Озонирование и AOP для очистки сточных вод пищевой промышленности

Пищевая промышленность — один из наиболее требовательных секторов с точки зрения водоочистки, поскольку стоки содержат широкий спектр загрязнений. Традиционные методы не всегда обеспечивают нужный уровень очистки, поэтому всё чаще применяют передовые технологии. Озонирование зарекомендовало себя как надежный способ дезинфекции, снижения цветности и устранения запаха, а AOP (Advanced Oxidation Processes) позволяет целенаправленно разрушать трудноокисляемые органические вещества. В статье мы рассмотрим особенности применения этих методов, их эффективность в отношении типичных для отрасли загрязнителей и практические аспекты интеграции в существующие очистные схемы компаний. 

Источники и состав сточных вод пищевых производств

Стоки пищевой промышленности нельзя рассматривать как один тип. Разные производства дают принципиально разные составы. Промышленность использует большие объемы воды для самых разных целей:

• охлаждение, очистка;
• в качестве сырья;
• для приготовления пищи и растворения веществ;
• для транспортировки по конвейеру и т. д.

Количество и состав значительно варьируются. Обычно стоки включают большое количество взвешенных твердых частиц, азота в различных химических формах, жиров и масел, фосфора, хлоридов и различных органических веществ.

Сток после должной очистки может использоваться в качестве технологической и охлаждающей воды, для питания котлов. Перспективным выглядит использование обработанных стоков для орошения плантаций. Поэтому оптимизация потребления воды и повторного использования стоков имеет большое значение.

Молочная промышленность

Сточные воды молочной промышленности отличаются высоким содержанием органики.

Примеры показателей до очистки представлены в таблице ниже.

Обычно очистка осуществляется биологическими методами, такими как процесс активного ила и анаэробные фильтры, хотя аэробные биологические процессы требуют больших энергетических затрат, а анаэробные — дополнительной обработки. Озонирование с облучением и ионами железа показывает хорошие результаты (снижение ХПК на 95%).

Мясоперерабатывающие предприятия

Сточные воды мясопереработки содержат высокие концентрации жира, сухих отходов, осадков и общего количества взвешенных частиц, а также азота и хлоридов, обладая при этом высоким биологическим и химическим потреблением кислорода. Сложные смеси органических остатков, крови и питательных сред требуют быстрой деградации органики и подавления неприятных запахов. 

Ниже представлена удельная норма отведения сточных вод скотобойни и нагрузки загрязнения.

Пахучие загрязняющие вещества в сточных водах пищевых производств

Обработка методом флотации растворенным воздухом в сочетании с фото-Фентон-процессом или озонированием с добавлением ионов железа и облучением обеспечивает наилучшее удаление ХПК, оптимальные показатели цвета, мутности и общего содержания твердых веществ.

Виноделие

В винодельческой промышленности образуются сильно загрязненные органическими веществами (в т.ч. фенолами и полифенолами) стоки. Они содержат сахара, этанол, органические кислоты, альдегиды, другие продукты микробного брожения, мыло и моющие средства. Значение ХПК составляет от 800 до 1200 мг/л, но в некоторых случаях может превышать 25000 мг/л.

Винодельческие стоки довольно кислые (pH 3-4) и обычно содержат большое количество фосфора, но не азота и других микроэлементов, которые важны для биологической очистки.

Пример показателей для винодельни размещен ниже. 

Интегрированный процесс (озонирование для предварительной обработки – аэробное биологическое окисление – O3/УФ/H2O2 после обработки) позволяет добиться полного обесцвечивания и снижения ХПК до 80% при очистке сточных вод спиртового завода.

Другие отрасли

Производство напитков

Здесь встречаются сахара, ароматизаторы, красители и остатки дрожжей. OZ/AOP эффективны против сахаров и поверхностно активных веществ, помогают улучшить цветность и снижают микробную нагрузку. Требуется мониторинг pH и совместимость с готовыми циклами.

Рыбоперерабатывающие предприятия

Сток содержит белки, жиры и остатки тканей. Эффективность очистки повышается за счет хорошо подобранной комбинации озонирования и каталитических процессов, позволяющих разлагать белковые соединения и устранить запахи. Важно учитывать возможную переварку органических веществ в процессе обработки.

Переработка оливок и производство масел

Сточные воды оливковых маслозаводов и воды, образующиеся при производстве столовых оливок, содержат высокую концентрацию фенольных соединений. Они содержат полисахариды, сахара, полифенолы, полиспирты, белки, органические кислоты, масло и т. д., поэтому ХПК здесь может достигать нескольких граммов на литр, а количество взвешенных твердых частиц может достигать 200 г/л. Неорганическая фракция состоит из высоких концентраций NaCl и NaOH, используемых для удаления горечи и ферментации, а также следовых количеств различных металлов. Вследствие сложности воды непригодны для традиционных аэробных и анаэробных процессов.

