Методология решения проблемы очистки стоков молокоперерабатывающих предприятий

Экологическая опасность сточных вод обусловлена, во-первых, большим количеством органических веществ, представляющие собой остатки молока и молочных продуктов, поступающие в основном от необходимых операций ополаскивания емкостного и технологического оборудования. Во-вторых, в сточные воды идут щелочные, кислотные и другие компоненты моющих растворов, то приводит к изменению показателя рН стоков от 3 до 10. Сброс таких стоков в сооружения биологиче- ской очистки приводит к полному отмиранию активного ила, который становится загрязнителем, подлежащим полной замене. При их попадании в подпочвенные или открытые водоемы происходит значительное снижение концентрации растворенного кислорода в воде, что делает их как минимум непригодными для водоснабжения.

Расход сточных вод, нормативно сбрасываемых молокоперерабатывающим предприятием, может составлять до 80–85% от объёма потребляемой воды питьевого качества [1,10].

Таблица 1.

Характеристики стоков, нормативных показателей сточных вод и питьевой воды Table 1.

Characteristics of wastewater, regulatory indicators of wastewater and drinking water

Показатель сточных вод км3 Wastewater indicator, km3	До очистки Aftertreatment [2]	После очистки After cleaning [2]	ПДК для сброса в канализацию MPC for discharge into the sewer [2]	Вода питьевая Drinking water [3]
Взвешенные вещества, мг/ дм 3 Suspended solids, mg/dm3	1500–2000	1000	300	40–50
Сухой остаток, мг/ дм 3 Dry residue, mg/dm3	1200–1800	1200	3000	800–1000
ХПК мг О 2 /дм 3 COD mgО 2 / dm3	2500–3000	1500	500	0
БПК полн, мг О2 /дм 3 BOD is full, mgО2 / dm3	1500–2000	1000	500	0
Жиры, мг/ дм 3 Fats, mg/dm3	1500–2000	1000	300	0
Фосфор общий, мг/ дм 3 Total phosphorus, mg/dm3	10–15	12	12	3–5
Азот общий, мг/ дм 3 Total nitrogen, mg/dm3	60–110	50	50	10–12
рН, ед.,	2–12	3–10 5–10	6–9	6–8

Анализ данных, представленных в таблице 1, показывает, что современные методы очистки сточных вод, применяемые на большинстве молочных заводов не соответствуют нормативам ПДК для сброса в канализацию и соответственно требуется применение дополнительных мер их обработки.

Анализ базовой структуры современной технологии очистки стоков молокоперерабатывающих предприятий (МПП) на заводских очистных сооружениях (ЗОС)

Производительность ЗОС определяется максимальными суточными и часовыми объемами сточных вод, периодичностью обработки и временем сброса, как правило, предусматривается их непрерывная работа до 16–20 часов в сутки. Поскольку из производственной технологии нельзя исключить процессы промывок емкостей и оборудования, то для нейтрализации используемых щелочных и кислотных реагентов, перед ЗОС стоки направляют в усреднитель-ную емкость объемом равным примерно 50% суточного расхода [19, 17].

Дисперсная фаза в стоках МПП состоит из механических примесей, эмульгированных и растворенных компонентов [8, 9, 13], прежде всего, это молочный жир, белковые соединения, углеводы, минеральный комплекс молока, некоторые витамины, а при наличии сыродельного производства и повышенное содержание соли. Следует отметить, что их соотношение может меняться в достаточно широких диапазонах даже для одного предприятия в течении суток, что значительно осложняет разработку технологии очистки таких жидких полидисперсных систем.

До подачи стоков в усреднитель традиционно на первом этапе очистки, используя отстойники, грубые фильтры, жиро- и песколовки, выделяют механические примеси и молочный жир – т. е. все, что может вывести из строя насосное и некоторое другое специальное оборудование, имеющее в составе рабочих органов прецизионные кинематические пары. Для реализации второго (основного) этапа очистки стоков в мировой практике используют уже специальное оборудование, как правило, в составе технологической линии, предусматривающей многовариантные комбинации следующих основных процессов: физикохимические, баро- и электромембранные, биологические аэробный или анаэробный [15,16]. Основные технические особенности и сравнительные экономические показатели этих методов приведены в таблице 2.

