автореферат диссертации по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева, 05.21.03, диссертация на тему:Многоступенчатая очистка отработанной культуральной жидкости гидролизно-дрожжевого производства

РГ6 ОД

- 7 'ШП '»ОЗЭанкт-петербуегская лесотехническая академия

,На правах рукописи

АМРАЕИ МУССА

МНОГОСТУПЕНЧАТАЯ ОЧИСТКА ОТРАБОТАННОЙ КУЛЬТУРАЛЪНОЙ ВДЩОСТИ ГИДРОЛИЗНО-ДРОШЕВОГО ПРОИЗВОДСТВА

05.21.03 - Технология и оборудование химической переработки древесины, химия древесины

автореферат диссертации

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 1993

Работа выполнена на кафедре технологии гидролизных и микробиологических производств Санкт-Петербургской лесотехнической академии.

- доктор технических наук, профессор ХОЛБКИН Ю.И.

- кандидат технических наук, доцент МАКАРОВ В.Л.

- доктор технических наук, профессор ПАЗУХИНА Г.А.

- кандидат технических наук, старший научный сотрудник СИЗОВ А.И.

Ведущее предприятие - Гипробиосинтез

Защита диссертации состоится "12." 1993 г.

в Л/1"' часов на заседании специализированного Совета Д 063.50.02 при Санкт-Петербургской лесотехнической академии (Институтскиз! пер., 5, 2-е учебное здание, библиотека кафедры целлюлозно-бумажного производства).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке академии.

Автореферат разослан ^{Г^ 1993 г.

Уч е ный с екр е тар ь jj

специализированного Советами' л™, Калинин H.H.

<! -""-W____

Парный руководитель

Научный консультант

Официальные оппоненты

ОБЩАЯ -ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность теш. Б настоящее время большое внимание уделяется охране окружающей среды, создания малоотходных и безотходных технологий, переводу предприятий на замкнутые системы водопользования. Создание замкнутых циклов требует нового подхода к выбору схемы очистки сточных вод. В гидролизно-дрож-жевом производстве наиболее значительным стоком по объему и степени загрязнения является отработанная культуральная жидкость (0KS), возврат которой в основное производство или сброс в водоемы возможны только при глубокой очистке.

Поэтому совершенствование схемы очистки ОКЖ гидролизно-дрож-жевого производства с использование},i комбинированных реагент-но-биологических методов представляет важную и актуальную задачу.

Цель и задачи исследования. Целью настоящей работы является разработка высокоэффективной схемы локальной очистки ОКЖ и обоснование схемы бессточного водопользования в гддролизно-дрожжевом производстве.

Основные задачи настоящей работы заключаются в следующем:

- Изучение природы и расхода флокулянта или адсорбента на эффективность процесса биоокисления ОКЕ грибами, прирост микробной биомассы и содержание в ней белка;

- Изучение влияния типа насадки, температуры, расхода субстрата и продолжительности брожения на эффективность анаэробной очистки ОКЖ;

- Исследование процесса анаэробно-аэробной очистки OKI;

- Изучение влияния флокуляционной предобработки на эффек- -тивность анаэробно-аэробной очистки ОКК;

- Исследование процесса выращивания кормовых дрожжей в условиях применения оборотных вод;

- Разработка принципиальной схемы бессточного водопользования в гидролизно-дрожжевом производстве.

■ Научная новизну. Выявлена зависимость фиокуляционной или Адсорбционной.предобработки отработанной культуральной жидкости. на процесс ее биоокисления грибами. Установлено, что повышается эффект очистки, увеличивается выход микробной 'биомассы, а также улучшается ее качество.• ■

Впервые-исследована обработка ОИ гидролизно-дрожневого производства флокулянтоы'с.последующей анаэробной биологической очисткой. Выявлена зависимость эффекта очистки ОКЯ и выхода биогаза с единицы•объема метантенка от расхода тлоку-лянта. 1

Разработана принципиальная схема производства кормовых Дрожжей с элементами бессточной технологии на основе применения 'локальной флокуляционно-биологической очистки OKI.

Практическая ценность. В результате исследований разрабсь таны: • • - • .

' ' Г. Физико-химический способ интенсификации 'Процесса биоокисления 0KS и улучшения качества кормовой■продукции за счет-удаления-взвешенных .и трудноокисляемых веществ.

