Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСОВ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ ОБСТАНОВКИ И ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД ПИЩЕВЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ 10
1.1 Анализ экологической обстановки и проблемы сброса сточных вод пищевыми предприятиями Оренбургской области 10
1.2 Техногенное влияние предприятий дрожжевой и хлебопекарной промышленности на окружающую среду 15
1.3 Общая характеристика загрязняющих веществ сточных вод дрожжевых предприятий 23
1.4 Сточные воды хлебопекарных предприятий: формирование и особенности 32
1.5 Особенности очистки сточных вод дрожжевых и хлебопекарных предприятий 37
1.5.1 Общая характеристика способов очистки сточных вод 37
1.5.2 Очистка сточных вод электрофизическими способами 43
1.6 Выводы по первой главе 45
ГЛАВА 2 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЦЕССА УДЕРЖИВАНИЯ ЗАГРЯЗНЯЮЩИХ ВЕЩЕСТВ СТОЧНЫХ ВОД ПРИ ПОМОЩИ ПОЛЯРИЗОВАННЫХ МАТЕРИАЛОВ И КАВИТАЦИОННОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ 47
2.1 Электроудерживание органических соединений поляризованными материалами 47
2.2 Ультразвуковые колебания и кавитация 55
2.3 Выводы по второй главе 59
ГЛАВА 3 МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТОВ 60
3.1 Общая методика экспериментальных исследований 60
3.2 Экспериментальная установка, приборы и оборудование, применяемые при исследованиях 60
3.3 Материалы, применяемые при исследованиях 68
3.4 Физико-химические методы анализа сточных вод, используемые при исследованиях 68
3.4.1 Методика определения вязкости сточных вод 69
3.4.2 Методика определения содержания сухого и прокаленного остатка 70
3.4.3 Методика определения БПКП0ЛН 71
3.4.4 Методика определения ХПК 72
3.4.5 Методика определения содержания общего азота 73
3.4.6 Методика определения аммонийного азота 74
3.5 Методика определения общего количества микроорганизмов 74
3.6 Методика определения технологических параметров процесса очистки сточных вод 75
3.7 Применение ступенчатого регрессионного метода 76
3.7.1 Постановка задачи 76
3.7.2 Алгоритм метода 78
3.7.3 Определение вкладов 81
3.8 Выводы по третьей главе 83
ГЛАВА 4 РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ 84
4.1 Определение фазово-дисперсного состава сточных вод 84
4.1.1 Определение вязкости сточных вод 84
4.1.2 Определение массы сухого и прокаленного остатка 86
4.1.3 Определение БПКП0ЛН 87
4.1.4 Определение ХГЖ 88
4.1.5 Определение содержания общего и аминного азота 89
4.1.6 Определение активной кислотности и рН сточных вод 90
4.1.7 Определение общего микробного числа сточных вод 91
4.2 Исследование основных закономерностей удерживания загрязняющих веществ сточных вод поляризованным материалом 93
4.2.1. Исследование адсорбционных свойств силикагеля в электрическом поле 94
4.2.2 Исследование процесса удерживания загрязняющих веществ сточных вод поляризованным материалом 97
4.2.3 Исследование влияния скорости протока сточных вод через загрузку из поляризованного материала на степень очистки 98
4.2.4 Исследование влияния величины зерна загрузки на степень очистки 100
4.2.5 Исследование влияния толщины слоя поляризованной загрузки на степень очистки 101
4.2.6 Исследование влияния кавитационного поля на продолжительность регенерации поляризованного материала силикагеля 103
4.2.7 Расчет регрессионных зависимостей, определяющих эффективную эксплуатацию разработанного устройства 107
4.3 Выводы по четвертой главе 113
ГЛАВА 5 ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПРОМЫШЛЕННОЙ СХЕМЫ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД И ЭКОЛОГО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ПРЕДЛОЖЕННОЙ СХЕМЫ 114
5.1 Промышленная схема очистки сточных вод 114
5.2 Ожидаемый технико-экономический эффект от внедрения комплекса природоохранных мероприятий 116
5.3 Укрупненный расчет годового дохода 121
5.4 Расчет разности приведенных затрат на очистку промышленных сточных вод 124
5.5 Расчет годового эколого-экономического эффекта от внедрения комплекса водоохранных мероприятий на дрожжевых и хлебопекарных предприятиях 125
