啤酒废水处理现状

1某啤酒废水处理工艺设计摘要啤酒生产过程中常常会产生大量的固体废弃物和废水，为了达到政府规定的排放标准，这些固体废弃物和废水要经过处理后才能排放。初步估计，每生产1L啤酒需要3~10L水，这些水主要用于浸泡、酿造、水洗和冷却过程。啤酒废水富含有机物和固体悬浮物，若直接排入自然水体会对自然环境造成潜在且严峻的环境危害。在环境问题越来越重视的今天，治理好啤酒废水使其达标排放对啤酒行业健康、可持续发展至关重要。啤酒废水BOD/CODcr约为0.5，可生化性较好。国内外对中高浓度啤酒废水处理工艺做了大量研究和实践应用，每种工艺都有可取之处。本设计是对一个水量为3800m3/d的啤酒废水进行处理。通过对某啤酒厂产生的废水水质、水量和场地研究分析以及从技术角度和经济角度分析比较，本论文采用上流式厌氧污泥（UASB)和循环式活性污泥系统（CASS）联合工艺来处理该啤酒厂废水。此外，本论文对该工程项目概预算进行了分析讨论。关键词：啤酒废水，上流式厌氧污泥床，循环式活性污泥系统，概预算2啤酒厂废水的再利用技术发展现状摘要啤酒酿造过程常常会产生大量的废水和固体废弃物，为了达到政府规定的排放标准，这些废水和固体废料需要用最经济和最安全的法处理后才能排放。初步估计，酿造1升啤酒需用10升水，这些水主要用于酿造、水洗和冷却过程。如此大量的水须安全处理后进行循环利用，但循环利用废水对于大多数啤酒企业来说费用昂贵，大多数啤酒厂都面临问题。因此，许多啤酒现在在寻找：(1)可以减少水在啤酒酿造过程中使用的法，(2)意味着成本效益和安全处置的啤酒废水回用。基于可用的文献，本文提供了一个检视及评估当前啤酒废水处理流程包括潜在的可回用的程序。啤酒厂污水处理和回用的主要挑战也会在本文讨论，包括对未来发展的建议。2011ElsevierB.V.版权所有.1.背景介绍3酿造工业每年要排放大量高污染废水[1、2]，但它是每个国家经济部门的重要组成部分[3、4]。啤酒是继茶、碳酸饮料、牛奶、咖啡之后世界上第五大消费饮料[3]。啤酒酿造包括两个主要步骤即酿造和产品包装[5]。这些步骤产生的副产品(混合谷物，剩余酵母等)与废水混合后造成了污染[5]。此外，清洁大容器、瓶子、机器和地板也会产生大量的污水[5]。据估计，每生产1升啤酒，生成3-10L废水，根据生产和具体用水量而不同[1、3、6]。换句话说，啤酒酿造过程中会消耗大量的水。因为大量的用水，啤酒行业每年排放大量高污染废水[1，2]。废水在单个流程步骤中是可变的，例如，洗瓶会产生大量废水，但在酿酒过程中它只包含有机物排放总量的一小部分。发酵和过滤废水富含有机物/生化需氧量(BOD)，但产量普遍偏低，约占废水总量的3%，生化需氧量（BOD）占总量的97%[7]。啤酒污水会通过以下几种方式排放[8、9]：(1)直接排入水道(海洋、河流、溪流或者湖泊)，(2)直接排入市政污水管道系统，(3)经过一些预处理排入水道或市政污水管道系统，(4)排入啤酒厂的废水处理厂。未经处理(或部分治理)的啤酒废水进入水体会对水体造成潜在且严峻的污染问题，因为这些废水含有好氧降解的有机化合物[10]。如果有机物含量高的水流入河流，就会使河里的细菌氧化有机物消耗氧的速度超过空气中氧溶解在水里的速度。随着法规越来越严格和水成本增加，目前循环用水的呼声获得了越来越多的支持。关于啤酒废水处理有很多论文做过研究，如Fillaudeau等[3]。查阅文献表明，只有在最近几年里的文献研究可用在水处理方面。必须指出的是，由于公众的认知不深和可能使啤酒质量恶化，废水回用并不是常见选择[11]。然而，水资源短缺已经成为一个严重的全球问题和环境问题，未来不可避免要回用啤酒废水，在大多数永久干旱的非洲撒哈拉沙漠以南地区水资源尤其珍贵，因此必须认真地保护每一滴水。在这篇论文中，对可以用于处理啤酒废水回用的两个潜在应用进行了综述：(a)原生水用于生产啤酒，(b)不接触啤酒的二级水，如公用冷却水、包装过程中使用的水和一般的清洁水。