"2."Новая.локальная технологическая схема очистки ОКЖ гид-" ролизно-дроМевого производства. • '. * ' ' • ' .Результаты лабораторных испытаний в производственных условиях .на Онежском гидролизно-дроняевом заводе рекомендуются для использования при проектировании.новых предприятий гид-ролизно-дрожжевого профиля и при реконструкции действующих. •

. На защиту выносятся;': • - - , -

4 >1> Экспериментально-полученные данные по-флокуляционной > и.адсорбционной обработке ОКЯ с последующим биоокислением. .2. Основные результаты'процесса анаэробной очистки ,ОКЕ. - '3,- Установленное влияние флокуляционной. обработки OKS на процессу ее анаэробно-аэробной очистки. . - ' '

-4." Результаты исследований.Еыращивания кормовых дрожжей в условиях оборотного водопользования.

Апробация работы.- Основные положения диссертационной работы были изложены и обсуждены на конференциях: "Биотехнология получения кормового белка, премиксов, ферментов кормового назначения" (г.Николаев, 1991г.), "Научно-техническая проблема

инженерной экологии" (г.С.-Петербург, 1992г.) и на международном симпозиуме "Строение, гидролиз, биотехнология растительной биомассы" (г.С.-Петербург, 1992г;).

Публикации. По материалам диссертации опубликованы 4 пе- -чатные работы.

Объем и структура-диссертации.'Диссертационная работа состоит из введения, обзора литературы, 6 глав экспериментальной части, технико-экономического расчета, заключения, выводов, библиографии (166 наименований) и 2 приложений. Работа изложена на 192 страницах машинописного текста и включает - -34 таблицы и 36 рисунков.

СОДЕНШИЕ РАБОТЫ

В литературном- обзоре диссертации даны сведения о качественном и количественном составе отработанной культуральной жидкости (OKI) гидролизно-дрожжевого производства. Рассмотрены основные способы очистки 0KS и сточных вод гидролизн'о- , дрожжевого,производства и пути их использования в основном производстве. Сформулированы задачи очистки ОКЖ гидролизно-дрожжевого' производства и отмечено, что наиболее перспективной является многоступенчатая очистка. . , В методической ;части приведены описания лабораторных и/ ' опытных установок для проведения экспериментов, а также--технологические режимы их работы. Изложены методики проведения' экспериментов и анализа сточных вод. В Приложении I дана, программа обработки экспериментальных данных на ПЭВМ. - .

Экспериментальная часть I. Исследование- химического состава отработанной культу- . ральной жидкости (ОКНУ гидролизно-дрожжевого производства..

В настоящей работе проведено глубокое исследование качественного и количественного состава OKI. В качестве объекта исследования были выбраны ОШ Архангельского и Онежского гидролизных заводов.

Обобщая данные.по химическому составу ОЮК, можно сделать следующие выводы:

- 0К2 имеет многокомпонентный.состав и относится к сильно-загрязненным стокам. Она не пригодна для повторного использо-

вания в основном производстве или для сброса в водоемы.

- Для очистки 0KS необходимо использовать комбинированную многоступенчатую схему очистки.

- Химический состав OKI зависит от сырья и его качества, способа и технологических параметров процесса гидролиза и выращивания кормовых дрожкей.

2. Исследование влияния с&изико-химической обработки QKK на процесс ее биоокисленйя.

В этом разделе основное внимание уделялось изучению влияния расхода флокулянта и адсорбента на эффективность биохимической очистки ОКЕ.

В качестве микроспоры использовали смесь культур Teichospo'zori cutaпгит и Тг. puitutans (1:1). Биоокисление проводили ь лабораторном ферментаторе периодического действия. В качестве адсорбента использовали активированный уголь (БАУ) и в качестве флокулянта - катионный полиэлектролит полвдиметилдиаллилтетрааммоний хлорид.

Результаты исследований, приведенные на рис.1, показывают, что максимальный эффект очистки достигается через 4 ч биооки-сленпя при расходе адсорбента 4 г/л и составляет по ХПК 30-32%. В контрольном опыте максимальный эффект очистки достигается только через 6 ч и составляет по ШК 22-24%.

Установлено (рис.2), что обработка ОКЖ флокулянтом при оптимальном расходе 20 мг/л приводит к сокращению продолжительности биоокисления на 2 ч относительно контрольного. Показано так;ке, что при 4-х часовом биоокислении эффект очистки по ХПК в контрольном опыте составляет 18%, а в исследуемой пробе -34 %

Экспериментальные данные показывают, что реагентная предобработка ОКЖ приводит не только к интенсификации процесса последующего биоокисления и'увеличению эффекта очистки, но и к увеличению выхода микробной биомассы и содернанию в ней истинного белка.

