Efektywność oczyszczania ścieków przetwórstwa mięsnego z wykorzystaniem wypełnień aktywnych

Transkrypt

1 Dawid Szwarc 1, Marcin Zieliński 2, Marcin Dębowski 3, Karolina Kupczyk 4, Magdalena Rokicka 5, Anna Hajduk 6 Uniwersytet Warmińsko-Mazurski w Olsztynie Efektywność oczyszczania ścieków przetwórstwa mięsnego z wykorzystaniem wypełnień aktywnych Wstęp Przetwórstwo mięsne jest branżą obejmującą największą część krajowego przemysłu spożywczego. Zajmuje się on obróbką surowców mięsnych zaczynając od uboju zwierząt rzeźnych, ich rozbioru, aż po wyrób dań gotowych i obróbkę produktów ubocznych [7,8,17]. Na terenie kraju działa blisko 3,5 tyś. zakładów charakteryzujących się znacznym rozdrobnieniem oraz zróżnicowaniem pod względem wielkości produkcji [1,5]. Duża skala krajowego przetwórstwa mięsnego jak również wysokie kary za nieprzestrzeganie przepisów dotyczących odprowadzania ścieków sprawiają że gospodarowanie wodami zużytymi jest zagadnieniem pierwszorzędnym dla przedsiębiorstw przetwórstwa mięsnego. Największy ładunek zanieczyszczeń zawierają ścieki technologiczne, ścieki pochodzące z przechowalni żywca, uboju oraz obróbki, a także dzielenia tuszek. Omawiane wody zużyte posiadają zanieczyszczenia organiczne (m.in. tłuszcz, białko), bakterie, zawiesiny oraz cząstki nieorganiczne. Ścieki powstające poza produkcją powstają w dużych ilościach, lecz zawierają mniejszy ładunek. Źródłem ich powstawania jest mycie pojazdów do przewozu zwierząt oraz urządzeń, kotłownie oraz systemy chłodnicze [12]. Problem stanowią przede wszystkim duże ilości zawiesiny i tłuszczu, a także fosforu i azotu [3]. Poziom wskaźników zanieczyszczeń ChZT i BZT5 w ściekach pochodzących z przemysłu mięsnego oscyluje zazwyczaj w przedziale od 1000 do 2500 g O2/m 3 dla BZT5 i od 1500 do 5000 g O2/m 3 dla ChZT. Ścieki te posiadają w swym składzie znaczne ilości pierwiastków biogennych takich jak azot (między 120 a 200 g N/m 3 ) i fosfor (do 40 g P/m 3 ). Występowanie fosforu w wodach poprodukcyjnych wynika z jego obecności w odchodach zwierząt oraz w środkach wykorzystywanych do mycia powierzchni roboczych oraz maszyn [2-5,9,]. Środki te zawierają trudnobiodegradowalne związki chemiczne. Ich neutralizacja generuje wysokie koszty inwestycyjne i eksploatacyjne. Duża koncentracja zanieczyszczeń w postaci rozpuszczonej narzuca konieczność oczyszczania biologicznego. Metody te opierają się na przeprowadzeniu procesów biochemicznych z wykorzystaniem mikroorganizmów. W warunkach sztucznych stosuje się głównie metody tlenowe z osadem czynnym, złoża biologiczne z wypełnieniem z tworzyw sztucznych oraz beztlenowy proces fermentacji metanowej [6,10]. Stale poszukiwane są nowe metody i technologie usprawniające stosowane dotychczas rozwiązania. Celem prezentowanych badań było określenie efektywności usuwania zanieczyszczeń z modelowych ścieków przemysłu mięsnego z wykorzystaniem mikroporowatych wypełnień aktywnych. 