Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Разработка технологии очистки концентрированных сточных вод пищевой промышленности с применением метановой ферментации

ВАК РФ 03.00.23, Биотехнология

Автореферат диссертации по теме "Разработка технологии очистки концентрированных сточных вод пищевой промышленности с применением метановой ферментации"

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ УКРАЇНИ УКРАЇНСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ХАРЧОВИХ ТЕХНОЛОГІЙ

Г ОД

На правах рукопису

БУБЛІЄНКО НАТАЛІЯ ОЛЕКСАНДРІВНА

УДК 628.356

РОЗРОБКА ТЕХНОЛОГІЇ ОЧИЩЕННЯ КОНЦЕНТРОВАНИХ СТІЧНИХ ВОД ХАРЧОВОЇ ПРОМИСЛОВОСТІ ІЗ ЗАСТОСУВАННЯМ МЕТАНОВОЇ ФЕРМЕНТАЦІЇ

Спеціальність 03.00.2^ - Біотехнологія

АВТОРЕФЕРАТ дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Київ - 1998

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Українському державному університеті харчових технологій.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор, акад. MIA Г.О. Нікітін

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, заступник директора з науки і нової техніки Інституту харчової хімії і технології Держхарчопрому і НАН України ЦиганковС.П.

кандидат технічних наук, завідуючий відділом Українського НДІ спирту і біотехнології продовольчих продуктів Кошель М.І.

Провідна організація: Інститут колоїдної хімії та хімії води ім. О.В.Думанського НАН України

Захист відбудеться “ ^" к'/ьіУ-Сіі 1998 р. о ^годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.058.3 Українського державного університету харчових технологій, аудиторія А - 311.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці університету. Автореферат розіслано ^/¡¿ /іуьС-'tífcJ 1998 р.

Запрошуємо вас взяти участь у засіданні спеціалізованої Ради або надіслати відгук у двох примірниках, затверджений печаткою організації, за адресою: 252017, Київ -17, вул. Володимирська, 68.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради, к.т.н., доцент

В.О. Ромоданова

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Ставлячи задачу розвитку агропромислового комплексу країни, необхідно приймати до уваги наслідки цього для навколишнього середовища. Особливу увагу привертає до себе питання охорони водних ресурсів. Вирішення цієї проблеми полягає в удосконаленні водного господарства підприємств АПК, що направлене, з одного боку, на проведення заходів по зменшенню питомих витрат води, а, з іншого боку, на розробку, вдосконалення та впровадження у виробництво найбільш ефективних методів очищення.

Стоки більшості підприємств агропромислового комплексу с концентрованими. Як показала практика, традиційний підхід до їх очищення не в змозі вирішити весь комплекс виникаючих проблем.

Найбільш виправданим в економічному та екологічному плані є застосування анаеробного способу обробки - метанової ферментації. Його субстратом можуть бути практично будь-які органічні речовини. Глибина очищення при використанні метанового бродіння може досягати 95 %. Впровадження метанової ферментації для очищення концентрованих стоків є доцільним, тому що дає змогу не тільки значно знизити концентрацію забруднень, але й підвищити ефективність процесу за рахунок використання біогазу та біомаси, збагаченої біологічно активними речовинами.

На кожному виробництві є різноманітні джерела утворення стічних вод, тобто стоки різних категорій. Якщо такі води різко відрізняються по концентрації забруднень, доцільним є локальне використання метанової ферментації для найбільш концентрованих стоків.

Існують експериментальні докази переваги цього методу очищення концентрованих стоків на прикладі м’ясокомбінатів, тваринницьких ферм, але у відношенні багатьох інших підприємств харчової та переробної промисловості конкретних аналогічних рекомендацій не наведено. Тому актуальним є вивчення особливостей проведення метанової ферментації, впливу параметрів бродіння на протікання процесів очищення та накопичення продуктів метаногенезу.

Мета роботи - дослідження процесів очищення та трансформації органічних забруднень концентрованих стоків підприємств харчової і переробної промисловості та розробка на цій основі раціональної технологічної схеми обробки стічних вод, основним етапом якої є метанова ферментація. .

Об’єкти дослідження - стоки заводів по виробництву цукру, лимонної кислоти та хлібопекарських дріжджів.

У процесі виконання роботи вирішувались такі задачі:

- дослідження режимів метанової ферментації стоків виробництва цукру, лимонної кислоти та хлібопекарських дріжджів;

- дослідження інтенсивності газоутворення та визначення енергетичної цінності стоків даних підприємств;

- розробка режимів аеробного доочищення стічних вод після їх метанової ферментації;

- дослідження мікробіологічного складу активного мулу;

- вивчення можливості використання сухих препаратів активного мулу для бродіння;

- розрахунок економії енергії при використанні біогазу на типовому підприємстві;

- розробка апаратурно-технологічних схем обробки стоків та рекомендації по їх використанню.