一旦技术提高和关于使用再生水的观念改变，啤酒与水的比率可能会减少到1/2的比例。与啤酒废水回用(或循环)相关的难题在论文中也进行了讨论。其他文献中已研究很多处理、恢复各种啤酒副产品(如谷物，啤酒花，盈余酵母，硅藻土污泥，残渣和废标签)的应用[3、6、8、12-14]，因此本文不予以讨论。本文的组织4结构如下：首先提出了立法的背景和环境管理系统，之后连续的提出了啤酒废水预处理和处理法。然后讨论难题和未来前景，最后提供一个概要总结全文。2.立法和环境管理系统酿酒行业同其他行业一样，要遵守许多政府法规。在生产、分配、标签、广告、交易和定价行为、信贷、容器特点、酒精含量等方面有相关规章制度[9]。政府征收法定费用和其他类似的费用等各种税，可能需要债券以确保企业遵守法律和法规。现在民众对管理环境问题越来越感兴趣。民众有了解社会上重要环境影响的需要，然后将各级环境管理联系起来考虑相关的优点和缺点[15]。这意味着酿酒行业也必须遵守许多环境保护法律。对酿酒行业高要求显示了环境保护意识的提高和可持续生产流程的需要[16]。大多数国家政府签署并批准了《京都议定书》，旨在减少温室气体排放[17]。通过环境管理体系(EMS)，比如：（1）ISO14001，(2)生态管理和审计计划(复合)，(3)国际安全评级系统(ISRS)，啤酒厂应该积极主动的治理它们对环境的影响。环境管理体系(EMS)应该帮助啤酒厂有效且高效的管理当前和未来的环境影响。国际金融公司(IFC)也有啤酒厂环境、健康和安全(EHS)指南[18]。3.传统的啤酒废水预处理方法啤酒废水中含有很多高化学需氧量（COD）的有机组分（糖、可溶性淀粉、乙醇、挥发性脂肪酸等）[9]。由于清洗和消毒过程中使用的化学品数量和类型（氢氧化钠、磷酸、硝酸等等）的影响，废水中的ph一般在2~12[9、16、19]。氯化物具有消毒的化学性质，保证酿造行业和公共消费啤酒表层不受到有害微生物的侵害。氮、磷含量主要取决于原料的处理和废水中酵母的数量[9、16、19]。表1是印度联合啤酒厂啤酒废水的物理化学特征[20]。表1是印度联合啤酒厂啤酒废水的物理化学特征5啤酒废水的特点取决于以表1中提及的数值大的参数[21]。大多数大型啤酒厂需要某种程度的废水预处理。在啤酒废水不排放到市政下水道的情况下，需要对污水进行初级和二级处理。如果污水经过预处理后满足市政排放规定或降低了市政污水处理厂的负荷，啤酒废水则允许排入市政下水道。污水排放费用由废水体积、悬浮物和有机负荷等决定，由此政府鼓励啤酒厂安装自己的污水处理设备。预处理是为了改变给水的物理、化学以及生物的性质[22]，从而提高上游操作的性能。预处理有物理、化学、生物法或这些方法的组合。表2列出每个类别包括的单元操作，在斯佩尔曼标准指南（为废水运营商设置）查询到的传统废水处理过程的详细概要[23]。表3概括了各种废水处理流程一般的优缺点[24]。这些特征(表3)通常与建筑成本和简化操作有关。一般废水越多污水处理技术就越复杂，成本越高。水资源管理和废水处置在啤酒行业被认为是重要的成本因素和啤酒工厂操作的重要方面[25、26]。3.1.物理法表2污水处理各单元工艺过程6预处理法中常用的是物理法去除污染物。物理法能去除难溶的固体物质，而不能去除溶解性污染物。它可能是一个被动的过程，如沉淀可以让悬浮污染物自然沉淀或浮在水面上。这些物理法都取得了一定的效果，但常常导致污染物去除或分离不彻底，即使加入混凝剂或其他添加剂沉降效果也不好[27]。3.2化学法不同化合物加入到废水中以改变啤酒废水的性质[22]。化学预处理包括调节ph、混凝、絮凝。废水的酸碱度会对污水处理和环境造成影响。为了确保生物量，废水ph需要保持在6到9之间。废二氧化碳可用于中和来自CIP系统和洗瓶器的碱性废水[28]。废二氧化碳也可以作为一种廉价的酸化剂降低厌氧反应器内碱性废水pH值，从而取代传统使用酸[20]。