Możliwość beztlenowej biodegradacji zanieczyszczeń zawartych w permeacie po nanofiltracji serwatki kwaśnej

• Autorzy: Zieliński M. , Dębowski M. , Krzemieniewski M.

Warianty tytułu

EN

The possibility of anaerobic biodegradation of permeate obtained from sour whey nanofiltration

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Serwatka jest ubocznym produktem przeróbki mleka na twarogi, sery podpuszczkowe czy kazeinę. Stanowi ona od 65% do 80% w stosunku do objętości wykorzystywanego mleka. Taka rozpiętość wynika z technologii produkcji, na którą składają się metody wytrącania białka i stopień jego osuszenia. Ze względu na skład oraz parametry fizyczno - chemiczne, serwatka dzieli się słodką (podpuszczkową) oraz kwaśną (kwasową). Serwatka słodka powstaje w wyniku ścięcia mleka enzymem - podpuszczką, natomiast serwatkę kwaśną uzyskuje się w wyniku koagulacji mleka. Ze względu na znaczną produkcję serów twarogowych i termizowanych, w Polsce wytwarza się duże ilości serwatki kwaśnej [16, 19]. Szacuje się, iż roczna produkcja serwatki w roku 2006 wynosiła w Polsce 3 mld dm3. Ze względu na wysoką koncentrację związków organicznych substancja ta stanowi potencjalne zagrożenie dla środowiska naturalnego. Odpad ten charakteryzuje się wysokim wskaźnikiem BZT5 wynoszącym od 30 000 do 50 000 g O2/dm3, podczas gdy średnie BZT5 ścieków mleczarskich mieści się w granicach od 800 do 2000 g O2/dm3 [10]. Odprowadzenie serwatki wraz ze ściekami bezpośrednio do zbiorników wodnych spowoduje daleko idące zmiany i degradację naturalnych ekosystemów. Koniecznością jest poszukiwanie oraz wdrażanie nowych technologii zmierzających do całkowitego zagospodarowania i unieszkodliwienia serwatki. Wiele działań zmierzających w tym kierunku podejmuje się na świecie, wykorzystując głównie techniki membranowe [11, 22]. Procesy te gwarantują uzyskanie dobrej jakości tego wysokowartościowego produktu do dalszego wykorzystania. Również w Polsce pracują w skali przemysłowej urządzenia wykorzystujące technikę membranową, a wiele kolejnych jest projektowanych i uruchamianych w zakładach mleczarskich. Charakterystyczną cechą filtracji membranowej jest to, iż separacja składników ma charakter czysto fizyczny i nie ulęgają one przemianom termicznym, chemicznym czy biologicznym. Ze względu na modułową konstrukcję instalacji można ja dostosować do każdej skali produkcyjnej [10]. Produktami otrzymanymi w procesach membranowego przerobu serwatki kwaśnej są cenne surowce: skrystalizowany proszek o wysokiej lub niskiej zawartości wapnia, proszek koncentratu białek serwatkowych oraz proszek laktozowy. Wykorzystanie tej technologii wiąże się z powstawaniem dużych ilości produktu odpadowego - permeatu. Charakteryzuje się on wysokimi wartościami wskaźników ChZT, BZT5, substancji biogennych oraz niskim pH, a to stanowi zagrożenie dla naturalnych ekosystemów i sprawia trudności w prawidłowej eksploatacji biologicznych oczyszczalni ścieków [11]. Istnieje, zatem uzasadniona potrzeba poszukiwania i wdrażania nowych, skutecznych oraz ekonomicznie uzasadnionych technologii pozwalających na degradację zanieczyszczeń zawartych w permeacie pochodzącym z membranowych procesów przeróbki serwatki. Opracowanie wydajnej metody unieszkodliwiania tego typu zanieczyszczeń rozwiąże problemy sektora mleczarskiego związane z zagospodarowaniem i utylizacją tego odpadu. Alternatywą dla obecnie stosowanych systemów tlenowego oczyszczania ścieków, mogą się stać technologie oparte na beztlenowym rozkładzie substancji organicznych [5, 6, 21]. Układy anaerobowe funkcjonują najczęściej jako samodzielne systemy zapewniające jakość ścieków na wymaganym poziomie (ładunek zanieczyszczeń organicznych eliminowany jest w przedziale 70÷90%) lub jako I stopień usuwania zanieczyszczeń, po których następują kolejne etapy oczyszczania. Podstawowymi rozwiązaniami technologicznymi są reaktory kontaktowe, filtry beztlenowe, reaktory fluidalne, reaktory wstępujące typu UASB lub EGSB [8, 9].

