Dairy Industry Effluents Treatment summary - En-Ro

UTCB UNIVERSITY – CIVIL ENGINEERING 124 Lacul Tei Boulevard, Bucharest 020396 Tel.:+40-21-242.12.08. , Fax:+40-21-242.07.81, +40-21-242.11.61.

www.utcb.ro E-mail: [email protected]

DAIRY INDUSTRY EFFLUENTS TREATMENT EFLUENTILOR DIN INDUSTRIA LAPTELUI Abdulrzzak Alturkmani, Ph.D Thesis summary. Technical University of Civil Engineering Bucharest (Sanitary Engineering and Environment Protection Department) -UTCB University, Romanial 2007. [email protected]

Introducere 1. Introduction

Industria produselor din lapte este in general considerata in multe tari ca fiind cea mai mare sursa de apa reziduala. In vreme ce constientizarea importantei unor standarde imbunatatite de tratare a apei reziduale creste, cerintele procesului au devenit din ce in ce mai stricte. Industria produselor din lapte este caracterizata de multitudinea de produse si prin urmare de de liniile de productie. Uzinele pot avea una sau mai multi linii de productie (lapte pasteurizat, branza, unt, etc.) Fiindca rezidurile produselor din lapte au un grad mare de biodegradabilitate, pot fi tratate intr-un mod eficient cu sisteme biologice de tratare a rapelor uzate. Deci, aceasta cercetare include optiunile principale de tratare a rezidurilor produselor din lapte, si capacitatea/puterea reactorului de a trata zerul cantitatii amestecului anaerob.

The dairy industry is generally considered to be the largest source of food processing wastewater in many countries. As awareness of the importance of improved standards of wastewater treatment grows, process requirements have become increasingly stringent. The dairy industry is characterized by the multitude of products and therefore production lines. Plants can have as few as one or two production lines or all of them (pasteurized milk, cheese, butter, etc.). Because dairy wastewaters are highly biodegradable, they can be effectively treated with biological wastewater treatment systems. So, this research included the main treatment options of dairy effluents, and the ability of anaerobic stirred batch reactor to treat the whey.

2. Laptele Laptele este fluidul nutritiv secretat de glandele mamare ale mamiferelor femele. Capacitatea feminina de a produce lapte este una din caracteristicile specifice mamiferelor. Furnizeaza sursa primara de nutritie pentru noi-nascuti inainte ca ei sa fie capabili sa digere mancare mai diversificata. Primul lapte produs se numeste colastra si transfera anticorpi de la mama la bebelus. Laptele de la animale domestice a fost folosit de oameni cel putin cu 8000 de ani i.Hr. Desi oile si caprele au fost primele animale domesticite producatoare de produse din lapte, pentru ca ele sunt mai usor de stapanit decat vitele, vitele sunt animalele producatoare de produse din lapte. Productia globala de lapte inregistrata este de aproximativ 600 milioane de tone pe an, din care aproximativ 85% este de origine bovina, 11% de la bison si 2% de la oi si capre(Gerrit 2003). Proportiile productiei totale mondiale a laptelui folosite pentru principalele produse din lapte sunt: laptele lichid(bautura)= aprox. 39%; branza = aprox. 33%; unt = aprox. 32%; lapte pudra = aprox. 6%; smantana = aprox. 9%; produse din lapte concentrate = aprox. 2%; produse din lapte fermentat = aprox. 2%; cazeina = aprox. 2%; si produse pentru copii = aprox. 0,3%. Laptele este un lichid foarte complex continand peste 100.000 de molecule diferite. Compozitia neta a laptelui contine grasimi, proteine, lactoza, cenusa si continutul solid total. In cazul laptelui de vaca, compozitia neta contine: 4,1% grasimi, 3,6% proteine, 4,9% lactoza, 0,7 % componente amestecate precum minerale, vitamine si gaze, si apa.(Hui, Y. K., 1993). Grasimile din lapte sunt alcatuite in principal din triglyceride care cuprind o cantitate mare de acizi grasi , care in schimb contin o proportie relativ mare de acizi grasi saturati si nesaturati.

2. Milk Milk is the nutrient fluid secreted by the mammary glands of female mammals (including monotremes). The female ability to produce milk is one of the defining characteristics of mammals. It provides the primary source of nutrition for newborns before they are able to digest more diverse foods. The early lactation milk is known as colostrum, and carries the mother's antibodies to the baby. It can reduce the risk of many diseases in both the mother and baby. Milk from domesticated animals has been used by humans since at least 8000 BC. Although sheep and goats were the first domesticated dairy animals, because they are more easily managed than cattle, but now the cattle are the dominant dairy animals. Total recorded world milk production is ≈ 600 mil tonnes per annum, of which ≈ 85% is bovine, 11% is buffalo and 2% each is from sheep and goats (Gerrit, 2003). The proportions of total world milk production used for the principal dairy products are: liquid (beverage) milk, ≈ 39%; cheese, ≈ 33%; butter, ≈ 32%; whole milk powder, ≈6%; skimmed milk powder, ≈ 9%; concentrated milk products, ≈ 2%; fermented milk products, ≈ 2%; casein, ≈ 2%; and infant formulae, ≈ 0.3%. Milk is a very complex liquid consisting of over 100,000 different molecules. The gross composition of milk is defined as the fat, protein, lactose, ash, and total solids content. For cow's milk the gross composition is 4.1% fat; 3.6% protein; 4.9% lactose; 0.7% miscellaneous components including minerals, vitamins, and gases, and the balance in water (Hui, Y. K., 1993). The fat in milk is comprised mainly of triglycerides containing a wide range of fatty acids, which in turn contain a relatively high proportion of short-chain and saturated fatty acids.

It has been known since 1830 that milk contains two types of protein which can be separated by acidification

1



Se stie, din 1830, ca laptele contine doua tipuri de proteine care pot fi separate prin acidifierea la pH 4,6. Proteinele insolubile la pH 4,6 se numesc caseine si reprezinta aprox. 78% din totalul nitrogenului/azotului din laptele bovin; proteinele solubile se numesc zer sau proteine de zer. (Gerrit 2003) Lactoza este principalul carbohidrat in laptele tuturor mamiferelor. Sursele non-mamale sunt foarte rare. Laptele contine doar cantitati foarte mici de alte glucide, incluzand glucoza(50mg/l), fructoza, glucozamina, etc.

to pH 4.6. The proteins insoluble at pH 4.6 are called caseins and represent ≈ 78% of the total nitrogen in bovine milk; the soluble proteins are called whey or serum proteins (Gerrit, 2003). Lactose is the principal carbohydrate in the milks of all mammals; non-mammalian sources are very rare. Milk contains only trace amounts of other sugars, including glucose (50 mg/l), fructose, glucosamine, etc.

3. Dairy Processing The dairy industry is divided into two main production areas: 1- The primary production of milk on farms-the keeping of cows (and other animals such as goats, sheep etc.) for the production of milk for human consumption; 2- The processing of milk with the objective of extending its saleable life. This objective is typically achieved by: - (a) heat treatment to ensure that milk is safe for human consumption and has an extended keeping quality, and - (b) preparing a variety of dairy products in a semidehydrated or dehydrated form (butter, hard cheese and milk powders), which can be stored. Dairy processing occurs world-wide; however the structure of the industry varies from country to country. In less developed countries, milk is generally sold directly to the public, but in major milk producing countries most milk is sold on a wholesale basis. Plants producing market milk and products with short shelf life, such as yogurts, creams and soft cheeses, tend to be located on the fringe of urban centers close to consumer markets. Plants manufacturing items with longer shelf life, such as butter, milk powders, cheese and whey powders, tend to be located in rural areas closer to the milk supply.

