Оценка экологической эффективности внедрения технологии анаэробно-аэробной очистки сточных вод молокоперерабатывающего предприятия

Молочная промышленность широко развита во всем мире и обеспечивает производство множества пищевых продуктов (молоко, сухое молоко, масло, сыр и др.). При этом образуются достаточно большие объемы твердых и жидких отходов [1, 2], в связи с чем переработка молока является одним из главных источников концентрированных сложных по составу сточных вод [3], что обусловлено высоким показателем водопотребления предприятий, высокой биологической и химической потребностью сточных вод в кислороде, большим содержанием белков, жиров, лактозы, а также детергентов и дезинфицирующих средств. Без правильно организованной очистки такие воды могут вызвать серьезные экологические проблемы при поступлении в окружающую среду [4, 5].

В настоящее время среди регионов России Приволжский федеральный округ является лидером по производству молока. На его долю приходится практически треть от всего объема производимого в России сырья – около 9,5 млн. тонн. Республика Татарстан – крупнейший производитель сырого молока в России, в 2019 году

объем производство молока в регионе достиг 1350 тыс. тонн (+ 4,2% к 2018 году), при этом объем переработки молока вырос на 11,6% до 1010 тыс. тонн. В ТОП-100 молокоперерабатывающих заводов РФ вошло восемь из 38 предприятий из Татарстана, которые переработали 661,9 тыс. тонн молока, что составляет 65,53% от объема переработки молока в РТ, или 3,34% объема переработки в РФ [6].

Реализуемая в настоящее время в России Федеральная программа «Оздоровление Волги» национального проекта «Экология» предусматривает сокращение ежегодного сброса неочищенных сточных вод в реку Волга на 2,8 км3, что требует строительства новых и реконструкции действующих очистных сооружений (Федеральный проект «Оздоровление Волги» разработан в рамках национального проекта «Экология» в соответствии с Указом Президента Российской Федерации от 7 мая 2018 г. № 204 «О национальных целях и стратегических задачах развития Российской Федерации на период до 2024 года»). Высокая опасность для водных биоценозов реки Волги и ее притоков сброса не очищенных и недостаточно очищенных сточных вод молокоперерабатывающих предприятий повышает актуальность разработки технологий их очистки, в том числе и в Республике Татарстан.

Известно, что в аэробных условиях достаточно сложно добиться высокой эффективности очистки сточных вод молокоперерабатывающих производств. Их эффективная очистка требует использования методов, обеспечивающих удаление или предварительную трансформацию присутствующих в них органических веществ. В ранее опубликованных работах показано, что анаэробные процессы являются предпочтительными методами переработки органических отходов и очистки сточных вод пищевых предприятий по сравнению с аэробными [7-12].

Однако любая разработанная биотехнология очистки сточных вод требует оценки экологической эффективности от внедрения, для чего должны быть проведены расчеты предотвратимого экологического ущерба.

С этой целью в данной статье мы проводим оценку экологической эффективности внедрения разработанной биотехнологии анаэробноаэробной очисти сточных вод действующего в Республике Татарстан молокоперерабатывающего предприятия.

Кроме того, представлены результаты расчета энергетической эффективности функционирования установки анаэробно-аэробной очистки сточных вод с получением климатически нейтрального топлива – биогаза.

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ

Предотвращённый экологический ущерб от загрязнения окружающей среды представляет собой оценку в денежной форме возможных отрицательных последствий загрязнения природной среды, которые удалось избежать или минимизировать в результате осуществления природоохранных мероприятий на проектируемом объекте.

Оценка величины предотвращенного ущерба от загрязнений водной среды проводилась на основе показателей удельного ущерба, представляющих собой удельные стоимостные оценки ущерба на единицу (1 условную тонну) приведенной массы загрязняющих веществ [13-15].

Согласно этой методике расчета общая величина ущерба от загрязнения водоема определяется в соответствии с выражением [13]:

Y = y.o_k.M , (1)

где У – ущерб, наносимый окружающей среде сбросами в водоемы вредных веществ, руб./год;

γ – удельный ущерб, причиняемый народному хозяйству сбросом в водоемы одной условной тонны загрязняющих веществ, γ = 4000 руб./ усл.т;

σ _k – показатель относительной опасности загрязнения водоема или его участка. Для водохозяйственных участков Татарстана значения константы σ _k = 0,5.

М – приведенная масса сбрасываемых в водоемы веществ (усл.т/год).

Приведенная годовая масса загрязняющих веществ может быть рассчитана по формуле:

M= ∑ A.m , (2)

где Ai – показатель относительной опасности сброса в водоем i-го вещества, усл.т/т;

mi – масса годового сброса в водоем i-го вещества, т/год.

Значение Ai связано с величиной ПДКвр i соотношением:

А 1 =

пдквр1

где ПДКвр i – предельно допустимая концентрация i-го загрязнителя в воде рыбохозяйственных объектов, мг/л.

Количество поступающего в водохозяйственный участок i-го загрязнителя зависит от объема годового сброса сточных вод источниками загрязнения и от концентрации i-го загрязнителя в источниках загрязнения:

где cij – концентрация i-го загрязнителя в j-м источнике загрязнения г/м3;

Vij – годовой сброс i-го загрязнителя j-м источником загрязнения, м3/год.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

В качестве исходных были приняты характеристики реальных сточных вод действующего молокоперерабатывающего завода, параметры которых были использованы при моделировании и разработке биотехнологии очистки сточных вод. Средний суточный объем образующихся сточных вод составляет 200 м3, годовой объем промышленных стоков 71 000 м3.

