Дзигар О. О., Чалова Т. С., д. т. н. Левандовський  Л. В., к. т. н. Степанець Л. Ф., к. т. н. Заболотна  Г. М.

Національний університет харчових технологій, Україна

Біологічне очищення стічних вод виробництва амінокислот

У ХХІ сторіччі екологічні проблеми виходять на перший план. Однією з глобальних екологічних проблем, яка з’явилася в останні десятиріччя є проблема прісної (питної) води.

Вода здійснює надзвичайно великий вплив на здоров'я людини. Тому, щоб добре себе почувати людина повинна вживати тільки чисту якісну питну воду.

Швидкий ріст населення планети в поєднанні зі зростаючим обсягом водоспоживання для побутових та промислових потреб і інтенсивним використанням її для потреб сільського господарства призводить до глобальної водної кризи, яка проявляється в нестачі прісної води й у її забрудненні, що посилюється.

Останнім часом збільшилися неконтрольовані скиди неочищених і недостатньо очищених стічних вод з очисних споруд промислових підприємств і організацій. Значна кількість забруднюючих речовин надходить у водні об'єкти з поверхневим змивом із сільськогосподарських угідь, з ферм і тваринницьких комплексів та територій населених пунктів.

Висококонцентровані стічні води, які неприпустимо скидати у водні об’єкти без очищення, утворюються і при виробництві амінокислот.

Амінокислоти є основними складовими елементами білків. Всі 20 амінокислот є мономерами для побудови природних поліпептидів і добре вивчені. Усі амінокислоти поділяють на три групи: незамінні, напівнезамінні і замінні. Незамінні амінокислоти — амінокислоти, які не синтезуються в організмах людини та вищих тварин і повинні обов’язково надходити в організм з продуктами харчування. Відсутність або недостатність незамінних амінокислот викликає негативний азотний баланс, призводить до затримки росту та розвитку організму, зменшення маси тіла, порушення обміну речовин. Якщо в раціоні не буде хоча б однієї незамінної амінокислоти в достатній кількості, то нормальний синтез білка буде заблоковано. Гостра недостатність незамінних амінокислот призводить до загибелі організму.

Сучасні методи органічного синтезу дозволяють синтезувати L- і D-форми амінокислот, але тільки як рацемати, подальше розділення яких являє собою складну задачу і економічно не вигідно. У промисловому масштабі амінокислоти одержують або екстракцією з білкових гідролізатів, або хімічним синтезом.

Інший спосіб отримання амінокислот – це мікробіологічний синтез, коли використовують штами-продуценти, які здійснюють надсинтез амінокислот. Суттєвою перевагою мікробного одержання амінокислот є те, що у цьому разі синтезуються біологічно активні L – форми амінокислот. Метод є більш дешевим та економічно ефективним.

Щорічно у світі виробляється близько 2 млн т амінокислот.

Амінокислоти широко використовуються у харчовій промисловості як підсилювачі смаку і ароматизатори, антиоксиданти і харчові добавки, у сільському господарстві – як кормові добавки, у медицині – для терапії післяопераційних хворих, у хімічній промисловості - як вихідні речовини для синтезу полімерів і виробництва косметичних засобів.

Виробництво амінокислот включає такі технологічні стадії :

1. Приготування поживного середовища.

2. Культивування мікроорганізмів.

3. Виробнича ферментація.

4. Виділення амінокислоти:

4.1. Мікрофільтрація.

4.2. Випарювання нативного розчину.

4.3. Кристалізація та відділення технічних кристалів.

4.4. Сушіння кристалів.

5. Пакування готового продукту.

При виробництві амінокислот утворюються 4 класи стічних вод:

1. Умовно-чисті, що являють собою воду після охолодження продукту в технологічній апаратурі. Ця вода не має безпосереднього контакту із продуктом і використовується в оборотному циклі.

2. Концентровані технологічні стічні води, ХСК яких є біля 20 000 мг О₂/л. Скидання таких стічних вод без очистки у відкриту природну водойму неприпустимо. Для очищення таких висококонцентрованих стоків доцільно використовувати анаеробно – аеробну технологію очищення стічних вод.

3. Неконцентровані промислові стоки (води від обполіскування обладнання і комунікацій після миття, конденсат від стерилізації устаткування при нагріванні вище 100 ^оС) – скидають до каналізаційної мережі.

4. Стічні води від миття підлоги виробничих приміщень і зовнішньої поверхні трубопроводів – вони надходять у мережу загально побутових стічних вод і далі у каналізацію.

Серйозною екологічною проблемою для таких підприємств, є очищення стічних вод другого класу.

Показники стічних вод другого класу наведені у таблиці 1.