3. Prelucrarea laptelui Industria produselor din lapte este impartita in doua arii de productie: 1- Productia primara a laptelui in ferme de crestere a vacilor(si a altor animale ca oi, capre etc.) pentru producerea laptelui de consum; 2- Prelucrarea laptelui cu obiectivul de extindere a pietei de vanzare. Acest obiectiv este in mod obisnuit realizat prin: a) tratarea la temperatura pentru a se asigura siguranta consumului uman si a calitatii continue prelungite a acestuia si b) Prepararea unei varietati de produse din lapte intr-o formula semi-deshidratata sau deshidratata (unt, cascaval, si lapte pudra), care pot fi depozitate. Prelucrarea laptelui se intalneste in intreaga lume; totusi structura industriei variaza de la o tara la alta. In tarile mai putin dezvoltate, laptele este vandut direct la consumatori, dar in tarile cu o productie majora a laptelui acesta se vinde en-gro, la comercianti, dupa care este vandut din nou en-detail. Fabricile care produc lapte pentru vanzare pe piata si produse cu termen scurt de expirare, ca iaurturile, inghetata si branzeturile fine tind sa fie localizate la marginea centrelor urbane, aproape de pietele de consum. Produsele fabricilor cu un termen de valabilitate mai mare ca untul, laptele praf, branza si pudra de zer tind sa fie localizate in zone rurale mai aproape de sursa de lapte. 3.1 Productia de lapte pasteurizat si sterilizat (UHT) Operatiile principale in producerea laptelui pasteurizat si a celui produs la temperatur foarte mari include: *Primirea si testarea laptelui in stare pura : laptele este primit de la centrele de colectare care sunt fie private fie de stat(sectorul public). Calitea laptelui este testata in laborator, unde sunt masurati urmatorii parametrii: continutul in grasime, continutul solid, prezenta conservantilor (formaldehida). Laptele este respins daca formaldehida este prezenta in continut. *Strecurarea: laptele acceptat este apoi trecut prin strecuratoare apoi trecut printr-un dispozitiv de masurare pentru a se determina cantitatea. Apoi laptele este racit la 6-8 grade C si depozitat in rezervoare, unele pentru laptele de vaca si altele pentru cel de bizon. *Pasteurizarea: laptele este incalzit in doua etape: prima de la 7 la 65 grade C si apoi de la 65 la 80 grade C. este tinut la 80 grade C timp de 15 secunde si apoi racit la 46 grade C. Procesele de fierbere si racire sunt aplicate ca sa asigure anihilarea bacteriilor existente conform calitatii publice garantate. *Laptele pasteurizat este sterilizat prin ridicarea temperaturii la 135-150 grade C pentru 4 secunde.

3.1 Production of pasteurized and UHT milk The main operations for producing the pasteurized and ultra high temperature (UHT) milks include: * Receiving and testing raw milk: Raw milk is received from the collection centers which are either privately owned or government owned (public sector). Milk is tested for quality by the facility lab, which measures the following parameters: fat content, solid content, presence of preservatives (formaldehyde). Milk is rejected if formaldehyde is present. * Straining: The accepted milk is then passed through strainers then to a volume-measuring device for quantification. Milk is then cooled to 6-8 ْ ◌C and stored in storage tanks, some for cow milk and others for buffalo milk. * Pasteurization: Milk is heated in two stages, first from 7 to 65 ْ ◌C, and then from 65 to 80 ْ ◌C. It is kept at 80 ْ ◌C for 15 sec, and then cooled to 4-6 ْ ◌C. The heating and cooling processes are applied to ensure that most commonly present bacteria are killed and accordingly guarantee public safety. * UHT milk: Pasteurized milk is sterilized by raising the temperature to 135–150 ْ ◌C for 4 seconds (Ultra High

2



Temperature, UHT). Milk is then homogenized by reducing the size of fat globules to prevent separation of cream on the surface. * Packaging: Milk is introduced in an automatic filling machine that usually used polyethylene bags.

(Temperatura Foarte Ridicata). Laptele este apoi omogenizat prin reducarea globulelor de grasime pentru a preveni aparitia smantanii la suprafata. *Impachetarea: laptele este introdus intr-o masina automaizata de impachetare care foloseste de obicei pungi de polietilena.

3.2 Cheese

3.2 Branza

Cheese is one of mankind's oldest foodstuffs. It is nutritious. There are at least three constants in cheesemaking: milk, coagulant, and culture. By introducing heating and salting steps in cheesemaking, a potential for numerous varieties has been realized. On a global scale, 30% of all milk is used for cheese; the proportion is about 40% in North America and about 50% in the European Union (Fox. P. F, 1998). Although traditional cheeses have a rather high fat content, they are rich sources of protein and in most cases of calcium and phosphorus and have anticarigenic properties; some typical compositional data are presented in Table 1. There are at least 1000 named cheese varieties, most of which have very limited production (Fox. P. F, 1998). The principal families are Cheddar, Dutch, Swiss and Pasta filata (e.g. Mozzarella), which together account for about 80% of total cheese production.

Branza este una dintre cele mai vechi de mancare pentru om. Exista trei componente in producerea branzei: lapte, coagulant si cultura. Prin introducerea unor etape de incalzire si sarare in producerea branzei s-a realizat producerea unor numeroase varietati. La scara mondiala, 30% din lapte este folosit pentru a se produce branza; proportia este de aprox. 40% in America de Nord si 50% in Uniunea Europeana( Fox P.F. 1998). Desi branzeturile traditionale au un continut ridicat de grasimi, ele sunt surse bogate de proteine si in majoritatea cazurilor de calciu si fosfor si au proprietati anticancerigene. Cateva informatii compozitionale representative sunt prezentate in tabelul 1. sunt aproximativ 1000 de varietati de branza, majoritatea avand o productie foarte limitata ( Fox P.F. 1998). Principalele familii sunt Cheddar, Dutch, Swiss si Pasta Filata (ex. Mozzarella) care impreuna constituie aproximativ 80% din totalul productiei de branza.

Table 1 Composition of selected cheese per 100 g (Fox. P. F, 1998)

Table 1 Compozitia unor tipuri selectate de branza, la 100 g ( Fox P.F. 1998) Tipul de branza Apa(g) Proteine (g) Grasimi (g)

Cheese type Water (g) Protein (g) Fat (g) Cheddar 36 25.5 34.4 Cottage 79.1 13.8 3.9 Cream cheese 45.5 3.1 47.4 Feta 56.5 15.6 20.2 Mozzarella 49.8 25.1 21 Typically, five steps, or groups of steps, are involved in the conversion of milk to cheese curd: (1) coagulation, (2) acidification, (3) syneresis (expulsion of whey), (4) molding/shaping and (5) salting

Cheddar 36 25.5 34.4 Cottage 79.1 13.8 3.9 Cream cheese 45.5 3.1 47.4 Feta 56.5 15.6 20.2 Mozzarella 49.8 25.1 21 In mod characteristic, cinci etape, sau grupuri de etape sunt implicate in transformarea laptelui in branza: 1) coagulare 2)acidifiere 3)separarea zerului 4)modelare si 5)sarare.

3.3 Dairy Processing Effluents

3.3 Eflueni la prelucrarea lactatelor

The volume, concentration, and composition of the effluents arising in a dairy plant are dependent on the type of product being processed, the production program, operating methods, design of the processing plant, the degree of water management being applied, and subsequently the amount of water being conserved. Dairy wastewater may be divided into three major categories: 1- Processing waters, which include water used in the cooling and heating processes. These effluents are normally free of pollutants and can with minimum treatment be reused or just discharged into the storm water system. 2- Cleaning wastewaters emanate mainly from the cleaning of equipment that has been in contact with milk or milk products, spillage of milk and milk products, whey, pressings and brines, CIP cleaning options, and waters resulting from equipment malfunctions and even operational errors. 3- Sanitary wastewater, which is normally piped directly to sewage works.

Volumul, concentratia si compozitia rezidurilor existente intr-o fabrica de lactate depind de tipul produsului care se prelucreaza, programului productiei, metodelor de operare, designului procesului de de fabricare, gradul aplicat al amenajarii apei si pe urma de cantitatea de apa conservata. Apa reziduala din producerea lactatelor poate fi impartita in trei mari categorii: 1- Apa folosita in procesul propriu-zis, care include apa folosita la etapele de incalzire si racire. Aceste ape reziduale sunt in mod obisnuit nepoluante si pot fi refolosite cu o minima tratare sau eliminate in sistemul de apa. 2- Reziduri din curatarea echipamentului care a venit in contact cu laptele sau produsele din lapte, din varsarea laptelui sau a produselor din lapte, presari si saramuri, optiuni de curatare a CIP, si reziduri provenite din disfunctii sau chiar erori de operare. 3- Apa reziduala sanitara, care este eliberata in mod normal direct in sistemul de canalizare.

3



Before the methods of treatment of diary processing wastewater can be appreciated, it is important to be acquainted with the various processes involved in diary product manufacturing and the pollution potential of different dairy products (Table 2). Wastewater loading for the American dairy industry is summarized in Table 3.

