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啤酒工業(yè)廢水處理與利用技術(shù)研究進(jìn)展

更新時間:2012-01-15 14:29 來源: 作者: 閱讀:1933 網(wǎng)友評論0

隨著人民生活水平的提高,我國啤酒工業(yè)得到了長足發(fā)展,其產(chǎn)量逐年上升.1988年全國有 啤酒廠800多家,年產(chǎn)啤酒663萬t[1],位居世界第三;經(jīng)過近十年的發(fā)展,目前已 達(dá)到1000多家,年產(chǎn)啤酒1000多萬t,成為世界第二大啤酒生產(chǎn)國[2].但是在啤酒 產(chǎn)量大幅度提高的同時,也向環(huán)境中排放了大量的有機(jī)廢水.據(jù)統(tǒng)計,每生產(chǎn)1 t啤酒需要10 ~30 t新鮮水,相應(yīng)地產(chǎn)生10~20 t廢水[3].我國現(xiàn)在每年排放的啤酒廢水已達(dá)1. 5億t[4].由于這種廢水含有較高濃度的蛋白質(zhì)、脂肪、纖維、碳水化合物、廢酵母 .酒花殘渣等有機(jī)無毒成分,排入天然水體后將消耗水中的溶解氧,既造成水體缺氧,還 能促使水底沉積化合物的厭氧分解,產(chǎn)生臭氣,惡化水質(zhì)[5].另外,上述成分多來 自啤酒生產(chǎn)原料,棄之不用不僅造成資源的巨大浪費,也降低了啤酒生產(chǎn)的原料利用率.因 此,在糧食缺乏,水和資源供應(yīng)緊張的今天,如何既有效地處理啤酒廢水又充分利用其中的 有用資源,已成為環(huán)境保護(hù)的一項重要研究內(nèi)容.本文根據(jù)前人的研究結(jié)果綜述了啤酒廢水 的處理和利用現(xiàn)狀,以便為進(jìn)一步探討效益資源型處理技術(shù)提供借鑒.

1 啤酒廢水的產(chǎn)生與特點  

啤酒生產(chǎn)工藝流程包括制麥和釀造兩部分.二者均有冷卻水產(chǎn)生,約占啤酒廠總排水量的65% ,水質(zhì)較好,可循環(huán)用于浸洗麥工序[7].中、高污染負(fù)荷的廢水主要來自制麥 中的浸麥工序和釀造中的糖化、發(fā)酵、過濾、包裝工序,其化學(xué)需氧量在500~40000 mg.L-1之間,除了包裝工序的廢水連續(xù)排放以外,其它廢水均以間歇方式排放[8](見表1).

表1 啤酒工業(yè)中、高污染負(fù)荷廢水的來源與濃度

啤酒廠總排水屬于中、高濃度的有機(jī)廢水,呈酸性,pH值為4.5~6.5[7],其中 的主要污染因子是化學(xué)需氧量(CODcr)、生化需氧量(BOD5)和懸浮物(SS),濃 度分別為1000~1500,500~1000和220~440 mg.L-1[3].啤酒廢水的可生化性(BOD5/CODcr)較大,為0.4~0.6[7],因此很多治理技術(shù)的主體部分是生化處理.

2 啤酒廢水處理技術(shù) 

目前,國內(nèi)外普遍采用生化法處理啤酒廢水.根據(jù)處理過程中是否需要曝氣,可把生物處理 法分為好氧生物處理和厭氧生物處理兩大類.

2.1 好氧生物處理  

好氧生物處理是在氧氣充足的條件下,利用好氧微生物的生命活動氧化啤酒廢水中的有 機(jī)物,其產(chǎn)物是二氧化碳、水及能量(釋放于水中).這類方法沒有考慮到廢水中有機(jī)物的 利用問題,因此處理成本較高.活性污泥法、生物膜法、深井曝氣法是較有代表性的好氧生 物處理方法.