Таблиця 1

Показники стічних вод другого класу

Показник	Значення
ХСК	20 000 мг О2 / дм^3
БСКповне	16 000 мг О2 / дм^3
N	246 мг/дм^3
P	35 мг/дм^3
рН	6,5

Цілий ряд виконаних розрахунків та обгрунтувань, а саме:

· БСК_повне /ХСК=16 000 / 20 000 = 0,8, що є більше за 0,75;

· ХСК стічних вод більше 2 000 мг О₂ /л;

· БСК_повне:N:P=16 000:246:35=457:7,03:1, що задовольняє співідношення БСК_повне:N:P = 300÷500:7:1;

· pH=6,5, що входить у межі 6,5...8,5;

· при виробництві амінокислот не застосовуються і не утворюються токсичні речовини, які можуть пригнічувати життєдіяльність організмів активного мулу;

підтверджує придатність даних стічних вод до біологічного очищення в анаеробних умовах.

Отже, доцільно застосувати анаеробну обробку стоків, як основний процес очищення, з аеробним доочищенням для повного видалення забруднень (анаеробно-аеробну технологію очищення стічних вод).

Для забезпечення нормального перебігу біологічного очищення необхідно провести механічне очищення. Висококонцентровані стічні води надходять на гратки, де видаляються грубі домішки, потім рухаються у пісковловлювач для видалення дрібних мінеральних домішок, що можуть негативно впливати на роботу очисних споруд. Після проведеного механічного очищення стічні води змішуються із менш забрудненими стоками (наприклад, води від миття обладнання).

Наступною стадією є анаеробне зброджування стічних вод. Для забезпечення даного процесу застосовують метантенки, в яких відбувається розкладання забруднених речовин без доступу кисню повітря під впливом мікроорганізмів анаеробного активного мулу, до складу якого входять бактерії: Methanobacterium, Methanococcus, Methanospirillum. Methanosarcina, Methanothrix та деякі види Clostridium. Метанове бродіння доцільно проводити у термофільному режимі при температурі 45...65 ^оС, оскільки підвищення температури прискорює перебіг процесу. У результаті цього виділяється біогаз, який можна використати як альтернативне джерело енергії.

Метанове бродіння має ряд переваг:

1. Розширює діапазон стічних вод, які придатні до біологічного очищення.

2. Відбувається із споживанням значно меншої кількості біогенних елементів: БСК_повне:N:P= 300÷500:7:1.

3. Анаеробна технологія має експлуатаційні переваги:

· Відпадає необхідність встановлювати пристрої для подачі повітря та живлення їх електроенергією.

· Дає змогу очищати леткі, неприємнопахучі речовини та речовини здатні до піноутворення.

· Анаеробний активний мул характеризується підвищеною стійкістю до тривалих перерв у живленні стічними водами.

· Полегшується автоматизований контроль та керування процесом очищення.

· Зменшується площа очисної станції за рахунок збільшення навантаження на активний мул в метантенках та за рахунок забезпечення їх герметичності, що усуває небезпеку потрапляння в повітря неприємнопахучих речовин.

4. Анаеробна технологія полегшує утилізацію кінцевих продуктів:

· В такій технології 5% йде на приріст біомаси мікроорганізмів, а 95% переходить у біогаз.

· Анаеробний активний мул після метантенків, які працюють в термофільному режимі, звільняється від термочутливої патогенної мікрофлори, яєць гельмінтів та насіння бур’янів.

· Утворюється біогаз, який є альтернативним джерелом енергії.

Метанове бродіння застосовується лише для основного біологічного очищення, після якого обов’язково потрібно встановлювати споруди для доочищення (аеротенки, біофільтри). Це пояснюється накопиченням деяких проміжних продуктів бродіння ( летких жирних кислот).

Зброджений субстрат містить у достатній кількості макро- та мікроелементи ( азот, фосфор, калій, вітаміни групи В). Його можна використати, як біорегулятор росту рослин.

Після метантенку стічні води надходять у відстійник для відділення анаеробного активного мулу від води. Частина мулу повертається у аеротенк у вигляді циркулюючого активного мулу для підтримання постійної концентрації, а надлишковий активний мул відводиться на мулові майданчики.

Наступним етапом є доочищення стічних вод в аеробних умовах. Процес здійснюють в аеротенках, де відбувається остаточне розкладання забруднюючих речовин. Після аеротенку стічні води надходять у вторинний відстійник, де відбуваеться відділення активного мулу від води. Частина мулу повертається у аеротенк у вигляді циркулюючого активного мулу для підтримання постійної концентрації, а надлишковий активний мул відводиться на мулові майданчики. Заключним етапом є знезаражування стічних вод хлоруванням.

Після проведення анаеробно-аеробного очищення стічні води можна буде скидати у відкриті водойми, що не завдасть шкоди гідробіонтам.

Таким чином, застосування анаеробно-аеробної технології очищення стічних вод дозволить вирішити проблему очищення концентрованих стічних вод виробництва амінокислот, а також отримати альтернативне джерело енергії – біогаз та зброджений субстрат як регулятор росту рослин.