Cechą charakteryzującą ścieki mleczarskie jest bardzo duża nierównomierność ich spływu oraz zróżnicowanie stężenia zanieczyszczeń w czasie, co jest podyktowane rodzajem chwilowej produkcji. Ścieki technologiczne powstające podczas mycia urządzeń zawierają resztki surowca mlecznego i produktów z niego wytwarzanych [1]. Strumienie odpadowe pochodzące z mycia maszyn transportowych, takich jak cysterny dowożące mleko do zakładów produkcji, są praktycznie rozcieńczonym mlekiem zawierającym środki chemiczne stosowane do płukania i dezynfekcji cystern. Stosuje się do tego celu roztwór kwasu azotowego, który usuwa i zapobiega tworzeniu się osadów organicznych oraz ługu sodowego wspomagającego usuwanie tłuszczy i białek. W przypadku wszystkich rodzajów mleczarni podobny charakter mają ścieki pochodzące z płukania, natomiast skład ścieków poprodukcyjnych zależy od stosowanej technologii. W największym stopniu są to zanieczyszczone ścieki generowane podczas produkcji serów (BZT₅ 200g/kg i zawiesina 30 g/kg) oraz kazeiny (BZT₅ 150g/kg i zawiesina 25g/kg, a w najmniejszym – po produkcji mleka spożywczego (BZT₅ 1 g/kg i zawiesina 0,2 g/kg) i śmietanki (BZT₅ 10g/kg i zawiesina 2g/kg) [2].

    Jak wykazały wyniki wcześniejszych badań przeprowadzonych przez autorki tego artykułu, dotyczące współoczyszczania w tlenowym bioreaktorze membranowym odcieków ze ściekami komunalnymi, głównym problemem było usunięcie do wymaganego poziomu ilości azotu azotanowego [3]. Przyczyna tego zjawiska to zbyt niskie stężenie węgla organicznego w mieszaninie oczyszczanych ścieków. W związku z tym postanowiono zastąpić ścieki komunalne ściekami mleczarskimi zawierającymi wysokie stężenia substancji białkowych. Miało to wpłynąć na poprawę efektywności procesu współoczyszczania odcieków składowiskowych.

Tab. 1.
Charakterystyka odcieków składowiskowych, ścieków mleczarskich oraz mieszaniny tych ścieków wprowadzanych do bioreaktora membranowego.

Materiał badawczy i metodyka badań
    Proces biologicznego współoczyszczania odcieków ze ściekami mleczarskimi prowadzono w warunkach laboratoryjnych, stosując osad czynny z Miejskiej Oczyszczalni Ścieków w Gliwicach.
    Substratami badań była mieszanina ścieków mleczarskich pochodzących z Okręgowej Spółdzielni Mleczarskiej w Bieruniu oraz odcieki ze składowiska odpadów
komunalnych w Tychach. Udział współoczyszczanych odcieków składowiskowych wynosił 5% obj. W początkowej fazie procesu oczyszczania osad przez 3 tygodnie
adaptowano do warunków pracy reaktora SBR. Następnie współoczyszczano odcieki z syntetycznymi ściekami mleczarskimi, wzbogaconymi mlekiem w proszku oraz sklarowanymi ściekami mleczarskimi dodawanymi w celu wprowadzenia bakterii typowych dla tego rodzaju ścieków. W końcowym etapie badań przeprowadzono proces oczyszczania odcieków ze ściekami mleczarskimi rzeczywistymi.
    Ponieważ zrzut ścieków mleczarskich następował dwa razy na dobę i ich charakterystyka zdecydowanie się różniła, w badaniach stosowano mieszaninę ścieków z dwóch kolejnych dni w celu uzyskania zbliżonego składu i zapewnienia stałego obciążenia substratowego osadu (0,05 i 0,1 gChZT/g_s.m.d).
    Średnie wartości wskaźników zanieczyszczeń charakteryzujących odcieki, oczyszczane ścieki mleczarskie oraz mieszaninę ścieków mleczarskich z odciekami zostały przedstawione w tabeli 1.
    Układ badawczy składał się ze zbiornika uśredniającego oraz z bioreaktora membranowego z zainstalowanym wewnątrz mikrofiltracyjnym modułem kapilarnym. Współoczyszczane odcieki pompowano ze zbiornika uśredniającego do bioreaktora z osadem czynnym. Objętość komory reakcyjnej wynosiła 15 dm³. Schemat układu
badawczego zilustrowano na rys. 1.

Rys. 1. Schemat układu badawczego: (1) zbiornik ścieków surowych, (2) komora tlenowa, (3) kapilarny moduł membranowy, (4) zbiornik ścieków oczyszczonych, (5) napowietrzanie drobnoi grubopęcherzykowe.

