях на реальной сточной воде кондитерского предприятия, прошедшей предварительную механическую очистку (отстаивание). Определение технологических параметров осуществлялось на лабораторной установке двухступенчатого аэротенка с промежуточными отстойниками (рис. 1).
Активный ил из отстойников возвращался в аэротенки циркуляционным насосом. Наличие илоотделителя на каждой ступени, работавшей в проточных условиях, способствовало формированию своего биоценоза активного ила, наиболее приспособленного к поступающим загрязнениям, тем самым, интенсифицируя весь процесс очистки.
Состав биоценоза свободно плавающего активного ила чрезвычайно разнообразен, хлопья ила светло-коричневые, умеренно плотные, небольшие по размеру, хорошо оседают.
Рисунок 1 – Схема двухступенчатой лабораторной установки
В процессе исследований был произведен микробиологический анализ активного ила, который заключался в определении общей численности и морфологического разнообразия бактерий внутри хлопьев, поскольку они являются важнейшим компонентом биоценоза, играя ключевую роль в трансформации органического вещества. Видовой состав биоценоза представлен микроорганизмами, обладающими протеолитической, сахаролитической, амилолитической и липолитической способностями.
Избыточный активный ил, образующийся в процессе очистки сточных вод, можно использовать в качестве добавок при изготовлении кормов для животных, так как, в соответствии с технологией производства на кондитерской фабрике и с учетом используемого сырья, избыточный активный ил не токсичен и является ценным кормовым продуктом.
Эксперимент ставили с целью определения оптимальных параметров режима работы лабораторной установки, при котором при заданном качестве поступающей и отводимой воды достигается максимальная эффективности и производительность.
Технологические параметры оптимального режима определяли по расчетным зависимостям, коэффициенты и константы к которым получали обработкой экспериментальных данных на установке с аэротенком-смесителем.
Исследования в ходе эксперимента состояли из нескольких серий опытов, в каждой из которых меняли один регулирующий параметр. После определения оптимального режима и вычисления расчетных параметров проводили контрольный опыт с целью их подтверждения, в противном случае эксперимент повторялся с корректировкой. Каждая серия опытов варьировалась от 1 до 4 недель. Продолжительность опытов определялась достижением стабильности контролируемых параметров после перехода от одного режима к другому. В ходе эксперимента контролировались параметры: расход сточной воды, воздуха, концентрация растворенного кислорода. Кроме того, в аэротенках регистрировалась величина рН, а также значения илового индекса. Использовались стандартные методы анализа.
Полученные в результате экспериментов данные позволили количественно оценить влияние диктующих факторов: дозы ила и адаптации активного ила в двухступенчатой схеме (табл. 2).
Для исследуемых одноступенчатой и двухступенчатой схем очистки сточных вод кондитерских предприятий в аэробных условиях были определены константы уравнений ферментативных реакций, описывающих влияние концентрации растворенного кислорода, концентрации субстрата в очищенной воде и концентрации активного ила на удельную скорость окисления.
Также в третьей главе представлен анализ зависимости контролируемых параметров от регулирующих для одноступенчатой и двухступенчатой схем очистки методом линейной регрессии. Эконометрические расчеты показали, что модели по обеим схемам являются практически линейными и имеют высокие коэффициенты детерминации, что говорит об их высокой степени сходимости, а следовательно о возможности их использования в производственных условиях с учетом технологических особенностей предприятия.