5.6 Выводы по пятой главе 126
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 127
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 129
ПРИЛОЖЕНИЯ 140
- Анализ экологической обстановки и проблемы сброса сточных вод пищевыми предприятиями Оренбургской области
- Электроудерживание органических соединений поляризованными материалами
- Ожидаемый технико-экономический эффект от внедрения комплекса природоохранных мероприятий
Введение к работе
Актуальность темы. Заводы по производству хлебобулочных изделий и хлебопекарных дрожжей имеются практически в каждом регионе России, и их технологический цикл приводит к образованию около 56 млн. м3 сточных вод в год. В настоящее время общая мощность дрожжевых заводов в РФ составляет 165 тыс. тонн/год, хлебопекарных заводов - 149 млн. тонн/год. Объем образующихся сточных вод при производстве одной тонны хлебопекарных дрожжей составляет от 116 до 184 м , хлеба и хлебобулочных изделий - от 1,5 до 2,3 м . Основным сырьем для производства данных видов продуктов являются мука, вода, технологические и рецептурные добавки, свекловичная меласса, которые в технологическом процессе трансформируются в конечные продукты. В связи с этим образуемые сточные воды содержат высокие концентрации органических загрязнений (10...80 г ХПК/л, 2... 10 г БПК/л), соединений азота (0,5...1,5 г общего азота/л), сульфаты (2...10 г/л), низкие концентрации соединений фосфора, а также ряд устойчивых к биологическому разложению веществ и сильно окрашенных компонентов (меланоиды и др). Особая опасность сточных вод дрожжевых и хлебопекарных предприятий заключается в том, что они содержат живые микроорганизмы, способные к продолжению своей деятельности при попадании в природную окружающую среду.
В настоящее время предприятия, вырабатывающие хлебобулочные изделия и дрожжи, остро сталкиваются с проблемами обезвреживания сточных вод перед их сбросом в городскую канализацию с целью снижения нагрузки по органическим веществам и предотвращения экологической опасности при возможных взаимодействиях компонентов общего стока.
Разработке теоретических основ воздействия хлебопекарных и дрожжевых предприятий на окружающую среду посвящен ряд работ отечественных и зарубежных исследователей (Базлов В.Н., 2000; Матисон Л.А., 1995; Багишов Н.Ш., 2000; Борщевский П.П., 1998; Волохова Л.Т., 1998;
Комаров В.И. и др.), однако, проблемы неблагоприятного состояния экосистем поверхностных водоемов в условиях техногенного загрязнения и эффективной очистки сточных вод дрожжевых и хлебопекарных предприятий остаются актуальными экологическими проблемами.
Целью диссертационной работы являлась минимизация техногенного воздействия дрожжевых и хлебопекарных предприятий на окружающую среду на основе экологического мониторинга поверхностных водоемов и разработки эффективного комплексного способа очистки сточных вод указанных предприятий.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
провести экологический мониторинг поверхностных водоемов Оренбургской области, подвергающихся загрязнению сточными водами, действующими предприятиями по выработке хлебобулочных изделий и хлебопекарных дрожжей;
- провести анализ литературы по вопросам очистки сточных вод дрожжевых и хлебопекарных предприятий;
- провести аналитические исследования состава и свойств сточных вод данных предприятий;
- разработать экспериментальную компактную легкоуправляемую установку, предназначенную для очистки сточных вод дрожжевых и хлебопекарных предприятий;
- исследовать механизм и определить технологические параметры очистки сточных вод на разработанной установке;
- на основе проведенных исследований разработать технологию очистки сточных вод дрожжевых и хлебопекарных предприятий;
- рассчитать эколого-экономическую эффективность от внедрения новой системы очистки.
Объектом исследования являются сточные воды дрожжевых и хлебопекарных предприятий.
Предметом исследования является совершенствование системы очистки сточных вод дрожжевых и хлебопекарных предприятий.
