Serwatka jest produktem ubocznym produkcji sera i innych operacji przetwarzania mleka. Ze względu na wysoką zawartość substancji organicznych, serwatka stanowi poważne wyzwanie dla oczyszczania ścieków przemysłowych. Zawiera głównie laktozę, białka mleka, lipidy, sole i pierwiastki śladowe, które prowadzą do wysokiego chemicznego zapotrzebowania na tlen (ChZT) i biologicznego zapotrzebowania na tlen (BZT). W technologii ścieków przemysłowych skuteczne oczyszczanie ścieków serwatkowych ma kluczowe znaczenie dla zapewnienia zgodności z limitami prawnymi, a jednocześnie odzyskiwania zasobów do recyrkulacji lub recyklingu wody.
Niniejszy artykuł szczegółowo wyjaśnia techniczne podstawy oczyszczania ścieków serwatkowych i recyklingu wody. Szczególny nacisk położono na tlenowe i beztlenowe oczyszczanie biologiczne, instalacje flotacyjne i zastosowanie biofiltracji do oczyszczania i ponownego wykorzystania wody ze ścieków serwatkowych lub kondensatów pary.
Spis treści
Właściwości serwatki i ścieków z przetwórstwa mleka
Serwatka zawiera różne substancje, które wpływają na oczyszczanie ścieków:
Główne komponenty:
- Substancje organiczne: laktoza (~70% suchej masy), białka, tłuszcze.
- Substancje nieorganiczne: sole takie jak potas, wapń i fosforany.
- Wartość pH: Zazwyczaj w zakresie 4,0-6,5, w zależności od procesu produkcyjnego.
Zanieczyszczenie ścieków:
- Wartość ChZT: 50 000-70 000 mg/l, w zależności od rozcieńczenia.
- Wartość BZT: 35 000-55 000 mg/litr.
- Zawartość tłuszczu i ciał stałych: Zwiększone wartości mogą prowadzić do zatorów i zanieczyszczenia.
Kondensaty pary:
- Powstaje podczas zagęszczania lub suszenia serwatki.
- Niższe ChZT (zwykle 500-5000 mg/l), ale często wyższe poziomy łatwo rozkładalnych substancji organicznych, takich jak kwas mlekowy.
Oczyszczanie ścieków serwatkowych
Biologiczne oczyszczanie ścieków to sprawdzona metoda rozkładu związków organicznych ze ścieków serwatkowych. Stosowane są tutaj procesy tlenowe i beztlenowe, które są wybierane w zależności od obciążenia ścieków i celu procesu.
1. obróbka tlenowa
Opis procesu:
W degradacji tlenowej mikroorganizmy wykorzystują tlen do utleniania organicznych składników serwatki i przekształcania ich w CO₂, wodę i biomasę. Procesy te są szczególnie wydajne w przypadku kondensatów pary i rozcieńczonych ścieków.
Technologie:
Proces osadu czynnego:
Mikroorganizmy rozkładają substancje organiczne w napowietrzanych reaktorach.- Nadaje się do ścieków o niskim lub średnim poziomie ChZT.
- Wysokie zapotrzebowanie na energię ze względu na wentylację.
Sekwencyjny reaktor porcjowy (SBR):
Procesy sterowane czasowo w reaktorze, który umożliwia zarówno fazę tlenową, jak i beztlenową.
Zalety oczyszczania tlenowego:
- Szybkie tempo degradacji łatwo rozkładalnych substancji organicznych.
- Wytwarza stabilne ścieki o niskim ładunku resztkowym.
Wady:
- Wysokie zużycie energii ze względu na wentylację.
- Zwiększone tworzenie się szlamu, który wymaga dodatkowej obróbki.
Zdjęcie: Zbiornik napowietrzający z denitryfikacją i nitryfikacją ścieków z przemysłu spożywczego (proces: ALMA BHU BIO)
2. obróbka beztlenowa
Opis procesu:
Podczas rozkładu beztlenowego mikroorganizmy rozkładają substancje organiczne w środowisku pozbawionym tlenu. Produktami końcowymi są metan (CH₄) i dwutlenek węgla (CO₂), które można wykorzystać jako biogaz. Proces ten jest idealny dla silnie zanieczyszczonych ścieków, takich jak serwatka.
Technologie:
1. reaktor UASB (upflow Anaerobic Sludge Blanket)
- Jak to działa:
Ścieki przepływają od dołu przez warstwę granulowanej biomasy. Materia organiczna jest rozkładana, a powstały biogaz unosi się do góry. - Zalety:
- Kompaktowa konstrukcja.