Наукова новизна результатів дослідження. Розроблені режими метанового бродіння концентрованих стоків заводів по виробництву цукру, лимонної кислоти та хлібопекарських дріжджів. Досліджено вихід біогазу та його енергетична цінність. Вивчена можливість використання препаратів сухого активного мулу для здійснення процесу метанового бродіння. На підставі цього вперше запропонована сезонна технологія очищення стоків цукрового заводу. Показано, що для обробки стоків перелічених підприємств може застосовуватись єдина універсальна технологічна схема.

Практична значимість роботи. Базуючись на результатах проведених досліджень, запропонована комплексна технологія очищення концентрованих стоків підприємств по виробництву цукру, лимонної кислоти та хлібопекарських дріжджів. Показана доцільність використання метанової ферментації як основного етапу очищення концентрованих стічних вод, а для процесу доочищення застосування традиційних аеробних методів. Доведена можливість покриття значної кількості енерговитрат на процеси очищення за рахунок використання біогазу. Показана можливість використання сухого мулу для метанового бродіння, що дасть змогу застосовувати сезонні технології очищення стоків цукрових заводів.

Особистий внесок здобувача. Постановка задачі досліджень проводилась за безпосередньою участю автора. Проведення експериментів, аналізів та інтерпретація отриманих результатів виконані автором особисто.

Апробація роботи. Матеріали дисертації доповідались та отримали позитивну оцінку на міжнародній науково-технічній конференції “Розробка та впровадження нових технологій і обладнання у харчову та переробні

з

галузі АПК” (Київ, КТІХП, 1993 p.), на 59-й (квітень 1993 p.), 60-й (квітень 1994 р.) студентських наукових конференціях УДУХТ, на Всеукраїнській науково-методичній конференції “Українознавство у технічному вузі: методологія, методика, перспективи’' (Київ, УДУХТ, жовтень 1994 p.), на Всеукраїнській науково-технічній конференції “Розробка та впровадження прогресивних технологій та обладнання в харчову та переробну промисловість" (Київ, УДУХТ, жовтень 1995 p.).

Публікації. Основні матеріали дисертації викладено в 5 статтях у наукових журналах та методичних вказівках “Методи контролю процесу біохімічного очищення стічних вод”.

Об’єм та структура роботи. Дисертаційна робота складається із вступу, 7 розділів, висновків, списку літератури (135 найменувань, в тому числі 54 зарубіжних) та додатку. Робота викладена на 140 сторінках друкованого тексту, містить 15 таблиць та 49 ілюстрацій, 2 додатки.

ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтовується актуальність дисертаційної роботи, визначається мета дослідження, наукова новизна, практична значимість отриманих результатів та основні положення, що захищає автор.

У першому розділі, що представляє собою аналітичний огляд літератури, наводяться кількісні та якісні характеристики стічних вод заводів по виробництву цукру, лимонної кислоти та хлібопекарських дріжджів. На основі проведеного аналізу традиційних методів очищення, показана їх неефективність для обробки концентрованих стічних вод. Зроблено висновок про економічну та екологічну виправданість використання метанового бродіння для утилізації таких стоків. Наведені переваги метанової ферментації, порівняно з аеробними методами очищення. Дана загальна характеристика існуючих уявлень про механізм біосинтезу метану. Показана можливість використання метанового бродіння для отримання біомаси, збагаченої біологічно активними речовинами та цінного джерела енергії - біогазу.

У другому розділі “Об’єкти та методи досліджень” зазначаються вибрані об’єкти дослідження, обладнання та установки для здійснення експериментів, методи біохімічних аналізів та методика статистичної обробки даних.

У третьому розділі “Вивчення процесу метанового бродіння концентрованих стічних вод" наведені результати дослідження метанового збродження концентрованих стоків у періодичному, від’ємно-доливному та безперервному режимах. Бродінню піддавались стічні води III категорії цукрового заводу, І категорії заводу лимонної кислоти та цеху сепарації

хлібопекарських дріжджів, що мали забрудненість по ХСК 3789; 13260 та 5620 мг Ог/л, відповідно.

Метанова обробка стоків проводилась при температурі 45 °С, що відповідає початковому значенню термофільного діапазону температур. При періодичному режимі доза щодобового завантаження складала 25 та 50% від загального об'єму культуральної рідини реактору.

Результати досліджень по очищенню вибраних нами стоків в періодичному режимі наведені в табл. 1.

Таблиця 1

Результати очищення та газогенерації при періодичному збродженні

стічних вод в залежності від доз завантаження

Вид стічних вод Доза завантаження, % ХСКииц. мг Оі/п Кількість біогазу та вміст СН< Глибина збродження, %

піл сток У л/г ХСКщкп л/г ХСКйря сш, %

III кат. цукрового заводу 25 110 2,05 0,271 0,279 68,7 97,10

50 170 1,85 0,244 0,256 j 63,7 95,51

І кат. заводу лимонкоТ к-ти 25 1326 10,5 0,396 0,440 78,0 90,00

50 1326 8,75 0,330 0,367 72,0 90,00

Цеху сепарації дріжджів 25 1082 4,96 0,441 0,546 81,3 80,75

50 1082 4,13 0,367 0,455 79,2 80,75

Час бродіння для стоків III категорії цукрового заводу при 25 та 50 %-ній дозі завантаження складав 3 доби; для стоків І категорії заводу по виробництву лимонної кислоти - 6 та 9 діб, відповідно; а для стоків дріжджового заводу - 4 та 6 діб, відповідно. Дані свідчать про пряму залежність часу бродіння від концентрації забруднень в стоках.