Научная новизна заключается в следующем:
- проведена оценка экологического состояния поверхностных водоемов Оренбургской области в условиях техногенного загрязнения жидкими отходами дрожжевых и хлебопекарных предприятий;
- впервые разработаны устройство и способ безреагентной очистки сточных вод на основе использования поляризованного материала и кавитационного воздействия;
- раскрыт механизм и кинетические закономерности очистки сточных вод дрожжевых и хлебопекарных предприятий при использовании поляризованного материала (силикагеля);
- впервые использован эффект кавитации для очистки и обеззараживания сточных вод дрожжевых и хлебопекарных предприятий.
Практическая значимость. Применение устройства и способа, разработанных в настоящей работе, позволит значительно снизить техногенную нагрузку предприятий пищевой промышленности, в частности, хлебопекарных комбинатов и дрожжевых заводов, на окружающую среду. На разработанное устройство для безреагентной очистки сточных вод получен патент (RU № 2243941) (Приложение Ж).
Материалы работы и результаты исследований используются при чтении курса лекций и проведении лабораторных работ для студентов специальности 330100 «Безопасность жизнедеятельности в техносфере» в учебном курсе «Системы защиты среды обитания» (Приложение И), а также специальностей 270500 «Технология бродильных производств и виноделия» и 320700 «Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов» для дисциплины «Основы современной биотехнологии» в Оренбургском государственном университете (Приложение К). Результаты исследований использованы при разработке локальных сооружений для очистки сточных вод хлебопекарного цеха ООО «Никита» (Приложение 3).
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались:
на Российской научно-технической конференции «Обеспечение продовольственной и экологической безопасности человечества - важнейшая задача XXI века» (17-20 октября 2000 г., г. Оренбург);
на Международной научной конференции «Молодая наука - XXI веку» (19-20 апреля 2001г., г. Иваново);
на Региональных научно-практических конференциях молодых ученых и специалистов Оренбуржья (2000 - 2004 гг., г. Оренбург);
на V Международной научно-технической конференции «Новое в охране труда, окружающей среды и защите человека в чрезвычайных ситуациях» (2002 г., г. Алматы);
на Всероссийской научно-практической конференции «Оптимизация сложных биотехнологических систем» (9-10 октября 2003 г., г. Оренбург).
Материалы исследований номинировались на областном конкурсе научных работ молодых ученых (2003 г., г.Оренбург) (Приложение Л), а также региональной выставке «Научно-технического творчества молодежи» (2001 г., г.Оренбург) (Приложение М).
Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 12 печатных работ, из них 1 патент РФ.
Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, содержит 140 страниц машинописного текста, 15 таблиц, 34 рисунка, список использованной литературы включает 140 наименований, в том числе 10 на иностранном языке и 12 приложений.
Работа выполнена на кафедре пищевой биотехнологии Оренбургского государственного университета в рамках госбюджетной темы «Исследование влияния физико-химических воздействий на биополимеры сырья растительного происхождения» (№ ГР 012000119449).
Анализ экологической обстановки и проблемы сброса сточных вод пищевыми предприятиями Оренбургской области
Оренбургская область характеризуется высокой концентрацией промышленных предприятий, находящихся на ее территории и представляющих черную и цветную металлургию, машиностроение, производство строительных материалов, пищевую промышленность, транспорт, жилищно-коммунальное хозяйство (ЖКХ) и т.д. [20, 21, 22, 23, 24].
Экологическая обстановка Оренбургской области в целом характеризуется как неблагоприятная. Ее территория подвергается высокой степени техногенного загрязнения и антропогенной деградации ландшафтов, в результате чего произошло обеднение экосистемного и биологического разнообразия, резко ухудшились медико-экологические условия жизни.
Общее количество загрязняющих веществ от стационарных источников в 2001 г. составило 404,3 тыс. т [7, 29, 30]. В них преобладают газообразные выбросы и жидкие сбросы (их доля составляет 92,8 %).
В таблице 1.1 показаны объемы сбросов сточных вод в поверхностные водоемы по отраслям экономики, включая и пищевую промышленность.
