Сточные воды мясоперерабатывающих производств представляют собой сложные многокомпонентные системы и характеризуются как высококонцентрированные по содержанию органических загрязнений, к которым относятся в основном кровь, частицы мяса, жиры, кожа, навоз, каныга, шерсть, остатки продукции. К неорганическим загрязняющим компонентам относятся песок, глина, моющие средства, нитраты и хлориды натрия. Все стоки мясопереработки включают производственные и бытовые сточные воды.
По виду загрязняющих веществ и их содержанию все сточные воды мясоперерабатывающих комбинатов можно разделить на шесть основных потоков, которые представлены в табл. 1.
Из общего объема сточных вод объем производственных стоков составляет 70–75 %, не содержащих жир – 4–8 %, а условно чистых – 14–18 % [1, 2].
Содержание взвешенных веществ в стоках варьируется в значительных пределах – от 500 до 7300 мг/дм3. По фазово-дисперсному составу взвешенные вещества можно разделить на несколько групп: грубодисперсные взвеси, на долю которых приходится 20 % от общего количества, надколлоидные – около 40 %, коллоидные – около 20 % и растворимые примеси 20 %. Более 70 % загрязняющих веществ представляют собой жиро-белковые комплексы, подверженные аэробным процессам окисления, что сопровождается образованием летучих веществ с неприятным запахом [3–5]. Кроме того, наличие в стоках компонентов крови придают им высокую цветность – от темно-серого до красно-бурого [6].
При поступлении сточных вод мясоперерабатывающих предприятий в канализационную сеть органические вещества склеивают загрязнения и прилипают к стенкам каналов, что приводит к снижению скорости потока и образованию застоев. Кроме того, в подобных стоках содержится большое количество особо опасных патогенных микроорганизмов – кишечная палочка, яйца глистов, сибирская язва и др. Таким образом, сброс таких вод в городскую канализацию или природные объекты без надлежащей очистки является недопустимым правонарушением.
Доведение концентрации загрязняющих веществ до законодательно установленных нормативов осуществляют на очистных сооружениях (рис. 1), включающих несколько этапов (табл. 2) [7].
Для ускорения осветления стоков и формирования осадка из взвешенных веществ при отстаивании или повышения эффективности флотационных установок используют физико-химические процессы коагуляции и флокуляции, что предполагает использование соответствующих реагентов – коагулянтов (соединений железа и алюминия) и флокулянтов (высокомолекулярных органических соединений). В работе [8] показано, что наиболее предпочтительно применение хлорного железа, поскольку высокая эффективность (95 %) достигается в широких диапазонах расхода и уровня рН среды, однако данный коагулянт обладает сильным корродирующим эффектом. Результаты исследований, представленные в работе [9], показали, что наилучший результат получен при использовании в качестве коагулянта Al2(SO4)3 c расходом 50 мл/дм3 без корректировки рН. Однако при этом отмечается высокое содержание остаточного алюминия – 0,41 мг/дм3.
Рис. 1. Типовая схема очистных сооружений мясоперерабатывающих предприятий
Таблица 1
Классификация сточных вод мясокомбинатов
|
№ п/п |
Источник образования |
Основные компоненты |
|
I |
Предубойные загоны |
Навоз, супеси, суглинки, остатки комбикормов |
|
II |
Убойные цеха |
Каныга, жир, кровь, кусочки живой ткани |
|
III |
Цех разделки и переработки мяса |
Органические загрязнители – жир, кровь, шерсть, шкура; неорганические – преимущественно нерастворимые примеси. |
|
IV |
Смесь – санитарная бойня, изолятор, карантин |
Жир, кровь, остатки ткани, шерсть, патогенная микрофлора |
|
V |
Остальные стоки комбината, включая производства медицинских и технических препаратов |
Моющие средства, хлористый натрий, сегменты живой ткани |
|
VI |
Котельные и силовые установки, теплообменные аппараты, вакуум-насосы |
Условно чистые стоки – незагрязненные. |
Таблица 2
Этапы очистки стоков мясоперерабатывающей промышленности
|
Наименование этапа |
Характеристика процесса очистки |
|
Механическая очистка |
Использование усреднителей, решеток и жироуловителей |
|
Реагентная обработка |
Использование химических реагентов для извлечения растворенных и коллоидных загрязнителей |
|
Флотационная обработка |
Обволакивание пузырьками воздуха хлопьев с загрязняющими веществами и образование слоя пены на поверхности воды |
|
Биологическая очистка |
Удаление органических соединений с использованием аэробных и анаэробных микроорганизмов |
|
Обеззараживание |
Использование озоновой и ультрафиолетовой дезинфекции для дальнейшего сброса в водоем |
В качестве коагулянтов все чаще используются комбинированные коагулянты-флокулянты, полученные в результате кислотной модификации железо- или алюминий-содержащих материалов как природного, так и техногенного происхождения [10, 11].