Найбільш інтенсивно процеси трансформації забруднень та газогенерації відбуваються в експоненціальній та стаціонарній фазах росту, що і підтверджується нашими даними (рис. 1 - 3). З рисунків видно чітку залежність між процесами очищення та синтезу біогазу, найбільше виділення біогазу спостерігається при максимальному споживанні поживних речовин стоків. При збільшенні дози завантаження, інтенсивність процесів очищення та газогенерації знижується, що підтверджує класичні уявлення про діяльність мікроорганізмів в умовах підвищення вмісту забруднюючих речовин.

Умови культивування та дози завантаження при від’ємно-доливному режимі бродіння були аналогічні, вибраним при періодичному.

Результати проведених досліджень по очищенню вибраних стоків при від’ємно-доливному збродженні наведені в табл. 2.

ХСК культуральної ХСК культуральної ХСК культурально) рідини, мсОУп рідини, мгОаСп рідини, шОДл

Доза завантаження, % та показник -»-25% ,ХСК -л-50% .ХСК —х—25% .Біогаз —о—50% .Біогаз

Час бродіння, дні

Рис. 1 Динаміка синтезу біогазу та зниження ХСК при періодичному бродінні стокіз цукрового заводу

Доза завантаження, % та показник

-----25%, ХСК

-о-50%. ХСК —ж— 25%,Біот аз —л— 50%,Бгагаз

Час бродіння, дні

Рис,2 Динаміка синтезу біогазу та зниження ХСК при періодичному бродінні стоків заводу лимонної кислоти

Доза завантаження, % та показник

----25%, ХСК

—й—50%, ХСК —ж—25%, біогаз —а—50%, Біогаз

Час бродіння, дні

Рис.З Динаміка синтезу біогазу та зниження ХСК при періодичному бродінні стоків др'юзджювого заводу

Таблиця 2

Результати очищення та газогенерації при від’ємно-доливному • збродженні стічних вод в залежності від доз завантаження

Вид стічних 1 вод Доза завантаження, % ХСКпнц мгОг/л Кількість біогазу та вміст СН< Глибина збродження, %

л/л сток у л/г ХСКз^х ЛІГ ХСКэбра. сн,, %

III кат. цукрового заводу 25 . 362 1,85 0,244 0,270 64,3 90,45

50 508 1,36 0,179 0,207 62,3 86,58

І кат. заводу лимонної к-ти 25 2228 6,53 0,246 0,296 78,0 83,20

50 3178 5,02 0,189 0,249 75,0 76,03

Цеху сепарації дріжджів 25 1647 3,73 0,332 0,470 77,3 1 70,70

50 2588 2,70 0,240 0,445 72,3 53,95

При бродінні більша частина забруднень утилізується, але досить значний їх відсоток залишається в культуральній рідині. Дані свідчать, що збільшення дози завантаження приводить до зменшення глибини збродження (рис.4). Тобто, при великих дозах завантаження, система не встигає за відведений проміжок часу трансформувати деяку, досить значну частину органічних речовин.

Якщо рівень залишкових забруднень для стоків цукрового заводу придатний для подальшого аеробного доочищення, а отже і вибрані дози завантаження для них можуть бути застосовані при безперервному бродінні, то дози для двох інших видів стоків необхідно знижувати для досягнення більшої глибини збродження.

100

60 І. Показник

so І ю

до п □ Глибина абродж. ^ го

30 5 ЕЗгХСКзав./л

Ю 20 І 10 о

25% 50% 25% 50% 25% 50%

Вид стоку та доза завантаження, % '

Цукровий Завод Дріжджовий

завод лимон.к-ти завод

Рис, 4 Залежність глибини збродження стоків від дози завантаження при від'ємно-доливному бродінні

Оскільки, на практиці для утилізації та очищення концентрованих стічних вод в основному застосовується безперервний режим бродіння, то

метою досліджень було визначення таких параметрів, при яких глибина очищення та вихід біогазу досягали б своїх максимальних значень, з одночасним урахуванням економічних показників. Базуючись на результатах попередніх дослідження процесів бродіння, було зроблено висновок про недоцільність застосування великих доз завантаження для стоків заводу лимонної кислоти та хлібопекарських дріжджів. Тому були використані дози завантаження, що лежать в діапазоні 10-25 % від об’єму культуральної рідини. Результати досліджень представлені в табл. 3.

Проведення безперервного бродіння показало, що при вибраних швидкостях розбавлення можна досягти значного ступеню очищення.