EN

Whey is the side product of milk processing into cottage, rennet cheese or casein. It makes up from 65% to 80% in the relation to the volume of used milk. Such spread results from the production technology, which consist of methods of proteins precipitation and level of its desiccation. It is estimated, that year production of whey in 2006 in Poland was 3 mld dm3. This substance makes up the potential threat for the natural environment because of the high concentration of organic compounds. This waste is characterized by high BOD - from 30 000 to 50 000 g O2/dm3, while the average BOD of diary wastewater comprises in borders from 800 to 2000 g O2/dm3 [10]. This work presents the research on the use of methane fermentation in biodegradation of the pollutants in the permeat obtained from sour whey nanofiltration. The technology of regaining whey proteins by means of membrane techniques is becoming more and more popular in Polish dairy factories. However, as the permeat remaining after filtration processes is highly polluted, its utilisation prior to reaching water is required. A model anaerobic reactor was used in the experiment. The fermentation biomass used in the experiment was obtained from the chamber of the UASB type used for treating dairy sewage. The technological system operated under mesophilous conditions at the temperature of 32°C. The reactor loading with the organic pollutant remained constant at the level of 1000 mg COD/dm3, and the biomass concentration in the reactor at 5000 mg d.m./dm3. The permeat remained under observation in the technological system for 24 hours. The focus of the experiment was to determine the degree (expressed by COD coefficient) to which organic substances were removed from the tested permeat. In addition, the pH of the treated effluent as well as amount and composition characteristics of the biogas obtained in the process were monitored throughout the experiment. In the permeat after sour whey nanofiltration concentration of organic substances expressed as COD oscillated between 1987 mg O2/dm3 and 1992 mg O2/dm3. The experiment was conducted for 27 days. The first period lasted for the first 9 days of the anaerobic reactor's work and at that time the sludge was adapted and the technological system stabilised. Afterwards the efficiency of organic compounds removal from the permeat remained constant at the level of 95.4% to 95.6%. The amount of biogas in relation to the removed pollutant load expressed as COD varied within the course of the experiment from 205 dm3/kg COD at the beginning of the experiment to the maximum of 262 dm3/kg COD at its end. The amount of biogas increased gradually during the first 12 days of the experiment and after that period remained constant at a fixed level. The average amount of biogas obtained from 1 kg of the removed load (under stable conditions) was estimated as 256,2 dm3. Composition of the biogas remained unchanged throughout the experiment, however the proportions of its main elements i.e. methane and carbon dioxide altered throughout the process. The amount of other gases such as sulphur hydrogen and ammonium did not exceed 1% during the experiment. The composition of gas being generated became constant around the 17th day of the experiment and showed following average proportions: methane - 56,7%, carbon dioxide 42,3%. On the basis of tests carried out it has been shown that a well-managed anaerobic process allows effective permeat utilisation. Anaerobic technology is highly competitive in comparison to other available systems due to its comparatively low cost of the system installation for such a high treatment efficiency, and its low exploitation cost. Another significant advantage is the opportunity to obtain considerable energy supplies in the form of biogas, which might well be used in the majority of gas boiler plants

Słowa kluczowe

PL

biodegradacja zanieczyszczeń; serwatka; ochrona środowiska; unieszkodliwianie zanieczyszczeń

• Wydawca: Politechnika Koszalińska
• Czasopismo: Rocznik Ochrona Środowiska
• Rocznik: 2007
• Tom: Tom 9
• Strony: 199--210
• Opis fizyczny: Bibliogr. 23 poz.

Twórcy

autor

Zieliński M.

autor

Dębowski M.

autor

Krzemieniewski M.