2.1.1 活性污泥法 

活性污泥法是中、低濃度有機(jī)廢水處理中使用最多 、運行最可靠的方 法,具有投資省、處理效果好等優(yōu)點.該處理工藝的主要部分是曝氣池和沉淀池.廢水進(jìn)入 曝氣池后,與活性污泥(含大量的好氧微生物)混合,在人工充氧的條件下,活性污泥吸附 并氧化分解廢水中的有機(jī)物,而污泥和水的分離則由沉淀池來完成.我國的珠江啤酒廠、煙 臺啤酒廠、上海益民啤酒廠、武漢西湖啤酒廠、廣州啤酒廠和長春啤酒廠等廠家均采用此法 處理啤酒廢水[6,7].據(jù)報道,進(jìn)水CODcr為1200~1500 mg.L-1時,出水 CODcr可降至50~100 mg.L-1,去除率為92%~96% .活性污泥法處理啤酒廢水的缺點是動力消耗大,處理中常出現(xiàn)污泥膨脹.  

污泥膨脹的原因是啤酒廢水中碳水化合物含量過高,而N,P,F(xiàn)e等營養(yǎng)物質(zhì)缺乏,各營 養(yǎng)成分比例失調(diào),導(dǎo)致微生物不能正常生長而死亡.解決的辦法是投加含N,P的化學(xué)藥劑, 但這將使處理成本提高.而較為經(jīng)濟(jì)的方法是把生活污水(其中N,P濃度較大)和啤酒廢水混合.  

間歇式活性污泥法(SBR)通過間歇曝氣可以使動力耗費顯著降低,同時,廢水處理時間也短于普通活性污泥法.例如,珠江啤酒廠引進(jìn)比利時SBR專利技術(shù),廢水處理時間僅需19~20 h ,比普通活性污泥法縮短10~11 h,CODcr的去除率也在96%以上[9].揚州 啤酒廠和三明市大田啤酒廠采用SBR技術(shù)處理啤酒廢水,也收到了同樣的效果[10,11] .劉永淞等認(rèn)為[9],SBR法對廢水的稀釋程度低,反應(yīng)基質(zhì)濃度高,吸附和反應(yīng) 速率都較大,因而能在較短時間內(nèi)使污泥獲得再生.

2.1.2 深井曝氣法

為了提高曝氣過程中氧的利用率,節(jié)省能耗,加 拿大安大略省的巴利啤酒廠[12]、我國的上海啤酒廠和北京五星啤酒廠[7] 均采用深井曝氣法(超深水曝氣)處理 啤酒廢水.深井曝氣實際上是以地下深井作為曝氣池的活性污泥法,曝氣池由下降管以及上 升管組成.將廢水和污泥引入下降管,在井內(nèi)循環(huán),空氣注入下降管或同時注入兩管中,混 合液則由上升管排至固液分離裝置,即廢水循環(huán)是靠上升管和下降管的靜水壓力差進(jìn)行的. 其優(yōu)點是:占地面積少,效能高,對氧的利用率大,無惡臭產(chǎn)生等.據(jù)測定[12], 當(dāng)進(jìn)水BOD5濃度為2400 mg.L-1時,出水濃度可降為50 mg.L-1,去除率高達(dá)97.92% .當(dāng)然,深井曝氣也有不足之處,如施工難度大,造價高,防滲漏技術(shù)不過關(guān)等.

2.1.3 生物膜法 

與活性污泥法不同,生物膜法是在處理池內(nèi)加入軟性 填料,利用固著生長于填料表面的微生物對廢水進(jìn)行處理,不會出現(xiàn)污泥膨脹的問題.生物 接觸氧化池和生物轉(zhuǎn)盤是這類方法的代表,在啤酒廢水治理中均被采用,主要是降低啤酒廢 水中的BOD5.

生物接觸氧化池是在微生物固著生長的同時,加以人工曝氣.這種方法可以得到很高的生物固體濃度和較高的有機(jī)負(fù)荷,因此處理效率高,占地面積也小于活性污泥法.國內(nèi)的淄博啤酒廠、青島啤酒廠、渤海啤酒廠和徐州釀酒總廠等廠家的廢水治理中采用了這種技術(shù)[7].青島啤酒廠在二段生物接觸氧化之后輔以混凝氣浮處理,啤酒廢水中CODcr和B OD5的去除率分別在80% 和90%以上[13].在此基礎(chǔ)上,山東省環(huán)科所改常壓曝氣 為加壓曝氣(P=0.25~0.30 MPa),目的在于強(qiáng)化氧的傳質(zhì),有效提高廢水中的溶解氧 濃度,以滿足中、高濃度廢水中微生物和有機(jī)物氧化分解的需要.結(jié)果表明,當(dāng)容積負(fù)荷≤1 3.33 kg.m-3.d-1COD,停留時間為3~4 h時,COD和BOD平均去除率分別達(dá)到 93.5 2%和99.03% .由于停留時間縮短為原來的1/3~1/4,運轉(zhuǎn)費用也較低[14].  