Таблица 2 – Характеристика качества сточных вод после каждой ступени очистки
| Наименование загрязняющих веществ | Единицы измерения | Значения | ||
| вход | 1 ступень | 2 ступень | ||
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
| ХПК | мг/л | 1250,72±7,45 | 332,77±2,3 | 22,91±0,18 |
| БПК5 | мг/л | 620,11±3,93 | 205,97±1,44 | 1,77±0,01 |
| Окислительная мощность | гБПК/м3сут | – | 347,48±2,5 | 261,76±2,1 |
| Азот общий | мг/л | 41±0,25 | 12,39±0,09 | 3,01±0,02 |
| Азот аммонийный (N-NH4+) | мг/л | 18,02±0,13 | 9,60±0,1 | 0,11±0,005 |
| Азот нитритов (N-NO2–) | мг/л | 0,15±0,002 | 0,02±0,0005 | 0,01±0,0005 |
| Азот нитратов (N-NO3–) | мг/л | 18,2±0,12 | 1,87±0,01 | 2,48±0,02 |
| Азот органический | мг/л | 4,63±0,02 | 0,90±0,005 | 0,41±0,01 |
| Взвешенные вещества | мг/л | 1200,19±6,75 | 312,48±2,2 | 2,70±0,02 |
| pH | – | 6,33±0,04 | 6,31±0,04 | 6,74±0,04 |
| Доза ила | г/л | – | 3,50±0,02 | 2,00±0,02 |
| Иловый индекс | мл/г | – | 155±0,12 | 101±0,85 |
| Зольность | % | – | 23,2±0,05 | 27,6±0,05 |
| Скорость окисления | мг/г·ч | – | 23,69±0,2 | 13,50±0,1 |
В четвертой главе проведено совершенствование процесса очистки сточных вод кондитерских предприятий.
Механизм окисления растворенных органических загрязнений в процессе биологической очистки описывается кинетическими уравнениями ферментативных реакций.
В условиях нелимитированного кислородом процесса основное кинетическое уравнение имеет вид:
, мг/г·ч (1)
где 
, мгБПК/г ч - максимальная скорость очистки
, мгБПК/л - БПК очищенной воды
, мгБПК/л - константа полунасыщения субстрата
, л/г - коэффициент ингибирования
, г/л - доза ила в аэротенке
Графически, с помощью графиков двойных обратных величин 1/ = f(1/
) и графиков 1/ = f(а), определены константы уравнения (1) для двух ступеней очистки. Их значения приведены в таблице 3.
Таблица 3 – Значения кинетических констант
| Наименование | Ступени очистки | |
| первая | вторая | |
Максимальная удельная скорость очистки,  , мгБПК/г·ч | 357 | 90 |
Константа полунасыщения субстрата,  , мгБПК/л | 130 | 6,5 |
Коэффициент ингибирования,  , л/г | 1,6 | 6,2 |
С использованием кинетического уравнения (1) были обоснованно определены дозы ила и соотношения между периодами аэрации на каждой ступени. Период аэрации определялся по СП 32.13330.2012.
При усовершенствовании одноступенчатой схемы и сооружений второй ступени необходимо учитывать продолжительность очистки воды в отстойниках, рассчитываемой по формуле:
(2)
где Hset - глубина проточной части в отстойнике, м;
qssa - гидравлическая нагрузка на отстойник (СП 32.13330.2012).
Оптимальные дозы ила соответствуют минимальному значению общей продолжительности очистки воды в системе аэротенки-отстойники:
(3)
По зависимости продолжительности очистки воды в сооружениях от дозы активного ила (рис. 2, 3) видно, что для первой ступени двухступенчатой схемы оптимальная доза активного ила составляет а1 = 3,5 г/л, для второй ступени –
а2 = 2,0 г/л.
В результате нескольких последовательных приближений по уравнению (1) и СП 32.13330.2012 определены оптимальные соотношения между периодами аэрации на первой и второй ступенях, которые соответствуют минимальному значению общего периода аэрации:
или 
(4)
Рисунок 2 – Зависимость продолжительности очистки воды в сооружениях первой ступени от дозы активного ила: 
– общая продолжительность очистки воды в сооружениях первой ступени; 
– продолжительность очистки воды в отстойнике; 
– продолжительность очистки воды в аэротенке.
Рисунок 3 – Зависимость продолжительности очистки воды в сооружениях второй ступени от дозы ила: 
– общая продолжительность очистки воды в сооружениях второй ступени; 
– продолжительность очистки воды в отстойнике; 
– продолжительность очистки воды в аэротенке.