- Wysoka wydajność dla ścieków o średnim i wysokim obciążeniu.
2. reaktor EGSB (rozszerzone złoże osadu granulowanego)
- Funkcjonalność:
Podobny do reaktora UASB, ale z ulepszonym mieszaniem hydraulicznym i wyższą wydajnością przepływu. - Zalety:
- Nadaje się do silnie zanieczyszczonych ścieków.
- Wyższa wydajność biogazu dzięki bardziej intensywnemu czasowi kontaktu.
Wydajność biogazu
Wydajność biogazu jest czynnikiem decydującym o ekonomicznej efektywności beztlenowego oczyszczania ścieków. Zależy ona od składu ścieków i warunków procesu.
Czynniki wpływające na wydajność biogazu:
Obciążenie organiczne (ChZT):
- Wysoka wartość ChZT koreluje z wyższą wydajnością biogazu.
- Typowo: 1 kg zdegradowanego ChZT wytwarza 0,35-0,50 m³ biogazu.
Rodzaj ścieków:
- Ścieki bogate w tłuszcze, białka i węglowodany: Wysoka wydajność biogazu, ponieważ substancje te są bogate w energię.
- Substancje słabo degradowalne: Niższa wydajność biogazu, ponieważ do degradacji potrzeba więcej energii.
Temperatura procesu:
- Warunki mezofilne (30-40 °C): Powszechne i ekonomiczne.
- Warunki termofilne (50-60 °C): Wyższe tempo degradacji, ale wyższe koszty energii.
Wartość pH:
- Optymalny zakres: 6,5-7,5.
- Odchylenia prowadzą do zahamowania metanogenezy.
Czas przebywania:
- Wystarczający czas retencji hydraulicznej (10-30 dni) jest niezbędny do zakończenia procesu degradacji.
Typowa wydajność biogazu:
- Ścieki serwatkowe: 0,4-0,6 m³ biogazu na kg ChZT.
- Ścieki z przemysłu spożywczego: 0,3-0,5 m³ biogazu na kg ChZT.
Zalety oczyszczania beztlenowego
Wytwarzanie energii:
Biogaz wytwarzany podczas metanogenezy może być wykorzystywany do wytwarzania energii, co zmniejsza koszty operacyjne zakładu.Wysoka wydajność degradacji:
Degradacja 70-90% ładunku organicznego (mierzonego jako chemiczne zapotrzebowanie tlenu, ChZT).Niski poziom tworzenia osadu:
W porównaniu z procesami tlenowymi, powstaje tylko około 10-20% biomasy, co zmniejsza koszty utylizacji.Zrównoważony rozwój:
Wydajność biogazu zastępuje paliwa kopalne i zmniejsza emisję gazów cieplarnianych.
Zdjęcie: Nasza biogazownia ALMA BHU GMR do fermentacji ścieków z zakładów mleczarskich
Recykling wody za pomocą biofiltracji
Biofiltracja jako obróbka końcowa:
Po biologicznej obróbce wstępnej, pozostałe pozostałości i składniki odżywcze mogą zostać usunięte w instalacji do biofiltracji. instalacji do biofiltracji usuwane w instalacji do biofiltracji. Metoda ta jest szczególnie skuteczna w przypadku kondensatów pary lub wstępnie oczyszczonych ścieków serwatkowych.
Etapy procesu:
Zrzut ścieków:
Wstępnie oczyszczone ścieki (np. z oczyszczalni flotacyjnej lub beztlenowej) są kierowane przez złoże filtracyjne z przygotowanych materiałów ilastych.Aktywność biofilmu:
- Mikroorganizmy na materiale filtracyjnym rozkładają substancje organiczne i składniki odżywcze.
- Oprócz zmniejszenia chemicznego zapotrzebowania na tlen (ChZT) i biologicznego zapotrzebowania na tlen (BZT), rozkładane są również związki zakłócające, takie jak tłuszcze, oleje i węglowodany.
- Możliwe również w przypadku nitryfikacji i denitryfikacji.
Filtracja cząstek stałych:
Oprócz aktywności biologicznej, biofiltracja służy również jako system filtracji fizycznej, który usuwa zawieszone ciała stałe ze ścieków.Jakość wody na wylocie:
Filtrat ma znacznie niższe wartości ChZT i BZT, a także zmniejszone stężenia fosforu i azotu.