生物轉(zhuǎn)盤是較早用以處理啤酒廢水的方法.它主要由盤片、氧化槽、轉(zhuǎn)動軸和驅(qū)動裝置 等部分組成,依靠盤片的轉(zhuǎn)動來實現(xiàn)廢水與盤上生物膜的接觸和充氧.該法運轉(zhuǎn)穩(wěn)定、動力 消耗少,但低溫對運行影響大,在處理高濃度廢水時需增加轉(zhuǎn)盤組數(shù).該方法在美國應(yīng)用較 為普及,國內(nèi)的杭州啤酒廠、上海華光啤酒廠和浙江慈溪啤酒廠也在使用[7].據(jù) 報道,廢水中BOD5的去除率在80%以上[13].

2.2 厭氧生物處理  

厭氧生物處理適用于高濃度有機(jī)廢水(CODcr>2000 mg.L-1, BOD5>1000 mg.L-1).它是在無氧條件下,靠厭氣細(xì)菌的作用分解有機(jī)物.在這一過程中,參加生物降解的有機(jī)基質(zhì)有50%~90%轉(zhuǎn)化為沼氣(甲烷),而發(fā)酵后的剩余物又可作為優(yōu)質(zhì)肥料和飼料[15].因此,啤酒廢水的厭氧生物處理受到了越來越多的關(guān)注.  

厭氧生物處理包括多種方法,但以升流式厭氧污泥床(UASB)技術(shù)在啤酒廢水的治理方 面應(yīng)用最為成熟.UASB的主要組成部分是反應(yīng)器,其底部為絮凝和沉淀性能良好的厭氧污泥 構(gòu)成的污泥床,上部設(shè)置了一個專用的氣-液-固分離系統(tǒng)(三相分離室)[16].廢水從反應(yīng)器底部加入,在上向流、穿過生物顆粒組成的污泥床時得到降解,同時生成沼氣(氣泡).氣、液、固(懸浮污泥顆粒)一同升入三相分離室,氣體被收集在氣罩里,而污泥顆粒受重力作用下沉至反應(yīng)器底部,水則經(jīng)出流堰排出.  

截止1990年9月,全世界已建成30座生產(chǎn)性UASB反應(yīng)器用于處理啤酒廢水,總?cè)莘e達(dá)60 600 m3[17].國內(nèi)已有北京啤酒廠[4,7,18]、沈陽啤酒廠[7,15] 等廠家利用UASB來處理啤酒 廢水.荷蘭、美國的某些公司所設(shè)計的UASB反應(yīng)器對啤酒廢水CODcr的去除率為80%~86% [13,19,20],北京啤酒廠UASB處理裝置的中試結(jié)果也保持在這一水平,而且其沼氣 產(chǎn)率為0.3~0.5 m3.kg-1(COD)[8].清華大學(xué)在常溫條件下利用UASB厭氧 處理啤酒廢水的研究結(jié)果表明,進(jìn)水CODcr濃度為2000 mg.L-1時,去除率為85% ~90%[21].沈陽啤酒廠采用回收固形物及厭氧消化綜合治理工藝,實行清污分流,集中收集CODcr大于5000 mg.L-1的高濃度有機(jī)廢水送入UASB進(jìn)行厭氧處理,廢水 中CODcr的質(zhì)能利用率可達(dá)91.93%[15].  