Резкое снижение объемов сбросов сточных вод в 1998 г. объясняется, несомненно, резким изменением экономической ситуации в стране, но показатели последних лет свидетельствуют о восстановлении отрицательных тенденций.
В области до сих пор не решен вопрос экологически безопасного захоронения или уничтожения пришедших в негодность более 500 т агрохимикатов, накопленных на ее территории в предшествующие годы.
Большое влияние на загрязнение атмосферного воздуха оказывает автотранспорт, общее количество загрязняющих веществ которого составляет: по области 20-25 %, в г. Оренбурге - свыше 45 % [62, 63].
Также не улучшается гидрологическое и гидрохимическое качество природных водных объектов: в 1998 г. в природные воды сброшено 1745,3 млн. м3 сточных вод, в том числе в бассейн р. Волга - 14,4 млн. м3, р. Урал — 1730,8 млн. м3. Из общего объема поступающих сточных вод сбрасываются загрязненными без очистки - 1,7 млн. м3, недостаточно очищенными - 155,1 млн. м , нормативно чистыми - 1588,4 млн. м и лишь 0,0095 млн. м (0,005 %)- нормативно очищенными. Перед сбросом сточных вод в водоемы они проходят очистку на 25 комплексах сооружений физико-химической, механической, биологической очистки общей проектной мощностью 211,4 млн. м3/год. Анализ эффективности действующих очистных сооружений показывает, что только один комплекс очистных сооружений функционирует в соответствии с нормативами, два объекта перегружены по гидравлической нагрузке, еще пять очистных сооружений работают неудовлетворительно, не соответствуют технологии очистки по качественному составу подаваемых сточных вод еще два комплекса. В табл. 1.2 представлена характеристика сбросов воды в поверхностные природные водные объекты по Оренбургской области [9, 111].
Анализ приведенных данных свидетельствует о некотором снижении объемов сбросов за последние 5...7 года, но следует отметить, что даже при этом количество нормативно-чистых и нормативно-очищенных вод не возрастает.
По данным статистики, не отвечает нормативным требованиям вода 24,5 % водопроводов, а по химическим показателям - 24,6 % водопроводов и 41,8 % водозаборных скважин. По бактериологическим характеристикам отклонение от требований к питьевой воде в водопроводной сети в 2000 г. составило 10 % (в 1997 г.- 8,9 %) [12, 16].
Электроудерживание органических соединений поляризованными материалами
Такая система зарядов представляет собой двойной электрический слой (ДЭС). Часть из противоионов ДЭС находится на значительном расстоянии от поверхности частицы - так называемый диффузный слой; другая часть -непосредственно примыкает к этой поверхности и связана с нею настолько прочно, что не отрывается от нее при перемещении частицы в среде -«плотный» или «гельмгольцевый слой». В зависимости от условий внешний среды (рН, количество и природа солей) ДЭС может быть «размытым» или «уплотненным», то есть противоионы плотного слоя могут покидать его поверхность и переходить в диффузный и наоборот. Сумма зарядов плотного и диффузного слоев внешней обкладки двойного электрического слоя равна заряду внутренней обкладки ДЭС, то есть истинному заряду частицы. При движении частицы относительно жидкости, в которой она находится, непрочно связанные противоионы диффузного слоя отстают, а вместе с частицей продвигаются только противоионы близко прилегающего адсорбционного (плотного) слоя. Разность между абсолютными значениями истинного заряда частицы и количеством противоионов адсорбционного слоя представляет собой заряд движущейся частицы — электрокинетический или дзета-потенциал.
Дзета-потенциал предопределяет подвижность частиц при наложении электрического поля - электрофорез, т.е. направленное движение частицы в электрическом поле. В микробиологии для изучения электрокинетических свойств микроорганизмов принято использовать электрическое поле постоянного тока. Однако поле, в котором обычно изучается электрофоретическая подвижность микроорганизмов, не совсем однородно. Его искажает и поляризация электродов, и некоторая ионная проницаемость воды, и само наличие в ней заряженных, имеющих значительный дипольный момент частиц. Такое возмущение несущественно, и при изучении электрокинетического потенциала микроорганизмов им пренебрегают.