    Współoczyszczone biologicznie ścieki, wskutek wytworzonego w module membranowym podciśnienia (0,02 MPa), przepływały przez ściany kapilar do ich wnętrza i były odprowadzane z bioreaktora. Zastosowany w badaniach moduł kapilarny produkcji kanadyjskiej firmy Zenon posiadał powierzchnię filtracyjną 0,25 m² i charakteryzował się wysoką wytrzymałością mechaniczną i odpornością chemiczną. Membrany kapilarne wykonane z polifl uorku winylidenu miały pory o średnicy 0,1 μm.
    Bioreaktor membranowy pracował na zasadzie reaktora SBR w cyklu 12-godzinnym. Fazy napełniania i mieszania prowadzono 4,5 h, napowietrzania 6,5 h, sedymentacji i odprowadzenia sklarowanych ścieków 1 h. Stężenie osadu czynnego utrzymywane było na poziomie 3 g/dm³, a stężenie tlenu wynosiło 4 mgO₂/dm³.

Omówienie wyników badań i ich analiza
    Celem badań była ocena wpływu obciążenia substratowego osadu, którego wartości utrzymywano na poziomie 0,05 gChZT/g_s.m.d oraz 0,1 gChZT/g_s.m.d, na zmianę efektywności współoczyszczania odcieków ze ściekami mleczarskimi. Uzyskane wyniki zamieszczono w tabeli 2.
    Stopnie obniżenia wartości wskaźników ChZT i BZT5 charakteryzujących oczyszczone ścieki były w obu przypadkach wysokie. Przy zastosowaniu obciążenia substratowego osadu równego 0,05 gChZT/g_s.m.d ChZT ścieków wypływających z bioreaktora wynosiło 112 mgO₂/dm³, natomiast dla obciążenia 0,1 gChZT/g_s.m.d było wyższe i kształtowało się na poziomie 150 mgO₂/dm³. Wzrost obciążenia substratowego osadu wpłynął niekorzystnie na efektywność procesu oczyszczania ścieków. Ich ChZT dla obciążenia 0,1 gChZT/g_s.m.d przekraczało dopuszczalne normy.
    Stopień obniżenia biochemicznego zapotrzebowania tlenu dla ścieków oczyszczonych był wyższy od 99%, zarówno w przypadku oczyszczania samych ścieków mleczarskich, jak i współoczyszczanych z odciekami. W konsekwencji stężenia BZT5 odpływu z bioreaktora mieściły się w przedziale 2-4 mgO₂/dm³.
    Podobną zależność zaobserwowano w przypadku procesu usuwania azotu amonowego. Stopień obniżenia jego stężenia był wysoki zarówno dla odcieków współoczyszczanych ze ściekami mleczarskimi, jak i podczas oczyszczania surowych ścieków mleczarskich i kształtował się na poziomie średnio 99%. Stężenia N-NH4 - nie przekraczały wartości 2,5 mg/dm³.

W przypadku wszystkich rodzajów mleczarni podobny charakter mają ścieki pochodzące z płukania, natomiast skład ścieków poprodukcyjnych zależy od stosowanej technologii.

    Wykazano również, że stężenia azotu azotanowego w oczyszczonych ściekach zarówno dla obciążenia 0,05, jak i 0,1 gChZT/g_s.m.d były trzykrotnie niższe w porównaniu z normowanymi i wynosiły odpowiednio 8,4 i 10,1 mg/dm³. W przypadku oczyszczania ścieków komunalnych stężenie tego biogenu, charakteryzujące ścieki oczyszczone, przekraczało prawie dwukrotnie wartości dopuszczalne umożliwiające ich odprowadzenie do odbiornika naturalnego. Pojawił się jednak problem z usunięciem fosforu ogólnego, którego stężenie na odpływie z bioreaktora było za wysokie. Zgodnie z Rozporządzeniem Ministra Środowiska z dnia 28 stycznia 2009 r. zmieniającego rozporządzenie w sprawie warunków, jakie należy spełnić przy wprowadzaniu ścieków do wód lub do ziemi oraz w sprawie substancji szczególnie szkodliwych dla środowiska wodnego, wartość fosforu ogólnego powinna nie przekraczać 2 mg/dm³. W badaniach oznaczano fosfor fosforanowy, który jak wiadomo stanowi około 70% fosforu ogólnego [4]. Jego stężenie w ściekach oczyszczonych dla obciążenia osadu 0,05 gChZT/g_s.m.d wynosiło 7,1mg/dm³ a przy obciążeniu 0,1 gChZT/g_s.m.d 6,5 mg/dm³. Prawdopodobnie w celu zwiększenia efektywności usuwania fosforanów należałoby zmodyfikować cykl pracy reaktora MSBR, wprowadzając zmiany czasu trwania faz tlenowo-beztlenowych.
    Podczas badań prowadzono również analizę mikroskopową osadu czynnego i określono wpływ ścieków mleczarskich na kształt i wielkość kłaczków osadu oraz rodzaj rozwijających się mikroorganizmów. Zaobserwowano szybki przyrost orzęsków występujących w różnych formach, tj.: wolno pływających, pełzających po kłaczkach i osiadłych. Również nastąpił przyrost wrotków, których obecność licznie świadczyła o uzyskaniu wysokiego stopnia oczyszczenia ścieków. W osadzie występowały w optymalnych ilościach ameby, nicienie oraz bakterie nitkowate. Osad był zbudowany ze średniej wielkości kłaczków o regularnych kształtach i luźnej strukturze. Jego wygląd świadczył o pracy przy średnim obciążeniu substratowym [5].