實踐證明,UASB成功處理高濃度啤酒廢水的關(guān)鍵是培養(yǎng)出沉降性能良好的厭氧顆粒污泥 .顆粒污泥的形成是厭氧細(xì)菌群不斷繁殖、積累的結(jié)果,較多的污泥負(fù)荷有利于細(xì)菌獲得充 足的營養(yǎng)基質(zhì),故對顆粒污泥的形成和發(fā)展具有決定性的促進(jìn)作用;適當(dāng)高的水力負(fù)荷將產(chǎn) 生污泥的水力篩選,淘汰沉降性能差的絮體污泥而留下沉降性能好的污泥,同時產(chǎn)生剪切力 ,使污泥不斷旋轉(zhuǎn),有利于絲狀菌互相纏繞成球.此外,一定的進(jìn)水堿度也是顆粒污泥形成 的必要條件,因為厭氧生物的生長要求適當(dāng)高的堿度,例如:產(chǎn)甲烷細(xì)菌生長的最適宜pH值 為6.8~7.2.一定的堿度既能維持細(xì)菌生長所需的pH值,又能保證足夠的平衡緩沖能力 [22,23].由于啤酒廢水的堿度一般為500~800 mg.L-1(以CaCO3計)[24],堿度不足,所以需投加工業(yè)碳酸鈉或氧化鈣加以補(bǔ)充.研究表明[4,21],在 UASB啟動階段,保持進(jìn)水堿度不低于1000 mg.L-1對于顆粒污泥的培養(yǎng)和反應(yīng)器在 高 負(fù)荷下的良好運行十分必要.應(yīng)該指出,啤酒廢水中的乙醇是一種有效的顆?;龠M(jìn)劑[25],它為UASB的成功運行提供了十分有利的條件.  

總之,UASB具有效能高,處理費用低,電耗省,投資少,占地面積小等一系列優(yōu)點,完全適用于高濃度啤酒廢水的治理.其不足之處是出水CODcr的濃度仍達(dá)500 mg.L-1左右,需進(jìn)行再處理或與好氧處理串聯(lián)才能達(dá)標(biāo)排放.

3 啤酒廢水的利用技術(shù)  

利用自然生態(tài)良性循環(huán)的方法凈化和利用啤酒廢水,也是目前啤酒廢水綜合治理的一個 方向,有利于實現(xiàn)廢物的資源化.

3.1 啤酒廢水土地利用  

廢水的土地利用在國內(nèi)外都有悠久的歷史.其目的不單純是廢水農(nóng)田灌溉,而是根據(jù)生 態(tài)學(xué)原理,在充分利用水資源的同時,科學(xué)地運用土壤-植物系統(tǒng)的凈化功能,使該系統(tǒng)起 到廢水的二、三級處理作用[5].廢水的土地利用一般有快速滲濾和地表漫流兩種 方法[19].前者的特點是加入的廢水大部分都經(jīng)過土壤滲透到下層,因而僅限于在 砂及砂質(zhì)粘土之類的快滲土壤上使用,植物對廢水的凈化作用較小,主要是由土壤中發(fā)生的 物理、化學(xué)和生物學(xué)過程使廢水得到處理.后者是一種固定膜生物處理法,廢水從生長植物 的坡地上游沿溝渠流下,流經(jīng)植被表面后排入徑流集水渠.廢水凈化主要是通過坡地上的生 物膜完成的.這種方法對于滲透較慢的土壤最為適用.根據(jù)謝家?。?6]、蕭月芳等 [27]的研究,啤酒廢水經(jīng)過 土地利用系統(tǒng)后,水質(zhì)明顯改善,能夠達(dá)到農(nóng)田灌溉水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)(GB 5084-85)的要求;同時又可節(jié)省水源,增加農(nóng)田土壤的有機(jī)質(zhì)含量,提高農(nóng)作物產(chǎn)量.其經(jīng)濟(jì)效益在干旱地區(qū)更能 得到體現(xiàn). 

當(dāng)然,啤酒廢水的土地利用也存在一定的問題:

①處理過程中會產(chǎn)生臭味,必須將處理 場地設(shè)在遠(yuǎn)離居住區(qū)的地方,這樣需要較長的輸水干管;

②廢水的含鹽量過高時,將危害植 物生長,并造成土壤排水、通氣不良.如何避免這些問題發(fā)生,需要進(jìn)一步研究.