Рисунок 4 – Зависимость периода аэрации от БПК: 
– общий период аэрации; 
– период аэрации на первой ступени; 
– период аэрации на второй ступени.
По зависимости величины общего периода аэрации от БПК по каждой ступени очистки (рис. 4) видно, что для двухступенчатой схемы оптимальные значения составляют 
= 27,98 ч; 
= 17,45 ч.
Оптимальные технологические параметры процесса комплексной очистки приведены в таблице 4.
Таблица 4 – Оптимальные технологические параметры процесса комплексной очистки
| Параметры ступеней очистки | Схемы очистки | ||
| одноступенчатая | двухступенчатая | ||
| 1 | 2 | 3 | 4 |
| Первая ступень | Период аэрации, ч | 60,92 | 27,98 |
| БПК5 очищенной воды, мг/л | 215 | 205 | |
| Доза ила, г/л | 2,5 | 3,5 | |
| Вынос ила, мг/л | 10 | 15 | |
| Зольность ила, % | 23,6 | 23,2 | |
| Иловый индекс, мл/г | 143,59 | 126,1 | |
| Возвратный ил, доли ед. | 0,56 | 0,79 | |
| Время отстаивания, ч | 2,18 | 1,14 | |
| Общая продолжительность очистки | 63,1 | 29,12 | |
| Вторая ступень | Период аэрации, ч | - | 17,45 |
| БПК5 очищенной воды, мг/л | - | 1,77 | |
| Доза ила, г/л | - | 2,0 | |
| Вынос ила, мг/л | - | 40 | |
| Зольность ила, %. | - | 27,6 | |
| Иловый индекс, мл/г | - | 116,9 | |
| Возвратный ил, доли ед. | - | 0,37 | |
| Время отстаивания, ч | - | 1,62 | |
| Общая продолжительность очистки | - | 48,19 | |
Введение второй ступени дало возможность значительно уменьшить общую продолжительность очистки воды в сооружениях (с 63,10 до 48,19 ч, т.е. в 1,31 раза). Вместе с тем сокращаются и размеры очистных сооружений. При применении двухступенчатой схемы существенно изменяются технологические параметры по сравнению с одноступенчатой: на первой ступени вынос ила из илоотделителя повышается с 10 до 15 мг/л, за счет этого сокращается период аэрации; время пребывания в илоотделителе снижается с 2,18 до 1,14 ч, в аэротенке первой ступени увеличивается доза ила с 2,5 до 3,5 г/л.
Также в четвертой главе представлена технико-экономическая оценка рекомендуемой схемы очистки сточных вод кондитерских предприятий.
Эффективность работы предлагаемых сооружений для очистки сточных вод оценивается степенью осветления в отстойнике (по массе уловленного осадка), которая составляет 86 %, и по интенсивности очистки в аэротенках (снижение БПК), составляющей 99,7 %.
Общая экономическая эффективность определяется исходя из анализа затрат на принятие проектных решений и эксплуатацию объекта.
Внедрение установки на ООО «Кондитерская фабрика “Карон”» является рентабельным, так как окупается на седьмой год с момента запуска очистных сооружений и позволит ликвидировать издержки на уплату штрафов от сбросов сточных вод ненадлежащего качества в городскую канализацию, и за счет введения повторного водопользования сократить платежи за водопотребление, а так же позволит осуществлять сброс в водоем.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В диссертационной работе дано решение актуальной проблемы: разработка эффективной двухступенчатой схемы очистки сточных вод кондитерских предприятий от полидисперсных загрязнений в аэробных условиях, которая позволяет очистить сточные воды до показателей, соответствующих требованиям к сбросу в водоем рыбохозяйственного значения.
В результате собственных теоретических и экспериментальных исследований можно сделать следующие основные выводы:
- Сравнительный анализ сточных вод ряда кондитерских предприятий с расходом от 50 до 500 м3/сут, показывающий, что диапазон изменения значений по основным нормируемым ингредиентам и соотношению БПК/ХПК более 0,5, подтверждает целесообразность применения для данного вида сточных вод биологической очистки, но недостаток азотного питания указывает на необходимость разделения процесса на стадии для формирования специфичного активного ила на каждой ступени.