1 Dawid Szwarc, Uniwersytet Warmińsko-Mazurski w Olsztynie, Katedra Inżynierii Środowiska, Olsztyn, Polska, dawid.szwarc@uwm.edu.pl 2 Marcin Zieliński, Uniwersytet Warmińsko-Mazurski w Olsztynie, Katedra Inżynierii Środowiska, Olsztyn, Polska, marcin.zielinski@uwm.edu.pl 3 Marcin Dębowski, Uniwersytet Warmińsko-Mazurski w Olsztynie, Katedra Inżynierii Środowiska, Olsztyn, Polska, marcin.debowski@uwm.edu.pl 4 Karolina Kupczyk, Uniwersytet Warmińsko-Mazurski w Olsztynie, Katedra Inżynierii Środowiska, Olsztyn, Polska, karolina.kupczyk@uwm.edu.pl 5 Magdalena Rokicka, Uniwersytet Warmińsko-Mazurski w Olsztynie, Katedra Inżynierii Środowiska, Olsztyn, Polska, magdalena.rokicka@uwm.edu.pl 6 Anna Hajduk, Uniwersytet Warmińsko-Mazurski w Olsztynie, Katedra Inżynierii Środowiska, Olsztyn, Polska, anna.hajduk@uwm.edu.pl 9844

2 Metodyka Badania prowadzone były w dwóch wariantach. Kryterium podziału na etapy był rodzaj i charakterystyka stosowanego wypełnienia aktywnego. Jako nośnik zastosowano wypełnienie wykonane z plastyfikowanego PVC o średnicy 10 mm. Kształtki wytworzono z wykorzystaniem technologii wytłaczania mikroporującego z użyciem poroforu w postaci granulatu. Proces ten pozwolił na zwiększenie porowatosci a co za tym idzie powierzchni czynnej wypełnienia (Rys. 1., Tabela 1.). Rys. 1. Przekrój wzdłużny wypełnienia Tabela 1. Parametry fizyczne wykorzystanego wypełnienia aktywnego. Parametr Jednostka Wartość Gęstość kg/m 3 892,73 Porowatość % 39,66 Twardość o Sh 23,9 Wytrzymałości na rozciąganie N 138,97 Wariant 1 zakładał przetestowanie efektywności oczyszczania z wykorzystaniem wypełnienia pokrytego proszkiem żelaza w ilości 5% masy wypełnienia. W wariancie 2 zastosowano kształtki zawierające identyczną masę miedzi. Badania przeprowadzono w obecności próby kontrolnej, w której podczas oczyszczania zastosowano wypełnienia bez udziału metali. Przed rozpoczęciem badań wypełnienie zanurzono w zbiorniku z osadem beztlenowym na czas 48h. Badania prowadzone były w temperaturze ok. 22±1 o C. Materiałem badawczym były spreparowane ścieki z przemysłu mięsnego w których skład wchodziły: sól, tłuszcz roślinny, wzmacniacze smaku (glutaminian monosodowy, inozynian disodowy i guanylan disodowy), skrobia, ekstrakt wołowy, cukier, maltodekstryna, aromaty, barwniki (karmel amoniakalny), kwas cytrynowy, kurkuma, nasiona selera, natka pietruszki. Doświadczenie prowadzone było w szklanych reaktorach o pojemności czynnej 250 cm 3. Do każdej kolby wprowadzono 200 cm 3 spreparowanych ścieków oraz 20 g wypełnienia aktywnego. W celu dokładnego wymieszania i zwiększenia kontaktu ścieków z wypełnieniem zastosowano mieszanie na wytrząsarce Elpan 358S. Eksperyment trwał 120 godzin. W celu potwierdzenia wyników wykonano 3 powtórzenia. W trakcie trwania doświadczenia co 24 godziny ścieki analizowano pod kątem zawartości węgla organicznego wyrażonego w ChZT, azotu ogólnego oraz fosforu ogólnego. Tabela 2. Charakterystyka spreparowanych ścieków Parametr Jednostka Wartość ChZT mg O 2/dm Azot ogólny mg N/dm 3 63,4 Fosfor ogólny mg P/dm 3 6,23 Uzyskane wyniki poddano analizie statystycznej w oparciu o pakiet STATISTICA. Weryfikację hipotezy dotyczącej rozkładu każdej badanej zmiennej określono na podstawie testu W Shapiro Wilka. W celu 9845

