Количество образующихся сточных вод на действующих дрожжевых заводах около 56 млн м³ в год с содержанием в среднем около 140 тыс. т в год органических загрязнений в единицах БПК. Основным сырьем для производства хлебопекарных дрожжей является свекловичная меласса, поэтому образуемые сточные воды содержат высокие концентрации органических загрязнений (ХПК 10- 80 г/лдм³, соединений азота (0,5-1,5 г общего азота/дм³) и сульфата (2-10 г/дм³), переменные концентрации соединений фосфора, а также ряд устойчивых к разложению веществ и сильно окрашенных компонентов (меланоиды и др.). В табл. 4.12 приведен состав сточных вод дрожжевого производства.

Таблица 4.12

Состав сточной воды дрожжевого производства

В дрожжевом производстве наиболее значительный сток по объему и степени загрязнения – обработанная культуральная жидкость (бражка), основными загрязняющими веществами которой являются компоненты перерабатываемого сырья (свекловичной мелассы). По- следрожжевая бражка составляет около 76 % от общего количества промышленного стока дрожжевых заводов и оказывает основное влияние на состав этих стоков (табл. 4.13).

Таблица 4.13

Характеристика сточных вод дрожжевого завода

Отработанная культуральная жидкость (помимо легкоразлагаемых органических веществ) содержит также ряд трудноокисляемых органических соединений, красящие вещества (карамели, меланоидины, продукты щелочного распада инвертного сахара), сапонин и ряд минеральных солей и является сильнозагрязненным отходом, сброс которого в водоемы и системы канализации возможен только после обработки и обезвреживания. Сток характеризуется также наличием взвешенных веществ в пределах 0,4-100 мг/дм³.

Однако часто неутилизируемую бражку объединяют с остальными низкоконцентрированными сточными водами дрожжевых заводов. В результате объединенные сточные воды производства хлебопекарных дрожжей, а также других производств, использующих свекловичную мелассу в качестве сырья, становятся весьма сложными по химическому составу многокомпонентными смесями, которые по многим параметрам (ХПК, БПК, общий азот и фосфор, сульфат, цветность и др.) не удовлетворяют требованиям Правил приема производственных сточных вод в системы канализаций населенных пунктов.

Выбор варианта очистки зависит от следующих условий:

• исходного состава стока;
• наличия красящих веществ в стоке;
• присутствия биологически неразлагаемых соединений;
• конечного пункта сброса сточных вод.

Многовариантная схема очистки сточных вод дрожжевого производства представлена на рис. 4.11.

Рис. 4.11. Многовариантная схема очистки сточных вод предприятий дрожжевой промышленности

Так как механические и химические способы очистки дрожжевых сточных вод крайне неэффективны и экономически невыгодны, то широкое распространение получили биологические (в первую очередь аэробные) методы.

Однако существенными недостатками аэробных технологий, особенно при обработке концентрированных сточных вод (к каковым и относятся дрожжевые сточные воды), являются высокие энергозатраты на аэрацию и проблемы, связанные с обработкой и утилизацией больших количеств образующегося избыточного ила. В связи с этим наиболее перспективный и экономичный способ очистки таких сточных вод – применение анаэробных биологических методов и их обработки, позволяющих не только решать экологические проблемы, но и получать ценный энергоноситель – биогаз, а также характеризующихся крайне низкими выходами избыточного ила (приблизительно в 10 раз ниже, чем при аэробной очистке).

К настоящему времени разработано множество конструкций анаэробных реакторов. Их можно классифицировать на основании типа образующихся в них микроструктур анаэробной биомассы (ила). По этому принципу все конструкции можно разделить на реакторы со взвешенно-седиментирующей биомассой (илом) и прикрепленной биомассой (биопленкой). К первому типу реакторов относятся традиционные метантенки, анаэробные лагуны, контактный реактор, реактор с восходящим потоком жидкости через слой анаэробного ила (UASB), реактор с расширенным и взвешенным слоем гранул (EGSB), перегородочный реактор (ABR); ко второму типу – биофильтр с восходящим потоком жидкости (DSFF), реактор с псевдо- ожиженным слоем носителя биопленки (AFB), вращающийся биоконтактор (AnRBC), гибридные реакторы (табл. 4.14).