- Анализ усредненного состава сточных вод и компонентного состава белковых веществ в стоках кондитерских предприятий показал, что сточные воды являются многофазной системой, содержащей органические загрязнения, относящиеся к белкам, жирам, углеводам, имеющим разные скорости окисления и при их совместном присутствии требующие оценки их свойств и отношения удельных скоростей окисления на ступенях очистки.
- Экспериментально установлено, что процесс окисления полидисперсных загрязнений сточных вод кондитерских предприятий в аэробных условиях описывается модифицированными уравнениями ферментативных реакций, для которых на каждой ступени были определены константы и коэффициенты: для первой ступени максимальная удельная скорость очистки 357 мгБПК/г·ч, константа полунасыщения субстрата 130 мгБПК/л, коэффициент ингибирования 1,6 л/г; для второй ступени максимальная удельная скорость очистки 90 мгБПК/г·ч, константа полунасыщения субстрата 6,5 мгБПК/л, коэффициент ингибирования 6,2 л/г.
- Экспериментально и математическими расчетами доказано преимущество использования для очистки сточных вод кондитерских предприятий от полидисперсных загрязнений двухступенчатой схемы с илоотделителями на каждой ступени, применение которой позволяет сократить объемы сооружений по сравнению с одноступенчатой.
- Полученные уравнения ферментативных реакций положены в основу совершенствования процесса очистки и расчета зависимостей для сооружений и технологических параметров. В аэротенке первой ступени время аэрации 1,166 суток и доза активного ила 3,5 г/л; в аэротенке второй ступени время аэрации 0,727 суток и доза активного ила 2 г/л.
- Технико-экономическая оценка предполагаемых внедрений показала, что внедрение установки очистки сточных вод на ООО «Кондитерская фабрика “Карон”» можно считать рентабельным, так как при капитальных вложениях 21192,9 тыс. руб. и текущих затратах 2457,4 тыс. руб. окупается на седьмой год с момента запуска очистных сооружений.
- Результаты исследований внедрены ООО «Кондитерская фабрика “Карон”» и ООО «ABC», что подтверждено актами внедрения результатов кандидатской диссертационной работы. Предложенные решения прошли производственную экспертизу и используются ООО ПСФ «ГЕОэкспресс» г. Астрахань в проектировании строящихся и реконструируемых кондитерских предприятий.
Основное содержание работы отражено в следующих публикациях:
Публикации в ведущих рецензируемых научно-технических журналах и изданиях, определенных ВАК РФ
1. Ушакова, Е. В.* Рациональная двухступенчатая схема биологической очистки сточных вод кондитерской фабрики [Текст] / Е. В. Ушакова [и др.] // Вестн. Волгогр. гос. архитектур.-строит. ун-та. Сер.: Стр-во и архитектура. – 2010. - Вып. №18 (37). - С. 126-131.
2. Скосырева, Е. В. Совершенствование технологического режима очистки сточных вод кондитерских фабрик [Текст] / Е. В. Скосырева, В. Н. Саинова // Вестн. Тамбов. ун-та. Сер.: Естеств. и техн. науки. – 2012. - Т. 17, вып. 6. - С. 1619-1623.
Патент
3. Пат. 2415815 Российская Федерация МПК С 02F1/46 Способ очистки сточных вод [Текст] / Саинова В. Н., Темникова Е. В. ; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО «АГТУ» - № 2009125404 ; заявл. 02.07.09 ; опубл. 10.04.11, Бюл. № 10. – 5 с.
Отраслевые издания и материалы конференций
4. Темникова, Е. В.* Исследование процесса одноступенной очистки сточных вод кондитерских предприятий [Электронный ресурс] // Международная научная конференция профессорско-преподавательского состава (53 ППС) Астраханского государственного технического университета, посвященная 15-летию АГТУ, 20-22 апреля 2009 г. / Астрахан. гос. техн. ун-т ; [отв. за вып. Н. Т. Берберова, И. Ю. Алексанян]. – Астрахань, 2009. – 1 эл. опт. диск.