3 stwierdzenia istotności różnic miedzy zmiennymi przeprowadzono jednoczynnikową analizę wariancji (ANOVA). Sprawdzenia jednorodności wariancji w grupach dokonano z wykorzystaniem testu Levene a. W celu określenia istotności różnic między analizowanymi zmiennymi test RIR Tukeya. W testach przyjęto poziom istotności p = 0,05. Omówienie i dyskusja wyników Początkowa zawartość związków organicznych wyrażonych w ChZT wynosiła 1884±20 mg O2/dm 3. Po 120 godzinach trwania eksperymentu stężenie związków organicznych w wariancie 1 zostało ograniczone do ok. 890±15 mg O2/dm 3. Zanotowana efektywność usuwania związków organicznych ze ścieków mięsnych z wykorzystaniem wypełnienia aktywnego pokrytego proszkiem żelaza wyniosła ok. 52,76±0,8%. W wariancie drugim końcowe stężenie związków organicznych wynosiło ok. 1310±17 mg O2/dm 3, co pozwalało na uzyskanie sprawności oczyszczania kształtującej się na poziomie ok. 30,47±0,9%. Najmniejszą efektywność zaobserwowano w próbie kontrolnej i wynosiła ona ok.26,22±0,8% (Rys. 3.) [mg O 2 /dm 3 ] Próba kontrolna Wariant 1 Wariant [h] Rys. 3. Zmiana stężenia ChZT w poszczególnych wariantach. Początkowe stężenie azotu ogólnego w każdym wariancie wynosiło ok. 63,4±0,4 mg N/dm 3. Największą efektywność zaobserwowano w wariancie 2, gdzie wykorzystywano wypełnienie aktywne pokryte proszkiem miedzi. Końcowe stężenie wynosiło ok. 47,6±0,3 mg N/dm 3, co dawało sprawność na poziomie ok. 24,92±0,5%. W wariancie pierwszym zawartość Nog została ograniczona do wartości ok. 52±0,4 mg N/dm 3. Najmniejszą efektywność zanotowano w próbie kontrolnej i wynosiła ona ok. 10,1±0,4% (Rys. 3.) [mg N/dm 3 ] Próba kontrolna Wariant 1 Wariant [h] Rys. 4. Zmiana stężenia azotu ogólnego w poszczególnych wariantach. 9846

4 Stężenie początkowe fosforu ogólnego w spreparowanych ściekach kształtowało się na poziomie ok. 6,23±0,2 mg P/dm 3. W wariancie 2, wykorzystującym wypełnienie pokryte proszkiem miedzi, stężenie fosforu ogólnego zostało ograniczone do ok. 2,14±0,1 mg P/dm 3, co pozwoliło na osiągnięcie efektywności usuwania fosforu wynoszącej ok. 65,65±1,6%. Nieco niższą efektywność uzyskano w wariancie 1. Po 120 godzinach prowadzenia eksperymentu zawartość fosforu ogólnego spadła do wartości 2,4±0,1 mg P/dm 3, co dawało sprawność wynoszącą ok. 61,48±1,4%. Najgorsze efekty zaobserwowano w próbie kontrolnej, końcowe stężenie fosforu ogólnego kształtowało się na poziomie 5,09±0,12 mg P/dm 3. Stwierdzono statystycznie istotne różnice (p = 0,05) w sprawności usuwania fosforu ze ścieków pochodzących z przetwórstwa mięsnego w zależności od testowanego wariantu eksperymentalnego [mg P/dm 3 ] Próba kontrolna Wariant 1 Wariant [h] Rys. 5. Zmiana stężenia fosforu ogólnego w poszczególnych wariantach. Analogiczne do opisywanych rezultaty osiągnęli również inni badacze. W badaniach przeprowadzonych przez Wysocką (2002) wykorzystującą wypełnienia stalowe, uzyskano sprawność redukcji fosforu ogólnego z bulionu wołowego na poziomie 54%. Sprawność usuwania fosforanów wynosiła 91%. Zastosowanie wypełnienia stalowo-aluminiowego pozwoliło Jej na usunięcie fosforu ogólnego w 40%, natomiast ortofosforanów w 62%. Wykorzystanie wypełnienia aluminiowego pozwoliło redukować stężenie fosforu ogólnego o 4% oraz przyczyniło się do zwiększenia stężenia