Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Пути и задачи развития экологически чистых производств и обеспечения качества продукции в отечественной спиртовой и пищевой промышленности . 11
1.1. Экологически чистое производство: понятие, приоритеты, механизмы реализации. 13
1.1.1. Понятие и приоритеты экологически чистого производства. 13
1.1.2. Механизмы реализации экологически чистого производства. 17
1.1.3. Потенциальные выгоды и издержки программы чистых производств для предприятий. 56
1.1.4. Примеры реализации чистых производств. 63
1.2. Обеспечение стандартов качества продукции и
технологический контроль в спиртовой промышленности. 71
1.2.1. Зерно: строение, состав. 72
1.2.2. Прием, хранение и подготовка зерна к технологическому процессу. 74
1.2.3. Контроль экологической ситуации. 77
1.2.4. Контроль качества воды. 82
1.2.5. Технологический контроль спиртового производства в процессе подготовки субстрата. 84
1.2.6. Технологический контроль стадии брожения. 92
1.2.7. Выделение спирта из бражки и его ректификация. 99
1.2.8. Характеристика качества этилового спирта. 103
1.3. Возможные пути интенсификации получения спирта из возобновляемого сырья. 107
1.4. Экологические принципы совершенствования спиртового и пищевых производств. 113
1.4.1. Анализ источников загрязнений на примере предприятий спиртовой и пищевой промышленности. 113
1.4.2. Отходы спиртовой и пищевой (молочной) промышленности и вторичные сырьевые ресурсы. 122
1.4.2.1. Основные виды отходов в спиртовой промышленности, их влияние на окружающую среду и пути утилизации. 125
1.4.2.2. Основные виды отходов в молочной промышленности, их влияние на окружающую среду и пути утилизации. 132
1.4.3. Очистка сточных вод на предприятиях спиртовой и пищевой (молочной) промышленности. 143
1.4.3.1. Характеристика химического состава сточных вод спиртовых и пищевых предприятий. 143
1.4.3.2. Общая характеристика методов очистки сточных вод спиртовых и пищевых предприятий. 154
1.4.3.3. Биологическая очистка сточных вод. 163
1.4.4. Природные минеральные сорбенты и их применение для очистки сточных вод спиртовых и пищевых предприятий. 177
1.4.5. Возможные пути совершенствования производства и обеспечение экологических стандартов предприятий
по выработке спирта из углеводсодержащего сырья. 188
Глава 2. Промышленная биотехнология пищевого этанола на углеводсодержащих субстратах . 198
2.1. Исследования по интенсификации процессов получения этанола из зерносырья. 198
2.2. Исследования по интенсификации процесса получения этанола из отходов молокозаводов. 204
Глава 3. Исследования по оптимизации стадии ректификации спирта . 221
3.1. Разработка оптимизированного способа и аппарата для ректификационного разделения. 221
3.2. Разработка методики инженерного расчета для оптимизированного процесса ректификации . 227
Глава 4. Изучение свойств жидких стоков и применение аэробно-анаэробной биоочистки (на примере спиртзаводов и молокозаводов) 232
4.1. Анализ основных характеристик сточных вод. 233
4.2. Исследование эффективности аэробной и анаэробной биоочистки стоков . 237
4.2.1. Очистка сточных вод в аэробных условиях. 23 8
4.2.2. Очистка сточных вод в анаэробных условиях. 245
4.3. Разработка метода предварительной очистки сточных вод от соединений марганца. 257
Глава 5. Применение природных сорбентов для очистки и доочистки сточных вод . 262
5.1. Исследование процесса биологической очистки в аэротенке с носителем (биотенке) 263
5.2. Исследование технологии доочистки сточных вод с применением природных сорбентов и электролиза. 269
5.3. Разработка принципиальной схемы локальной очистки сточных вод. 282
5.4. Использование биологических фильтров для водоподготовки на предприятиях спиртовой и пищевой промышленности. 288
Основные выводы по работе. 291
Список литературы.
- Понятие и приоритеты экологически чистого производства. 13
- Исследования по интенсификации процесса получения этанола из отходов молокозаводов.
- Разработка методики инженерного расчета для оптимизированного процесса ректификации
- Исследование эффективности аэробной и анаэробной биоочистки стоков
Введение к работе
Возобновление роста отечественной промышленности и появление условий для инвестиций в различные ее отрасли создают предпосылки для модернизации производства и совершенствования системы управления им на передовой технологической основе, с учетом современных требований к стандартам охраны окружающей среды и качества продукции, повышения ее конкурентоспособности на международных рынках, широкого прикладного использования результатов научных и комплексных исследований, научно-технических разработок отечественных специалистов.