Отрицательно заряженная частица, являющаяся диполем, попав в однородное электрическое поле испытывает действие двух противоположно направленных, неравных по абсолютному значению электрических сил. Под влиянием результирующей этих сил (Fe) частица движется в сторону анода (рис. 2.2 а).
Изменение направления знака электрического поля приводит к изменению направления движения частицы (рис. 2.2 а). Если такую переполюсовку на электродах осуществлять с высокой частотой (порядка 1000 Гц), то есть использовать высокочастотное переменное однородное поле, частица перестает двигаться в одном направлении, а колеблется в пространстве относительно одной точки с частотой поля. Снижая рН среды или увеличивая в ней количество многозарядных катионов, можно изменить заряд клетки на противоположный - положительный, и такая частица будет двигаться к катоду.
Ожидаемый технико-экономический эффект от внедрения комплекса природоохранных мероприятий
На основании результатов исследований разработана технологическая схема очистки сточных вод дрожжевых и хлебопекарных предприятий, включающая комплекс серийно - выпускаемого и оригинального оборудования, который позволяет проводить высокоэффективную очистку сточных вод от загрязняющих веществ (рис. 5.1). Комплекс оборудования включает следующие модули: первичный 1 и вторичный 2 отстойники, установку для очистки сточных вод поляризованным материалом 3, компрессорную станцию 4, электрощит 5, сепаратор 6, предназначенный для обезвоживания осадка загрязняющих веществ, второй сепаратор 7 для обезвоживания осадка, образующегося в первичном и вторичном отстойниках, бункера 8 для стабилизации и хранения концентрата загрязняющих веществ сточных вод в течение 2-3 суток.
Процесс обработки сточных вод можно разбить на несколько этапов: отстойка сточных вод в отстойниках, очистка при помощи поляризованного материала, кавитационная обработка осадка сточных вод, сепарирование концентрата загрязняющих веществ, стабилизация и хранение концентрата. Отстойку сточных вод производят в отстойниках. Данная операция производится для стабилизации и выделения крупных и легко осаждаемых загрязняющих веществ сточных вод. Образовавшийся осадок направляется на первый сепаратор для разделения воды от примесей. Отстоянные сточные воды поступают на обработку в разработанную установку. Поток вод двигается вниз, проходя через слой поляризованной загрузки. После заполнения аппарата на клеммы электродных пакетов, находящихся в электродных камерах заполненных электролитом, от выпрямителя подается постоянный ток.
Обработанная вода направляется в патрубок для отвода и дальнейшего использования в технологических целях. Оптимальная продолжительность процесса обработки обеспечивается путем стабилизации расхода сточных вод. С этой целью на трубопроводе подачи вод устанавливается сужающее устройство - диафрагма типа ДКН-10. Перепад давления на диафрагме измеряется дифференциальным манометром ДМ-10. При отклонении расхода от заданного значения подается сигнал на регулирующее устройство, которое уменьшает или увеличивает проходное сечение регулирующего клапана, изменяя расход сточных вод. После того как поляризованный материал загрязняется, и скорость протока вод уменьшается, на клеммы электродов прекращается подача электрического тока, и в этот момент включается излучатель кавитационного поля. Обработка продолжается до полной регенерации фильтрующего материала. Через каждые 6 часов работы установки автоматически осуществляется смена полярности пластин электродов для регенерации и равномерного их изнашивания. Обработанная вода может быть использована повторно в производстве дрожжей или сброшена в канализационные сети. Концентрат загрязняющих веществ направляется на второй сепаратор, где происходит его обезвоживание до влажности 14...16%. Далее обезвоженный концентрат направляется в бункер-стабилизатор, где происходит выравнивание влажности по всему объему и временное хранение для дальнейшего использования.
Таким образом происходит глубокая очистка многокомпонентных сточных вод дрожжевых и хлебопекарных предприятий, выделяется концентрат загрязняющих веществ в естественном виде, что предполагает возможность использовать его после предварительной обработки в качестве кормовой добавки и органического удобрения.