Inainte ca metodele de tratare a apei reziduale rezultate din producerea lactatelor sa poate fi apreciate, este importanta familiarizarea cu procesele variate implicate in producerea produselor lactate si cu potentialul poluant al diferitelor produse lactate.(Tabel 2) . Incarcarea apelor reziduale in industria Americana a lactatelor este rezumata in tabelul 3.

Table 2 Reported BOD and COD values for typical dairy products (Wang & Howard, 2004) BOD5 mg/l COD mg/l Product Whole milk 114,000 183,000 Skim milk 90,000 147,000 Butter milk 61,000 134,000 Cream 400,000 750,000 Evaporated milk 271,000 378,000 Whey 42,000 65,000 Ice cream 292,000 -

Table 2 CBO and CCO pentru diferitelor produse lactate (Wang & Howard, 2004) CBO5 mg/l CCO mg/l Produs Lapte pur 114,000 183,000 Lapte smantanit 90,000 147,000 Lapte untit 61,000 134,000 Smantana 400,000 750,000 Lapte evaporat 271,000 378,000 Zer 42,000 65,000 Inghetata 292,000 -

Table 3 American dairy and milk processing plant effluent loadings (Cast, 1995) Products Milk

Wastewater (L/kg milk) range 0.10-5.40

Cheese

1.63-5.70

Ice cream

0.80-5.60

Condensed milk

Table 3 Rezultatele rezidurilor din fabricile americane de producere de lactate si lapte (Cast, 1995) Produse Lapte Branza

1.00-3.30

Powder

1.50-5.90

Cottage cheese

0.80-12.40

Cottage cheese and milk Cottage cheese, ice cream, and milk Mixed products

0.05-7.20 1.40-3.90 0.80-4.60

Cantitatea de apa reziduala (L/kg lapte) 0.10-5.40 1.63-5.70

Imghetata

0.80-5.60

Lapte condensat

1.00-3.30

Pudra

1.50-5.90

Branza Cottage

0.80-12.40

Branza Cottage si lapte

0.05-7.20

Branza Cottage, inghetata si lapte

1.40-3.90

Produse combinate

0.80-4.60

Laptele are continutul de CBO de 250 de ori mai mare decat cel al apei de canalizare. Poate fi deci asteptat ca apa reziduala a lactatelor va avea o incarcatura organica relativ mare, cu principalii contribuitori lactoza, grasimi si proteine(in special caseina), dar si nivele mari de azot si fosfor care sunt in mod general associate cu proteine din lapte. CCO si CBO la zer, de exemplu, au fost stabilite intre 35,000-68,000 mg/l, lactoza fiind responsabila pentru 90% din contributia CCO si CBO (Wang & Howard, 2004).

Milk has BOD content 250 times greater than that of sewage. It can therefore be expected that dairy wastewaters will have relatively high organic loads, with the main contributors being lactose, fats, and proteins (mainly casein), as well as high levels of nitrogen and phosphorus that are largely associated with milk proteins. The COD and BOD for whey have, for instance, been established to be between 35,000-68,000 mg/l, with lactose being responsible for 90% of the COD and BOD contribution (Wang & Howard, 2004).

4. Tratarea apelor reziduale din industria lactatelor

4. Treatment of Dairy Wastewater

4.1 Introducere

Industria lactatelor este considerată în multe ţări a fi cea mai mare sursă de ape reziduale provenite din industria alimentara. Datorită importanţei pe care o are îmbunătăţirea standardelor de tratare a reziduurilor , această procedură a devenit imperioasă. Deşi industria lactatelor nu este în mod frecvent asociată cu problemele severe ale mediului înconjurător, trebuie ţinut cont de impactul acesteia asupra mediului înconjurător mai ales din cauza faptului ca poluanţii proveniţi din lactate sunt în mare măsura de origine organică. Pentru companiile de lactate cu un management performant, tratarea reziduurilor nu este o problemă majoră, dar când se produc accidente, publicitatea aferenta acestora poate fi foarte dăunătoare pentru companie şi foarte costisitoare.

4.1 Introduction The dairy industry is generally considered to be the largest source of food processing wastewater in many countries. As awareness of the importance of improved standards of wastewater treatment grows, process requirements have become increasingly stringent. Although the dairy industry is not commonly associated with severe environmental problems, it must continually consider its environmental impact, particularly as dairy pollutants are mainly of organic origin. For dairy companies with good effluent management systems in place, treatment is not a major problem, but when accidents happen, the resulting publicity can be embarrassing and very costly.

4



All steps in the dairy chain, including production, processing, packaging, transportation, storage, distribution, and marketing, impact the environment. Owing to the highly diversified nature of this industry, various product processing, handling, and packaging operations create wastes of different quality and quantity, which, if not treated, could lead to increased disposal and severe pollution problems. In general, wastes from the dairy processing industry contain high concentrations of organic material such as proteins, carbohydrates, and lipids, high concentrations of suspended solids, or high biological oxygen demand (BOD) and chemical oxygen demand (COD), high nitrogen concentrations, high suspended oil and/or grease contents, and large variations in pH, which necessitates "specialty" treatment so as to prevent or minimize environmental problems. The dairy waste streams are also characterized by wide fluctuations in flow rates, which are related to discontinuity in the production cycles of the different products. These aspects increase the complexity of the wastewater treatment process. The problem for most dairy plants is that waste treatment is perceived to be a necessary evil; it ties up valuable capital, which could be better utilized for core business activity. Dairy wastewater disposal usually results in one of three problems:

Toate etapele incluse în lanţul de producere a lactatelor incluzând: producţia, procesarea, ambalarea transportul, stocarea, distribuţia, marketingul au impact asupra mediului înconjurător. Datorită diversităţii acestei industrii, prelucrarea, manipularea şi împachetarea produselor creează deşeuri de o diferită cantitate şi calitate care dacă nu sunt luate în considerare pot crea probleme de poluare severe. În general deşeurile provenite din procesul de prelucrare a lactatelor, conţin concentraţii mari de materie organică precum proteine, carbohidraţi şi lipide şi concentraţii de material solid sau se creează o cerere mare de oxigen biologic (CBO) şi de oxigen chimic (CCO), de concentraţii mari de nitrogen, de ulei sau/şi de grăsimi şi largi variaţii în PH care necesită tratament special pentru a minimiza problemele ecologice. Fluxurile de deşeuri sunt, de asemenea, caracterizate de fluctuaţii acest lucru fiind legat de discontinuitatea ciclului de producţie a diverselor produse. Aceste aspecte măresc complexitatea procesului de tratare a deşeurilor. Majoritatea fabricilor de lactate consideră tratarea deseurilor drept un rău necesar, mai ales din perspectiva capitalul alocat care poate fi utililizat în activitatea curentă. În deversarea deşeurilor pot apărea oricare din problemele următoare:

(a) high treatment levies being charged by local authorities for industrial wastewater; (b) pollution might be caused when untreated wastewater is either discharged into the environment or used directly as irrigation water; and (c) dairy plants that have already installed an aerobic biological system are faced with the problem of sludge disposal. To enable the dairy industry to contribute to water conservation, an efficient and cost-effective wastewater treatment technology is critical. The level of treatment is normally dictated by environmental regulations applicable to the specific area. While most of larger dairy factories have installed treatment plants or, if available, dispose of their wastewater into municipal sewers, cases of wastewater disposal into the sea or disposal by means of land irrigation do occur. In contrast, most of smaller dairy factories dispose of their wastewater by irrigation onto lands or pastures. Because the dairy industry is a major user and generator of water, it is a candidate for wastewater reuse. Even if the purified wastewater is initially not reused, the dairy industry will still benefit from in-house wastewater treatment management, because reducing waste at the source can only help in reducing costs or improving the performance of any downstream treatment facility. Best practice of diary wastewater treatment is given in Fig. 1.