В России к числу наиболее интенсивно развивающихся и благополучных отраслей народного хозяйства в настоящее время относятся пищевая и перера-батывающая промышленность и производство алкогольной продукции, в частности, этилового спирта. Пищевая промышленность - его главный потребитель: спирт используют при изготовлении ликероводочных изделий, плодово-ягодных вин, для крепления виноматериалов и купажирования виноградных вин, в производстве уксуса, пищевых ароматизаторов. Многие другие отрасли, такие как медицинская, парфюмерная, кондитерская и химическая также являются крупными потребителями этанола. Широкую перспективу этанол имеет для использования в качестве топлива [1].
Выпуск этанола особенно интенсивно растет на основе микробиологической переработки крахмалсодержащего сырья, в частности, зернового сырья, различных сельскохозяйственных отходов. Этиловый спирт из растительного сырья отличается высокими качественными характеристиками и является основным для пищевой промышленности, широко используется также в фармацевтической индустрии. Важным преимуществом биотехнологического метода получения этилового спирта из растительного сырья является его экологическая чистота, поскольку технология основана на природных процессах и механизмах конверсии веществ ферментами микробного происхождения. Кроме того, отходы производства этанола также могут служить сырьем для биотехнологической переработки, что позволяет максимально полезно утилизировать исходное сырье, снизить себестоимость этилового спирта и обеспечить малоотходную и экологически безопасную технологию. Предприятия, на которых реализуется микробиологическое производство этилового спирта из зерносырья, существуют в настоящее время практически в каждом регионе и области Российской Федерации. Эти предприятия имеют неограниченный сбыт своей продукции и, следовательно, продолжают развивать- ся. Важнейшим фактором для них является экономное использование сырья, поскольку затраты на него составляют значительную часть в себестоимости этилового спирта (80-85%). Основными путями экономии сырья являются применение наиболее совершенных методов и технологий, обеспечивающих максимальные выходы готового продукта и минимальные потери при существующем уровне техники, использование отходов и побочных продуктов, комплексная переработка сырья и усовершенствование методов его хранения. В совокупность проблем, требующих дальнейшего развития, входят вопросы совершенствования процессов подготовки растительного сырья, обеспечивающих значительное смягчение режимов варки, уменьшающих потери сбраживаемых Сахаров, снижающих тепло-энергопотребление, оптимизация процесса брожения, культивирования дрожжей, выделения и ректификационной очистки спирта.
В технологически развитых странах пищевая и спиртовая промышленность традиционно стоят на позициях комплексного использования сырья, в том числе вторичного, сокращения отходов и потерь, создания малоотходных технологических процессов производства продуктов питания. Эти задачи относятся к числу наиболее актуальных и для отечественной промышленности. Для иллюстрации можно отметить, что в 1995 г. в России при переработке многокомпонентного сырья растительного и животного происхождения и выработке основной пищевой продукции образовалось 47,3 млн. т вторичных сырьевых ресурсов (ВСР). Практически все они содержат значительные количества полезных и ценных веществ - белки, углеводы, минеральные вещества, витамины, жиры. Крупным источником многотоннажных ВСР является спиртовая промышленность, объем которых в 1995 г. составил 11,3 млн. т [2]. Объем вовлечения отходов в хозяйственный оборот составил 93%. Преобладающим направлением использования ВСР отрасли явилось кормовое. На эти цели было направлено 82,3 % вторичного сырья. Уровень промышленной переработки ВСР в отрасли составил 11 % [2-6]. К числу других наиболее крупнотоннажных вторичных ресурсов, использование которых в отечественном производстве крайне неудовлетворительно, относится молочная сыворотка, объемы которой достигают 2/3 объема перерабатываемого молока и составляют ежегодно в России 12-15 млн. т [7].
Отечественный и зарубежный опыт показывает, что в условиях рыночной
• экономики при нехватке финансовых средств полное и рациональное использо вание вторичных сырьевых ресурсов проблематично и требует новых, комплексных решений. В частности, решение проблемы рационального использования ВСР в молокоперерабатывающей промышленности возможно на основе организации промышленной переработки обезжиренного молока, пахты и молочной сыворотки в пищевые продукты, кормовые средства, медицинские препараты и технические полуфабрикаты, при этом к одному из наиболее перспективных направлений промышленного использования молочной сыворотки относят ее переработку биотехнологическими методами, из которых наименее трудо- и энергоемким считаются те, которые связаны со сбраживанием лактозы до этанола. Комплексные решения предполагают не только увеличение выпуска качественных и полноценных продуктов питания и кормов, реализацию принципов малоотходной технологии, но и обеспечение рентабельности производ-ства, в том числе за счет снижения трудозатрат, энерго- и ресурсосбережения, уменьшения объема загрязнений и плат за сбросы в окружающую среду, внедрения эффективных систем очистки сточных вод, позволяющих не только снизить концентрации загрязнений до норм сброса в сеть городской канализации или в водоем, но и извлекать и утилизировать ценные компоненты.