5. Темникова, Е. В.* Характеристика сточных вод пищевых предприятий [Текст] / Е. В. Темникова [и др.] // Всероссийская научно-практическая конференция «Экологическая безопасность современных социально-экономических систем» 10 февраля 2009 г. : [материалы]. – Москва : ООО «Глобус», 2009. – С. 393-395.
6. Темникова, Е. В.* Исследование проблемы очистки сточных вод г. Астрахани [Текст] / Е. В. Темникова [и др.] // Материалы международной научно-практической конференции «Роль мелиорации в обеспечении продовольственной и экологической безопасности России». – Москва : ФГОУ ВПО МГУП, 2009 - Ч. II. – С. 482-483.
7. Темникова, Е. В.* Использование закономерностей кинетики биологической очистки сточных вод для оптимизации процесса [Текст] / В. Н. Саинова, Е. В. Темникова, А. Н. Костров // Материалы международной научно-практической конференции, посвященной 100-летию со Дня рождения К.В. Горбунова «Фундаментальные аспекты биологии в решении актуальных экологических проблем» 10-12 декабря 2008 года, г. Астрахань. – Астрахань : ООО «КПЦ «ПолиграфКом», 2008. – С. 212-214.
8. Темникова, Е. В.* Разработка эффективной технологии очистки сточных вод кондитерского предприятия [Текст] / В. Н. Саинова, Е. В. Темникова, А. А. Павелко // Проблемы и перспективы современной науки : сб. науч. тр. – Томск, 2008. - Т. 1, вып. 2. – С. 77-78. - ISBN 5-01398-4.
9. Темникова, Е. В.* Скрининг эффективного способа очистки сточных вод от жироподобных веществ [Текст] / Е. В. Темникова // Наука: поиск-2008 : сб. науч. ст. / Астрахан. гос. техн. ун-т. – Астрахань : Изд-во АГТУ, 2008. – С. 53-56.
10. Ушакова, Е. В.* Анализ существующих методов очистки сточных вод [Текст] / Е. В. Ушакова // 51-я научно-практическая конференция профессорско-преподавательского состава АГТУ : тез. докл. : в 2 т. / Астрахан. гос. техн. ун-т. – Астрахань : Изд-во АГТУ, 2007. – Т. 1 – С. 39.
11. Ушакова, Е. В.* Экспериментально-аналитическое исследование состава сточных вод предприятий кондитерской промышленности [Текст] / В. Н. Саинова, Т. А. Аронова, Е. В. Ушакова // Наука: поиск-2006 : сб. науч. ст. / Астрахан. гос. техн. ун-т. – Астрахань : Изд-во АГТУ, 2007. – Т. 2. - С. 7-9.
*фамилии Ушакова и Темникова изменены на Скосырева (Свидетельство о заключении брака
I-РУ № 793997 от 20.08.2010г.)
Личный вклад соискателя в опубликованных в соавторстве работах:
[5, 6, 10, 11] постановка задач исследования, [1-4, 7-9] постановка задач исследований, подготовка и проведение эксперимента, выдвижение идей.
СКОСЫРЕВА ЕКАТЕРИНА ВЛАДИМИРОВНА
РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД
КОНДИТЕРСКИХ ПРЕДПРИЯТИЙ ОТ ПОЛИДИСПЕРСНЫХ
ЗАГРЯЗНЕНИЙ В АЭРОБНЫХ УСЛОВИЯХ
05.23.04 Водоснабжение, канализация, строительные системы охраны водных ресурсов
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Подписано в печать 22.11.2013. Заказ № Тираж 100 экз.
Печ. л. 1,0
Формат 60 х 84 1/16
Бумага писчая. Печать плоская.
Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет
400074, Волгоград, ул. Академическая, 1.
Отдел оперативной полиграфии.