Таблиця З

Результати очищення та газогенерації при безперервному збродженні стічних вод в залежності від доз завантаження

Вид стічних вод Швидк. розбавд., Ш0-2,год-' ХСК^щ мг Ог/л Кількість біогазу та вміст СН< Глибина збродження, %

л/л сток У л/г ХСКзамнг л/г ХСК.б,« СН4, %

III кат. цукрового заводу 1,04 220 2,00 0,265 0,28 І 68,7 94,2

2,08 449 1.54 0,203 0,231 65,3 88,2

І кат. заводу лимонної кислоти 0,42 1269 8,95 0,337 0,373 78,3 90,4

0,83 1876 7,14 0,269 0,314 77,7 85,9

1,04 2029 6,70 0,253 0,298 76,3 84,7

Цеху сепарації дріжджів 0,63 1165 4,49 0,400 0,504 81,7 79,3

0,83 1312 4,20 0,374 0,488 80,2 76,7

1,04 1478 3,94 0,351 0,476 78,3 73,7

Результати свідчать, що найбільша глибина очищення досягається при найменшій швидкості розбавлення, і, навпаки, вища швидкість розбавлення веде до зниження глибини збродження. Збільшення швидкості протоку приводить до підвищення кількості забруднюючих речовин, що впливає на процеси асиміляції забруднень, на склад мікроорганізмів, їх симбіотичні співвідносний тощо. Тому, при вищих швидкостях розбавлення частина забруднюючих речовин проходить неповний шлях розхладу до кінцевих продуктів бродіння, що і позначається на глибині збродження.

Концентрація таких продуктів метаболізму, як летючі жирні кислоти та молочна кислота, в процесі культивування зросла в порівнянні з початковим вмістом в стоках. Так, кількість ЛЖК збільшилась в стічних водах цукрового заводу в 7,2 - 7,7, заводу лимонної кислоти - в 3,9 - 6,1,

дріжджового - & і-,5 - 2,1 рази. Для стоків, крім цукрових, спостерігається збільшення кількості вказаних метаболітів у культуральній рідині з підвищенням швидкості розбавлення, що, очевидно, пов’язано зі збільшенням вмісту органічних забруднень. Про інтенсивність процесів амоніфікації свідчить зростання кількості амонійного азоту в культуральній рідині.

Оскільки більшість досліджень по метановій ферментації спрямована, в основному, на вивчення процесів очищення, а процесам газогенерації приділялось недостатньо уваги, одним з ключових завдань нашої роботи було вирішення цього питання.

Безперервна ферментація концентрованих стічних вод цукрового заводу та заводів, що працюють на відходах цього виробництва, показала безпосередню залежність продукції біогазу від концентрації забруднень цих стоків. Графічне зображення виходу біогазу та вмісту в ньому метану від швидкості розбавлення наведене на рис. 5 - 7. Спостерігається чітка закономірність, що зі збільшенням швидкості розбавлення кількісні та якісні показники біогазу погіршуються.

При збільшенні швидкості розбавлення, кількість забруднень, що подається у метантенк, зростає і це змушує існуючу асоціацію мікроорганізмів адаптуватись до нових умов. Відомо, що швидкість росту метанотворних бактерій нижча, ніж іншої частини симбіозу, тому збільшення протоку може змінювати співвідношення між симбіонтами в сторону зменшення метаногенів. Крім того, в результаті перевантаження системи може спостерігатись ефект інгібування культури надлишковою кількістю поживних речовин або продуктами метаболізму, що утворилися в процесі розкладу перших. На наш погляд, в даних умовах саме ці фактори спрямовують процес в сторону зменшення кількості біогазу.

Ці ж міркування знаходять підтвердження і при розгляді якісного складу біогазу. Процентний вміст метану в має ту ж саму залежність від швидкості розбавлення, що і кількість утвореного біогазу. Так як, в процесі розкладу забруднюючих речовин утворюється вуглекислий газ, а він є одним з компонентів субстрату, що відновлюється метаногенами до метану, то можливо, що збільшення швидкості розбавлення приводить до порушень в цьому механізмі, і деяка частина вуглекислого газу не встигає пройти процес відновлення.

Порівняння процесів газогенерації при безперервному та від’ємно-доливному методах бродіння показало, що перший є більш ефективним. В першому випадку трансформація забруднень в біогаз відбувається рівномірно на протязі всього періоду бродіння, тоді як при від’ємно-доливному методі системі необхідний деякий час для адаптації до нової

2.08

Показник

£3 Бюгаз.Л/ГХСКзав в Біогаз.лЛ'ХСКзбр. □ Біогаз.л/л суЄ О Метан,%

ІІЬидкість розбавлення, О 10'2год’’

Рис.5 Продукція біогазу та вміст в ньому метану при безперервному збродженні стоків цукрового заводу

а

У0

>2 сі О й X

О

- * гс С

0,42

80

70

60 X О г

50 Показник

40 с О Біогаз.л/гХС Кзав

30 >тГ 2 д Біогаз.лЛ'ХСКзбр

20 о □ Бюгаз,л/л суб

10 ш □ Метан,%

Шзядкість розбавлення, О 10'2 год'1 Рис-6 Продукція біогазу та вміст в ньому метану при безперервному збродженні стоків заводу лимонної кислоти

о

4,5

4,0

3.5

3 0

а

ц та п 2.5

*хГ ж

ТО О и 7 0

О >< с X _и. с 1,5

1,0

0,5

0,0

0.63

1.04

Показник О Бісгаз.л/гХСКзаа.