Integracja biofiltracji z procesem recyklingu wody
Biofiltracja jest często etapem pośrednim w wieloetapowej stacji uzdatniania wody. Przygotowuje ona ścieki do dalszych procesów, takich jak odwrócona osmoza (RO), która umożliwia dalsze oczyszczanie i demineralizację.
1. obróbka wstępna przed biofiltracją
Ścieki muszą być wstępnie oczyszczone przed biofiltracją, aby nie przeciążać systemu filtracyjnego. Typowe procesy to
- Flotacja: Usuwanie tłuszczów i ciał stałych.
- Oczyszczanie beztlenowe: redukcja ładunków organicznych i produkcja biogazu.
- Oczyszczanie tlenowe: Redukcja ładunku organicznego.
2. obróbka końcowa za pomocą odwróconej osmozy
Po biofiltracji ścieki mogą być dalej oczyszczane przez system odwróconej osmozy w celu:
- Usunąć rozpuszczone sole i minerały.
- Filtrowanie pozostałości substancji organicznych i mikrozanieczyszczeń.
- Zmniejszenie przewodności wody do poziomu umożliwiającego jej ponowne wykorzystanie.
Typowa poprawa jakości dzięki połączeniu:
- CSB: < 10 mg/l nach der Umkehrosmose.
- Przewodność: 10 - 200 µS/cm, w zależności od zastosowania.
- Bakterie i wirusy: Całkowicie zatrzymywane przez membrany.
Zalety recyklingu wody za pomocą biofiltracji i odwróconej osmozy
1. zrównoważony rozwój:
- Zmniejszenie zużycia świeżej wody i ochrona zasobów naturalnych.
- Minimalizacja ilości ścieków i zrzutów do kanalizacji publicznej lub wód powierzchniowych.
2. poprawa jakości wody:
- Biofiltracja skutecznie usuwa niepożądane substancje organiczne, minimalizując zanieczyszczenia i biofouling w odwróconej osmozie.
- Odwrócona osmoza zapewnia niemal całkowite usunięcie soli, składników odżywczych i mikrozanieczyszczeń.
3. efektywność ekonomiczna:
- Redukcja kosztów operacyjnych dzięki ponownemu wykorzystaniu wody.
- Redukcja kosztów odprowadzania ścieków i uzdatniania świeżej wody.
4. zdolność adaptacji:
- Połączenie biofiltracji i odwróconej osmozy ma konstrukcję modułową i może być dostosowane do różnych składów ścieków.
Zdjęcie: Nasz system biofiltracji ALMA BioFil Compact do oczyszczania kondensatów pary wodnej i wstępnie oczyszczonych ścieków z przemysłu spożywczego.
Wstępne oczyszczanie ścieków serwatkowych za pomocą instalacji flotacyjnych
Flotacja to sprawdzona technologia wstępnego oczyszczania silnie zanieczyszczonych ścieków, takich jak te powstające w procesie przetwarzania mleka i oczyszczania ścieków serwatkowych. Ukierunkowane dozowanie środków strącających i flokulantów usuwa ze ścieków rozpuszczone i koloidalne substancje organiczne, tłuszcze i ciała stałe. To wstępne oczyszczanie znacznie zmniejsza obciążenie organiczne i nieorganiczne oraz optymalnie przygotowuje ścieki do dalszych procesów biologicznych lub fizykochemicznych, takich jak biofiltracja.
Jak działa flotacja
Flotacja opiera się na zasadzie, że cząsteczki są wynoszone na powierzchnię wody przez nagromadzenie pęcherzyków gazu (zwykle powietrza). Cząsteczki tworzą pianę, która jest zbierana z powierzchni reaktora. Wstępna obróbka chemiczna za pomocą środków strącających i flokulantów ma kluczowe znaczenie dla skutecznego oddzielania substancji.
Etapy procesu obróbki flotacyjnej
1. wstępna obróbka chemiczna
Oczyszczanie wstępne odbywa się poprzez dodanie środków strącających i flokulantów, które są specjalnie dostosowane do składu ścieków serwatkowych.
Środek strącający:
- Cel: Przekształcenie rozpuszczonych substancji w słabo rozpuszczalne związki, które są łatwiejsze do oddzielenia.
- Typowe środki strącające: siarczan glinu, chlorek żelaza lub chlorek poliglinu.
- Reakcja: Osady reagują z rozpuszczonymi substancjami organicznymi i nieorganicznymi, np. fosforanami, tworząc kłaczki.
Flokulant:
- Cel: Powiększenie i stabilizacja powstałych płatków.
- Typowe flokulanty: wysokocząsteczkowe polimery (anionowe, kationowe lub niejonowe).