(a). taxe mari cerute de autorităţile locale pentru deşeurile industriale (b). poluarea poate fi cauzată când deşeurile netratate sunt deversate în mediu sau sunt utilizate in irigaţii (c). fabricile de lactate care au deja instalat un sistem biologic aerob, sunt confruntate cu deversarea nămolurilor reziduale. Pentru ca industria lactatelor să contribuie la conservarea apei, trebuie să existe un tratament tehnologic eficient inclusiv din punctul de vedere al costului. Nivelul de tratare a reziduurilor este în mod normal stabilit în funcţie de regulile de protejare a mediului înconjurător stabilite în funcţie de zona specifică. Deşi majoritatea fabricilor de lapte mari au instalat uzine de tratare a apelor reziduale acestea deversează rezidurile în canalizarea oraşelor, în mare sau în sistemele de irigaţie a pământului. Fabricile mai mici de lactate deversează apele reziduale în pământ si pajisti prin irigaţii. Deoarece industria lactatelor necesită şi generează multă apă, tot ea este cea mai potrivită pentru reutilizarea apelor reziduale. Deşi apa reziduuală purificată este iniţial neutilizată, industria lactată va profita din acest lucru în sensul că tratarea internă a apelor reziduale va scădea costurile îmbunătăţind productivitatea oricărei unităţi de tratare a apelor. Cea mai bună modalitate de tratare a apelor reziduale este descrisă în Fig.1

4.2 Treatment Options

4.2 Opţiuni de tratare Datorită faptului că fluxul şi debitul de ape reziduale este variabil (deoarece depind de dimensiunea fabricii şi de producţia acestora), pH-ul şi materialele solide (SS) ale apelor reziduale (acestea, de asemenea,

The highly variable nature of dairy wastewaters in terms of volumes and flow rates (which is dependent on the factory size and operation shifts) and in terms of pH and suspended solid (SS) content (mainly the result of

5



Segregation Screening Equalizations pH Control Fat Removal BOD Removal Land Irrigation Fig. 1 Best practice for dairy wastewater treatment

Segregarea Vizualizarea Egalizarea Controlul PH-ului Înlăturarea grăsimilor Înlăturarea de CBO

Irigarea Pământului Fig. 1. Schema tehnologica generala de tratare a apelor uzate

the choice of cleaning strategy employed) makes the choice of an effective wastewater treatment regime difficult. Because dairy wastewaters are highly biodegradable, they can be effectively treated with biological wastewater treatment systems, but can pose a potential environmental hazard if not treated properly. The three main options for the dairy industry are: (a) discharge to and subsequent treatment of factory wastewater at a nearby sewage treatment plant; (b) removal of semisolid and special wastes from the site by waste disposal contractors; or (c) the treatment of factory wastewater in an onsite wastewater treatment plant. According to Robinson (1994), the first two options are continuously impacted by increasing costs, while the control of allowable levels of SS, BOD, and COD in discharged wastewaters are also becoming more stringent.

depinzând de alegerea făcută de fabrici pentru purificare), strategia de tratare a deşeurilor este dificil de implementat. Deoarece apele reziduale sunt biodegradabile, acestea pot fi eficient tratate prin sisteme de purificare dar pot crea un grevtati dacă strategia aleasă nu este cea mai benefică pentru mediul înconjurător. Sunt trei mari optiuni pentru tratare a apelor reziduale provenite din industria lactatelor. Acestea sunt: (a). deversarea acestora în sistemul de canalizare al unei uzine de tratare din apropriere. (b). înlăturarea materialelor speciale şi a celor semisolide prin lăsarea acesora la îndemâna celor care ridică deşeurile (la gunoi) (c). tratarea deşeurilor într-o uzina specializată Conform lui Robinson (1994) primele două opţiuni sunt afectate de creşterea costurilor, în timp ce controlul asupra nivelului admis de SS, CBO şi CCO în apele reziduale devine imperios.

4.3 Biological Treatment Biological degradation is one of the most promising options for the removal of organic material from dairy wastewaters. However, sludge formed, especially during the aerobic biodegradation processes, may lead to serious and costly disposal problems. This can be aggravated by the ability of sludge to adsorb specific organic compounds and even toxic heavy metals. However, biological systems have the advantage of microbial transformations of complex organics and possible adsorption of heavy metals by suitable microbes. Biological processes are still fairly unsophisticated and have great potential for combining various types of biological schemes for selective component removal (Wang & Howard, 2004).

4.3 Tratamentul biologic Degradarea bilogică este cea mai promiţătoare opţiune pentru înlăturarea materialului organic din apele reziduale. Nămolul se formează în timpul procesului de biogradare biologică şi acest lucru poate duce la probleme atât financiare cât şi de evacuare fiind agravat în funcţie de capacitatea elementelor din nămolul creat de a absorbi compuşi organici şi chiar metale toxice grele. Totuşi sistemele biologice au capacitatea de a transforma în mod complex materia organică şi pot absorbi metale grele prin anumiţi microbi. Procesele biologice sunt nesofisticate şi au un potenţial ridicat de a combina diverse scheme biologice pentru înlăturarea selectivă componentelor reziduale (Wang & Howard, 2004).

4.3.1 Aerobic Treatment Aerobic biological treatment methods depend on microorganisms grown in an oxygen-rich environment to oxidize organics to carbon dioxide, water, and cellular material. Systems of aerobic treatment can include the conventional activated sludge process, the rotating biological contactors, the conventional trickling filters, etc.

4.3.1 Tratarea aeroba Metodele de tratament biologic aerob depind de microorganismele crescute într-un mediu bogat în oxigen pentru a oxida substanţele organice rezultând dioxid de carbon, apă şi material celular. Sistemele de tratament aerob pot include şi sistemul de procesare convenţional cu nămol, contactor biologici rotativi etc.

4.3.2 Anaerobic Treatment Anaerobic treatment is a biological process ideally suited for the pretreatment of high strength wastewaters that are typical of many industrial facilities today. Anaerobic digestion is a process by which bacteria are used in the absence of oxygen for the stabilization of organic matters by conversion to biogas (methane and carbon dioxide), new biomass and inorganic products.

4.3.2 Tratarea anaeroba Tratamentul anaerob este un proces biologic ideal pentru tratarea apelor reziduale care sunt tipice zonelor industriale actuale. Digestia anaerobă este un proces prin care bacteriile sunt folosite in absenta oxigenului pentru stabilizarea materiei organice prin convertirea in biogaz (metan si dioxid de carbon), biomasa si produse anorganice.

6



Până la 95% din materia organică dintr-o apă reziduală poate fi convertită în biogaz şi restul este utilizat pentru creşterea celulelor şi întreţinerea lor. Recipientele în care se produce procesul sunt acoperite pentru a preveni pătrunderea aerului si ieşirea mirosului. Biochimia organismelor anaerobe este similară într-o oarecare măsură cu cea a organismelor aerobe. În cazul organismelor anaerobe oxigenul nu poate servi ca element care accepta electroni. În fermentaţie elementele care cedeaza electroni sunt de obicei compuşi organici. Sunt trei etape care au loc in timpul procesului de digestie şi de producere a metanului: 1- Hidroliza 2- Acido-geneza şi aceto-geneza 3- Metano-geneza

Up to 95% of the organic load in a waste stream can be converted to biogas (methane and carbon dioxide) and the remainder is utilized for cell growth and maintenance. The process reactors are covered to prevent the introduction of air and the release of odor. The biochemistry of anaerobic organisms is quite similar to aerobic organisms to some extent. In case of anaerobic organisms, oxygen can not serve as the electron acceptors. In fermentation, the electron donors are usually organic compounds. There are three stages used to explain the sequence of microbial events that occur during the digestion process and the production of methane. These stages are: 1- Hydrolysis 2- Acidogenesis & Acetogenesis 3- Methanogenesis

*Faza 1 – Hidroliza

* Stage -1- Hydrolysis

Since bacteria are unable to take up particulate organic matter, the first step in anaerobic degradation consists of the hydrolysis of polymers through the action of exo-enzymes to produce smaller molecules which can cross the cell barrier. Two types of enzymes are involved in substrate degradation: Endoenzymes and exoenzymes as shown in Fig. 2.

Deoarece bacteriile nu pot să ia anumite elemente organice, primul pas in degradarea anaeroba consta în hidroliza polimerilor prin acţiunea exoenzimelor pentru a produce molecule mai mici care pot traversa bariera de celule. Sunt implicate două tipuri de enzime în degradarea substratului: endoenzimele şi exoenzimele, după cum reiese şi din Fig. 2.

