Сравнительная оценка эффективности коагуляционных методов при извлечении биологически активных компонентов из высококонцентрированных стоков

Мясо- и птицеперерабатывающие предприятия являются одними из самых крупных потребителей воды в сельскохозяйственных регионах. В то же время объем недостаточно очищенных сточных вод с такого производства с каждым годом возрастает, при этом показатель общей загрязненности – химическое потребление кислорода (ХПК) превышает оптимальный показатель на сброс – 600 мг О 2 /дм³.

Известно [1], что биохимическое окисление является основным способом при очистке стоков с перерабатывающих сельхозпродукцию предприятий, однако поступление на линию биологической очистки стоков с высоким содержанием биологически активных загрязнений (жиры – 56 мг/дм³; сырой протеин – 1,36%; взвешенные вещества – 780 мг/дм³; ХПК – 1200 мг/дм³ и БПК 5 350 мг/дм³) снижает эффективность работы очистных сооружений [2], возникает необходимость в проведении эффективного предварительного извлечения биологически активных веществ перед их подачей на линию биологической очистки.

В источнике [3] показано, что стоки мясо-и птицеперерабатывающих предприятий загрязнены биологически активными компонентами и характеризуются показателем: общей загрязненности ХПК в пределах 1800–12500 мгО 2 /дм³ и показателем биологического потребления кислорода (БПК) 650–5100 мгО 2 /дм³, при этом отмечаются высокие значения по взвешенным веществам – 410–12000 мг/дм³. Такие стоки относятся к высококонцентрированным и представляют практический интерес в качестве вторичных сырьевых ресурсов природного происхождения.

Использование в качестве реагента биофлокулянта, содержащего бактерии рода Pseudomonas Bacillus [4], и хлорида полиалюминия в концентрации 140 мг/дм3 [5] может обеспечить необходимую очистку и извлечь из стоков биологически активные вещества. Однако содержание химических реагентов обеспечивает необходимую степень очистки, но приводит к вторичному загрязнению стоков и извлекаемых загрязнений, что исключает их использование в качестве вторичных ресурсов.

Традиционный метод – физико-химическая коагуляция с использованием солей позволяет достичь необходимую степень предварительной очистки, при этом устраняет запахи, привкусы, работает при низких температурах и в широкой области рН среды, не требует больших площадей и высоких затрат. Наиболее оптимальными коагулянтами являются соединения железа и алюминия [6].

Процесс коагуляции хоть и является эффективным, но не позволяет достичь требуемых норм по качеству воды. Для достижения этих норм применяются дополнительные методы обработки в электрических полях [7].

Анализ научных разработок указывает на преобладание электрохимических методов извлечения биологически активных компонентов из высококонцентрированных стоков. Преимущества данного способа заключаются в эффективном извлечении загрязняющих веществ из стока за короткий промежуток времени, отсутствии вторичного загрязнения, универсальности как для органических, так и для неорганических соединений. Суть метода заключается в том, что для растворения материала анода используют электрохимическую деструкцию молекул воды с последующим получением гидрооксидов металлов [8].

Известно [9], что гидроксиды металлов обладают высокими сорбционными свойствами, в результате чего на их поверхности остаются извлекаемые частицы. На степень электрокоагуляции влияет состав электрода. Широко распространено использование алюминиевых электродов при извлечении загрязняющих веществ из стоков различного производства, в том числе химического [10]. Наиболее оптимальный металл при обработке пищевых стоков -железо или его соединения, а важными параметрами процесса являются: расположение электродов, величина градиента потенциала, объем обрабатываемой воды [11]. Также перспективным является использование электродов ОРТА и ОКТА [12].

Цель работы – сравнительный анализ эффективности очистки методами физикохимической коагуляции и электрокоагуляции сточных вод птицефабрики по показателям взвешенных веществ, сухому остатку и ХПК, являющихся высококонцентрированными.

Основная задача – извлечение биологически активных компонентов при минимальном вторичном загрязнении, выявление способа обработки сточных вод перед сбросом на линию биологической очистки.

Материалы и методы

Объектом исследования является сточная вода птицеперерабатывающего предприятия, в состав приоритетных загрязнителей которой входят: жиры, взвешенные вещества, органические соединения.

В качестве коагулянта использовался хлорид железа (III) FеСl 3 . Тип используемых электродов – железные растворимые.

Массу выпавшего до и после очистки осадка определяли путем взвешивания. Определение содержания взвешенных веществ проводили в соответствии с ПНДФ 14.1:2:4.254–2009. Количество сухого остатка определяли в соответствии с ПНДФ 14.1:2:4.261– 2010. Определение концентрации железа проводили в соответствии с ПНДФ 14.1:2:3.2–95. Для определения показателя химического потребления кислорода руководствовались ПНД Ф 14.1:2.100–97. Определение содержания хлоридов в анализируемых пробах проводили в соответствии с ПНД Ф 14.1:2:3.96–97. Определение содержания жиров в анализируемых пробах проводили в соответствии с ПНД Ф 14.1:2.122–97.

Результаты и обсуждение

С целью выявления оптимального метода извлечения биологически активных компонентов из высококонцентрированного стока птицеперерабатывающего предприятия было проведено сравнение методов физико-химической коагуляции и электрокоагуляци.