Известно получение железо-алюминий-содержащих коагулянтов путем выщелачивания оксидов железа и алюминия из глины и золы раствором серной кислоты в условиях повышенных температур (100–120 °С) [12].
В работе [13] проведена оценка эффективности применения алюмосиликатного коагулянта, полученного в результате разложения нефелинового концентрата 20–30 %-ным раствором серной кислоты. Показано, что полученный реагент эффективен при осаждении тонких взвесей буровых глин, взвесей из сливов флотомашин и оборотной воды апатитового производства и может быть использован для очистки промышленных и коммунальных сточных вод.
Ранее проведенные исследования [14, 15] показали эффективность использования железокремниевого флокулянта-коагулянта (ЖКФК) – продукта кислотной модификации шлака ОЭМК для очистки модельных эмульсий. Показано, что в качестве модификатора использовали 1Н раствор серной кислоты. И полученный порошкообразный реагент обеспечивает эффективность очистки модельной эмульсии 99,3 %.
Цель исследования – рассмотрение возможности использования реагента, полученного в результате кислотной модификации саморассыпающегося электросталеплавильного шлака, для очистки реальных стоков цеха убоя мясоперерабатывающего предприятия.
Материалы и методы исследования
В качестве объекта исследования использовали высокоосновный, саморассыпающийся шлак электросталеплавильного производства Оскольского электрометаллургического комбината (ОЭМК) (г. Старый Оскол), полученный по гидравлической технологии охлаждения.
Таблица 3
Химический состав шлака ОЭМК
|
Содержание, мас. % |
Модуль основности, Мо |
||||||
|
CaO |
SiO2 |
Al2O3 |
Feобщ. |
MnO |
MgO |
Cr2O3 |
|
|
40,0– 48,3 |
20,0– 27,2 |
2,3– 6,3 |
7,0– 15,5 |
0,5– 6,0 |
6,0– 12,0 |
0,1– 2,0 |
1,7–2,0 |
Гидравлическая технология охлаждения, использующаяся в настоящее время на комбинате, основана на распылении воды после первичной кристаллизации шлака (при достижении температуры поверхности расплава около 600–650°С) с целью интенсификации процесса охлаждения. В результате чего происходит комкование частиц шлака с образованием смеси из пылевидных частиц и крупных конгломератов. Химический состав и некоторые технологические свойства шлака представлены в табл. 3 и 4.
Таблица 4
Технологические характеристики шлака ОЭМК
|
Показатель |
Значение |
|
Истинная плотность частиц, кг/м3 |
3200 |
|
Содержание (СаО+MgO)актив., % |
2,4–3,6 |
|
Удельная поверхность, м2/кг |
170–210 |
Шлак ОЭМК относится к саморассыпающемуся, подверженному в процессе охлаждения полиморфному превращению двухкальциевого силиката (C2S) из β- в γ-модификацию, что сопровождается увеличением объема кристаллической решетки на 13 %, приводит к растрескиванию и рассыпанию монолита шлака в порошок. Минералогический состав шлака по результатам рентгенофазового анализа представлен следующими основными минералами: γ-C2S (шеннонит), вюстит, периклаз, ферриты кальция, портлантид и некоторое количество свободной извести, что обеспечивает щелочную среду водной вытяжки (pH = 11,0–12,5). В качестве модифицирующего реагента использовали концентрированную серную кислоту. После модификации шлака полученный продукт подвергали сушке до постоянной массы при температуре не выше 55 °С, что обусловлено образованием сульфатов кальция различной степени обводненности в продукте модификации [14], далее измельчали до порошкообразного состояния и использовали в качестве комбинированного коагулянта-флокулянта. Минералогический состав продукта химической модификации шлака ОЭМК представлен на рис. 2.