Fig. 2 Types of enzymes (Michael, 2003)

Fig. 2 Tipuri de enzime (Michael, 2003)

All bacteria produce endoenzymes, but not all bacteria produce exoenzymes. Each exoenzyme as well as each endoenzyme degrades only a specific substrate or group of substrates. Therefore, a large and diverse community of bacteria is needed to ensure that the proper types of exoenzymes and endoenzymes are available for degradation of the substrates present. The relative abundance of bacteria within an anaerobic

Toate bacteriile produc endoenzime, darn nu şi exoenzime. Fiecare tip de exoenzime, ca şi endoenzimele, degradează numai un anumit substrat sau grup de substraturi. De aceea, un număr mare de bacterii este necesar pentru asigura disponibilitatea tipurilor adecvate de endoenzime şi de exoenzime pentru degradarea substraturilor. Abundenţa relativă de bacterii în descompunerea anaerobă reprezintă un număr mai

16

16

digester often is greater than 10 cells per millilitre (Michael, 2003). The large insoluble molecules consisting of many small molecules joined together by unique chemical bonds. The small molecules are soluble and quickly go into solution once the chemical bonds are broken. Hydrolytic bacteria or facultative anaerobes and anaerobes that are capable of performing hydrolysis achieve breakage of these unique bonds.

mare de 10 celule/ ml (Michael, 2003). Moleculele mari care nu sunt solubile sunt de fapt molecule mici unite prin legături chimice unice. Moleculele mici sunt solubile şi devin soluţie o dată cu ruperea acestor legături. Bacteriile hidrolitice sau cele facultative anaerobe şi anaerobe care sunt capabile să facă hidroliza sunt cele care rup aceste legături unice.

* Stage -2- Acidogenesis & Acetogenesis

* Faza 2- Acidogeneza & Acetogeneza

În timpul acidogenezei sau procesului de fermentaţie, produşii hidrolizei care sunt compuşi relativ mici, solubili, sunt difuzaţi în interiorul celulelor prin

During the acidogenesis (or fermentation process), the hydrolysis products which are relatively small, soluble compounds are diffused inside the cells of

membrane celulare şi apoi sunt fie fermentaţi, fie

facultative anaerobes and anaerobes through the cell

7



membrane and then are either fermented or anaerobically oxidized. These processes occur by a complex consortium of hydrolytic and non-hydrolytic microorganisms which are the source of energy for the acidifying population. The degradation of these compounds results in the production of CO2, H2S, alcohols, organic acids, some organic-N compounds, and some organic-sulfur compounds. The most important of the acids is acetate. Acetate is the principal organic acid or volatile acid used as a substrate by methane-forming bacteria. The short chain-fatty acids, other than acetate, that are produced in the acidogenesis step are further converted to acetate, hydrogen gas and carbon dioxide by the acetogenic bacteria. The available H2 and CO2 are partly converted into acetate. Acetogenic bacteria reproduce very slowly; generation time for these organisms is usually greater than 3 days. * Stage -3- Methanogenesis

In the methanogenic stage, methane is formed mostly from acetate and both carbon dioxide and hydrogen gas. Methane is also formed from some organic compounds other than acetate. Therefore, all other fermentative products must be converted to compounds that can be used directly or indirectly by methane-forming bacteria. Acids, alcohols, and organic-nitrogen compounds that are not degraded by methane-forming bacteria accumulate in the digester supernatant. Approximately 70% of the methane produced in an anaerobic digester is derived from acetate. Methane-forming bacteria are oxygensensitive. All methane-forming bacteria produce methane, and no other organism produces methane. Methane-forming bacteria obtain energy by reducing simplistic compounds or substrates like CO2 and acetate (CH3COOH). The reproductive times or generation times for methane-forming bacteria range from 3 days at 35°C to 50 days at 10°C. Because of the long generation time of methane-forming bacteria, high retention times are required in an anaerobic digester to ensure the growth of a large population of methane-forming bacteria for the degradation of organic compounds. At least 12 days are required to obtain a large population of methane-forming bacteria. There are many factors affecting performance of anaerobic processes such as: pH, temperature, alkalinity, nutrients, toxic substances and retention times. High-strength wastes are usually treated in anaerobic suspended growth systems, whereas soluble wastewaters are usually treated in anaerobic fixed-film systems. Table 4 shows a summary of efficiencies of some biological treatment systems used to treat dairy effluents.

5. Anaerobic Treatment of Whey in Stirred Batch Reactor (AnSBR) This research orientation was the biological treatment of whey using anaerobic process. The study was carried out in laboratory scale with anaerobic stirred batch reactor, using fresh whey. The main focuses were investigating the feasibility of a

oxidaţi anaerob. Acest process are loc datorită unor micro-organisme hidrolitice şi non-hidrolitice care sunt sursa de energie pentru populaţia de acidificare. Degradarea acestor compuşi duce la generarea de CO2, H2S, alcooli, acizi organici, compuşi organici ai azotului si sulfului. Cel mai important acid este acetatul. Acetatul este principalul acid volatil care este produs ăn această fază datorită bacteriilor de metan. Lanţul scurt de acizi graşi, alţii decât acetat, este convertit în acetati, hydrogen si dioxid de carbon de către bacteriile acetogenice şi apoi în acetat. Bacteriile acetogenice se reproduce încet, în mai mult de trei zile.

* Faza 3- Metanogeneza În aceasta fază, metanul este format în mare parte din acetat, dioxid de carbon şi hidrogen. Metanul mai este format şi din nişte compuşi organici. De aceea, toate produsele de fermentare trebuie transformate în compuşi care nu sunt degradaţi de bacteriile care formează metanul: acizii, acooli, compuşii organici ai azotului se acumulează în precipitaţiile de transformare. Circa 70% din metanul produs în transformarea anaerobă este derivat din acetat. Bacterile care formează metanul sunt sensibile la oxigen şi îşi iau energia necesară din reducerea compuşilor sau substraturilor precum dioxidul de carbon şi acidului acetic (CH3COOH).Timpul de reproducere al acestor bacterii este de la 3 zile al 350C până la 50 de zile la 100C. Din această cauză, sunt necesari timpi mai îndelungaţi de retenţie în transformarea anaerobă pentru a asigura creşterea unei populaţii suficient de mari pentru degradarea compuşilor organici. Cel puţin 12 zile sunt necesare pentru o populaţie de bacterii suficient de mare. Sunt numeroşi factori care afectează performanţa procesului anaerob, precum: pH-ul, temperatura, alcalinitatea, nutrienţii, substanţele toxice, timpii de retenţie. Deşeurile solide sunt de obicei tratate cu sisteme anaerobă de suspendare a creşterii, în timp ce deşeurile solide sunt tratate în sisteme fixe. În tabelul 4 este un rezumat al tratamentelor biologice eficiente folosite în tratarea reziduurilor de la lactate.

5. Tratamenul anaerob al zerului în reactorul de amestec anaerob Scopul acestui studiu este evidenţierea procesului biologic în procesul anaerob. Studiul a avut loc pe um model de laborator, cu un reactor de amestec anaerob, folosind zer proaspăt.



Scopul este investigarea fezabilităţii Table 4 Some of biological treatment systems used to treat dairy effluents Biological Treatment

Treatment Method Activated sludge Trickling filters Sequence batch reactor

Aerobic

Wastewater Resource

COD Removal %

Milk powder/butter Dairy wastewater Dairy wastewater

90 91-97

Cheese-making wastewater

> 97

BOD Removal %

unui

Notices

92 OLR = 0.5 kg COD /

m3 .day Rotation biological contactors Dairy wastewater Aerated ponds Completely stirred reactors The fluidized-bed reactor

Milk wastes Cheese factory wastewater (80 % water + 20 % whey) (17000 mg/l COD) Dairy wastewater Synthetic ice cream wastewater

0.5 kg

85 -

3

85

90

HRT > 9 days

80 HRT = 18.4 h

86

3

3 kg TOC / m .day HRT = 16 h 49.5 kg COD /

UASB reactor Cheese effluent

Anaerobic

COD/ m .hour 5 days of aeration

86

m3 .day Fixed-bed digester

Cheese whey (59000 mg/l)

HRT = 2-2.5 days 12.5 kg COD /

90-95

m3 .day Membrane anaerobic reactor + Microfiltration membrane

Cheese whey (62000 mg/l)

Separated phase digester

Dairy wastewater (COD 50000 mg/l)

99.5

HRT = 7.5 days

72

Table 4 Câteva sisteme de tratament biologic folosite în tratatarea reziduurilor din industria laptelui Tratament biologic

Metoda de tratament

Nămol activat Biofiltre

Aerob

Reactorul de amestec sevential Contactori biologici rotativi Lagune aerate Reactoare cu amestecare completa Reactorul cu pat fluidizat

Reactorul UASB

Sursa de ape reziduale

Lapte praf/ unt Ape reziduale din procesarea laptelui Ape reziduale din procesarea laptelui Ape reziduale din fabricarea brânzeturilor Ape reziduale din procesarea laptelui Deşeuri de lapte Ape reziduale de la fabricarea brânzeturilor (80 % apă + 20 % zer) (17000 mg/l CCO) Ape reziduale din procesarea laptelui Ape reziduale de la îngheţata sintetică Resturi de la brânzeturi

Anaerob

Îndepărtarea CCO % 90

Îndepărtarea CBO %

-

92

Observaţii

91-97 OLR =

> 97

0.5 kg CCO /

3

0.5 kg CCO/ m .oră

85 90

m3 .zi

85

5 zile de aerarea TRH> 9 zile

80 TRH = 18.4 h

86 86

Fermentator cu pat fix

Zer (59000 mg/l)

90-95

Reactorul cu membrană anaerobă + microfiltrare prin membrane.