Фотокаталитическая обработка и окисление водным раствором, а также процессы O3, O3/H2O2, O3/UV, UV, UV/H2O2, Фентон, фото-Фентон, электро-Фентон в сочетании с аэробной биологической обработкой изучались для удаления органических веществ. Было достигнуто удаление ХПК на 75%, а последующая обработка коагуляцией в конечном итоге обеспечила общее удаление ХПК на 98%.

Производство пальмового масла

Стоки здесь представляют собой коллоидную дисперсию биологического происхождения, обладающую типичным неприятным запахом. Они состоят из растворенных, органических и неорганических твердых веществ, что делает их чрезвычайно сложными для очистки традиционными методами.

Хорошие результаты (снижение ХПК на 80-85%) показывают процессы озонирования с УФ-облучением и ионами железа с последующей биологической обработкой.

Переработка фруктов

Как правило, эти воды содержат высокую органическую нагрузку, чистящих средств и взвешенных твердых частиц, таких как волокна, растворенные твердые вещества, соли, питательные вещества и т. д. Кроме того, остаточные пестициды, которые трудно разлагаются в процессе очистки, могут представлять собой проблему.

В опубликованных исследованиях для удаления органических веществ из сточных вод предприятий по переработке фруктов и овощей использовались технологии продвинутого окисления (AOP). Согласно результатам, сочетание озонирования с УФ-облучением позволило достичь высоких показателей разложения (90% удаления ХПК для стоков с производства консервированных томатов, 50% для цитрусовых соков), а самые лучшие результаты достигаются сочетанием этих процессов с последующим биологическим окислением, пост-биологическим озонированием и пост-озонирующей фильтрацией.

Кофейная промышленность

Кофейная промышленность использует большие объемы воды (около 40-45 л на килограмм кофе). Образующиеся стоки содержат, например, кофеин, жиры и пептиды, а также множество различных макромолекул, таких как лигнины, дубильные вещества и гуминовые кислоты, которые трудно очистить с помощью традиционных методов.

В опубликованных исследованиях были изучены процессы химической коагуляции-флокуляции с различными передовыми процессами окисления (УФ/H2O2, УФ/O3, УФ/H2O2/O3). Среди протестированных передовых процессов окисления процесс УФ/H2O2/O3 оказался наиболее эффективным в снижении ХПК, цветности и мутности.

Производство пекарских дрожжей

Пекарские дрожжи — это промышленный продукт мелассы (конечного продукта производства сахара), представляющий собой водный раствор сахара, органических и неорганических веществ. Сточные воды имеют высокие значения БПК и ХПК, содержат значительное количество азота и неразлагаемых органических загрязнителей. Кроме того, они имеют типичный темный цвет, поэтому возможность обесцвечивания была исследована с помощью процесса Фентона и озонирования с добавлением ионов железа. В оптимальных условиях эксплуатации было достигнуто 99% удаление цвета и 88% снижение ХПК.

Применение озонирования и AOP 

Озон и AOP в схемах очистки пищевых стоков может выполнять несколько функций.

• Окисление трудноразлагаемой органики. Озон атакует двойные связи, ароматические структуры, фенольные и полифенольные соединения, красители, меланоидины и часть запахообразующих веществ.
• Повышение биоразлагаемости. Крупные и устойчивые органические молекулы частично разрушаются до более коротких и более доступных для микроорганизмов соединений.
• Снижение цветности. Это особенно важно для винодельческих, дрожжевых, кофейных, сахарных, масложировых и оливковых компаний.
• Снижение запаха. Озон может окислять часть сернистых, фенольных и органических соединений, формирующих неприятный запах.
• Санитарная доочистка. Озонирование снижает микробную нагрузку и может использоваться как стадия перед повторным использованием воды, при условии соблюдения санитарных требований и контроля побочных продуктов.
• Подготовка к сорбции и мембранам. После правильно подобранного окисления часть органики переходит в формы, которые легче дорабатываются биофильтрами, сорбентами или мембранными системами. Но при неправильном режиме возможно обратное: образование низкомолекулярных соединений, которые пройдут через часть фильтров и потребуют дополнительной биологической доочистки.

Целевые загрязнители пищевых стоков и применение озона для их очистки

Место озонирования в технологической схеме

1. Предварительная обработка + биология + озонирование

Это базовая схема для большинства пищевых предприятий.

Решётка или сито → усреднение → жироловка / флотация → коагуляция / флокуляция → биологическая очистка → озонирование → фильтрация → сброс или повторное использование.

Задача первых стадий — снять грубые загрязнения, жиры, взвеси и часть ХПК. Биология удаляет основную долю биоразлагаемой органики. Озон работает уже по остаточной цветности, запаху, микрозагрязнителям и трудноразлагаемой фракции.