Будучи одними из стратегических отраслей экономики, призванными обеспечить устойчивое снабжение населения необходимыми качественными продуктами питания, "локомотивами" развития отечественной промышленности, пищевые и перерабатывающие, спиртовые производства вместе с тем вносят существенный вклад в загрязнение окружающей среды, в первую очередь водных ресурсов, в несколько меньшей степени - воздуха и почвы. Они потребляют большое количество питьевой воды, а отработанную воду, образующуюся в результате осуществления технологических стадий обработки и очистки сырья, характеризующуюся высокой концентрацией биологически окисляемых органических веществ и посторонней микрофлоры, в том числе, воз можно, патогенной, сбрасывают, как правило, в лучшем случае после механи ческой очистки, а чаще - без предварительной локальной очистки в городскую канализацию или в природные водоемы. В молочной отрасли на 1 т молока образуется 4,8 м3 сточных вод. Тонна молочной сыворотки, слитая в сточные воды, загрязняет водоем также, как 100 м3 хозяйственно-бытовых стоков. Затраты на очистку сточных вод, загрязненных сывороткой, которую получают на сыродельном заводе при переработке 50 т молока в смену, равноценны затратам на очистку сточных вод в городе с населением 80 тыс. человек [8].
Необходимо отметить, что качество и уровень загрязненности пищевых продуктов и продовольственного сырья являются основными факторами, определяющими уровень здоровья населения и сохранение его генофонда, поскольку свыше 70% всех загрязнителей поступает в организм человека с продуктами питания. С 1986 года уровень радионуклидов в продуктах питания увеличился в 5-20 раз по сравнению с шестидесятыми годами. До 10 % проб пищевых продуктов содержат тяжелые металлы и половина из них — в дозах, превышающих предельно допустимые концентрации (ПДК) [9, 10]. Особую опасность представляют продукты питания, произведенные в зонах повышенной техногенной нагрузки. Примером является Северо-Кавказский регион, и, в частности, РСО-Алания, вся территория которой включена в зону повышенного техногенеза, или зону экологического риска (Государственный доклад о состоянии окружающей природной среды в РСО-Алания, 2000г.) вследствие развитой в республике горно-рудной и перерабатывающей промышленности, машиностроения, тяжёлой индустрии и пищевой промышленности.
Другой специфичной проблемой применительно к российским условиям является быстрый рост масштабов алкоголизации населения и количества употребляемых недоброкачественных спиртных напитков, приводящий к резкому увеличению отравлений алкоголем и его суррогатами (от лат. surrogates — поставленный вместо другого). Так, по данным МВД России, в период с 1991 по 1996 гг. от 40 до 60% продаваемых винно-водочных изделий являлось фальсификатами (В.П. Нужный, 1998).
В РСО-Алания работниками правоохранительных органов ежемесячно тоннами изымаются некачественная спирто-водочная продукция, в том числе провозимая транзитом по Военно-Грузинской дороге и без соответствующих сертификатов качества. От отравлений некачественным алкоголем и его суррогатами ежегодно умирает свыше 400 человек, причём 60% из них молодые люди, не достигшие 30-летнего возраста. Всё это свидетельствует о том, что от 9
равления алкоголем и его суррогатами превращаются в серьёзную социальную и клинико-экологическую проблему. Улучшение экологических показателей качества сырья для производства спирта и пива является весьма актуальной задачей для РСО-Алания с её развитой спиртовой и пивоваренной промышленностью.
Таким образом, необходима целенаправленная работа как по модернизации и совершенствованию технологии производства продуктов питания и ликеро-водочной продукции, так и по увеличению доли выпуска высококачественной продукции, улучшению качества исходного сырья, рациональному использованию различных отходов без ущерба для здоровья человека и с максимальным экономическим эффектом, разработке методов, способов и технологических приемов, препятствующих поступлению токсикантов в продукты питания, а через них и в организм человека, расширения мер, направленных на информированность населения, запрет выпуска некачественной алкогольной продукции. Требует срочного решения создание отраслевой системы контроля основных экологических показателей: водопотребления, водоотведения, загрязненности сточных вод и др., а также разработка методологии оценки экологической безопасности производств.