Исходные данные для расчета эколого-экономического эффекта при использовании анаэробного метода очистки сточных вод представлены в таблице 1 [14-17].

Далее рассчитали показатели относительной опасности сброса, массы годового сброса в канализацию, приведенной массы годового сброса данного загрязняющего вещества и предотвращенного эколого-экономического ущерба по формулам 1-4. Результаты расчета предотвращенного эколого-экономического ущерба до и после проведения водоохранных мероприятий представлены в таблице 2 и 3.

Результаты расчета предотвращенного эколого-экономического ущерба представлены в таблице 4.

Расчет энергетического потенциала сточных вод предприятия по переработке цельного молока производился с учетом следующих исходных данных [18] для предприятия:

• -    средний годовой объем сточных вод предприятия = 71 тыс.м³;

• -    средняя загрязненность сточных вод по ХПК – 3800 г О₂/м³;

• -    эффективность очистки на анаэробной ступени – 90%;

Таблица 1. Исходные данные для расчета эколого-экономического эффекта

Состав сточных вод	Концентрация в сточных водах, мг/дм 3
	до очистки C i,i	после очистки C i,2	ПДК вр i
Взвешенные вещества	1426,00	9,0	10,0
ХПК	3799	35,0	30,0
БПК полн.	2137,17	3,0	3,0
[NH 4+ ]	76,15	1,5	2,0
NO 2-	1,34	0,06	0,08
АСПАВ	0,58	<0,1	0,1

Таблица 2. Приведенные массы годового сброса до биоочистки сточных вод

Компоненты сточных вод	Показатель относительной опасности сброса A i , усл. т/т	Масса годового сброса в канализацию m i,i = C i,i ^V, т/год	Приведенная масса годового сброса данного загрязняющего вещества M i,i = A i -m i,i , усл.т/год	Ущерб У 1 , руб./год
Взвешенные вещества	0,10	101,25	10,12	20249,20
ХПК	0,03	269,73	8,99	17981,93
БПК полн.	0,33	151,74	50,58	101159,38
[NH 4+ ]	0,50	5,41	2,70	5406,65
NO 2-	12,5	0,10	1,19	2378,50
АСПАВ	10	0,04	0,41	823,6
Итого Уц				147999,26

Таблица 3. Приведенные массы годового сброса после биоочистки сточных вод

Компоненты сточных вод	Показатель относительной опасности сброса A i , усл. т/т	Масса годового сброса в канализацию m i,2 = C i.2 ^V, т/год	Приведенная масса годового сброса данного загрязняющего вещества M i,2 = Army, усл.т/год	Ущерб У 2 , руб./год
Взвешенные вещества	0,10	0,64	0,06	127,80
ХПК	0,03	2,49	0,08	165,67
БПК полн.	0,33	0,21	0,07	142,00
[NH 4+ ]	0,50	0,11	0,05	106,50
NO 2-	12,5	0,00426	0,05	106,50
АСПАВ	10	0,0071	0,07	142,00
Итого У 2 :				790,47

Таблица 4. Результаты расчета предотвращенного эколого-экономического ущерба

Параметр У, руб./год		Предотвращенный экологоэкономический ущерб, У 1 - У 2 , руб./год
До мероприятий У 1 , руб./год	После мероприятий У 2 , руб./год
147999,26	790,47	147208,80

• -    выход метана – 0,350 м³/кг ХПК;

• -    теплотворная способность метана – 3,6·10⁷ Дж/м³;

• -    теплотворная способность условного газообразного топлива – 2,9·10⁷ Дж/м³_.

В масштабах Республики Татарстан по итогам 2020 года объем производства молока составил свыше 1,9 млн. т, объем переработки молока – 1 млн. т в июле 2020 г. Среднее водо- потребление – 5,6 м3 воды/т молока. Расчетный объем сточных вод предприятий молокоперера-ботки – 5,6 млн. т в год.

Таким образом, в случае внедрения анаэробных биотехнологий на молокоперерабатывающих предприятиях Республики Татарстан энергетический потенциал сточных вод составит 5,3 млн. кубометров условного газообразного топлива в год (табл. 5, 6).

Таблица 5. Результаты расчета образования метана на действующем предприятии

Объем образующихся сточных вод		ХПК	Степень очистки	Выход СН 4	ХПК потребленный	Продукция СН 4 в год	Продукция условного топлива
сутки	год
м 3	м 3	кг/м 3		м 3 /кг	кг в год	м 3 в год	м 3 в год
200	71000	3,8	0,90	0,35	242 820	84987	66713

Таблица 6. Результаты расчета образования метана на предприятиях Республики Татарстан

Объем образующихся сточных вод	ХПК	Степень очистки	Выход СН 4	ХПК потребленный	Объем СН 4 в год	Объем условного топлива
м 3 в год	кг/м 3		м 3 /кг	кг в год	м 3 в год	м 3 в год
5600000	3,8	0,90	0,35	19152000	6703200	5261898

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведенные расчеты показывают, что годовой экологический эффект от внедрения разработанной анаэробно-аэробной биотехнологии очистки сточных вод молокоперерабатывающего предприятия составит 147208,80 руб.

При внедрении анаэробной биотехнологии очистки сточных вод на обследованном предприятии объем образующегося альтернативного климатически нейтрального источника энергии биогаза может составить до 66 тысяч кубометров в год, а в масштабах Республики Татарстан – до 5,3 млн. кубометров условного топлива в год.