3. Анаэробная биологическая очистка 0KS.

Исследовано влияние суспензированных и иммобилизованных

микроорганизмов, продолжительности ферментации, массовой на-

Рис.1. Влияние продолжительности (1 ) и расхода адсорбента на глубину очистки ОКЖ (): I - контроль (ОКЖ без предобработки); расход адсорбента, г/л: 2 - 0,5; 3 - 1 ,0; 4 - 2,0; 5 - 4,0

Рис.2. Влияние продолжительности биоокисления (t ) на глубину очистки ОКЕ ( £ ): I - контроль (0К2 без предобработки) ; расход флокулян-та , мг/л: 2 - 10; 3 - 20; -4 - 25; 5- - 30

грузки и температуры на эффективность анаэробной очистки ОКЖ.

Эксперименты проводили в биореакторах непрерывного действия с насадками из синтетических лолиакриламвдных еолокон и гранулированного активированного угля (ГАУ).

Установлено, что иммобилизация микрофлоры на полиакрил-амвднкх волокнах обеспечивает больший эффект анаэробной очистки ОКЖ (табл.1). Это обусловлено тем, что используемая насадка имеет высокоразвитую поверхность и фиксирует большое количество микробной биомассы, но в то же время занимает небольшой объем реактора.

Установлено также, что эффект очистки как по ХПК, так и по ВПК5 прямолинейно зависит от продолжительности ферментации. Это объясняется тем,, что по мере увеличения продолжительности брожения микроорганизмы ассимилируют максимальное

... Таблица i

Эффективность анаэробной очистки ОКЖ

Вид насадки Продол- Массо- ХПК, OKI БШЦ ОКК Содержание сухих

биореактора ™ь - вая -„веществв^щ!-

Sonmon ría нача- конеч- Л а нача- конеч- л . нача- конеч- л ы

1шш ШЙ/ льное, ное, Альное,ное, М льное,ное, ь>%

тадыг, г о^д го2/л г02/л г02/л г/л г/л

Контроль 12 27,5 9693 7445 23,2 3418 2433 28,8 15,89 11,64 - 26,7

(без насадки)

Активированный

уголь (ГАУ) 12 '27,5 9693 4429 56,3 3418 1288 62,3 15,89 9,91 37,6

Синтетические волокна

(полиакриламвд) 12 27,5 9693 2447 69,6 3418 728 78,7 15,89 8,12 48,9

i

со i

количество'компонентов СКН. Однако при этом уменьшается массовая нагрузка на биореактор (табл.2).

, Таблица 2

Влияние продолжительности анаэробной ферментации на глубину очистки ОКЖ

Продол-китель-ность ч Массо- ХПК бпк5 Выход • биога-за,л/г ХПК

вая наг- РУЗЙЬ ,г ХПК/. Л'сут • началь-ное,мг 02/л -конечное, мг 02/л А,% начально е,мг 02/л -конечное, мг 02/л АД

6 50 8840 5070 42,6 3090 ' 1530 50,5 0,32

8 35 8780 4360 50,3 3160 1350 57,2 0,40

12 25 8910 2390 73,2 3200 560 82,6 0,45

19 16 8900 2170 75,6 3190 366 88,5 0,49

24 13 9080 1970 78,3 3210 283 91,2 0,52

44 8 9130 1590 82,6 3440 262 92,4 0,52

Экспериментально установлено, что интенсивность анаэробного биохимического цроцесса зависит от температуры. Оптимальной температурой является 35°С.

4. Флокуляшонная обработка ОКЖ с последующей анаэробно-аэробной очисткой.

Процесс анаэробной очистки ОКЕ является длительным, что связано с ферментативным превращением трудноскисляемых веществ.

Для интенсификации процесса анаэробной ферментации, сокращения его продолжительности и углубления очистки ОКЖ целесообразно использовать флокуляционную предобработку ОКЖ с последующей анаэробно-аэробной очисткой.

Изучено влияние расхода флокулянта на массовую нагрузку и эффективность анаэробно-аэробной биоочистки. Установлено, что флокуляционная предобработка ОКЖ приводит к снижению массовой нагрузки на метантенк и увеличению эффекта очистки.