Учитывая сложность и комплексность отмеченных проблем, можно отметить, что не существует универсальных методов их решения и критериев оценки их эффективности. В этой связи следует говорить о внедрении в производственный цикл - от источников сырья до конечной продукции - системы мероприятий и инструментов, направленных на эффективное принятие решений и управление производством, т.е. внедрение грамотного и оперативного менеджмента. В такой системе окончательное решение в оперативном управлении производственным циклом принимает опытный менеджер, обладающий необходимым комплексом профессиональных знаний, разбирающийся в технологическом процессе, владеющий эколого-экономической ситуацией, системами управления базами данных и принятия решений на уровне пользователя. Мировой опыт и тенденции показывают, что современное производство и продукция должны ориентироваться не только на финансово-экономические критерии, но и отвечать стандартам качества (таким как серии ISO 9000) и экологически чистого производства (в частности, серии ISO 14000), а также использовать современные средства информатизации и управления базами данных и производст 10
венным циклом. Рост и высокая доходность спиртовой промышленности в России создают предпосылки для внедрения методологии экологически чистых производств и технологий на предприятиях этой отрасли. Необходимым этапом этого процесса является проведение комплекса исследований по оценке состояния производства, способах его совершенствования и модернизации с учетом технологических возможностей, наличию и качеству источников сырья, финансовых и эколого-экономических ограничений, оценке экологической ситуации в регионе в целом, созданию и наполнению локальной электроной базы данных и системы управления производственным циклом и принятия решений. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ
Цель настоящей работы заключалась в создании научных основ новых комплексных решений в биотехнологическом производстве этанола в регионе Республика Северная Осетия — Алания, направленных на улучшение качества продукции, ее конкурентоспособности, повышения экономической и экологической эффективности на основе углубленного изучения специфики производства этанола из возобновляемого крахмалсодержащего сырья и вторичных сырьевых ресурсов (молочной сыворотки) и представлений о современной технологической базе, экологических требованиях к производству, методам очистки загрязненных стоков, экологического состояния региона с ориентиром на последующее использование результатов работы в региональной системе управления производственным циклом и принятия решений.
Конкретно в работе решались следующие задачи:
- формирование приоритетов, "узких мест" и системы исходных данных для совершенствования процесса получения этанола из возобновляемого сырья с ориентиром на последующее использование в производственном и экологическом менеджменте применительно к специфике требований к экологически чистым производствам, возможностей современных информационных и управляющих систем, особенностям региона (РСО-Алания);
- исследования по интенсификации биотехнологических процессов получения этанола из крахмалсодержащего сырья и отходов молокозаводов;
- исследования по оптимизации стадии ректификации спирта как одной из ключевых в обеспечении качества продукции и энергосбережения;
- разработка решений по использованию отходов спиртового производства;
- разработка рациональных технологий обезвреживания и глубокой очистки сточных вод предприятий по производству спирта, направленных на экологизацию производства с учетом особенностей региона и решающих вопрос использования вторичных сырьевых ресурсов отрасли, в частности, молочной сыворотки.
- отработка предложенных решений в опытно-промышленном масштабе;
- оценка экологических последствий и экономических перспектив предложенных решений. Рассмотренные проблемы решались применительно к региону Республики Северная Осетия - Алания в соответствии с Республиканской целевой программой "Интеграция науки и высшего образования РСО-Алания" по теме "Эколого-экономические проблемы спиртовой промышленности РСО-Алания".
Понятие и приоритеты экологически чистого производства. 13
В механизме реализации чистых производств могут быть задействованы не только инженерные и технологические мероприятия, использование научных достижений, но и надлежащая административно-хозяйственная, административно-правовая, организационная и административно-управленческая, учетно-контрольная, маркетинговая деятельность, эколого-правовые средства, такие как экологический аудит, стандартизация и сертификация, экологический и бухгалтерский учет и контроль природных ресурсов, экологическое страхование, оценка воздействия на окружающую среду, экологические фонды и др.
Основополагающими для стимулирования идеологии чистых производств в России явились известные Указ Президента РФ от 04.02.94 "О государствен 18 ной стратегии Российской Федерации по охране окружающей среды и обеспечению устойчивого развития" и Указ Президента РФ от 01.04.96 "О концепции перехода Российской Федерации к устойчивому развитию"
В Указе Президента РФ от 17.12.97 "Концепция национальной безопасности Российской Федерации" констатируется, что угроза истощения природных ресурсов и ухудшения экологической ситуации находится в прямой зависимости от уровня развития экономики и готовности общества осознать эту угрозу. Отмечается неразвитость законодательной основы природоохранных мероприятий, их высокая ресурсоемкость, отсутствие либо ограниченное использование природосберегающих технологий, ослабление государственного надзора и необходимость принятия мер по улучшению качества окружающей среды.