Учитывая несомненные преимущества UASB-реактора (см. 2.4.2), именно эта конструкция, а также ее модификация (ESRB- реактор) за последнее десятилетие получили наибольшее промышленное распространение для обработки стоков производства пекарских дрожжей.

В литературе имеются также сведения об анаэробной обработке дрожжевых стоков с использованием самого скоростного из анаэробных реакторов – реактора с псевдоожиженным слоем. Интерес исследователей связан с тем, что в подобных реакторах осуществляется максимально возможный контакт субстрата с илом благодаря высоким скоростям потока (6-35 м/ч). При этом возможно применение очень высоких органических нагрузок, а т. к. биомасса находится в виде биопленки на носителе, то практически отсутствует ее вынос. Так была разработана двуступенчатая установка с использованием на второй ступени реактора с псевдоожиженным слоем песка. Такой реактор демонстрировал высокую производительность: НОВ – 55 кг ХПК м³/сут, эффективность удаления – 90%, выход биогаза – 30 м³/м³ реактора в сутки. К сожалению, промышленное внедрение таких реакторов относительно редко, что связано со сложностью их эксплуатации, а также с высокой чувствительностью этой конструкции к перерывам в подаче и изменении состава стоков.

Высокоинтенсивные анаэробные технологии ввиду их эффективности и экономичности в настоящее время рассматриваются как обязательный и ключевой этап очистки сточных вод производства хлебопекарных дрожжей. Они способны обеспечить 60-75 % удаления ХПК, практически не влияя при этом на цветность и слабо снижая концентрацию общего азота, следовательно, их следует дополнять технологиями доочистки анаэробных эффлюентов, ряд из которых кратко рассматривается ниже.

Наиболее распространенный и дешевый способ доочистки анаэробных эффлюентов – их аэробная биологическая обработка. Как правило, используются сооружения с активным илом – традиционные аэротенки и получившие распространение в последнее время периодические реакторы последовательного действия (SBR). Аэробная доочистка обеспечивает удаление ХПК и общего азота на 43-75 и 25-73 % соответственно. Очищенный сток обычно соответствует нормам приема производственных сточных вод и системы канализации населенных пунктов.

Определенные трудности при очистке сточных вод дрожжевых заводов возникают из-за наличия в них красящих веществ свекловичной мелассы, которые биологически трудно разлагаемы. Как результат, при анаэробной и аэробной обработках цветность сточных вод снижается недостаточно. Поэтому в случае строгой регламентации для сбрасываемых стоков иногда необходима дальнейшая их обработка, направленная на снижение их цветности, остаточного бионеразлагаемого ХПК, общего фосфора и ряда других компонентов. В этих случаях, как правило, применяют физико-химические методы.

При использовании таких известных коагулянтов, как хлорид железа и сульфат алюминия, удаление ХПК и снижение цветности крайне невысоко (-10%) при обычно применяемых на практике концентрациях (250 мг/л). Эффект заметно повышался (до 80-85%) при увеличении концентрации этих коагулянтов до 4 г/дм³, однако применение последних в таких дозах вряд ли экономически целесообразно, да и образующиеся большие количества плохо обезвоживаемого осадка требуют дополнительных инвестиций по его утилизации.

Более дешевый коагулянт (негашеная известь), при его оптимальной дозе (10 г/дм³) позволяет получить снижение цветности ХПК и образующего фосфора (68,8 и 99,0% соответственно) в эффлюентах, полученных после анаэробно-аэробной обработки дрожжевого стока. Подобные результаты по снижению цветности получили при использовании озонирования (доза озона 3,2 г/дм³ стока при времени обработки 15 мин). Однако проведенные расчеты показали, что стоимость такой доочистки высока (1,3-1,4 и 2,5 долларов США за 1 м³ стока для обработки известью и озоном соответственно). Более глубокая деколоризация, отвечающая стандартам сброса, может быть достигнута при дозе озона 5,34 г/дм³ стока и времени обработки 30 мин. Однако увеличение дозы озона ведет к повышению стоимости доочистки до 2,83 долларов США за 1 м³ стока.

