БИОЛОГИЧЕСКАЯ ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД МОЛОЧНЫХ ПРОИЗВОДСТВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МИКРООРГАНИЗМОВ-ДЕСТРУКТОРОВ ЖИРОВ И БЕЛКОВ

BIOLOGICAL TREATMENT OF DAIRY WASTEWATER USING MICROORGANISMS-DESTRUCTORS OF FAT AND PROTEINS

Egor Lozhkin

student, Department of Water Use and Ecology, Saint Petersburg State University of Architecture and Civil Engineering,

Russia, Saint-Petersburg

АННОТАЦИЯ

В статье анализируются современные методы биологической очистки сточных вод молочной промышленности, фокусируясь на микроорганизмах-деструкторах жиров и белков. Рассмотрены характеристики стоков: высокая концентрация органики, жиров, белков, колебания pH. Описаны принципы аэробной, анаэробной и комбинированной (двухстадийной) очистки, а также ключевые микроорганизмы (липолитические и протеолитические бактерии, дрожжи, плесневые грибы) и механизмы разложения загрязнителей.

ABSTRACT

The article analyzes modern methods of biological treatment of dairy industry wastewater, focusing on microorganisms that break down fats and proteins. It examines wastewater characteristics: high concentrations of organics, fats, and proteins, along with pH fluctuations. The principles of aerobic, anaerobic, and combined (two-stage) treatment are described, as well as the key microorganisms (lipolytic and proteolytic bacteria, yeasts, mold fungi) and the mechanisms of pollutant degradation.

Ключевые слова: сточные воды; молочная промышленность; биологическая очистка; микроорганизмы-деструкторы; аэробные и анаэробные процессы.

Keywords: wastewater; dairy industry; biological treatment; degrading microorganisms; aerobic and anaerobic processes.

Молочная промышленность — крупный источник высокозагрязнённых стоков (объёмы растут на ~2,8%/год). Содержат жиры, белки, лактозу, моющие средства. При сбросе без очистки вызывают: истощение кислорода (высокое БПК), эвтрофикацию (азот/фосфор из белков), образование жировых плёнок. Эффективная очистка критична для экологической безопасности и рационального водопользования.

Биологические методы — оптимальны для очистки молочных стоков: микроорганизмы разлагают органику до CO₂, воды и солей. Для эффективного удаления жиров и белков критично применение специализированных штаммов с липолитической и протеолитической активностью. Статья обобщает: состав стоков, принципы аэробной/анаэробной очистки, характеристики микроорганизмов, технологические этапы, опыт внедрения на российских предприятиях, нормативы, а также анализирует эффективность, энергозатраты, преимущества, ограничения и перспективы технологий.

Специфика сточных вод молочной промышленности: вызовы и решения

Сточные воды молочных предприятий отличаются высокой концентрацией легкоразлагаемых органических веществ и значительными колебаниями состава в зависимости от типа продукции и режима мойки оборудования. Как правило, эти стоки содержат смесь молока, сыворотки, творога, сливок, моющих и дезинфицирующих растворов. Для них характерны:

• Сточные воды молочной промышленности характеризуются экстремально высокими концентрациями органики: БПК₅ — 0.24–5.9 г/л, ХПК — 0.5–10.4 г/л. Особо опасны стоки с сывороткой (ХПК до 50–100 г/л). Такие значения БПК/ХПК обусловлены легкоокисляемой органикой: лактозой, жирными кислотами, белками.
• Молочные жиры присутствуют в стоках в виде эмульсий с концентрацией 0,02–1,9 г/л (до ~0,2% масс.). Из-за низкой плотности жир всплывает, а при охлаждении застывает, образуя плотные корки. Накопление жира в трубопроводах и резервуарах снижает пропускную способность и вызывает засоры, что делает его удаление приоритетной задачей очистки.
• Белковые компоненты стоков (казеин, сывороточные белки) легко гидролизуются до аминокислот и аммония. Концентрация общего азота (TN) высока: 60–1000 мг/л, достигая граммов на литр при сбросе концентрированных остатков. Разложение белков с выделением аммиака требует обязательного удаления N-соединений (нитрификация/денитрификация) на этапе глубокой очистки.
• Производственные циклы молочных предприятий (смены продуктов, CIP-мойка) вызывают резкие колебания pH стоков: от кислого (pH~4) при сыворотке до щелочного (pH>10) при использовании моющих растворов. Температура также нестабильна: после мойки достигает 40–60°C, затем снижается в накопителях. Для стабильной биологической очистки необходимы предварительное выравнивание pH и охлаждение/смешение стоков.