В общем случае средства воздействия на природопользователя можно подразделить на 2 группы - административно-правовые и экономические [14].
Метод административно-правового воздействия исходит из отношений власти и подчинения. В основе экономического механизма охраны окружающей среды - материальная заинтересованность.
К числу средств административно-правового воздействия в Российской Федерации относятся лицензирование и лимитирование природопользования [14, 15].
Для получения права на определенный вид деятельности, связанный с потреблением природного ресурса, уполномоченными органами выдается лицензия (разрешение). В лицензии могут оговариваться цели пользования, пространство, лимиты, сроки, условия платежей, требования рационального использования и охраны и др. Выданные лицензии органы управления могут пересмотреть или аннулировать, если произойдет изменение экологической обстановки, угрожающее наступление вреда для природной среды и здоровья населения.
Лимиты на природопользование являются системой экологических ограничений по территориям и представляют собой установленные предприятиям-природопользователям на определенный срок объемы предельного использования (изъятия) природных ресурсов, выбросов и сбросов в окружающую природную среду загрязняющих веществ и размещения отходов производства. Цель установления лимитов - природоохранительная и экономическая: предприятия-загрязнители стимулируются к сокращению выбросов и отходов; сред 19 ства, полученные от платы за потребление ресурсов, используются на их воспроизводство и рациональное использование.
При размещении, проектировании, строительстве и вводе в эксплуатацию новых и реконструируемых объектов, при техническом перевооружении действующих объектов должно быть обеспечено соблюдение ПДК загрязняющих веществ в природных средах на основе использования малоотходной или безотходной технологии, систем повторного и оборотного водоснабжения, а также мероприятий по очистке, обезвреживанию и обеззараживанию сточных вод и производственных отходов. Для этого при размещении объекта предусматривается контрольно-надзорная деятельность органов санитарно-эпидемиологического надзора, экологического контроля и местной администрации. Они проверяют выполнение требований экологического норматива с точки зрения будущей деятельности проектируемого объекта, предполагаемого его влияния на окружающую природную среду. В тех случаях, когда сооружение объекта затрагивает интересы местного населения, решение о его размещении должно приниматься по результатам обсуждения или референдума. В особо ответственных случаях Закон предусматривает принятие решения о размещении объекта на уровне высших представительных органов власти.
В России в соответствии с действующим экологическим законодательством, в частности с Федеральным законом "Об экологической экспертизе" (1995 г.) требуется обязательное экологическое обоснование и экологическая экспертиза разрабатываемых проектов. Экологическое обоснование проекта дает заказчик. На этой стадии проводится оценка воздействий предприятий на окружающую среду (ОВОС) [15-23]. ОВОС обязательна при организации таких видов деятельности, как производство целлюлозы и бумаги, извлечение и обогащение руд, добыча нефти, вырубка леса, складирование нефтепродуктов и химических продуктов. Целью выполнения ОВОС является получение количественных и качественых оценок и тенденций изменения качества окружающей среды не только во время строительства, но и в течение всего жизненного цикла проектируемого объекта.
Исследования по интенсификации процесса получения этанола из отходов молокозаводов.
Исследование процесса получения этанола из молочной сыворотки проведено нами с целью разработки альтернативного варианта получения этанола из доступного углеводсодержащего сырья, увеличивающего не только сырьевую базу спиртовой промышленности региона, но и решающего целый ряд экологических проблем, связанных со сбросом молочной сыворотки в водоемы. Увязанная совместно с решениями задач спиртовой промышленности в единую региональную систему управления ресурсами, производством и экологической ситуацией, биотехнология получения из молочной сыворотки и отходов моло-коперерабатывающих заводов различных полезных продуктов может привести к существенным эколого-экономическим эффектам. В этом случае одним из вариантов комплексного решения для экономии ресурсов, снижения затрат энергии и тепла в производстве спирта могла бы стать, например, совместная переработка зерна и молочной сыворотки в этанол с заменой воды молочной сывороткой (или ее безбелковым ультрафильтратом) на стадии разваривания зерна и использование смешанных культур дрожжей, включая сбраживающих лактозу. Такое комплексное решение с точки зрения спиртовой промышленности позволило бы поднять концентрацию сбраживаемых углеводов и этанола в бражке и снизить последующие затраты на отгонку и ректификацию спирта, а с точки зрения молокоперерабатывающих предприятий - улучшить их экономические показатели за счет производства дополнительной продукции из молочного сырья и снижения выплат за превышение контролируемых показателей ХПК и БПК в сточных водах. В этой связи как необходимый этап исследований по рациональному использованию молочной сыворотки нами был проведен скрининг дрожжевых микроорганизмов и подобраны оптимальные условия для ее утилизации в анаэробных условиях с получением спирта.