ortofosforanów o 2% [15]. Inne dane literaturowe donoszą, że w zależności od wielkości przepływu efektywność usuwania fosforu ogólnego z użyciem metody roztwarzania metali wynosiła od 23% do 29% w stosunku do wartości stężenia początkowego. Stosując proces napowietrzania można zwiększyć redukcję tego biogenu o kolejne 11-23% [13]. Wysocka i in. (2001) przeprowadzili eksperyment w którym poddali pięciogodzinnemu kontaktowi 500 cm 3 ścieków z wypełnieniem z żelaza o powierzchni 150 cm 2. Pozwoliło to na redukcję fosforu ogólnego na poziomie 93% [14]. Podsumowanie Na podstawie przeprowadzonych prac eksperymentalnych można stwierdzić, iż testowane wypełnienia aktywne wykazywały wyższą efektywność usuwania fosforu ogólnego w porównaniu z próbą kontrolną. Najwyższą sprawność redukcji fosforu uzyskano w układzie wykorzystującym wypełnienie aktywne pokryte proszkiem miedzi i kształtowało się na poziomie ok. 65,65±1,6%. W tym wariancie technologicznym stwierdzono również najwydajniejsze usuwanie związków azotu na poziomie 24,92±0,5%. Zastosowanie wypełnień aktywnych do oczyszczania ścieków z przetwórstwa mięsnego wpływało wyraźnie także na redukcję związków organicznych wyrażonych w ChZT. W tym przypadku największą sprawność (52,76±0,8%) zaobserwowano w wariancie pierwszym, wykorzystującym wypełnienie pokryte proszkiem żelaza. 9847

5 Streszczenie Celem badań było określenie efektywności oczyszczania ścieków z przemysłu mięsnego przy wykorzystaniu wypełnień aktywnych. Przemysł mięsny jest źródłem ścieków o wysokim stężeniu zanieczyszczeń, które w znacznym stopniu wpływają na degradację środowiska. Omawiane zużyte wody zawierają ChZT na poziomie mg O2/dm 3, mg O2/dm 3 BZT5, mg N/dm 3 azotu ogólnego oraz do 40 mg P/dm 3 fosforu ogólnego. Restrykcyjne wymogi odprowadzanych wód do środowiska oraz trudności z usuwaniem fosforu w warunkach beztlenowym, sprawiają, że poszukuje się nowych technik oczyszczania ścieków. Zaproponowana metoda oczyszczania ścieków opiera się o proces roztwarzania metali. Testowane wypełnienia aktywne pokryte zostały w zależności od wariantu proszkiem żelaza lub miedzi. W wyniku korozji metali, jony uwalniane do ścieków wspomagają proces ich oczyszczania. W przypadku redukcji związków organicznych wyższą efektywnością wykazało się wypełnienie pokryte żelazem (52,6±08%). W odniesieniu do usuwania związków azotu i fosforu wyższą skuteczność wykazało wypełnienie pokryte proszkiem miedzi. Azot ogólny został zredukowany o 24,92±0,5%., natomiast fosfor ogólny o 65,65±1,6%. Najmniejszą efektywnością usuwania zarówno fosforu ogólnego, azotu ogólnego jak również związków organicznych wyrażonych w ChZT zaobserwowano w próbie kontrolnej z wypełnieniem nie pokrytym żadnym metalem. Słowa kluczowe: oczyszczanie ścieków, roztwarzanie metali, usuwanie fosforu, usuwanie azotu, usuwanie związków organicznych, ścieki mięsne THE EFFICIENCY OF MEAT PROCESSING WASTEWATER TREATMENT USING ACTI- VATED FILLINGS Abstract The purpose of this study was to determine the effect of meat wastewater treatment with active plenums.the meat industry is source of highly polluted wastewater, which significantly impact the degradation