□ Бюгзз.л/гХСКзбр

О Біогзз,л/л суб. ИМетан.%

0.83

Швидкість розбазлення, О 10‘2 Рис.7 Продукція біогазу та вміств ньому метану при безперервному бродінні стоків дріжджового заводу

порції субстрату та врівноваження порушених взаємовідносин між симбіонтами. Швидкість виділення газу при безперервному режимі для красного стоку та дози завантаження була постійною, тоді як при від’емно-доливному картина газогенерації була подібна періодичному режиму, стиснутому в часі.

Таким чином, отримані результати переконливо показали, що безперервний режим бродіння стоків цукрового заводу та виробництв, працюючих на його відходах, є найбільш ефективним з існуючих методів і дозволяє досягти значного вилучення концентрації забруднень та отримати додаткове джерело енергії - біогаз.

У четвертому розділі “Аеробне доочищення стоків”- наведені результати по доочищенню стічних вод після метанового бродіння за допомогою аерації.

Застосування аерації для очищення стоків обмежується вимогами до концентрації забруднень, яка не повинна перевищувати 2000 мгОу'л. Наші дослідження показали, що метанова ферментація, як перша стадія очищення концентрованих стічних вод, супроводжується зниженням вмісту забруднюючих речовин, при якому використання аеробних методів стає економічно виправданим.

Для аеробного доочищення стоків були застосовані води, отримані після метанового бродіння. Основним вхідним показником були кінцеві значення ХСК культуральноі рідини після метанової ферментації.

Обробка аеробним мулом здійснювалась в періодичному режимі в лабораторному аеротенку. Кількість адаптованого мулу складала ЗО % від загального об’єму аеротенка. Концентрація мулу в залежності від виду стоку та рівня його забруднення складала 1,5 - 1,8 г/л. Результати по очищенню стоків аеробним активним мулом наведені в табл.4.

Таблиця 4

Результати аеробного доочищення стічних вод

Вид стоку ХСКГШ, мг/л ХСКсц, мг/л Час аерації, год Амоній мг/л Нітрати мг/л Навантаження на мул, гХСК/г Глибина очищ-ня % Приріст мулу, мг/л

III кат.цукр. заводу 220 45 5 90 32 0,103 79,5 149

449 56 7 50 29 0,175 87,5 186

І кат. заводу лимонної кислоти 1269 150 8 42 185 0,494 88,2 299

1876 180 12 40 170 0,730 90,4 412

2029 180 13 28 190 0,789 91.1 442

Цеху сепарації' дріжджів 1165 150 9 50 110 0,453 87,1 232

1312 156 11 41 140 0,5(0 88,1 253

1478 160 12 34 120 0,575 89,2 278

При аеробній обробці стоків досягається значна глибина очищення. Подальша аерація практично не приводить до зниження показників по забрудненню, що вказує на межі можливого очищення при даних умовах.

Навантаження на мул має безпосередній вплив на кінцеві показники процесу очищення. Збільшення навантаження на мул приводить до зменшення ефективності очищення. Теоретично, при всіх значеннях навантаження на мул, ХСК очищеної води повинно бути однаковим для кожного виду стоку, так як тривалість процесу аерації має різний час, але на практиці цього не спостерігається. Це пов’язано із зростанням кількості речовин, що не піддаються біорозхладу при збільшенні навантаження на мул. - . , . .

Одночасно з утилізацією органічних речовин при аеробному окисленні відбуваються процеси нітрифікації. Для ефективного здійснення цього процесу необхідне забезпечення нітрифікаторів достатньою кількістю кисню. З отриманих даних видно, що процеси нітрифікації відбуваються інтенсивно, але не забезпечують повного перетворення солей амонію в нітрати. Слід відмітити, що проведення аеробного окислення в лабораторних умовах має ряд труднощів, оскільки для достатнього насичення води киснем потрібно, щоб висота шару рідини була значно більшою. А лімітування по кисню впливає на інтенсивність росту-нітрифікаторів. Крім того, ці бактерії мають нижчу питому швидкість росту, ніж інша частина аеробного симбіозу, тому при меншому часі аерації кількість нітрифікаторів буде нижчою, ніж при більшому, що і позначається на кінцевому результаті трансформації амонію в нітрати.

Проведені досліди показали, що застосування анаеробно-аеробної технології очищення стоків цукрового заводу та підприємств, що працюють на його відходах, забезпечує практично повне вилучення забруднень по ХСК. Так, глибина очищення для стічних вод заводів по виробництву цукру, лимонної кислоти та дріжджів складає 98,8; 98,8 та 97,3 %, відповідно.