Принципы биологической очистки с использованием микроорганизмов-деструкторов

Биоочистка основана на минерализации органики (углеводы, жиры, белки) микроорганизмами-деструкторами до CO₂, воды, нитратов, сульфатов. Ключевую роль играют ферменты: липазы (расщепление жиров), протеазы (белки), амилазы (лактоза/углеводы). Существует два принципиальных режима биодеградации:

Аэробный процесс требует кислорода: бактерии окисляют органику до CO₂/H₂O и биомассы (избыточный ил). Для удаления азота необходимы две стадии: нитрификация (NH₄⁺ → NO₃⁻ аэробно) и денитрификация (NO₃⁻ → N₂ анаэробно с органикой). Аэробные системы (активный ил, MBBR и др.) обеспечивают очистку 90–98% БПК/ХПК, но энергозатратны (~1 кВт·ч/м³ стоков на аэрацию).

Анаэробный процесс идёт без кислорода: консорциум бактерий и архей в метантенках/UASB разлагает органику до биогаза (CH₄ + CO₂) и стабильного осадка. Эффективен для концентрированных стоков (ХПК >3000 мг/л), при этом биогаз — энергоресурс. Однако обеспечивает лишь частичную очистку (снижение ХПК на 50–85%, аммоний не удаляется), требует доочистки. Чувствителен к скачкам pH, температуры, избытку жиров (риск подавления метаногенеза). Оптимальна двухстадийная схема: анаэробное сбраживание (энергогенерация) + аэробная доочистка (нормативы по БПК/азоту).

Комбинированные системы широко применяются для очистки молочных стоков. Для сложных случаев используется схема: физико-химическая очистка → анаэробный реактор (разложение органики + биогаз) → аэробная стадия (окисление, нитрификация) → аноксическая зона (денитрификация) → доочистка. Для стоков умеренной концентрации достаточно аэробной очистки с усиленным удалением жира на предварительном этапе. Эффективность любой схемы определяется активностью специализированных микроорганизмов-деструкторов жиров и белков [2].

Типы и свойства микроорганизмов для расщепления жиров и белков

Биоценоз очистных сооружений включает бактерии, дрожжи и грибы, способные утилизировать жиры и белки. Ключевую роль играют специализированные штаммы: аэробные/анаэробные бактерии (Pseudomonas, Clostridium) и плесени (Penicillium, Aspergillus). Они выделяют внеклеточные липазы, гидролизующие жиры до глицерина и жирных кислот. Эти соединения полностью разлагаются: при аэробных условиях — до CO₂/H₂O; при анаэробных — до летучих кислот, CH₄, CO₂, H₂S и биомассы.

Для усиления расщепления жиров применяют биопрепараты (напр., «Микрозим™ Гриз Трит») — концентрированные консорциумы микроорганизмов с высокой липолитической активностью. Их получают селекцией и адаптацией природных штаммов. В консорциуме бактерии действуют синергично: одни гидролизуют жиры до глицерина и жирных кислот, другие утилизируют продукты, выделяя ферменты/витамины. При внесении в жироуловитель или сток микроорганизмы быстро размножаются, разрушая жировые отложения уже в первые сутки.

Помимо биопрепаратов, ключевую роль в очистке молочных стоков играет естественное сообщество активного ила, адаптирующееся к составу стоков: например, при высокой жировой нагрузке активизируется рост липолитических бактерий (Pseudomonas). Для ускорения адаптации практикуют постепенное увеличение нагрузки. В анаэробных системах деструкция жиров/белков осуществляется консорциумом микроорганизмов: гидролизующие бактерии (Clostridium) расщепляют полимеры до мономеров; ацидогены преобразуют мономеры в летучие жирные кислоты, H₂ и CO₂; метаногенные археи (Methanosaeta, Methanobacterium) конвертируют эти продукты в CH₄.

Список литературы:

1. General Characteristics and Treatment Possibilities of Dairy Wastewater – A Review - PMC https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC5434364/
2. Молокозавод Parmalat, Белгород | Hydrotech https://www.hydrotech-group.com/ru/references/belgorod-dairy-parmalat
3. Микроорганизмы в борьбе с жиром | ПромСток https://www.promstok.com/articles/zhirouloviteli/mikroorganizmy_v_borbe_s_zhirom/
4. Очистка от жира при помощи микроорганизмов https://plumb.ru/jiroulovitel/stati/nedostatki
5. Dairy industry wastewater treatment | My project https://myproject.msk.ru/en/my-project/stati/ochistka-stochnyh-vod-predpriyatij-molochnoj-promyshlennosti
6. Жирорасщепляющие микроорганизмы https://www.booksite.ru/fulltext/1/001/008/040/592.htm