Таблица 2.

Технические особенности и сравнительные экономические показатели основных методов очистки стоков на ЗОС МПП [2]

Table 2.

Technical features and comparative economic indicators of the main methods of wastewater treatment for the conclusion of compliance with the MPP [2]

Удаление нерастворимых примесей Removal of insoluble impurities	Удаление эмульгированных примесей Removal of emulsified impurities	Удаление растворенных органических примесей Removal of dissolved organic impurities	Удаление растворенных минеральных примесей Removal of dissolved mineral impurities	Особенности применения Application Features	Капитальные затраты Capital expenditures	Эксплуатационные затрат Operating costs
Физико-химический метод | Physico-chemical method					Низкие Low	Высокие High
98–99%	80–85%	Частично	Нет No	Для локальной очистки For local cleaning
Ультра		ильтрация | Ultrafiltration			Средние Medium	Высокие High
98–99%	80–85%	Частично Partly	Нет No	Для концентрирования сыворотки To concentrate the serum
Обратный осмос | Reverse osmosis					Высокие High	Высокие High
Нет No	Нет No	Нет No	99,9%	После глубокой очистки от органических загрязнений After deep cleaning from organic contaminants
Биологический анаэробный | Biological anaerobic
Нет No	98–99%	98–99%	Нет No	После локальной очистки. Требуется доочистки от органических загрязнений After local cleaning. Additional cleaning from organic contaminants is required	Высокие High	Низкие Low
Биологический аэробный | Biological aerobic
80–90%	98–99%	98–99%	Нет No	После локальной очистки. Обеспечивает полное удаление органических загрязнений After local cleaning. Provides complete removal of organic contaminants	Высокие High	Низкие Low

Следует отметить, что в большинстве стран, занимающих высокие позиции на рынке переработки молока и производства высококачественной пищевой продукции, внедрение такой технологической структуры работы ЗОС даёт возможность очищать стоки МПП до уровня, допускающего их сброс в городской канализационный коллектор. Однако в условиях нашей страны такой подход к решению проблемы не находит практического применения по следующим основным причинам:

– разработка аппаратурно-технологической схемы очистки стоков требует индивидуального подхода применительно к условиям работы ЗОС почти каждого МПП, что сопряжено с высокими экономическими затратам;

– ни одно из отечественных МПП объективно не может иметь в своем составе достаточно оснащенное высококвалифицированными научными кадрами и соответствующим исследовательским оборудованием подразделение, способного выполнить необходимую НИР для разработки технологии очистки стоков;

– либеральная в отношении охраны окружающей среды политика не стимулирует МПП к поиску решения проблемы создания эффективных ЗОС [12].

В результате большинство отечественных МПП вынужденно идёт на сброс недостаточно очищенных стоков и соответственно экономические потери от штрафных санкций, часть из которых тем или иным способом включается в себестоимость готовой продукции. Что ведет к повышению отпускных цен на готовую продукцию, снижая покупательский спрос и обуславливая в конечном итоге снижение прибыли МПП. Образуется порочный круг, исключающий возможность самостоятельной высокозатратной разработки инновационных технологий силами и ресурсами даже крупного отечественного МПП. Очевидно, что в такой ситуации требуется найти нетривиальный подход к осмыслению стоящей, прежде всего, научной проблемы.

Предлагаемая методология решения проблемы очистки стоков МПП

С технологической точки зрения исходное сырьё, поступающее на МПП, представляет собой идеально сбалансированную систему – натуральное молоко. По определению не имеющее каких-либо пороков в своём составе или физико-химических свойствах. При правильном подходе к его переработке в целевые продукты переходят молочный жир (натуральное сливочное масло), часть белковой фракции (сырные и творожные изделия) [4, 7, 11, 20]. Всё остальное же, ещё на заре развития технологии молока опрометчиво названное отходами, часто попадало в канализацию, нанося тем самым непоправимый урон окружающей среде. На сегодняшний день каждый вид (сыворотка, пахта, ополоски) так называемых отходов справедливо относят ко вторичному, т. е. просто не полностью переработанному, но, тем не менее, ценному молочному сырью [5, 6, 18].