У п’ятому розділі “Мікробіологічні аспекти метанового бродіння” проведені дослідження видового складу анаеробного мулу та можливості запуску метантенку сухими препаратами активного мулу.

Вирощування мікроорганізмів мулу велось на м’ясо-пептонному агарі та сусло-агарі при температурі ферментації на протязі 24 годин. По характерним морфологічним ознакам були виявлені класичні збудники метанового бродіння: Clostridium kluyveri, Methanobacterium omelianskii, Bacillus megatherium та деякі ін.

На деяких з досліджених препаратів активного мулу виявлений перехід певної частини асоціації в анабіотичну форму - спори, що зумовлено особливостями проведення процесу. Утворені спори легко переносять несприятливі умови (підвищений вміст продуктів обміну І Т.Д.), що дозволяє зберегти фізіологічну активність. Це питання має не лише теоретичний, але і практичний інтерес. По технології, що передбачає сезонну роботу очисних споруд, виникає необхідність повністю переводити асоціацію мікроорганізмів (активний мул) в анабіотичний стан (висушування). Таку особливість має цукрове виробництво, завдяки сезонному характеру його роботи. Оскільки технології використання сухих препаратів активного мулу для запуску метантенків, практично відсутні, одним з напрямків нашої роботи було дослідження цього питання.

Сухий препарат активного мулу був отриманий висушуванням при температурі 60 °С. Процес бродіння проходив в періодичному режимі при температурі 45 °С. Результати досліджень представлені в табл. 5. Для порівняння активності мулу з сухого препарату та контролю, перша серія дослідів була проведена з однаковою концентрацією мулу - 12 г/л. По ступеню зниження ХСК культуральної рідини визначається відносна активність мулу.

Таблиця 5

Результати збродження стоків нативним та сухим активним мулом

Показник Вид мулу та концентрація

нативний сухий

12 г/л 12 г/л 24 г/л

ХСКпкц , мгОг/л 190 442 372

pH 7,6 7,5 7,4

Глибина збродження, % 95,7 90,0 91,6

Продукція біогазу:

л/л 2,52 1,75 1,8!

л/гХСКздвінт. 0,284 0,198 0,204

л/гХСКзбрж. 0,297 0,220 0,223

Метан:

% 69,3 58,7 59,7

Л/гХСКмв«иг. 0,197 0,116 0,122

При дозі 12 г/л активність мулу з сухого препарату склала 38,8 % по відношенню до нативного. В другій серії дослідів, де концентрація мулу була збільшена в 2 рази (24 г/л), ця величина, відповідно, складала 51,2 %. Збільшення концентрації мулу дозволяє зменшити час бродіння, але чіткої кореляції між ними не спостерігається.

Динаміка синтезу біогазу та зниження ХСК зображена на рис. 8. На перших етапах бродіння активному мулу із сухих препаратів необхідний деякий час для адаптації та розмноження асоціації мікроорганізмів, тому в цей час процеси газогенерації дуже слабо виражені. І вже після того, як асоціативна культура досягла певної концентрації активних клітин, починається процес синтезу біогазу. З результатів видно, що для адаптації та відновлення культури при концентрації мулу 12 г/л, необхідно близько 5 діб, тоді як при подвоєнні концентрації мулу - 3 доби.

—л—ХСК; нативмий мул —х—ХСК; сухий мул, 12г/л —о— ХСК; сухий муя, 24г/л —*— Біогаз; натквний мул -О~6іогаз; сукий мул. 12*7Л ■ ♦— Біогаз; сухий мул, 24г,'л

Рис. 8 Динаміка ХСК та синтезу біогазу при бродінні сухим та кашзним мулом

Таким чином, результати досліджень дозволяють зробити висновок , що спосіб запуску метантенку за допомогою сухих препаратів активного мулу, може бути використаний на практиці, причому для стабілізації кого роботи необхідно порівняно небагато часу. При подальшому бродінні на вже адаптованому мулі з сухого препарату спостерігається ще деяке відставання, але поступово характеристики бродіння досягають рівня, характерного для нативного мулу.

У шостому розділі “Розробка технології очищення та утилізації концентрованих стічних вод” наведені процесуальна та апаратурно-технологічна схеми обробки стоків та зроблено розрахунок теплового балансу та параметрів основного обладнання. На прикладі концентрованих стоків цукрового заводу розроблена апаратурно-технологічна схема їх обробки (рис. 9). Очищення стоків цукрового заводу III категорії здійснюється за наступною схемою. Стоки із збірника- змішувача 1, через решітку 2 направляються на пісколовки 3. Для підігріву субстрату та підтримання необхідної температури бродіння можуть бути використані стічні води І категорії, що мають підвищену температуру. У разі

стоки

Рис. 9 Апаратурно- технологічна схема обробки стоків

I - збірник-змішувач; 2 - решітка; 3 * пісковловлювач; 4 - теплообмінник; 5 - метантенк; 6 - котельня;

7 - газгольдер; 8 - відстійник анаеробного мулу; 9 - аеротенк 1 ступеню; 10 - відстійник 1 ступеню;

II - аеротенк II ступеню; 12 - відстійник II ступеню; 13 - центрифуга; 14 - барабанний вакуум-фільтр; 15 - сушильний агрегат: 16 - газовий електрогенератор: 17 - насос.