of the environment. The discussed sewage contain mg O2/dm3 COD, mg O2/dm3 BOD5, mg/dm3 total nitrogen and to 40 mg/dm3 total phosphorus. The restrictive requirements of wastewaters introduce to environment and the difficulty of phosphorus removal in the anaerobic condition cause to looking for the new treatments ways. The proposed method of wastewater treatment is based on the process of dissolution of the metals. Tested were covered with active filling depending on the variant of iron or copper powder. As a result of corrosion of metal ions released to assist the process of waste water purification. In the case of a reduction of organic compounds showed a higher efficiency of by filling the covered with iron (52.6±08%). With regard to the removal of nitrogen and phosphorus compounds showed higher efficiency filling coated copper powder. Total nitrogen was reduced by 24.92±0.5%., while the total phosphorus about 65.65±1.6%. The lowest efficiency of removal of both total phosphorus, total nitrogen and organic compounds expressed in COD was observed in the control of the filling is not covered with any metal. Keywords: wastewater treatment, dissolution of metals, phosphorus removal, nitrogen removal, removal of the organic compounds, wastewater meat Literatura [1] Bartkiewicz B.: Oczyszczanie ścieków przemysłowych, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa

6 [2] Chávez P., Castillo L., Dendooven, L.: Poultry slaughter wastewater treatment with an up-flow anaerobic sludge blanket (UASB) reactor, Bioresource Technology, 15/2005, s [3] Gudelis-Matys K.: Oczyszczanie ścieków w zakładach mięsnych, Gospodarka Mięsna, 9/2004, s [4] Konieczny P., Szymański M.: Ścieki przemysłu spożywczego charakterystyka, zagrożenia, korzyści, Przegląd Komunalny, 2/2007, s [5] Konieczny P., Uchman W.: Zakład mięsny a środowisko naturalne, Wydaw. Akademii Rolniczej im. Augusta Cieszkowskiego, Poznań [6] Krzanowski S., Wałęga A., Paśmionka I.: Oczyszczanie ścieków z wybranych zakładów przemysłu spożywczego, Komisja Technicznej Infrastruktury Wsi PAN w Krakowie, Kraków [7] Makara A., Banach M., Kowalski M., Hydrolizaty białkowe i suszone pro-teiny analiza rynku, wymagania jakościowe, zastosowanie, Czasopismo Techniczne. Chemia, 107/2010, s [8] Mały rocznik statystyczny, ZWS, Warszawa [9] Mizgajski A., Andrzejewska-Wierzbicka M.: Formy oddziaływania na środowisko przetwórstwa mięsnego w świetle przepisów prawa, Problemy Ocen Środowiskowych, 3/2003, s [10] Olszewski A.: Technologia przetwórstwa mięsa, WNT, Warszawa [11] Rocznik statystyczny rolnictwa i obszarów wiejskich, ZWS, Warszawa [12] Simpson A., Kubicki M.: Ochrona środowiska w przemyśle mięsnym, FAPA, 1998, s [13] Wysocka I., Kościelniak T.: Wpływ napowietrzania na efektywność usuwania fosforu ze ścieków metodą roztwarzania metali, Inżynieria Ekologiczna, 24/2011, s [14] Wysocka I., Krzemieniewski M., Janczukowicz W., Pesta J.: Influence of metal ions introduction to the solution by corrosion on phosphorus removal from wastewater, Natural sciences, 2/2001, s [15] Wysocka I.: Dezaktywacja fosforu w ściekach metodą roztwarzania metali, Inżynieria Ekologiczna