Производство этилового спирта относится к числу наиболее водоемких и экологически нагруженных отраслей пищевой промышленности. В процессе переработки зернового сырья образуется значительный объем жидких отходов, среди которых особое место занимает лютерная вода — высококонцентрированный сточный сток, требующий тщательной очистки перед сбросом в окружающую среду или повторным использованием в технологическом цикле.
В этой статье рассмотрим особенности очистки сточных вод спиртовых заводов, обоснование применения двухступенчатой схемы и технологические параметры работы двухиловой системы.
Содержание
- Характеристика сточных вод спиртовых заводов
- Обоснование применения двухступенчатой схемы очистки
- Технологическая схема двухступенчатой очистки
- Кинетические закономерности процесса
- Оптимизация параметров работы
- Преимущества двухиловой системы
- Заключение
Характеристика сточных вод спиртовых заводов
Лютерная вода образуется на различных этапах спиртового производства и представляет собой сложную многокомпонентную систему. Для стоков спиртовых заводов, перерабатывающих зерновое сырье, характерны высокие показатели загрязненности:
- Биохимическое потребление кислорода (БПК) — 5100–5500 мг/л
- Химическое потребление кислорода (ХПК) — 9300–11000 мг/л
- Соотношение БПК/ХПК — 0,5–0,55 (указывает на возможность применения биологических методов очистки)
Специфической особенностью этих сточных вод является практически полное отсутствие аммонийного азота и фосфора, необходимых для жизнедеятельности микроорганизмов, при одновременном присутствии органического азота в концентрации до 220 мг/л. Температурный режим стоков составляет около 20°C, а значение pH колеблется в пределах 6,5–7,2.
Обоснование применения двухступенчатой схемы очистки
Традиционные одноступенчатые системы биологической очистки не всегда способны обеспечить требуемую степень удаления загрязнений из высококонцентрированных стоков спиртовых заводов. Именно поэтому в отечественной и зарубежной практике все большее распространение получают многоступенчатые схемы, и в частности двухиловая система с илоотделителями на каждой ступени.
Концепция двухступенчатой очистки базируется на принципе разделения процесса окисления органических веществ между двумя последовательно работающими аэротенками, в каждом из которых формируется собственный, адаптированный к поступающему субстрату биоценоз активного ила. Такое технологическое решение позволяет:
- Поддерживать на первой ступени высокие концентрации субстрата, обеспечивая максимальную скорость биохимического окисления
- На второй ступени осуществлять доочистку остаточных органических веществ, включая трудноокисляемые компоненты
- Создавать оптимальные условия для развития различных групп микроорганизмов в каждой ступени
Технологическая схема двухступенчатой очистки
Двухиловая система очистки лютерной воды включает следующие основные элементы:
Первая ступень — аэротенк
Работает с дозой активного ила 4–5 г/л. Продолжительность аэрации на этой ступени составляет 17–27 часов. Здесь происходит основное удаление органических загрязнений:
- Эффективность снижения БПК — 88%
- Эффективность снижения ХПК — 69%
Илоотделитель первой ступени обеспечивает возврат активного ила в голову сооружений и выводит избыточный ил из системы.
Вторая ступень — аэротенк доочистки
Работает с меньшей дозой ила (2–2,7 г/л). На этой стадии происходит доочистка стоков с удалением остаточных органических веществ и завершением процессов нитрификации:
- Эффективность очистки по БПК — 96%
- Эффективность очистки по ХПК — 93%
Важным преимуществом двухступенчатой схемы является возможность осуществления процесса нитрификации без торможения второй фазы. Концентрация аммонийного азота снижается с 118 до 0,04 мг/л, при этом содержание нитритного азота не превышает 0,01 мг/л, а нитратного возрастает до 15 мг/л.
Кинетические закономерности процесса
Исследования кинетики окисления органических загрязнений в двухступенчатых аэротенках показали, что процесс подчиняется закономерностям ферментативной кинетики и описывается уравнением Михаэлиса-Ментен:
ρ = Vmax × S / (Km + S)
где:
- ρ — удельная скорость окисления загрязнений, мг/(г·ч)
- Vmax — максимальная скорость окисления, мг/(г·ч)
- S — концентрация органических веществ в очищенной воде, мг/л
- Km — константа Михаэлиса, мг/л
Для первой ступени аэротенка при очистке сточных вод спиртовых заводов кинетические константы составляют:
- Vmax = 59,5 мг/(г·ч)
- Km = 280 мг/л
Для второй ступени эти показатели существенно ниже:
- Vmax = 32,3 мг/(г·ч)
- Km = 15,5 мг/л
Полученные значения отражают тот факт, что на второй ступени микроорганизмы работают с более низкими концентрациями субстрата, что характерно для стадии доочистки.
Оптимизация параметров работы
На основе найденных кинетических констант были проведены оптимизационные расчеты, позволившие определить рациональные параметры работы двухступенчатой системы. Критерием оптимизации служило минимальное суммарное время пребывания сточных вод в системе.
Результаты расчетов показали, что оптимальная степень очистки на первой ступени при полной биологической очистке по БПК составляет 500 мг/л. Такой подход позволяет максимально использовать высокую скорость окисления на первой ступени, оставляя на вторую ступень лишь относительно небольшое количество остаточных загрязнений.
Преимущества двухиловой системы
Применение двухиловой системы очистки лютерной воды на спиртовых производствах обеспечивает ряд существенных преимуществ:
- Высокая эффективность очистки — суммарное снижение загрязнений по основным показателям достигает 96–99%
- Сокращение общего объема сооружений — за счет разделения процесса на ступени удается снизить суммарное время аэрации и, следовательно, уменьшить емкость аэротенков
- Стабильность работы — наличие собственного биоценоза на каждой ступени обеспечивает устойчивость системы к колебаниям состава и расхода сточных вод
- Возможность глубокой нитрификации — разделение процессов позволяет создать оптимальные условия для нитрифицирующих микроорганизмов на второй ступени
- Энергетическая эффективность — возможность использования анаэробной стадии на первой ступени позволяет снизить нагрузку на аэробную систему
Заключение
Двухиловая система очистки лютерной воды на спиртовых производствах представляет собой технически и экономически обоснованное решение, обеспечивающее эффективное удаление органических загрязнений из высококонцентрированных стоков. Разделение процесса биологической очистки на две ступени с формированием самостоятельного биоценоза в каждой из них позволяет достичь высокой степени очистки при оптимальных затратах на строительство и эксплуатацию сооружений.
Для спиртовых заводов, перерабатывающих зерновое сырье, внедрение двухступенчатой схемы очистки лютерной воды является наиболее эффективным способом обеспечения нормативных требований к сбросу сточных вод и снижения экологической нагрузки на окружающую среду.