2. Озонирование перед биологической очисткой

Эта схема применяется, если сток плохо поддаётся биологической обработке или содержит ингибирующие соединения.

Усреднение → удаление жира и взвесей → озонирование / AOP → биологическая очистка → фильтрация.

Озон здесь выполняет роль предокисления: переводит часть органики в более биодоступную форму и снижает токсичность для активного ила. Но дозу нужно подбирать аккуратно: избыточное окисление может увеличить эксплуатационные расходы без пропорционального улучшения результата.

3. Bio–O₃–Bio

Для сложных пищевых стоков с высокой долей трудноразлагаемой органики может быть рациональна схема:

Биологическая стадия 1 → озонирование / AOP → биологическая стадия 2 → фильтрация / сорбция.

Первая биология снимает легкоокисляемые соединения. Озон разрушает остаточную устойчивую органику. Вторая биология дорабатывает продукты окисления. Такая схема особенно полезна, когда полная минерализация озоном экономически нецелесообразна.

4. Коагуляция-флокуляция + озонирование

Для винодельческих, соковых, масложировых, оливковых, кофейных и дрожжевых стоков часто требуется предварительное удаление коллоидов, взвесей и окрашенных фракций.

Коагуляция / флокуляция / декантация → озонирование или O₃/UV → биология / фильтрация / сорбция.

Коагуляция уменьшает нагрузку на озонаторную стадию, а озон дорабатывает растворённую органику, цветность и запах.

Разработка технологии очистки сточных вод пищевых производств

Для расчёта станции очистки пищевых стоков нужны не только расход и ХПК. Минимальный набор исходных данных:

• средний, максимальный и залповый расход;
• график работы производства и мойки оборудования;
• ХПК;
• БПК₅ и БПК₅/ХПК;
• TOC или DOC;
• жиры и масла;
• взвешенные вещества;
• pH и щёлочность;
• азот общий, аммонийный азот, нитриты, нитраты;
• фосфор;
• хлориды и общая минерализация;
• ПАВ и моющие средства;
• цветность;
• мутность;
• запах;
• температура;
• микробиологические показатели;
• требования к сбросу или повторному использованию.

Преимущества технологий

Среди преимуществ — эффективная дезинфекция, ускоренное разложение органических веществ, снижение ХПК/БПК, минимальные остаточные вещества, относительная гибкость к различным составам стоков. Кроме того, технология дает возможность обработки без добавления химикатов.

Почему лабораторные испытания обязательны?

Сточные воды предприятий очень сильно отличаются даже внутри одной отрасли. Два молочных завода могут иметь разные режимы мойки, разные продукты, разные жиры, разные моющие средства и разные пики pH. Два винодельческих предприятия могут иметь разную сезонность, кислотность, ХПК и содержание полифенолов.

Лабораторные испытания позволяют ответить на практические вопросы:

• нужно ли озонирование вообще;
• где его лучше поставить — до биологии или после;
• достаточно ли O₃ или нужен O₃/H₂O₂, O₃/UV либо O₃/H₂O₂/UV;
• требуется ли предварительная коагуляция или флотация;
• какая доза озона поглощается водой;
• сколько озона уходит в отходящий газ;
• насколько снижается цветность;
• растёт ли БПК₅/ХПК;
• снижается ли запах;
• какой контактный аппарат нужен;
• нужна ли последующая сорбция, биофильтр или мембраны.

Для крупных предприятий желательно проводить пилотные испытания для точной оценки экономических показателей.

Практический подход к разработке схемы очистки пищевых стоков

Разработка схемы должна идти поэтапно.Сначала анализируются источники образования стоков: мойка сырья, технологические операции, CIP, санитарная обработка, охлаждение, ливневые и дренажные воды. Затем потоки желательно разделить: концентрированные, жиросодержащие, слабозагрязнённые, условно чистые и залповые.

После этого подбирается базовая схема:

механическая очистка → усреднение → удаление жиров и взвесей → биология → озонирование/AOP → фильтрация/сорбция/мембраны

Далее лаборатория оценивает ключевые показатели. Оценивается не только снижение ХПК, но и цветность, запах, токсичность, микробиология, расход реагентов, остаточный озон и работа последующей стадии.

Только после этого можно рассчитать производительность озонатора, контактный реактор, систему подготовки газа, дозирование H₂O₂, УФ-блок, насосы, деструктор озона, КИП, автоматику и материалы исполнения.

Обратитесь к нам для детального обсуждения вашей задачи. Мы проанализируем состав сточных вод вашего предприятия, оценим применимость озонирования и AOP, подберём технологическую схему, рассчитаем озонаторное оборудование. Подготовим комплексное решение под требования к сбросу или повторному использованию воды.