Для исследований использовалась подсырная и творожная сыворотка. Основные показатели, характеризующие состав и свойства молочной сыворотки, приведены в таблице 2.2.
Из литературных источников известна технология сбраживания лактозы молочной сыворотки в спирт, основанная на использовании штамма Kluyveromyces fragilis CBS 397 с выходом спирта 23 л на тонну сырья. В оптимальных условиях длительность сбраживания составляет 10-23 сут. Нами были проведены исследования по подбору штаммов дрожжей Kluyveromyces lactis и по отработке режима и параметров проведения процесса сбраживания лактозы молочной сыворотки в этиловый спирт. По физиолого-биохимическим признакам дрожжи К. lactis относятся к факультативным анаэробам. Сегодня основное применение дрожжей Kluyveromyces - это получение кефира и кумыса, где для сбраживания молока применяются специальные "грибковые закваски", в состав которых помимо прочих микроорганизмов входят дрожжи Kluyveromyces marxianus.
В результате исследований был выбран штамм К. lactis 1494. Максимальная концентрация спирта в бражке ( 2,9% об.) наблюдалась при использовании посевного материала, выросшего на сусло-агаре, при дозе посевного материала МО8 кл/мл (рис. 2.1) и возрасте посевного материала 2-3 суток (рис. 2.2). При соблюдении отработанных параметров процесса длительность сбраживания составляла 3-4 суток. Выход этилового спирта в пересчете на тонну сырья составил около 30 л.
Совместная переработка молочной сыворотки и крахмалсодержащего сырья (зерна) преследует цель повышения содержания сбраживаемых углеводов в исходном материале и, как следствие, этанола. Показано, в частности, что внесение на стадии разваривания зерна вместо воды углеводсодержащего экстракта, полученного дифференцированной обработкой зерна, повышает содержание этанола в сброженном сусле (Дубовицкий Ю.Е., 2003). Для выяснения аналогичной принципиальной возможности повышения содержания спирта за счет внесения в молочную сыворотку дополнительных компонентов, богатых углеводами, провели серию модельных экспериментов с внесением дополнительных количеств лактозы или мелассы в депротеинизированную молочную сыворотку с последующим сбраживанием отобранным штаммом К. lactis 1494. Для этого к питательной среде, приготовленной на основе молочной сыворотки, добавляли разные концентрации растворов мелассы и лактозы. Приготовленные питательные среды засевали после их стерилизации культурой (посевная доза 1 10 ед./мл). Процесс брожения длился 3-4 суток при 30 С. Результаты опыта представлены в таблице 2.3 и на рис. 2.3.
Разработка методики инженерного расчета для оптимизированного процесса ректификации
Для предложенного способа ректификации нами была использована модифицированная методика расчета, которая в то же время может быть интегрирована в информационную базу данных спиртового производства с целью улучшения качества продукции, экологических и ресурсосберегающих характеристик технологии.
Математическое описание ступени разделения использует отработанные схемы расчета (Ю.А. Комиссаров и др., 1999; А.А. Кухаренко и А.Ю. Винаров, 2001) и применимо как для оптимального расчета собственно ректификационной колонны и технологического режима в ней, так и при выборе рациональной схемы, включающей несколько колонн.
В соответствии с отработанными схемами задача расчета разделения многокомпонентных смесей методом непрерывной ректификации состоит в определении количества колонн, необходимых для достижения заданного разделения, а также конструктивных и режимных параметров каждой колонны, при которых обеспечивается это разделение.
Поскольку одна простая колонна при непрерывной ректификации многокомпонентной смеси позволяет разделить исходную смесь только на две фракции, для разделения исходной смеси на к фракций необходимо не менее к-1 колонн. При этом под фракцией может пониматься как смесь нескольких компонентов, так и отдельный компонент или азеотроп с относительно небольшими примесями других компонентов исходной смеси.
При расчете колонны определяются необходимое число тарелок или высота слоя насадки, флегмовое число, высоты и площади поперечных сечений от-парной и укрепляющей секций колонны, тепловые нагрузки на куб и конденсатор. Обычно расчет колонны выполняется в два этапа. На первом этапе, исходя из заданного расхода сырья и его состава, производится технологический расчет колонны для определения числа тарелок в секциях колонны и флегмового числа, необходимых для заданного разделения. При этом находится также количество пара, которое необходимо получать в кипятильнике колонны для заданного расхода сырья, т.е. тепловая нагрузка на кипятильник колонны. Последняя, в свою очередь, определяет и тепловую нагрузку на конденсатор ко лонны, поскольку в нем конденсируется практически столько же пара, сколько его получается в кипятильнике.