 

Tab. 2.
Porównanie efektywności oczyszczania mieszaniny ścieków mleczarskich z odciekami komunalnymi przy obciążeniach substratowych osadu Ax = 0,05 gChZT/gs.m.d i Ax = 0,1gChZT/gs.m.d *R – stopień obniżenia wartości wskaźnika zanieczyszczeń.

Warto zapamiętać
    Korzystniejszym z przebadanych obciążeń osadu okazała się wartość 0,05 gChZT/g_s.m.d, w przypadku której stopień obniżenia wskaźników zanieczyszczeń organicznych był wysoki. ChZT kształtowało się na poziomie 112 mg O₂/dm³ a BZT₅ 4 mgO₂/dm³. Wartość wskaźnika ChZT przy zastosowaniu obciążenia osadu ładunkiem zanieczyszczeń 0,1 gChZT/g_s.m.d wynosiła 150 mgO₂/dm³ i przekraczała dopuszczalne normy wg RMŚ. Stopień usunięcia azotu amonowego był bardzo wysoki (>99%), w związku z czym jego stężenie w ściekach oczyszczonych kształtowało się w zakresie 2,1 – 2,5 mg/dm³ (dla obu obciążeń substratowych osadu).
    Stężenie azotu azotanowego w oczyszczonych ściekach zarówno dla obciążenia 0,05 gChZT/g_s.m.d, jak i 0,1 gChZT/ g_s.m.d było trzykrotnie niższe od dopuszczalnego i wynosiło odpowiednio 8,4 i 10,1 mg/dm³. Wyznaczone stężenie P-PO4 w ściekach oczyszczonych dla obu przebadanych obciążeń osadu przekraczało wartość dopuszczalną. Przy obciążeniu osadu 0,05 gChZT/g_s.m.d kształtowało się na poziomie 7,1 mg/dm³, natomiast przy obciążeniu 0,1 gChZT/g_s.m.d wynosiło 6,5 mg/dm³.

Literatura
[1] Romualda Danków, Dorota Cais-Sokolińska, Jan Pikul, Wykorzystanie popłuczyn mleczarskich w celu odzyskania masy białkowej, „Nauka Przyroda Technologie”, 3, 4, 2009.
[2] Anna Grala, Marcin Zieliński, Magda Dudek, Marcin Dębowski, Efektywność oczyszczania ścieków mleczarskich w reaktorze beztlenowym o przepływie pionowym, „Inżynieria ekologiczna”, 22, 2010, 97-105.
[3] Jolanta Bohdziewicz, Anna Świerczyńska, Magdalena Amalio-Kosel, Ocena efektywności współoczyszczania w bioreaktorze SBR odcieków ze składowiska komunalnego oraz ich wpływu na mikroorganizmy osadu czynnego, „Proceedings of ECOpole”, 4,2, 2010, 319-324.
[4] Lucyna Przywara, Warunki i możliwości usuwania fosforanów i fosforu ogólnego ze ścieków przemysłowych, Rozprawa doktorska, Politechnika Krakowska im. Tadeusza Kościuszki, Wydział Inżynierii Środowiska, Bielsko Biała, 2006.
5. Eikelboom D.H., Podręcznik mikroskopowego badania osadu czynnego. Wyd. „Seidel-Przywecki” Sp. z o.o., Szczecin 1999.

Podziękowanie
Praca naukowa finansowana ze środków na naukę w latach 2011-2013 jako projekt badawczy promotorski nr N N523 738740.
Badania p rezentowane na Środkowoeuropejskiej Konferencji Naukowej ECOpole’11.

Autorki: Anna Świerczyńska, Ewa Puszczało, Jolanta Bohdziewicz, Politechnika Śląska, Instytut Inżynierii Wody i Ścieków

Artykuł  został opublikowany w magazynie "Agro Przemysł" nr 3/2012