Максимальный эффект очистки достигается при оптимальном расходе флокулянта 20-25 мг/л и составляет по ХПК 95-965?, по

БПК5 - 94-97$.

Флокуляцконная предобработка приводит к ускорению метано-образования и к уменьшению содержания летучих органических кислот (JI0K) в очищенной ОКЖ (рис.3). При расходе флокулянта 20 мг/л удельная скорость образования биогаза составляет 11,2 л/л.сут, а содержание ЛОК в ОКЖ после анаэробной ферментации в пересчете на СНдСООН - 55 мг/л.

Экспериментально установлено, что флокуляционная предобработка ОКЖ приводит к увеличению содержания истинного белка в микробной биомассе и снижению зольности. При расходе флокулянта 20 мг/л их значения составляют 44% и 8,4%, соответственно.

На основании экспериментальных данных определены оптимальные технологические параметры флокуляционно-анаэробной очистки с последующим биоокислением: расход флокулянта 20-25 мг/л, продолжительность анаэробной ферментации 8-10 ч при температуре 35°С и массовой нагрузке 20-25 г ХПК/л-сут, продолжительность биоокисления 6-7 ч при температуре 35°С, расходе воздуха 4-5 л/сы^'Ч и концентрации активного ила в культуралыюй жидкости 4 г/л.

5. Быращирание кормовых дрожжей в условиях: оборотного водопользования.

Выращивание кормовых дрожжей Candida soottu КС-2' в экспериментальном режиме было проведено на установке ЛТА, имитирующей работу ферментатора эрлифтного типа.

Установлено, что при разбавлении нейтрализата смесью оборотных вод и свежей воды в разных соотношениях или одними оборотными водами происходит увеличение выхода микробной биомассы. Так, при 75$-ном содержании оборотных вод в разбавляющей смеси выход микробной биомассы увеличивается на 4% относительно контрольного опыта и составляет 56% (табл.3).

Показано, что качество кормовых дрожжей тесно связано с содержанием оборотных вод в разбавляющей смеси. Так, содержание истинного белка в микробной биомассе достигает максимального значения при 50-75^-ноы содержании оборотных вод в разбавляющей смеси, а зольность и бактериальная обсемененность кормовых дрожжей - при разбавлении гидролизата одними оборотными водами.

«юг

" <

•о С

S^oc-

<= ~ 00 ■ м?

20

50 40 г/Л

Рис.3. Влияние расхода фло-кулянта (й) на: I - выход биогаза; 2 - содержание ЛСК в СКЕ после анаэробной ферментации.

Таблица 3

Влияние оборотных вод на выход и качество кормовых дрожжей

Содержание оборотных вод в разбавляющей смеси, %

Выход абс. сух.дрожжей от общих ЕВ,

а /о

Содержание истинного белка в дрожжах, %

Содержание золы в дрожжах, %

Бактериальная об-семененность, тыс.клеток/ г дрожжей

0 52,0 45,0 7,5 7,8

25 54,0 45,4 8,4 13

50 55,0 48,0 9,1 " 25

75 56,0 48,2 9,3 49

100 54,0 44,8 9,6 82

Принципиальная технологическая схема производства кормовых дрожжей с бессточным водопользованием.

На основании экспериментальных данных и результатов промышленных испытаний разработана принципиальная технологическая схема гидролизно-дрокжевого производства с применением локальной реагентно-биологкческой очистки 0КЖ с последующим ее использованием в основном производстве (рис.4).

По предлагаемой схеме при мощности завода 10000 т дрожжей в год, ОКЖ после флотатора и сепараторов, имеющая ХПК 8000-IC000 мг Og/л, БПК5 - 4000-5000 мг 02/л, с концентрацией су-

РИС ТбОр

флоьул? и Та 1

иь&еслюеа Г мвдот

СУС пенсия а1£ти<ьного ила

щламоЬыв отходы иОПОМ 506(1 нив

ГО I

Рис; 4. Принципиальная технологическая схема производства кормовых дрожжей с бессточным водопользованием.

I - циклон; 2 - гидролизаппарат; 3,4,5 - испарители: 6,7,8 - решоферы: 9 - сборник гидролизата; 10 - нейтрализатор; II - испаритель; 12 - коцденсатор; 13 - сборник фурфуролосодержащего конденсата (ФСК);- 14 - сборник оборотных вод; 15 - отстойники; К - вакуумно-охладительная■установка (ВОУ); 17 - конденсатор; 18 -ферментатор; .19 - флотатор; 20 - сепаратор; 21 - сборник дрожжевой суспензии; 22 - сборник ОКЖ; 23 - сборник-мешалка известкового молока; 24 - нейтрализатор осветленных вод; 25 - метантенк; 26 - аэратор; 27 - сборник очищенных вод.