Рисунок 1. Концепция (фрагмент) глубокой переработки вторичного молочного сырья

Figure 1. The concept (fragment) of deep processing of secondary dairy raw materials

Переработку каждого вида вторичного молочного сырья в промышленном объеме следует рассматривать как направленное и управляемое воздействие на сложную биотехнологическую систему. И соответственно все виды такого воздействия следует разделить на две основные группы: предварительная очистка и окончательная обработка. Основа концепции глубокой переработки, вторичного молочного сырья схематично представлена на рисунке 1. Один из основных принципов построения предлагаемой концепции можно сформулировать следующим образом: вторичное молочное сырьё перед начальным этапом его глубокой переработки, предусматривающей фракционирование, должно быть стандартизовано. Необходимость соблюдения этого принципа обусловлена, прежде всего, базовыми условиями эффективного проведения технологических и особенно баромембранных процессов:

• –    использование стандартного, серийно выпускаемого оборудования;

• –    применение унифицированного ряда мембран с заданными показателями проницаемости по стандартному пермеату вторичного молочного сырья и селективности по сывороточным белкам;

  – исключение из состава пусконаладочных работ мероприятий, направленных на уточнение или адаптацию основных режимов эксплуатации баромембранного оборудования в зависимости от особенностей физикохимических показателей каждого вида используемого вторичного молочного сырья.

Для реализации этого принципа начальный этап последующей глубокой переработки вторичного молочного сырья, в том числе и молочной сыворотки, на основе применения мембранного оборудования, должен предусматривать проведение следующих технологических операций:

• –    пастеризация традиционным методом или санация с использованием микрофильтрационного оборудования;

• –    очистка от механических примесей, частиц казеина, молочного жира в поле центробежных сил, в том числе и при колебательном движении разделяемой системы;

  – выделение части белковой фракции тем или иным путем, например, добавлением в предварительно очищенную молочную сыворотку комплекса растительных полисахаридов (экстракт топинамбура) с последующим осаждением образовавшегося высокомолекулярного комплекса «сывороточные белки – полисахарид» [23].

Выбор способа предварительной обработки вторичного молочного сырья определяется его физико-химическими свойствами и требованиями технологии дальнейшей переработки, эффективность которой зависит от состава и степени использования действующего на предприятии оборудования [21, 22]. При этом возможно применение термокоагуляции, сорбции, хроматографии, мембранной фильтрации и т. д. Граничные условия варьирования способов и взаимовлияющих режимов каждой конкретной технологической операции необходимо устанавливать на основе комплекса показателей определяющих соответствие получаемого сырья требованиям «стандарта». Следует отметить, что реализация предложенной концепции сопряжена с решением (рисунок 2), требующего проведения экспериментальных исследований, следующих взаимосвязанных практических задач:

• –    обоснование состава и содержания основных показателей стандартизированного вторичного молочного сырья;

  – определение параметров проницаемости по пермеату, селективности по белку мембран и тип мембранного оборудования для очистки, например, молочной сыворотки.

Рисунок 2. Основной фрагмент содержания задач переработки вторичного молочного сырья и общая методика их решения экспериментальным путём

Figure 2. The main fragment of the content of the tasks of processing secondary dairy raw materials and the general method of solving them experimentally

Мамай Д.С. и др. Вестник ВГУИТ, 2022, Т. 84, №. 1, С. 214-221 Заключение

Примем ситовую модель баромембранного разделения любого вида вторичного молочного сырья и соответственно ультрафильтрацию в качестве первой стадии его переработки. Тогда содержание комплекса показателей «стандарта» будет определяться в первую очередь уровнем эффективности проведения процесса ультрафильтрационного разделения стандартизированного сырья. На этой основе сформулирован второй принцип, на котором базируется предлагаемая концепция: первый этап баромембранной очистки вторичного молочного сырья должен обеспечивать очистку пермеата от белков и молочного жира. Следование этому принципу позволит обеспечить благоприятные условия выделения лактозы из вторичного молочного сырья на последующих стадиях его глубокой переработки. То или иное сочетание этих процессов, прежде всего, зависит от стоимости технологий и необходимого для их реализации оборудования, объёмов сырья, требуемой глубины его переработки, а также рыночной цены готовой продукции