Zer (62000 mg/l)

99.5

Fermentare separata

Ape reziduale din procesarea laptelui (CCO 50000 mg/l)

72

3

3 kg TOC / m .zi TRH = 16 h 3

49.5 kg CCO / m .zi HRT = 2-2.5 zile 12.5 kg CCO /

m3 .zi

TRH = 7.5 zile



biological process for treating highly concentrated carbohydrate-containing wastewater under anaerobic conditions and also the monitoring of biogas production and COD reduction. Anaerobic operation has recently been accepted as an effective mean of treating high strength wastewaters. For wastewater with a total BOD in excess of 4000 mg/1, anaerobic contact process was cheaper than an aerobic process.. There are some benefits of anaerobic processes in treating organic wastewater, which can be summarized as follows: (1) Low cellular yields. (2) Production of methane (3) No requirement of oxygen in the process. (4) Good capability for degrading a variety of natural organic compounds.

5.1 Whey Whey is the serum of milk resulting after removal of fat and casein. Whey is a by product in cheese and casein production. There are two kinds of whey, depending on the type of milk coagulation used, either sweet or sour whey. Sweet whey is obtained if milk is coagulated by proteolytic enzymes, such as chymosine and pepsine or microbial enzymes produced from Mucor miehei and Mucor pusillus. It comes from the production of cheddar, Swiss and Italian varieties of cheese. Acid whey is obtained if milk is coagulated by acids mainly by lactate from lactic acid fermentation of lactose. It comes from soft cheese production, with cottage cheese as a predominant product. The chemical composition of whey depends upon the type of coagulation used. It contains roughly half the solid of the whole milk from which it is derived and most of the water soluble vitamins and minerals. Typical whey contains around 6.5% total solids. These include lactose (68-72%), protein (12-13%), minerals (8-9%) plus small amounts of fat and lactic acid. Generally, 100 L of milk produces about 12 kg of cheese or about 3 kg of casein. In either case, about 87 L of whey is made as a byproduct (Marisa, 2004).

5.2 Experiment Design 5.2.1 Laboratory-scale anaerobic stirred batch reactor The reactor used for the study was glass vessel with a theoretical volume of 2.5 L, and 2 litres of working volume. A scheme of the stirred batch reactor, which was used in this study, is shown in Fig. 3.

Fig. 3 A Scheme of anaerobic stirred batch reactor Where: 1. Reactor, 2. Hot-air Jacket, 3. Air heating device, 4. pH electrode, 5. Thermometer, 6. Buffering solution tank, 7. Wastewater (whey) feed tank, 8. Digital reading device of pH

process biologic de tratare a apelor reziduale cu o mare concentraţie de carbohidraţi în condiţii anaerobe şi monitorizarea producţiei de biogaz şi a reducerii de CCO. Operaţia anaerobă a fost recent acceptată ca şi mijloc efectiv de tratare a apelor reziduale cu concentraţie mare. Pentru ape reziduale cu CBO total de peste 4000mg/l, procesul anaerob este mai puţin costisitor decât cel aerob. Avantajele proceselor anaerobe în tratarea apei reziduale organice şi pot fi rezumate astfel: (1) produse celulare reduse (2) Produse de metan (3) nu este necesar oxigenul pentru acest process (4) capacitatea de a degrada o varietate mare de compuşi organici naturali. 5.1 Zerul Zerul este lichidul ce rezultă din lapte după îndepărtarea caseinei şi grăsimii. Zerul este un produs ce face parte din producţia de brânză şi caseină. Sunt două tipuri de zer, în funcţie de cheagul folosit: zer dulce sau acru. Zerul dulce este obţinut din lapte închegat cu enzyme proteolitice,cum ar fi chimozina sau pepsina sau enzyme microbiene, produse de Mucor miehei sau de Mucor pusillus. Acestea se folosesc în producţia varietăţilor de brînză cedar, elveţiană sau italiană. Zerul acid este obţinut din lapte închegat cu acizi proveniţi din fermentaţia acidă a lactozei. Compoziţia chimică a zerului depinde de tipul de cheag ales. Conţine aproximativ jumătate din solidul întregii cantităţi de lapte din care este derivate şi ceam mai mare parte a vitaminelor şi mineralelor solubile în apă. În general, conţin circa 6,5% din solide, incluzînd lactoză (68-72%), proteine (12-13%), minerale (8-9%) şi mici cantităţi de grăsimi şi acid lactic. De obicei, 100 l de lapte sunt necesari pentru a produce 12 kg de brânză sau 3 kg de caseină. În ambele cazuri, circa 87 l de zer sunt un produs adiacent (Marisa, 2004)

5.2 Desenul experimentului 5.2.1 Model de laborator pentru reactorul de amestec anaerob Reactorul folosit în studiu constă într-un vas de sticlă cu un volum teoretic de 2,5 l şi 2 l de volum în lucru. O schemă a reactorului care a fost folosit în studiu este prezentată în fig.3.

Fig. 3 O schemă a reactorului de amestec anaerob Unde: 1. Reactor, 2. Învelişul de aer cald 3. Dispozitivul de încălzire a aerului 4. electrod de pH, 5. Termometru, 6. Rezervorul de soluţie tampon, 7. Rezervorul de alimentare cu ape reziduale (zer), 8.



and temperature, 9. Biogas pipe, 10. Releasing biogas pipe to the air, 11. Samples taking pipe, 12. Discharge tap, 13. Biogas measuring apparatus, 14. Magnetic stirrer device, 15. Automatic control device of hot air pumping, 16. Electricity source.

The primary components of the system were the main reactor compartment, the wastewater supplying system, thermometer, the constant temperature jacket providing by automatic pumping of hot air, pH electrode, pH adjustment system, magnetic stirrer device and the biogas measuring system. The reactor was surrounded by a hotair-jacketed glass vessel. Fresh whey (wastewater) feed was added into the system in different concentrations. Biogas left the reactor through a port at the top and was measured by water displacement. Hot air was pumped through the air-jacket surrounding the reactor to maintain the temperature at 38 ْ ◌C.

Dispozitivul de citire digital a pH-ului şi temperaturii, 9, Conducta de biogaz, 10. Eliminarea în atmosferă a biogazului, 11. Conducta de recoltare de probe, 12. Robinetul de descărcare, 13. Aparatul de măsură a biomasei, 14. Dispozitivul de amestecat magnetic, 15. Dispozitivul de control automat a pompării aerului cald, 16, Sursa de electricitate.

Componentele primare ale sistemului erau compartimentul reactorului principal, sistemul de alimentare cu ape reziduale, termometrul, învelişul ce asigură temperature constantă şi o pompă de aer cald, electrod de pH, sistem de modificare a pH-ului, dispozitiv magnetic de amestec şi sistem de măsurare a biogazului. Reactorul a fost înconjurat de un vas care funcţionează ca un înveliş de aer cald. Alimentarea cu zer proaspăt (lichid reziduual) a fost adăugată sistemului în concentraţii diferite. Biogazul a părăsit reactorul printr-o deschidere de deasupra şi a fost măsurat prin îndepărtarea apei. Aerul cald a fost pompat prin învelişul ce înconjura reactorul pentru a menţine temperatura la 380C.