3.2 啤酒廢水的植物凈化  

啤酒廢水中有機(jī)碳含量豐富,氮、磷的含量也有一定水平,可以為植物生長提供必要的 營養(yǎng)物質(zhì).近年來,一些學(xué)者利用啤酒廢水對普通絲瓜(Luffa cyclindrica)[28 ]、多花黑麥草(Lolium multiflorum )[29]、水雍菜(Ipomoea aquatica) [30]、金針菜(Hemerocallis fulva)[31]等植物進(jìn)行水培試驗,發(fā)現(xiàn) 這些植物長勢良好并能完成其生活史,既創(chuàng)造了經(jīng)濟(jì)效益,同時又顯著降低了廢水中多種污 染物(COD除外)的濃度(見表2).這為啤酒廢水的資源化處理開拓了一條新思路.據(jù)報道 ,目前,無錫市釀酒總廠已在氧化塘中種植絲瓜以強(qiáng)化處理系統(tǒng)的凈化效果[27].

水培植物對廢水中COD的去除率不高,主要是因為廢水中C的含量大大高于N,P,而植物 是按照一定的C,N,P比例來攝取營養(yǎng)物質(zhì)的.從這一點來看,水培植物用于生物處理后出 水(含C量已大為降低)的深度凈化更為合理.

4 結(jié) 語  

(1)啤酒廢水是一種中、高濃度的有機(jī)廢水,隨著啤酒工業(yè)的不斷發(fā)展,其產(chǎn)生量也將 持續(xù)上升.為了避免納污水體的水質(zhì)惡化,除了實行清、污分流,提高冷卻水的循環(huán)利用率 以降低排放量外,還必須對其進(jìn)行有效處理. 

(2)好氧生物處理、厭氧生物處理、土地利用和植物凈化等方法是常見的啤酒廢水治理 方法.好氧生物處理對于低濃度廢水有較高的COD去除率(>90%),但是需要大量的投資 和場地,能耗較高,受外界環(huán)境(溫度等)影響較大;厭氧生物處理對于高濃度廢水有較高 的CODcr去除率,它克服了好氧生物處理的大多數(shù)缺點,還能進(jìn)行生物質(zhì)能轉(zhuǎn)化,大幅度降 低處理成本,因而為越來越多的廠家所采用,其最大缺陷是出水CODcr的濃度仍然很高,難 以達(dá)到《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》的要求.土地利用系統(tǒng)雖然能夠改善廢水的水質(zhì),節(jié)約水源, 增加土壤有機(jī)質(zhì)含量,但是占地面積大,易產(chǎn)生臭味,還可能引起土壤鹽堿化.用植物凈化 啤酒廢水,可以有效去除其中的N,P和濁度,并可獲得一定的經(jīng)濟(jì)效益,但是對CODcr的去 除率卻不高.  

(3)要得到理想的處理結(jié)果,實現(xiàn)啤酒廢水治理的環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益的統(tǒng)一,必須將 兩種或三種技術(shù)結(jié)合使用,這是解決啤酒廢水污染問題的根本出路.例如,把厭氧和好氧處 理池串聯(lián)使用,依靠前者把廢水的高負(fù)荷降低,再以后者把低濃度廢水處理達(dá)標(biāo),其動力消 耗則可由前一過程的質(zhì)能轉(zhuǎn)化予以補(bǔ)償.又如,把生物處理與土地利用結(jié)合起來,既能有效 凈化廢水,還能起到互補(bǔ)作用,產(chǎn)生更高的經(jīng)濟(jì)效益. 

另外,在如下幾個方面還須作進(jìn)一步研究:

(1)啤酒工業(yè)實施清潔生產(chǎn)工藝的可行性及其綜 合效益分析;

(2)多種處理技術(shù)串聯(lián)使用時,其結(jié)合點上啤酒廢水的最適濃度;

(3)厭氧和好氧微生物種類在一個處理單元內(nèi)共同作用于啤酒廢水的可能性及相關(guān)的處理技術(shù);

(4)啤酒廢水的土地利用技術(shù)對土壤理化性質(zhì)的各種可能影響.

*本研究由中國挪威合作“株洲環(huán)境項目”資助

作者簡介:李科林,男,碩士,講師 作者單位:中南林學(xué)院環(huán)境工程研究所, 湖南株洲市, 412006

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