不推荐用硫酸和盐酸来进行中和反应，因为它们有腐蚀作用，硫酸盐和氯化物也有排放限制[29]，这会增加废水处理的运行成本[20]。混凝和絮凝常用于去除废水中胶体物质和颜色。在废水处理中，混凝是通过絮结剂使颗粒不稳定，因布朗运动使颗粒形成了小团聚体。在随后的絮凝过程中，小的团聚体形成了更大的聚集体[30]。在小颗粒形成大的聚集体后，胶体物质通过物理分离的法（沉降、浮选、过滤）便可更轻易的去除。3.3.生物法在废水处理过程中，生物处理过程发挥了重要作用。生物处理是基于活性微生物7把废水中可生物降解的有机污染物进行转换。啤酒厂常常使用生物处理法来处理含有高有机物废水的化学污染物和微生物污染物。啤酒废水需要经过物理和化学预处理后才能再进行生物处理。相比于物理和化学法，生物法有三个优点[32]：(1)处理技术成熟，(2)COD和BOD去除效率高，去除率在80%到90%，(3)投资成本低。尽管生物处理是一种有效的处理技术，但它具有高能耗的缺点[33]。废水的生物处理可以是好氧(有空气、氧气供应)或厌氧(没有氧气)[9]。好氧和厌氧过程如图1所示[34]。这些过程会在后续章节中讨论更多细节。一般处理啤酒废水选择好氧处理，但厌氧处理也越来越受到关注[9]。表4给出了厌氧与好氧生物处理系统的一般比较，如活性污泥。3.3.1.好氧处理废水中降解有机物质的好氧微生物（主要是细菌）在氧气的参与下完成好氧生物处理过程，从而生产更多的微生物和无机产物(主要是二氧化碳、氨和水)。好氧处理利用微生物将非沉降性固体颗粒转化为沉降性固体的生物处理过程。沉降包含沉降性固体沉淀和分离。包括三种选择：表3各种废水处理流程的优缺点（1）活性污泥法：在活性污泥法中污水流入一个有曝气和搅拌功能的污水池，池内有准备好的活性污泥。复杂的混合物中含有细菌、真菌、原生动物和其他微生物统称为生物质能。在这个过程中，曝气池内的悬浮好氧微生物被曝气设备充分搅拌混合，同时为生物悬浮物提供氧气。（2）附着生长(生物膜)法：第二种类型的好氧生物处理系统称为“附着生长(生物8膜)法”，微生物固定在固体表面上。这种“附着生长”好氧生物处理过程创造了一个支持微生物的生长环境，微生物通常附着在固体材料上。（3）滴滤池：在滴滤池中，废水喷洒在铺满粗糙固体（如沙砾、碎石或者塑料）的滴滤床上，并以“渗透”的方式通过布满了微生物的填料。图1好氧和厌氧过程表4厌氧与好氧生物处理系统的比较（4）生物过滤塔：生物过滤塔是滴滤过程的一种改进工艺，也称为称为生物塔。生物塔内充满了塑料或红木填料，微生物在填料上增长繁殖。（5）生物转盘：生物转盘是由一连串的塑料圆盘连接到一个共同的轴上构成的。（6）氧化塘：这些都是缓慢、便宜、相对效率低，但可处理各种类型的废水。9这些塘依靠阳光、藻类、微生物和氧(有时充气)的相互作用来处理废水。（7）污泥处理和处置：好氧处理系统如活性污泥系统产生相对大量的需要处理的污泥。污泥可以通过离心分离、真空过滤、或压力过滤器等法进行脱水处理。3.3.2厌氧处理厌氧废水处理是废水在没有空气或氧元素的情况下进行生物处理。厌氧处理的特点是厌氧微生物将有机物转化为沼气，它可以用作燃料，其主要成分是55%-75%的甲烷，25%-40%的二氧化碳还有微量的硫化氢[35]。在啤酒厂，锅炉直接利用沼气是首选的解决方案。其原因是沼气处理的综合供电供热单位（CHP）需要更高的投资成本[36]。在化石燃料储备减少的背景下，厌氧废水处理使得啤酒更加独立于外部燃料供应。此外，它还会有助于酿酒工艺可持续发展。（1）上流式厌氧污泥床（UASB）：上流式厌氧污泥床是最受欢迎的厌氧工艺之一。在UASB反应器中，废水从底部进入垂直罐。废水向上通过密集的厌氧污泥床，污泥中的微生物与废水底物接触[34]。污泥是颗粒状(1-4毫米)拥有良好的沉降性(沉降速度超过50m/h)。溶液中的有机物质被微生物吸收，释放沼气。随着沼气的上升，它会带走微生物层的一些颗粒。UASB反应器的顶部是三相分离器，在这里沼气和废水中生物量分离[16]。三相分离器是也