5.2.2 Reactor operation The AnSBR reactor was fed with a wastewater, in different concentrations of COD, which was prepared by diluting the fresh whey (75000 mg/l of COD), provided by a cheese maker, with water. It was anticipated that by seeding the pilot-scale digester with anaerobic sludge taken from a septic tank to reduce the time required for start-up period. The sludge volume was 25% of the wastewater used in the test (1:4 seed/feed ratio). This reactor was operated under various organic loading rates (OLR) and various hydraulic retention times (HRT). Firstly, reactor was fed with 100 ml of fresh whey per liter of water (10 % in concentration) with different retention times. The working volume of reactor (2 litres) was operated under a draw/feed regime (i.e. 200 ml of the reactor contents were drawn from the reactor prior to feeding with an equivalent volume of fresh feed). Different retention times (e.g. 1, 2, etc, of days) used in this stage. Secondly, feeding percentage (e.g. 80, 100, 200 ml, etc, of whey per litre of water) was increased step by step. The reactor performance was monitored by daily measurement of the pH, temperature and the total biogas production. The COD for both influent and effluent and the biogas production were measured. The pH in the reactor was measured automatically by a pH electrode unit. pH controlling is very important, especially to the methanogenic stage. The pH adjustment process accomplished manually by adding buffering capacity, i.e alkaline solutions (e.g. NaHCO3). Fig. 4 is shown the pilot-scale used in the experiment. Finally, the reactor performance was monitored after adding minerals (e.g. FeC13).

5.2.2 Operarea reactorului Reactorul de amestec anaerob a fost alimentat cu apă reziduală, în concentraţii diferite de CCO, care a fost preparată prin dizolvarea zerului proaspăt (75000 mg/l de CCO), asigurat de fabricantul de brânză. S-a anticipat că prin alimentarea modelului cu nămol anaerob provenit din rezervorul septic se reduce timpul necesar pentru începere. Volumul de namol a fost de 25% din cantitatea de apă reziduală folosită în test. Reactorul a operat cu diferite rate de încărcare organică (RIO) şi diferiti timpi de retentie hidraulică (TRH). Mai întâi, reactorul a fost alimentat cu 100 ml de zer proaspăt/ l de apă (10% din concentraţie) cu diferite THR. Volumul de lucru propriu-zis al reactorului a operat cu un regim de golire/alimentare (de exemplu, 200ml din conţinutul reactorului a fost eliminate înainte de alimentarea cu o cantitate echivalentă). Timpul de retenţie a fost variabil în acest stadiu (1, 2 zile). Apoi, procentul de alimentare (80, 100, 200ml zer /l de apă) a crescut treptat. Performanţa reactorului a fost monitorizată prin măsurători zilnice ale pH-ului, temperaturii şi porducţiei de biogaz. CCO atât pentru reziduuri cât şi pentru biogaz au fost măsurate. pH-ul din reactor a fost măsurat automat printrun electrod de pH. Controlarea pH-ului este importantă, mai ales în etapa de metanogeneză. Procesul de ajustare a pH-ului a avut loc manual, prin adăugarea de soluţii alcaline (ex. NaHCO3). Figura 4 prezintă o modelul pilot folosită în experiment. În final, a fost monitorizată performanţa reactorului dupa adăugarea de minerale (ex FeC13).

Fig. 4 A Pilot-scale of anaerobic stirred batch reactor Ferric ions addition has an improving effect on

Fig. 4 Model-pilot a reactorului de amestec anaerob Adăugarea ionilor de fier a îmbunătăţit efectul asupra



methanogenesis by increasing the methane production and acetate conversion rate. By adding 50 mg/l of FeC13 to the AnSBR in our experiment, the biogas production increased nearly 50%.

metanogenezei prin cresterea ratei de conversie de metan şi acetat. Prin adăugarea a 50mg/l de FeC13 în reactor în experimentul nostru, producţia de biogaz a crescut cu aproape 50%.

5.3 Results

5.3 Rezultate

The AnSBR reactor was fed with fresh whey (75000 mg of COD per litre) diluted with water in different concentrations. The start up stage was used 10 % of diluted whey (100 ml of whey per litre of water or 7.5 g COD/l). The AnSBR mixed completely by magnetic stirrer (200-400 rpm). After many weeks of start-up operation, a constant concentration of organic feeding (10 g COD/l.d) was applied at various hydraulic retention times. The organic removal efficiencies are shown in Fig. 5. A COD removal efficiency of >= 76 % was achieved when the reactor was operated at a HRT longer than 5 days and an OLR lower than 10 g COD/l.d (Figures 5 and 6). The COD removal efficiency decreased to less than 74 % when the OLR was increased above 15 g COD/l.d. The

Reactorul de amestec anaerob a fost alimentat cu zer proaspăt (75000 mg de CCO pe litru) diluat cu apă în diferite concentraţii. În faza iniţială, s-a utilizat 10% din zerul diluat (100 ml de zer/ l de apă sau 7,5g CCO/l) diluat cu apa in diferite concentratii. Reactorul amestecat în totalitate de un agitator magnetic (200-400 rpm). După mai multe săptămâni de la operaţia de început, o concentraţie constantă de nutrienţi organici(10 g CCO/l.d) a fost adăugată la diferite momente din retenţia hidraulică. Eficienţa îndepărtării organice sunt arătate în Fig. 5. O îndepărtare a CCO cu eficienţă de peste 76% s-a obţinut când reactorul opera la THR mai mare de 5 zile şi RIO a crescut la peste 15g/l.d. Îndepărtarea maximă a CCO a fost de 87% pentru 7,5 g CCO/ l.d de RIO.

100

100

90

90 Organic removals %

Organic removals %

maximum removal of COD was 87% for 7.5 g COD/l.d of OLR.

80 70 60 50 40 30

80 70 60 50 40 30 20

20

10

10

0 0

0 0

5

10

15

5

20

10

15

20

HRT (days)

HRT (days)

Fig. 5 Eficienţa îndepărtării organice la diferite THR Fig. 5 Organic removal efficiency at different HRT 90

90

80

Inlaturari organice %

Organic removal %

100 100 80 70 60 50 40 30

70 60 50 40 30 20

20

10

10

0

0

0 0

10

20

30

40

10

20

30

40

Rata incarcaturii organice (RIO), (g COD/l.d)

Organic loading rate (OLR), (g COD/l.d)

Biogas production (l/g COD removal)

The production of biogas, in our study, increased continuously, day by day, until reaching to a constant value nearly. The maximum production of biogas was 0.32 litre per gram of COD removed (or nearly 20.8 L of biogas per litre of whey) as shown in Fig. 7. 0.35 0.3 0.25 0.2 0.15 0.1 0.05 0 0

5

10

15

20

25

30

35

Time of test running (days)

Fig. 7 The maximum biogas production per g CODremoved

Fig. 6 Eficienţa îndepărtării organice la diferite RIO Producţia de biogaz, în studiul nostru, a crescut în continuu, zi după zi, până când aproape a ajuns la o valoare constantă. Producţia maximă de biogaz a fost de 0.32 l/ gram de CCO înlăturat (sau aproape 2.8 l de biogaz pe litru de zer), aşa cum arată figura 7. Productia de biogaz (COD indepartat l/g )

Fig. 6 Organic removal efficiency at different OLR

0.35 0.3 0.25 0.2 0.15 0.1 0.05 0 0

5

10

15

20

25

30

35

Time of test running (days)

Fig. 7 Producţia maximă de biogaz pe gram de CCO îndepărtat



6. Conclusions

6. Concluzii

Biological treatments are the most cost effective for the removal of organics, with aerobic methods being easier to control, but anaerobic methods having lower energy requirements and lower sludge production rates. Since no single process for treatment of dairy wastewater is by itself capable of complying with the minimum effluent discharge requirements, it is necessary to choose a combined process especially designed to treat a specific dairy wastewater. By using the anaerobic stirred batch reactor, the COD of wastewater was reduced (87%) from about 75000 to below 10000 mg/L. It was possible to operate the stirred batch reactor at table conditions utilizing 4-8 days of HRT and agitation of 200400 rpm at 38 °C, using whey-containing wastewaters at daily OLR from 6000 to 10000 mg/L. Process stability depends strongly on the alkalinity supplementation strategy as well as on suitable agitation, requiring an initial supplementation of 30–100% in relation to the COD ( g NaHCO3 / g CODadded), being possible a reduction down to 10% and still maintaining high efficiency and stability. Adding alkaline compounds like a powder is better than as solution in consideration of stable operation of AnSBR; The biogas obtained by anaerobic treatment (20.8 litre of biogas per litre of whey) can be used as a new source of energy. Adding of FeCl3 (50 mg/l) increased the biogas production nearly 50 %. More tests in different concentrations should be done to get a better understanding of minerals effects on anaerobic system. Dropping of temperature from 38 to 21 ْ ◌C reduced the biogas production 45 %. Finally, the current study of using AnSBR as a pilot scale is a modest step to explain the capability of the anaerobic stirred batch reactor to be a primary stage of treatment of high organic wastewater. Interesting results have made, but more investigations should be achieved.