Рис. 2. Результаты рентгенофазового анализа (РФА) продукта химической модификации шлака ОЭМК гидравлического охлаждения
Таблица 5
Химический состав сточной воды цеха убоя птицепереработки
|
ХПК, мг O/дм3 |
БПКполн, мг О2/дм3 |
Взвешенные вещества, мг/дм3 |
Жиры, мг/дм3 |
Цветность, град. |
Мутность, NTU |
|
7350 |
3420 |
310 |
21,5 |
6870 |
349 |
В результате кислотной обработки электросталеплавильного шлака ОЭМК гидравлического охлаждения происходит выщелачивание основных оксидов с образованием кристаллов дигидрата сульфата кальция, сульфата железа и коллоидной кремниевой кислоты. Коагуляция высокодисперсной кремнекислоты происходит на поверхности частиц двуводного гипса в момент его кристаллизации, что способствует формированию высокодисперсной структуры CaSO4·2H2O с высокой степенью аморфизации. Это позволяет использовать полученный реагент в качестве комбинированного флокулянта-коагулянта в системе очистки сточных вод сложного состава.
В качестве водной среды использовали сточную воду цеха убоя птицеперерабатывающего производства ЗАО «Приосколье» (Белгородская область), характеристики которой представлены в табл. 5.
Осветление сточных вод осуществляли методом отстаивания. Эффективность очистки оценивали по изменению мутности сточной воды. Фиксировали также динамику образования осадка в процессе отстаивания. Мутность водной среды до и после очистки определяли на портативном турбидиметре-мутномере HANNA H1 98307.
Результаты исследования и их обсуждение
Сточная вода цеха убоя птицеперерабатывающего производства характеризуется высокой цветностью и седиментационной устойчивостью. В пробах на протяжении всего отстаивания в течение нескольких часов отсутствовала четкая граница раздела осветленного слоя воды и осадка. Для ускорения процесса осветления воды и формирования осадка экспериментальным путем подбирали оптимальный расход комбинированного флокулянта-коагулянта. Исследуемый сток помещали в химические стаканы емкостью 500 см3, добавляли в качестве флокулянта-коагулянта различные массы модифицированного шлака (от 0,15 до 0,4 г), доводили значение рН среды до 8,5–9,0 единиц 2H раствором NaOH. Перемешивание осуществляли магнитной мешалкой – в течение первых двух минут быстрое перемешивание и еще восемь минут – медленное. Далее полученную смесь переливали в цилиндры и наблюдали за процессом коагуляции с течением времени.
Рис. 3. Зависимость эффективности очистки сточных вод от расхода реагента – модифицированного шлака ОЭМК
Рис. 4. Динамика изменения высоты осадка при использовании полученного комбинированного флокулянта-коагулянта с расходом 1 г/дм3, через: а) 2 минуты, б) 8 минут, в) 13 минут отстаивания
Через 60 мин отстаивания отбирали пробу с верхнего слоя воды на глубине 30 мм и определяли ее мутность, концентрацию взвешенных веществ. Оптимальной считалась доза реагента, при которой содержание взвешенных веществ в верхнем слое исследуемой воды после 60-минутного отстаивания было минимальным. Результаты эффективности очистки по взвешенным веществам представлены на рис. 3.
На основе полученных результатов можно сделать вывод, что максимальное значение эффективности очистки (87 %) достигается при добавлении в качестве флокулянта-коагулянта шлака ОЭМК, модифицированного серной кислотой, в количестве 0,25 г на 250 см3 сточной воды, что составляет 1 г/дм3.
На рис. 4 представлена динамика процесса коагуляции при оптимальном расходе флокулянта-коагулянта – 1 г/дм3. На рис. 4, а, отчетливо видно начало хлопьеобразования на второй минуте отстаивания стока в цилиндре и последующее осаждение взвешенных веществ. Окончание процесса коагуляции и формирование осадка происходит после 13 минут отстаивания (рис. 4, в).
Заключение
Полученные результаты позволяют рекомендовать использование реагента – продукта кислотной модификации саморассыпающегося сталеплавильного шлака в качестве комбинированного флокулянта-коагулянта для очистки многокомпонентных сточных вод птицеперерабатывающих предприятий.
Работа выполнена в рамках реализации федеральной программы поддержки университетов «Приоритет 2030» с использованием оборудования на базе Центра высоких технологий БГТУ им. В.Г. Шухова.