На первоначальном этапе провели подбор типа и дозировки коагулянта. В качестве целевого коагулянта был выбран хлорид железа (III) FеСl 3 в концентрации 0,75 г/дм³. Продолжительность коагуляции составила 1–2 мин, время оседания образовавшихся хлопьев 5–6 мин. Общее время коагуляции с момента добавления реагента до полного выпадения осадка не более 15 мин. В результате коагуляции наблюдалось светло-оранжевое окрашивание стока соединениями окисленного железа (таблица 1). Средняя эффективность по изучаемым показателям составила 60 ± 5%. Однако стоит отметить, что концентрация железа и хлоридов резко увеличилась, что может привести к вторичному загрязнению не только сточных вод, подающихся на биологическую очистку, но и осадка.

Таблица 1.

Показатели очистки стока коагуляцией при использовании FеСl 3 с концентрацией 0,75 г/дм³

Table 1.

Indicators of wastewater treatment by coagulation when using FеСl 3 with a concentration of 0.75 g/dm³

Показатель Indicator	До очистки Before treatment	После очистки After treatment	Эффективность, % Efficiency, %
Взвешенные вещества, мг/дм3 Susреndеdmаttеr, mg/dm3	1770,0	638,0	63,9
Сухой остаток, мг/дм3 Dryresidue, mg/dm3	1920,0	878,0	54,3
Железо, мг/дм3 Fеrrum, mg/dm3	1,75	2,78	-
ХПК, мгО 2 /дм3 COD, mgО 2 /dm3	1769,0	840,0	52,5
Хлориды, мг/дм3 Chlorides, mg/dm3	132,05	250,0	-
Жиры, мг/дм3 Fаts, mg/dm3	150,0	54,0	64,0

Для определения эффективности извлечения целевых компонентов из стока методом электрокоагуляции провели электролиз с использованием растворимого железного анода. Под действием электрического тока происходило растворение металла, наступала интенсивная коагуляция. При взаимодействии высвобожденного железа с гидрокси группами образовался гидрат оксида железа в виде хлопьев.

Электрокоагуляция осуществлялась при плотности тока 80–180 А/м2 и напряжении 6–9 В. Средняя эффективность по изучаемым показателям составила 70 ± 5% (таблица 2).

Таблица 2.

Показатели очистки стока электрокоагуляцией железными анодами

Table 2.

Indicators of wastewater treatment by electrocoagulation with iron anodes

Показатель Indicator	До очистки Beforetreatment	После очистки After treatment	Эффективность, % Efficiency, %
Взвешенные вещества, мг/дм3 Susреndеdmаttеr, mg/dm3	1770,0	460,2	74,0
Сухой остаток, мг/дм3 | Dryresidue, mg/dm3	1920,0	691,2	64,0
Железо, мг/дм3 | Fеrrum, mg/dm3	1,75	2,08	-
ХПК, мгО 2 /дм3 | COD, mgО 2 /dm3	1769,0	654,53	63,0
Хлориды, мг/дм3 | Chlorides, mg/dm3	132,05	132,0	-
Жиры, мг/дм3 | Fаts, mg/dm3	150,0	49,0	67,33

При исследовании влияния продолжительности электрокоагуляционной очистки было выявлено, что скорость извлечения биологически активных загрязнений имеет наибольшее значение в первые 10 мин, а дальнейшая обработка практически не оказывает влияния на эффективность извлечения.

Было установлено, что физико-химическая коагуляция с использованием хлорида железа (III) FеСl 3 в концентрации 0,75 г/дм³ и электрокоагуляция железными анодами эффективнее осуществляется в щелочной среде, наиболее высокие показатели были отмечены в пределах рН 9–10. Зависимость эффективности коагуляции и электрокоагуляции от рН среды по отношению к высококонцентрированному стоку, загрязненному биологически активными загрязнениями, по показателю ХПК представлена на рисунке 1.

Физико-химическая коагуляция / Physical and chemical coagulation

Электрокоагуляция / Electrocoagulation

Рисунок 1. Зависимость эффективности извлечения биологически активных компонентов от рН

Figure 1. Dependence of the efficiency of extraction of biologically active components on рН

Следует отметить, что содержание соединений железа в сточных водах при использовании электрохимической коагуляции составляло 2,08 мг/дм³, что на 34% ниже, чем после обработки стока хлоридом железа (III) FеСl 3 в концентрации 0,75 г/дм³. Концентрация хлоридов ожидаемо не изменилась.

Важным показателем эффективности извлечения биологически активных компонентов из высококонцентрированного стока птицеперерабатывающего предприятия является масса выпавшего осадка. В результате электрокоагуля-ционного извлечения образовалось осадка (3,53 г) на 43% больше, чем при физико-химической коагуляции (2,47 г), что может свидетельствовать о более высокой эффективности извлечения методом электрокоагуляции по отношению к физико-химической коагуляции.

Заключение

Значительный расход коагулянта, вторичное загрязнение сточных вод и осадков, сложность их хранения и последующей утилизации не позволяют рекомендовать химическую коагуляцию как метод извлечения биологически активных компонентов из высококонцентрированных сточных вод птицеперерабатывающего предприятия.

Метод электрокоагуляции может быть применен для обработки сточных вод, содержащих биологически активные компоненты. Компактность установок, снижение вторичного загрязнения, более высокая, чем у физикохимической коагуляции, эффективность позволяют рекомендовать электрокоагуляцию как метод извлечения биологически активных компонентов из высококонцентрированных стоков птицеперерабатывающего предприятия.