необхідності їх догрівання здійснюють в котельні 6. Підігрівання стоків до необхідної температури проводиться в теплообміннику 4.

Стоки після теплообмінника подаються в метантенк 5, де відбувається їх метанова ферментація при температурі 45 °С. Для запобігання утворення застійних зон, щільного осаду та попередження кіркоутворення здійснюється періодичне перемішування насосом 17.

Утворений біогаз збирається в газгольдері 7, використовується для спалювання в котельні або для виробництва електроенергії в газовому електрогенераторі 16.

Надлишковий активний мул, що утворюється в процесі бродіння відбирається з метантенку і направляється на муловий майданчик. Для накопичення сухого препарату активного мулу, що необхідний для запуску метантенку в новому сезоні цукроваріння, частина мулу подається на згущення в центрифузі 13 та барабанному вакуум-фільтрі 14 до вологості 50 %. Остаточне обезводнення мулу до природної вологості (10 - 12 %) відбувається в сушильному агрегаті 15. Висушений активний мул поступає на склад, де зберігається на протязі року. Розрахунки показують, що його кількості, накопиченої за сезон, достатньо для нового запуску метантенків. Зброджена культуральна рідина, що надходить з метантенку, подається у відстійник 8 для осадження анаеробного активного мулу. Доочищення стоків відбувається в аеротенку 1 та II ступеню 9, 11. Для виділення аеробного активного мулу застосовують відстійники 10 та 12, частина його повертається в аеротенки для підтримання постійної концентрації, а надлишковий мул подається в метантенк для збродження. Очищена вода скидається у водойму, або використовується на потреби підприємства.

Очищення концентрованих стоків виробництва лимонної кислоти та хлібопекарських дріжджів відбувається за аналогічною схемою, за виключенням етапу попереднього очищення стічних вод механічними методами, оскільки ці стоки практично не містять грубих забруднень.

На основі проведених розрахунків доведено, що при збродженні стоків цукрового заводу, в разі використання біогазу, як енергоносія, для забезпечення теплових потреб метантенку, його кількості вистачить на самозабезпечення ЗО % енергії від необхідної. Рекомендується для забезпечення температурного режиму ферментації використовувати енергію теплоємних стоків І категорії. При обробці стічних вод заводу лимонної кислоти на самозабезпечення витрачається 61 % біогазу, а на дріжджовому виробництву практично весь біогаз іде на покриття тепловитрат.

У сьомому розділі подано розрахунок економічного ефекту від впровадження анаеробно-аеробної технології, що складає для стоків

заводів по випуску цукру, лимонної кислоти та дріжджів 966,7; 155,2 та 785,2 тис. гри, відповідно.

Висновки

1. Метанова ферментація в комплексі з аеробною обробкою є найбільш ефективною технологією для очищення концентрованих стічних вод цукрових заводів та підприємств, що працюють на його відходах. Вона дає змогу не тільки досягти максимального вилучення забруднень, але й отримати дешеве джерело енергії (біогаз) та біологічно-активні продукти, що робить цю технологію енергозберігаючою та економічно доцільною.

2. Порівняння досліджених режимів метанової ферментації показало безперечну перевагу безперервного процесу бродіння. Маючи значні технологічні переваги, цей режим забезпечує біотрансформацію забруднень з максимальною ефективністю. Так, глибина очищення концентрованих стоків цукрового заводу досягає 94,2 %, підприємств по виробництву лимонної кислоти та хлібопекарських дріжджів 90, 4 та 79,3 %, відповідно. Збільшення доз завантаження веде до зниження глибини очищення.

3. Кількість біогазу, що утворюється з об’єму стоків для заводів по випуску цукру, лимонної кислоти та хлібопекарських дріжджів складає 1,5 -2,0; 6,7 - 8,9; 3,9 - 4,5 л/л. Вихід біогазу має обернену залежність від швидкості розбавлення.

4. Базуючись на результатах досліджень та проведених розрахунках, рекомендована оптимальна швидкість розбавлення для метанового бродіння, яка складає для заводів по випуску цукру, лимонної кислоти та дріжджів 2,08 ■ 10-2; 0,83 • 10-2та 1,04 • 10-* год-' , відповідно. При цьому вихід біогазу на одиницю трансформованих забруднень становить, відповідно,

0,231; 0,314та0,476 мЗ/ХСК^рд..

5. Остаточне доочищення стоків здійснюється аеробними методами. Загальне зниження вмісту забруднюючих речовин при анаеробно-аеробній технології обробки стічних вод підприємств по виробництву цукру та лимонної кислоти складає 98,8 %, а для дріжджових заводів - 97,3%.