В последнее время как альтернатива доочистки биологически обработанных стоков дрожжевых производств рассматривается использование мембранных технологий. Исследовали применение обратного осмоса с двумя типами мембран – для солоноватых и морских вод. Оба типа мембран обеспечивали более чем 95 % снижения ХПК, цветности и электрической проводимости в пермеате, при этом не наблюдалось серьезных проблем с забиванием мембран. Стоимость такой доочистки составляет 0,64-0,97 долларов США за 1 м³ стока.

После гельфильтрационных исследований было обнаружено, что наибольший вклад в цветность такого стока вносят вещества с молекулярной массой меньше чем 180 кДа. Среди различных комбинаций микро-, ультра-, и нанофильтрационных мембран наилучшие результаты были получены при использовании следующей последовательности – микрофильтрационная мембрана с диаметром пор 0,8 мкм и нанофильтрационная мембрана с диаметром пор, пропускающим молекулы с массой менее 400 Да. В этих условиях обеспечивалось удаление 72 % ХПК и 89 % цветности из анаэробного эффлюента со следующими характеристиками: ХПК – 4 г/дм³, цветность – 11 000 ед. Пермеат был почти бесцветным и удовлетворял нормам сброса. Концентрат можно использовать на корм для животных после предварительного высушивания.

Таблица 4.14

Сравнительная оценка эффективности анаэробных биореакторов различных конструкций

Отдельную проблему при очистке такого рода стоков представляет снижение содержания азота и фосфора до нормативных значений.

В большинстве случаев азот удаляется биологическим способом путем нитрификации и денитрификации, фосфор – реагентными и безреагентными методами. Рсагентное удаление фосфора позволяет достигнуть более низкой концентрации фосфора в очищенной воде, но связано с высокими эксплуатационными затратами.

В традиционных системах биологической очистки, работающих в режиме нитрификации – денитрификации, удаляется 10-30% азота и фосфора, что не позволяет обеспечить норматив предельно допустимого сброса (ПДС). Эффективность очистки 70-90% можно достичь, если использовать биотехнологии нитри- и денитрификации и биологической дефосфотации. Указанные методы могут совмещаться с традиционной очисткой в аэротенках путем создания в них наряду с аэробными зонами дополнительных аноксидных и анаэробных зон.

Реализация этого способа связана с созданием в аэротенке трех зон:

• аэробной, где протекают процессы аэробной очистки от органических веществ, нитрификации (биоокисление аммонийного азота до нитратного) и джефосфотации (быстрое потребление фосфатов фосфорными бактериями);
• аноксидной, где происходит процесс денитрификации. Аноксидные условия создаются в результате замены аэрации на механическое перемешивание или за счет низкой (минимально допустимой для предотвращения осаждения активного ила) интенсивности аэрации;
• анаэробной, где идет сбраживание органических веществ до ацетата, который потребляется фосфорными бактериями с выделением в среду фосфатов.

Принципиальные схемы биологического удаления соединений азота и фосфора из сточных вод представлены на рис. 4.12.

Рис. 4.12. Принципиальная схема биологического удаления азота и фосфора: I – UCT; II–АА/О

Первая схема (I) представляет собой анаэробно-аноксидную цепочку блоков биологической очистки с двумя перекачками ила: сначала из вторичного отстойника в аноксидную часть для денитрификации ила, а затем из конца аноксидной зоны в анаэробную часть. По второй схеме (II) возвратный активный ил сразу перекачивается в анаэробную зону вместе с содержащимися в нем нитратами. Первая схема известна под названием UCT, вторая – АА/О. Характеристика сточных вод представлена в табл. 4.15.

Таблица 4.15

Характеристика сточных вод до и после биологической очистки

Аэрационное оборудование фирмы «Креал» предусматривает создание аноксидных условий за счет низкой интенсивности аэрации и представляет собой аэрирующие модули, состоящие из полиэтиленовых труб, на которых через лавсановые тройники попарно крепятся пористые аэраторы. Изменяя расстояние между аэраторами, можно варьировать интенсивность аэрации в широком диапазоне, обеспечивая оптимальный кислородный режим.