Научный журнал

Успехи современного естествознания

ISSN 1681-7494

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 0,775

• Авторы
• Резюме
• Файлы
• Ключевые слова
• Литература

Старостина И.В. 1 Локтионова Е.В. 1 Порожнюк Л.А. 1 Лупандина Н.С. 1 Кирюшина Н.Ю. 1 Писклов М.А. 1 Лушников А.С. 1

---

1 ФГБОУ ВО «Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова»

На сегодняшний день для всего человечества актуальна проблема очистки сточных вод мясо- и птицеперерабатывающей промышленности. Более 70 % загрязняющих веществ сточных вод мясокомбинатов представляют собой жиро-белковые комплексы, подверженные аэробному окислению и образованию веществ, обладающих скверным запахом. Концентрация взвешенных веществ производственных стоков может достигать 7300 мг/дм3. Рассмотрена возможность использования реагента, полученного в результате кислотной модификации саморассыпающегося электросталеплавильного шлака. В качестве модифицирующего реагента использовали концентрированную серную кислоту. Модифицированный продукт подвергали сушке до постоянной массы при температуре не выше 55 °С, а затем измельчали до порошкообразного состояния. 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 железокремниевого флокулянта-коагулянта в системе очистки сточных вод многокомпонентного состава. Железо-кремниевый коагулянт-флокулянт использовали для очистки сточных вод цеха убоя птицеперерабатывающего производства ЗАО «Приосколье» с химическим потреблением кислорода (ХПК) 7350 мг/дм3 и начальной мутностью 349 NTU. Окончание процесса коагуляции и формирование осадка происходит после 13 мин отстаивания. Показано, что полученный реагент при расходе – 1,0 г/дм3 обеспечивает эффективность очистки сточных вод 87 %.

Статья в формате PDF

468 KB

многокомпонентные сточные воды

птицеперерабатывающее производство

агропромышленный комплекс

сталеплавильный шлак

железокремниевый флокулянт-коагулянт

1. Пальгунов Н.В., Абрамов А.Н. Очистка сточных вод мясоперерабатывающих заводов // Экология и промышленность России. 2000. № 16. С. 4–6.

2. Натынчик Т.М., Левшук О.Н., Засимович Т.И. Значение и уровни очистки сточных вод на мясоперерабатывающих предприятиях // Инновационные подходы в ветеринарной и зоотехнической науке и практике: материалы Международной научно-практической интернет-конференции (Ставрополь, 1–5 февраля 2016 г.). Ставрополь, 2016. С. 518–524.

3. Боковикова Т.Н., Пирузян А.В., Марченко Л.А., Найденов Ю.В. Сравнительная оценка возможности применения различных сорбентов для очистки производственных сточных вод мясоперерабатывающих предприятий // Известия вузов. Северо-Кавказский регион. Технические науки. 2009. № 6. С. 102–105.

4. Собгайда Н.А., Данилова Е.А. Очистка сточных вод малых предприятий мясоперерабатывающей промышленности // Экология и промышленность России. 2005. № 2. С. 18–20.

5. Степанов С.В., Беляков А.В. Очистка сточных вод предприятий пищевой промышленности с применением модульных очистных сооружений высокой заводской готовности // Традиции и инновации в строительстве и архитектуре. Строительные технологии / Под ред. М.В. Шувалова, А.А. Пищулева, А.К. Стрелкова. Самара: Издательство Самарский государственный технический университет, 2020. С. 231–243.

6. Комаров В.И., Мануйлова Т.А. Проблемы экологии в пищевой промышленности // Экология и промышленность России. 2002. № 11. С. 4–7.

7. Сатыбалдиева Д.К., Намазбекова Ж.Б. Очистка сточных вод мясоперерабатывающих предприятий // Вестник Кыргызского государственного университета строительства, транспорта и архитектуры им. Н. Исанова. 2014. № 4. С. 77–80.

8. Махлай К.А., Цейтлин М.А., Райко В.Ф. Очистка сточных вод убойного цеха птицефабрики коагуляцией // Вiсник НТУ «ХПI». 2019. № 10 (1335). С. 101–108.

9. Степанов С.В., Солкина О.С., Авдеенков П.П., Беляков А.В., Степанов А.С. Механические и физико-химические методы очистки сточных вод рыбоперерабатывающей промышленности // Градостроительство и архитектура. 2021. Т. 11. № 1 (42). С. 63–71.

10. Vasilenko T.A., Koltun A.A. Chemical aspects of the obtaining of iron-containing coagulant-flocculant from electric steel melting slag from wastewater treatment. Solid State Phenomena. 2017. T. 265. P. 403–409.

11. Свергузова С.В., Сапронова Ж.А., Святченко А.В. Технология получения железосодержащего коагулянта из отходов сталеплавильного производства для очистки ливневых вод // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. 2016. № 12. С. 160–164.

12. Ханин А.Б., Иванов А.Д., Будыкина Т.А. Способ получения коагулянта // Патент № 2 122 975. 1998. Заявка 97103975/25.

13. Веляев Ю.О., Майоров Д.В., Матвеев В.А. Исследования эффективности применения алюмосиликатного коагулянта на основе нефелина // Водоснабжение и санитарная техника. 2013. № 3–1. С. 32–37.

14. Старостина И.В., Кирюшина Н.Ю., Локтионова Е.В., Матушкина А.В. Получение железокремниевого флокулянта-коагулянта из отхода металлургического производства и его применение в процессе очистки эмульгированных сточных вод // Экология и промышленность России. 2022. Т. 26. № 7. С. 20–25.

15. Старостина И.В., Пендюрин Е.А., Локтионова Е.В., Лушников А.С., Матушкина Э.В. Использование композиционного флокулянта-коагулянта, полученного на основе сталеплавильного шлака, для очистки модельных эмульсий личиночного масла мухи Черная львинка (Hermetia illucens) // Наукоемкие технологии и инновации (XXIV научные чтения: сборник докладов Международной научно-практической конференции (Белгород, 21–22 октября 2021 г.). Белгород: Изд-во БГТУ, 2021. С. 333–340

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

Таблица 2

Этапы очистки стоков мясоперерабатывающей промышленности

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

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

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

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.

Библиографическая ссылка