хих веществ 14-16 мг/л при расходе.150-160 м3/ч подается на фшокуляцконнуто обработку катиошшм флокулянтом. (полидиметил-диаллилтетрааммоний хлорид) при расходе'20-25 мг/л. Освет-лешая ОКИ нейтрализуется известковым молоком до рН=7,0-7,2 и после внесения питательной соли (К^РО^) подается на анаэробную ферментацию в метантенк, снабженный насадкой из по-лиакриламидного волокна. В процессе анаэробной ферментации часть органических веществ превращается в биогаз (7-9 м3/ы3. сут). После 8-10-часовой анаэробной ферментации сточные воды подаются в аэратор на обработку в течение 10-15 мин при расходе Еоздуха 10-15 м3/м3.ч. Затем сточные еоды подаются на биоокисление при температуре 35°С, .расходе воздуха 40-50 м3/м2«ч, концентрации активного ила в зоне аэрации 4-5 кг/м3 в течение 6-7 ч.

В очищенную 0KS, имеющую .ХПК 400-500 мг 02/л, БПК5 - 7080 мг Og/л добавляют свежую воду для пополнения потерь, а затем при расходе 180-200 м3/ч направляют в основное производство и на технологические нудды. .

Технико-экономическая оценка технологической схемы для завода мощностью 10000 т дрожжей в год показывает возможности получения экономического эффекта 135000 долл в год. Новая технологическая-схема позволяет сократить расход свежей воды на производственные нувды. Наряду с этим обеспечивается значительный социальный эффект, связанный с предотвращением загрязнения'окружающей среды.

ВЫВОДЫ

1. Разработана технология глубокой очистки отработанной культуральной жидкости с целью ее щзименения в системе оборотного водопользования гидролизно-дрожжевого производства.

2. Предварительное удаление из ОКЖ лигногуминового комплекса с последовательной биологической очисткой в анаэробных и аэробных условиях обеспечивает снижение массовой нагрузки, интенсификацию биохимических процессов и-ЕЫсокую эффективность очистки. , ■ • .

3. Установлено, что при обработке OK! полимерным флокулянтом катионного типа при расходе 20-26 г/м3 с последующим анаэробным брожением и биоокислением активным илом^ степень

удаления загрязнений достигает 95-96% по ХБК, органические вещества в процессе биохимической обработки превращаются, главным образом, в метан и микробную биомассу с высоким содержанием белка.

4. Показано, что оптимальной температурой мсзофкльного режима метанового брожения является 35°С. Иммобилизация микрофлоры активного ила на синтетических волокнах из полиак-риламида эффективно влияет на процесс очистки ОКЖ и образование биогаза.

5. Установлено, что оптимальной массовой нагрузкой на ме-тантенк при продолжительности метанового брожешш 8-10 ч и концентрации субстрата 14-16 г/л является 20-25 кг ЖК/м3«сут.

6. Последующая аэробная доочистка ферментата в течение 6-7 ч при температуре 35°С и концентрации активного, ила 4-5 г/л приводит к дальнейшему увеличению эффективности очистки.

7. Установлено, что при разбавлении нейтрализата оборотными водами на основе 'очищенной ОКЖ процесс ферментации в дрожжевом производстве ускоряется, увеличивается производительность ферментатора и выход кормовых дрожжей с высоким содержанием белка.

8. На основании проведенных исследований предложена принципиальная технологическая схема производства кормовых: дрожжей с бессточным водопользованием на основе применения многоступенчатой очистки ОКЕ, сочетающей флокуляционную предобработку с анаэробной очисткой и последующим биоокислением активным илом.

Основное .содержание работы изложено в следующих публикациях:

1. Амрани ГЛ., Холькин Ю.И., Макаров В.Л. Влияние предварительной адсорбционной обработки ОКЖ на процесс ее биоокисления. - Гидролизная и лесохимическая промышленность, 1992,

4, с. 15-17.

2. Амрани М., Холькин Ю.И., Макаров В.Л. Влияние физико-химической обработки 0К2 на процесс ее биоочистки. - Строение, гидролиз и биотехнология растительной биомассы. Тезисы доклада международного симпозиума, С.-Петербург, 1992, с.45.