Tratamentele biologice sunt cele eficiente din punctul de vedere al costului pentru înlăturarea organismelor, metodele aerobe fiind mai usor de controlat, în timp ce cele anaerobe necesită mai puţină energie şi mai puţin nămol. O dată ce un singur proces de tratare a apelor reziduale nu este el însuşi capabil să îndeplinească necesităţile minime de deversare, este necesară alegerea unui proces combinat, special creat pentru tratarea apelor reziduale. Folosind reactorul de amestec anaerob, CCO-ul apelor reziduale a fost redus (87%) de la 75000 t la sub 10000mg/l. A fost posibilă operarea reactorului de amestec la condiţiile din tabel utilizând 4-8 zile de THR şi o agitare de 200-400 rpm la 38 °C, folosind ape reziduale conţinând zer la o rată a încărcăturii organice (RIO) de la 6000 la 10000 mg/l. Stabilitatea procesului depinde de strategia de suplimentare a alcalinităţii, ca şi de agitarea potrivită, cerând o suplimentare iniţială de 30-100% raportat la CCO (NaHOCO3/g CCO adăugat), fiind posibilă reducerea de până la 10% şi păstrând eficienţa şi stabilitatea crescute. Adaosul de compuşi alcalini sub forma de pudra este mai indicat decât o soluţie dacă se vrea o operaţie stabilă de tratament anaerob al zerului în reactorul de amestec. Biogazul obţinut prin tratamentul anaerob (20,8l de biogaz/ l de zer) poate fi folosit ca nouă sursa de energie. Adăugând FeCl3 (50 mg/l) a dus la creşterea cu aproape 50% a producţiei de biogaz. Mai multe teste cu diferite concentraţii ar trebui efectuate pentru a înţelege mai bine efectul mineralelor în mediu anaerob. Scăderea temepraturii de la 38 la 210C a dus la reducerea producţiei de biogas cu 45%. În final, actualul studiu la scală-pilot este un test modest pas în explicarea capacităţii reactorului de amestec anaerob de a reprezenta un prim stadiu în tratarea apelor reziduale cu materii organice. S-au obţinut rezultate interesante, dar mai multe cercetări ar trebui efectuate.

References 1- Ali Kaisi and Yasser Mohamad. "Non-Conventional Water Use in Syria". Syria 2004 2- Brault. "Water Treatment Handbook". 1991 3- Cast. "Waste Management and Utilization in Food Production and. Process". 1995 4- Donkin, J. "Bulking in Aerobic Biological Systems Treating Dairy Processing Wastewaters". Int. J. Dairy Tech. 1997 5- Eckenfelder W.W. Jr. "Industrial Water Pollution Control". USA 1989 6- EPA. Au, "Environmental Guidelines for the Dairy Processing Industry". Australia 1997 7- Fox. P. F. and Mc Sweeney, P.L.H. "Dairy Chemistry and Biochemistry". Ireland 1998 8- Garry Cummins. "The Livestock Sector and Policies in Syria". FAO Report, Syria 2001 9- GCEC, The General Company of Engineering and Consulting. " Pollution Prevention in Alasi Basin". Syria 2001 10- Gerrit Smit. "Dairy Processing - Improving Quality". USA 2003 11- Graz, C.J.M.; McComb, D.G. "Dairy CIP-A South African review". Dairy, Food Environ. Sanit. 1999 12- Hemming, M.L. "Food Industry Wastes: disposal and Recovery". Applied Science Publishers Ltd: Essex,1981 13- Herbert H. P. Fang. "Treatment of Wastewater from a Whey Processing Plant Using Activated Sludge and Anaerobic Processes". Hang Kong 1991 ١4- Hui, Y.H. "Dairy Science and Technology Handbook, Volumes 1-3". USA 1993 ١5- IDF, International Dairy Federation. "Balance Tanks for Dairy Effluent Treatment Plants". 1984 ١6- I.W.T, "Industrial Waste Treatment, V1&V2". California State University, USA 1999.

17- Kiely. "Environmental Engineering". 1996 18- Marisa Handajani. "Degradation of Whey in an Anaerobic Fixed Bed(AnFB) Reactor", Thesis. Germany 2004 19- Metcalf & Eddy. "Wastewater Engineering". USA 1991 20- Michael H. Gerardi. "The Microbiology of Anaerobic Digesters". USA 2003 ٢1- Randa Abboud. " Biological Treatment of Dairy Wastewaters". Syria, 2001 ٢2- Rein Munter. "Industrial Wastewater Characteristics". The Baltic University Programme (BUP). Sweden 2003 23- Robinson, T. "How to be Affluent with Effluent". The Milk Ind. 1994 24- Ron Crites & George Tchobanoglous. "Small and Decentralized Wastewater Management Systems". USA 1998 25- Shanta Seereeram. "Anaerobic Digestion Trials". Aqua Enviro Company, 2004 26- Smith, J.H. "Cheesemaking in Scotland – A History". The Scottish Dairy Association, Glasgow, Scotland, 1995 27- Speece, R.E. "Anaerobic Biotechnology for Industrial Wastewater Treatment" .Environ.Sci. Technol. 1983 28- Syed R. Qasim. "Wastewater Treatment Plants, Planning, Design and Operation". USA 1999 29- UNEP. United Nations Environment Programme. "Cleaner Production Assessment in Dairy Processing". 2002 30- Wang & Howard. "Handbook of Industrial and Hazardous Wastes Treatment". USA 2004 31- WBG, World Bank Group. "Pollution Prevention and Abatement Handbook", 1998 Web Sites and Companies 1- Glanbia Company, www.glanbia.com



Résume Notre travail consiste de pressent de quelque partie théorique et pratique concernant l’épuration des eaux résiduaires qui est produit dans l industrie de laitières , fromagerie et la fabrication de lait en boites . Les eaux résiduaires produites dans l’Industrie de laiteries contiennent une très grande charge en substances organiques Biodégradable (10.000-200.000 mg/l, CCO) . Les recherches sur un model de laboratoire relue que un possibilité de réduire le charge organique un fermentation biologique

anaérobique avec un bonne control de quelque paramètre par example : le PH , la

température , le temps de passage , et la concentration) .d après mes essais au niveau de laboratoire,on constate que on peut réduire la valeur du CCO du 60.000- 70.000 mg /l ou 10.000 mg/l.

Dairy Industry Effluents Treatment summary - En-Ro

Dairy Industry Effluents Treatment summary - En-Ro

Suggest Documents

Treatment of dairy and swine manure effluents using freshwater algae ...

Advance Methods for Treatment of Textile Industry Effluents - Central ...

Aerobic and anaerobic treatment of fruit juice industry effluents - NOPR

Advance Methods for Treatment of Textile Industry Effluents

australian dairy industry - IUF.org

usa dairy industry - IUF

Eco-efficiency Dairy Processing Industry - Dairy Manufacturers

treatability of water-based paint industry effluents

Monthly Giving Program Enro - Soroptimist

Treatment technologies for petroleum refinery effluents

introduction to treatment of tannery effluents - UNIDO

introduction to treatment of tannery effluents - UNIDO

Instrumentation in the Dairy Industry

IRJET- Treatment of Effluents from Jeans Factory

Treatment of leather industrial effluents by filtration

Treatment options for wastewater effluents from pharmaceutical ...

Treatment options for wastewater effluents from pharmaceutical ...

Pesticides from wastewater treatment plant effluents ...

Monthly Giving Program Enro - Soroptimist

Anaerobic Treatment of Industrial Effluents - Sustainable Sanitation ...

Treatment options for wastewater effluents from pharmaceutical ...

introduction to treatment of tannery effluents - ilifo

dairy farm business summary dairy farm business ... - AgEcon Search

Australian Dairy Industry In Focus 2017 - Dairy Australia