6. Для сезонної роботи очисних споруд цукрових заводів раціональним є застосування сухих препаратів активного мулу. Використання сухого мулу дає змогу проводити повноцінне метанове бродіння. Для зменшення часу адаптації та розбродження мулу необхідно збільшити концентрацію активного мулу в метантенку.

7. Виходячи з подібності досліджуваних стічних вод, розроблена єдина технологічна схема обробки цих стоків, основою якої є метанова ферментація. Кінцеве доочищення стічних вод проводиться шляхом двоступеневої аерації.

8. Енергії виділеного біогазу вистачає на повне ( заводи лимонної кислоти та хлібопекарських дріжджів) або часткове (для цукрового заводу) покриття витрат на здійснення процесу бродіння. Для повного забезпечення метанової ферментації на цукровому заводі необхідною кількістю тепла, доцільним є використання стічних вод 1 категорії зі значним енергетичним потенціалом.

9. Застосування анаеробно-аеробної технології очищення концентрованих стічних вод заводів по виробництву цукру, лимонної кислоти та хлібопекарських дріжджів дасть річний економічний ефект у розмірі 966,7; 155,2 та 785,2 тис. грн., відповідно.

Публіхації за матеріалами дисертації

1. Очистка та утилізація сгічних вод цукрового виробництва! Нікітін Г.О., Петриченко Н.О. II Цукор України, № 3,1994, с.11.

2. Біоконверсія відходів цукрового виробництва в біогаз / Н. Петриченко, В. Бублієнко, Н. Левітіна // Харчова і переробна промисловість, № 6, 1994, с. 26.

3. Метанова ферментація У Н. Левітіна, Н. Петриченко, В. Бублієнко, О. Серик, О.Рибкіна//Харчова і переробна промисловість, № 10, 1994, с. 24.

4. Безвідхідна технологія. Перспективні напрямхи щодо очищення і біоконверсії в біогаз стічних вод цукрових заводів / Н. Левітіна, Н. Бублієнко, В. Бублієнко, К. Антонюк // Харчова і переробна промисловість, № 1, 1995, с. 27.

5. Ефективність метанової ферментації.Біотрансформація рідких відходів виробництва хлібопекарських дріжджів / Г. Нікітін, Н. Левітіна, В. Бублієнко, Н.Бублієнко//Харчова і переробна промисловість,№6, 1997, с.18.

АНОТАЦІЯ

Бублієнко Н.О, Розробка технології очищення концентрованих стічних вод харчової промисловості із застосуванням метанової ферментації. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 03.00.20 - біотехнологія. - Український державний університет харчозих технологій, Київ, 1998.

Дисертація присвячена дослідженню процесів очищення та утилізації концентрованих стічних вод заводів по випуску цукру, лимонної кислоти та хлібопекарських дріжджів із застосуванням метанової ферментації. Вивчені особливості протікання процесів очищення та газогенерації при різних параметрах культивування. Досліджена можливість використання сухих препаратів активного мулу для здійснення процесу очищення. Розроблені

режими проведення метанової ферментації безперервним способом. Запропонована технологічна схема обробки концентрованих стоків та даний розрахунок споруд очищення.

Ключові слова: стічні води, метанова ферментація, біогаз, сухий мул.

Бублиенко Н.А. Разработка технологии очистки концентрированных сточных вод пищевой промышленности с применением метановой ферментации. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 03.00.20 - биотехнология. - Украинский

государственный университет пищевых технологий, Киев, 1998.

Диссертация посвящена исследованию процессов очистки и утилизации концентрированных сточных вод заводов по производству сахара, лимонной кислоты и хлебопекарных дрожжей с применением метановой ферментации. Изучены особенности протекания процессов очистки и газогенерации при разных параметрах культивирования. Изучена возможность использования сухих препаратов активного ила для осуществления процесса очистки. Разработаны режимы проведения метановой ферментации непрерывным способом. Предложена технологическая схема обработки концентрированных стоков и дан расчет сооружений очистки.

Ключевые слова: сточные воды, метановая ферментация, биогаз, сухой ил.

Bublienko N.A. Working out the technology of treatment concentrate waste water of food production with using of methane fermentation. -Manuscript.

The thesis competing for candidate’s in technical sciences, speciality 03.00.20 - biotechnology. - Ukrainian State University of Food Technologies, Kyiv, 1998.

The dissertation is devoted to investigation of the process of treatment and utilization of concentrate waste water factory for sugar, citric acid and baker’s yeast output with using of methane fermentation. It is studied peculiarity the process of sewage treatment and generation of gas with different cultivation parameters. It is investigated possibility to use of dewatered sludge for the process of treatment. It is worked out regimes of continuous cultivation. It is proposed technologic scheme for treatment of concentrate waste water and the calculation waste treatment buildings.

Key words: waste water, methane fermentation, biogas, dewatered sludge.

Підп. до друку 11.05.98р. Наклад 100 прим. Зам. № 453.

РВЦ УДУХТ, 252033 Київ-33, вул. Володимирська, 68