На втором этапе расчета, исходя из найденных на первом этапе числа тарелок, а также расходных характеристик потоков пара и жидкости в колонне и тепловых нагрузок на куб и конденсатор, производится выбор типов тарелок, куба и конденсатора и выполняется их конструкционный расчет, который включает определение всех геометрических характеристик элементов установки.
Технологический расчет колонны основан на концепции ступени разделения. Согласно этой концепции колонна представляется набором ступеней, каждая из которых связана с двумя соседними, расположенными ниже и выше нее, нисходящим потоком жидкости и восходящим потоком пара. Подобное представление в наибольшей степени соответствует случаю тарельчатых колонн, однако может использоваться и для расчетов насадочных, если принимается, что каждая ступень соответствует определенному слою насадки в колонне.
Математическое описание ступени разделения представляет собой систему уравнений, которая включает в себя: 1.Уравнение общего материального баланса ступени: А+1 + -1-А-К=о, где: Ns — число ступеней разделения в секции колонны, Vt_x и Li+X - потоки пара и жидкости, поступающие на ступень, Vt и Ц - потоки пара и жидкости, уходящие со ступени. 2.Уравнение общего теплового баланса ступени: А+Л+1 + 1 -1-4Л- ;=о, /=1,..., , (2) где: ht и Ht энтальпии жидкости и пара потоков. 3. Уравнения материальных балансов для каждого компонента смеси: 1 мхГ + Г - Ъ - У У? = (3) j = 1,..., К; / = 1,...,Л , где: j - номер компонента разделяемой смеси, К - число компонентов, jA и Х- - концентрации (мольные доли) j-ro компонента в паровой и жидкой фазах.
4. Уравнения для расчета состава пара, уходящего со ступени разделения, определяющие ее разделительную способность: у{? = шТУГ ь J=1 - K (4)
Приведенная система уравнений (1)-(4) дополняется стехиометрическими соотношениями для концентраций компонентов:
Состав паровой фазы, уходящей со ступени, определяется, исходя из концепции теоретической ступени разделения, согласно которой на ступени разделения достигается полное равновесие между стекающей с нее жидкостью и уходящим со ступени паром, в данном случае следующим соотношением: давление паров чистого компонента, выраженное в зависимости от температуры, X, и у j - концентрации компонента в жидкости и в равновесном паре соответственно, у. и ф, — коэффициенты активности и летучести компонента, в общем случае зависящие от температуры, давления и состава фаз, Р и Т - давление и температура на ступени разделения.
Исследование эффективности аэробной и анаэробной биоочистки стоков
Как показали наши исследования, для подачи данных вод на биологическую очистку концентрация соединений марганца не должна превышать С=0,1 мг Мп/л, в противном случае будет наблюдаться ингибирование биохимических процессов.
Для удаления соединений марганца из сточных вод перед стадией биологической деструкции загрязнений нами был разработан метод биокоагуляции, основная задача которого - изъятие марганца из поступающих вод до концентраций, неингибирующих биохимические процессы расщепления органических веществ в системе биологической очистки. Снижение концентрации марганца в сточных водах методом биокоагуляции позволит интенсифицировать последующие стадии очистки.
Ввиду того, что соединения марганца накапливаются в биомассе, и на 14-16 сутки контакта со сточной водой начинается лизис биоценоза (рис. 4.24), необходимо было определить оптимальный возраст активного ила, циркулирующего в замкнутом цикле биокоагуляции. Проведенные исследования показали, что поверхность активного ила с возрастом 8 суток (рис. 4.24) обладает физико-химическими свойствами наиболее подходящими для адсорбции марганца и органической коллоидной взвеси, определяющей величину ХПК поступающих сточных вод. Оптимальные параметры для получения максимального эффекта изъятия из поступающих сточных вод соединений марганца и коллоидной органической взвеси составили следующие величины:
Возраст ила, циркулирующего в замкнутой системе биокоагулятора - 8 суток (рис. 4.24); - время пребывания воды в биокоагуляторе - 0,5 час (рис. 4.26); - концентрация ила 1,5 Са.и. 3,5 г/л (рис. 4.27); - концентрация растворенного кислорода - не менее 2 мгС /л (рис. 4.28).