- Efekt: Łańcuchy polimerowe sieciują mniejsze cząstki i kłaczki, tworząc większe, sedymentujące lub pływające kłaczki.
2. strefa kontaktu i wtrysk gazu
W strefie kontaktowej instalacji flotacyjnej wstępnie oczyszczone chemicznie ścieki są mieszane z bardzo drobnymi pęcherzykami powietrza. Zazwyczaj osiąga się to poprzez
Flotacja rozpuszczonym powietrzem:
Woda jest nasycona powietrzem pod ciśnieniem. Gdy ciśnienie spada, tworzą się bardzo drobne pęcherzyki powietrza (mikropęcherzyki), które przyczepiają się do kłaczków.Wtryskiwacze lub dyfuzory powietrza:
Bezpośrednie wprowadzanie powietrza lub innych gazów do strefy flotacji.
Powstałe płatki z pęcherzykami powietrza mają mniejszą gęstość niż woda i wypływają na powierzchnię.
3. odtłuszczanie warstwy szlamu
Substancje nagromadzone na powierzchni tworzą warstwę szlamu, która jest odtłuszczana w sposób ciągły lub nieciągły. Odtłuszczony osad jest wysoce skoncentrowany i może być dalej odwadniany lub przetwarzany w beztlenowej komorze fermentacyjnej.
4. wylot czystej wody
Pozostała czysta woda jest odprowadzana z dolnej strefy instalacji flotacyjnej i może być dalej oczyszczana biologicznie lub, w zależności od jej jakości, wykorzystywana do wewnętrznego procesu recyklingu wody.
Zalety wstępnej obróbki flotacyjnej
Flotacja z chemiczną obróbką wstępną ma kilka zalet:
Skuteczne usuwanie tłuszczów, olejów i ciał stałych:
Flotacja zapewnia znaczną redukcję wartości ChZT i BZT, szczególnie w przypadku ścieków serwatkowych, które zawierają duże ilości tłuszczów i białek.Redukcja ładunku organicznego:
Wytrącanie laktozy i białek odciąża proces biodegradacji.Elastyczność:
Dozowanie środków strącających i flokulantów można dostosować do różnych obciążeń i ścieków.Kompaktowa konstrukcja:systemy flotacji
wymagają niewiele miejsca i mogą być zintegrowane z istniejącymi procesami.
Zdjęcie: Nasz system flotacji ALMA NeoDAF z proporcjonalnym do obciążenia dozowaniem środków strącających i flokulantów oraz opatentowanym systemem nasycania powietrzem.
Wyzwania i rozwiązania
1. wysoka wartość ChZT i BZT:
Ścieki serwatkowe wymagają wysokowydajnych procesów biologicznych ze względu na wysoką zawartość substancji organicznych.
- Rozwiązanie: Połączenie beztlenowej obróbki wstępnej i tlenowej obróbki końcowej w celu pełnej mineralizacji.
2. zmienny ładunek ścieków:
Skład ścieków serwatkowych zmienia się w zależności od procesów produkcji i oczyszczania.
- Rozwiązanie: Zastosowanie elastycznych technologii, takich jak SBR lub instalacje flotacyjne, które mogą reagować na wahania obciążenia.
3. zapotrzebowanie na energię:
Procesy tlenowe charakteryzują się wysokim zużyciem energii.
- Rozwiązanie: Integracja systemów beztlenowych do wytwarzania energii z biogazu.
4. Recykling wody:
Ponowne wykorzystanie oczyszczonej wody wymaga wysokiej jakości.
- Rozwiązanie: Zastosowanie biofiltracji i procesów membranowych, takich jak odwrócona osmoza.
Wnioski
Oczyszczanie ścieków serwatkowych i kondensatów oparów stawia wysokie wymagania technologii oczyszczania ścieków, ale także oferuje liczne możliwości odzyskiwania zasobów. Łącząc tlenowe i beztlenowe procesy biologiczne, można skutecznie redukować ładunki organiczne i jednocześnie wykorzystywać biogaz jako źródło energii. Technologie niższego szczebla, takie jak biofiltracja, umożliwiają ponowne wykorzystanie wody w zamkniętych cyklach, przyczyniając się w ten sposób do zrównoważonego rozwoju i efektywności ekonomicznej procesów. Dzięki nowoczesnym instalacjom i procesom można z powodzeniem sprostać wyzwaniom, jednocześnie minimalizując wpływ na środowisko.
Aby uzyskać więcej informacji na temat naszych produktów, prosimy skontaktować się z nami w dowolnym momencie!