• Uniwersytet Warmińsko-Mazurski, Olsztyn

Bibliografia

• 1. Austermann-Haun U.: Anaerobic processes in wastewater treatment as sources of energy. III Samorządowe Forum Ekologiczne pt.: Gospodarka Wodno – Ściekowa i Odpadami w Zlewniach Jezior. Rybaki 10 – 11. 10. 2002. 93÷104.
• 2. Baumann U., Muller M. T.: Determination of anaerobic biodegradability with a simple continuous fixed-bed reactor. Wat. Res., 31, 1997. 1513÷1517.
• 3. Borzacconi L., Lopez I., Vifias M.: Application of anaerobic digestion to the treatment of agroindustrial effluents in Latina America. Wat. Sci. Tech., 32, 1995. 105÷111.
• 4. Gavala H. N., Kopsinis H., Skiadas I. V., Stamatelatou K., Lyberators G.: Treatment of dairy wastewater using an upflow anaerobic sludge blanket reactor. J. Agric. Engng. Res., 73, 1999. 59÷63.
• 5. Han S. K., Shin H. S., Song Y. C., Lee C. Y., Kim S. H.: Novel anaerobic process for the methane and compost from food waste. Proceeding of 9th World Congress on Anaerobic Digestion. Antwerp, Belgium, 02. – 06. 09, 2001. 645 ÷650.
• 6. Hawkes R. F., Donnelly T., Anderson G. K.: Comparative performance of anaerobic digesters operating on ice – cream wastewater. Wat. Res., 29, 1995. 525÷533.
• 7. Hsu Y., ShieH W. K.: Start-up of anaerobic fluidized bed reactorswith acetic acid as the substrate. Biotechol. Bioeng., 41, 1993. 347÷353.
• 8. Janczukowicz W., Jędrzejewska M., Krzemieniewski M., Pesta J.: Możliwości zastosowania procesu beztlenowego rozkładu zanieczyszczeń w przemyśle mleczarskim. Przegląd Mleczarski, 1, 2003. 30÷34.
• 9. Jeszka J.: Characterization of granular sludge from UASB reactor. Krajowa Konferencja Naukowo – Techniczna, Częstochowa 29 –30. 06. 1993. 295÷302.
• 10. Jędrzejewska M., Krzemieniewski M., Janczukowicz W., Pesta J.: Zastosowanie separacji membranowej oraz beztlenowych procesów rozkładu w technologii zagospodarowania serwatki kwaśnej. Ekotechnika, 1, 2003. 12÷14. Możliwość beztlenowej biodegradacji zanieczyszczeń zawartych w permeacie
• 11. Kroll J., Budzyński J.: Zastosowanie procesów membranowych w przetwórstwie serwatki. Przegląd Mleczarski, 2, 2001. 66÷68.
• 12. Kubicki M.: Ochrona Środowiska w przemyśle mleczarskim. Fundacja Programów Pomocy dla Rolnictwa, 1997.
• 13. Lettinga G., Hulshoff L. W.: UASB-process design for various types of wastewaters. Wat. Sci. Technol., 24, 1991. 87÷107.
• 14. Lin C. Y., Chen C. C.: Effect of heavy metals on the methanogenic UASB granule. Wat. Res., 33, 1998. 409÷416.
• 15. Michaud S., Bernet N., Buffiere I., Roustan M., Moletta R.: Methane yield as a monitoring parameter for the start-up of anaerobic fixed film reactor. Wat. Res., 36, 2002. 1385÷1391.
• 16. Oziemkowski P.: Odwrócona osmoza, ultraosmoza i elektrodializa w technologii przerobu serwatki. Przemysł Spożywczy. 2, 1994. 45÷51.
• 17. Perle M., Kimchie S., Shelef G.: Some biochemical aspects of the anaerobic degradation of dairy wastewater. Wat. Res., 29, 1995. 1549÷1554.
• 18. Piechocki J.: Niekonwencjonalne źródła energii. III Samorządowe Forum Ekologiczne pt.: Gospodarka Wodno – Ściekowa i Odpadami w Zlewniach Jezior. Rybaki 10 – 11. 10., 2002. 105÷129.
• 19. Popko R., Popko H., Hys L.: Kierunki przemysłowego przetwórstwa serwatki. Przegląd Mleczarski, 10, 1992. 230÷236.
• 20. Ruffer H., Rosenwinkel K. H.: Oczyszczanie ścieków przemysłowych. Oficyna Wydawnicza Projprzem-EKO. Bydgoszcz 1998.
• 21. Sharma V. K., Testa C., Castelluccio G.: Anaerobic treatment of semi-solid organic waste. Energy Conversion and Management, 1999. 40, 369 – 384.
• 22. Surówka K.: Procesy membranowe i ich wykorzystanie w przemyśle spożywczym. Przemysł Spożywczy. 4, 1993. 93÷97.
• 23. Yan J. Q., Liao P. H., Lo K. V.: Methane production from cheese whey. Biomass. 17, 1988. 185÷202.