При этих показателях достигаются практические нормы для станций биологической очистки, соответствующие ОД мг/л по Мпобщ. Увеличение времени пребывания воды приводит к десорбции соединений марганца. Максимальное удаление органической коллоидной взвеси достигает 35%, снижение концентрации фосфора - 31% (табл. 4.6). Увеличение концентрации активного ила с 1,5-2 г/л до 3,8 г/л практически не сказывается на эффекте изъятия марганца, однако, вынос взвеси в первичном отстойнике увеличивается. Наблюдается флотационное всплывание иловой смеси, а адсорбированные органические вещества на поверхности биомассы переходят в поступающие сточные воды, увеличивая значение ХПК. В биокоагуляторе необходимо осуществлять аэрацию и поддерживать концентрацию растворенного кислорода не менее 2,0-2,3 мг С /л (рис. 4.28).
В ходе исследований было установлено положительное влияние на процесс биокоагуляции внесения в производственный сток сточных вод, образующихся в процессе переработки молочной сыворотки в спирт.
В качестве других решений для удаления соединений марганца, а также железа и уменьшения их влияния на активный ил аэротенков нами было предложено: 1) использование нейтрализации сточных вод до рН 8 и их осветления перед стадией биологической очистки с удалением и последующим обезвоживанием образовавшихся шламов гидрооксидов железа и марганца; 2) использование электромагнитных активаторов, монтируемых на дополнительном контуре возвратного ила.
При отработке метода нейтрализации весь объем поступающих сточных вод разделялся на два разных потока. Первый поток после механической очистки поступал на биологическую очистку, второй поток на станцию нейтрализации, где рН сточных вод регулировалась на уровне 8. Это позволило уменьшить концентрацию металлов на 50%. После станции нейтрализации сточные воды поступали в осветлитель со взвешенным слоем. Образовавшиеся гидрооксиды железа и марганца удалялись из системы на обезвоживание, а осветленные стоки поступали с тем же режимом эксплуатации, что и первый поток. Таким образом было проведено сравнение влияния тяжелых металлов на степень биохимической очистки.
Значения ХПК поступающих сточных вод находились в интервале 1450-1530мг/л. Исходная концентрация соединений железа составляла 1,9 мг/л, со единений марганца - 0,5мг/л. ХПК очищенных вод по потокам составило: в первом потоке показатели не снижались менее 220 мг/л, во втором потоке менее 70 мг/л. Проведенные исследования показали, что процессы нитрификации в соотношении соединений железа и марганца 0,95:0,25 протекают интенсивнее. Соотношение скоростей нитрификации первого потока ко второму составило 1:1,23. Прирост биомассы в первом потоке составил 0,07г/м3, во втором потоке 0,10 г/м . При такой эксплуатации сооружений биологической очистки по первой схеме были получены концентрации соединений железа в очищенной воде 0,07 мг/л и концентрации соединений марганца близкие к нулю.
Для уменьшения влияния соединений железа и марганца на активный ил аэротенков нами разработаны электромагнитные активаторы, которые монтируются на дополнительном контуре возвратного ила. Слабые электромагнитные воздействия на активный ил аэротенков позволяют увеличить активность ферментной системы микроорганизмов на 40%. В результате появляется возможность увеличения нагрузки по органическим веществам на аэротенки с сохранением требуемой степени очистки воды.
Как уже отмечалось в предыдущих разделах, одним из наиболее перспективных вариантов очистки стоков применительно к спиртовым и молокопере-рабатывающим предприятиям считается комбинированный метод, основанный на использовании биохимического окисления и носителей или сорбентов. В аэ-ротенке с носителем (биотенке, биосорбере) микроорганизмы образуют биопленку и свободно плавающие клетки (активный ил), что уменьшает проблемы, связанные с ингибированием роста микроорганизмов избыточными количествами загрязнений при перегрузке аэротенка и вымыванием активного ила из сооружения. С другой стороны, при последовательном сочетании биологического и сорбционного метода можно очистить сточную воду до требуемых нормативов. В этой связи большое внимание в работе было уделено разработке сорбционных методов и подбору носителей для их использования в качестве загрузки в биотенках и как самостоятельный метод доочистки сточных вод. При этом основное внимание было уделено природным носителям, в частности, цеолитам.
В наших исследованиях в качестве носителей и сорбентов использовалось дешевое местное минеральное сырье: ирлиты (ирлит-1, ирлит-7), относящиеся к слюдистым бентонитовым глинам, месторождения которых расположены в горных районах РСО - Алания, другие алюмосиликаты, а также широко используемые носители: активный уголь, щебень, пластмассовая загрузка. Объем добываемых в регионе сорбентов, таких как ирлиты, может полностью удовлетворить потребности агропромышленного комплекса юга России в течение длительного периода.
