啤酒废水工艺

-1-第一章前言1.1啤酒废水污染现状及其危害性啤酒是当今风靡世界最流行的饮料之一，早在4500年前，啤酒就在古埃及问世，它略含苦味，富含营养，素有液体面包之称，已被国际营养会议推荐为营养食品之一[1]。近年来,随着人民生活水平的提高,我国啤酒消费量急剧增大，据统计，20年来，全国啤酒产量增长30倍。200205?06?年全国啤酒产量2400多万吨，首次超过美国跃居世界第一位，成为世界第一的啤酒生产大国和消费大国，啤酒行业发展也随之进入成熟期。但是，中国啤酒厂的吨酒耗水量较大。据统计，一般为（10～30）t/t啤酒（因不同企业不同酒类而有所不同）[2]，废水排放量接近于耗水量的90%[3]。若单以2002年啤酒产量,每吨酒耗水20吨计算,当年共排放废水量约4.3亿吨，可见啤酒行业排放废水量之巨大。啤酒废水含有较高浓度的有机物，如未经处理直接排入自然水体后，在自然降解的过程中使水中的微生物大量繁殖，从而消耗了自然水体中的溶解氧，造成水体缺氧，最终导致水质发黑变臭，严重污染环境。近年来，环境与发展的关系日益为国人所重视，环境保护工作作为我国的一项基本国策，已经为越来越多的企业和人们所接受。为实现可持续发展，环境保护工作必须引起政府和企业高度重视。为了解决好这一矛盾，科研管理和工程技术人员认识到：发展啤酒废水处理技术是贯彻科学发展观的必然要求。1.2啤酒废水来源及性质特点分析啤酒酿造过程，啤酒厂工业废水主要来源于：麦芽生产过程中的冲洗水，浸泡水，降温水；糖化过程中的糖化、过滤洗涤水；发酵过程中的洗涤、过滤水；包装过程中的洗罐水、洗瓶水、冷却用水，以及工人生活污水等等。除了包装工序的废水连续排放以外，其它废水均以间歇方式排放[4]（见表1-1）啤酒生产的主要原料为麦芽、大米和酒花等，在生产过程中不加入任何有毒有害难降解的物质，因此废水中主要是粮食酿酒后的残留物，其主要成分是麦槽、酒花残渣、酵母菌残体、粗蛋白、糖类、多种氨基酸、醇、维生素、残余啤酒、淀粉、少量洗涤用碱及少量生活污水，属于有害无毒的有机废水（成分见表1-2），但易于腐败，排入水体-2-表1-1啤酒工业废水的来源与浓度工序排放方式废水中CODcr浓度（mg/L）浸麦工序间歇排放500～800糖化工序间歇排放2000～4000发酵工序间歇排放2000～3000包装工序连续排放400～800要消耗大量的溶解氧，对水体环境造成严重危害。表1-2重庆某啤酒厂原水成分碳水化合物(%)脂肪(%)灰分(%)蛋白质(%)纤维素(%)氨氮(mg/L)色55.36.43.027.36.730淡褐啤酒工业废水有如下的特点和性质：（1）啤酒工业在生产啤酒过程中耗水量相当大，吨酒耗水量约为10～30t，随着生产工艺、生产水平和管理方式而异；（2）废水来源复杂、多样。其来源有冷却水、清洗废水、冲渣废水、灌装废水、洗瓶洗缸废水、清洁、生活废水；（3）废水中主要污染物成分是：糖类、醇类、氨基酸、果胶、啤酒花、维生素、蛋白化合物及包装车间的有机物和少量无机盐类等。其BOD5/CODcr较高，为0.4～0.6[5],并有大量悬浮物，如麦渣等，也常有在消毒清洁过程中投入的碱性清洗剂、杀菌剂；有毒物质少，营养配比适中，适合进行生物降解；（4）废水水量水质常依赖生产周期，水量水质波动很大。生产期废水量巨大，CODcr较高，可达数千，pH值以微碱至中碱性为主；生产间歇期废水量少，以生活污水为主，CODcr仅几百，pH值为微酸性（现代啤酒厂常年生产不存在间歇期）。整个生产过程中，CODcr大约在几百到几千之间，pH大约在5—12之间，要求处理系统必须有一定的可调性和抗冲击能力。同时，污水中氮、磷含量较高，要求处理系统具有较好的脱氮除磷能力。出水水质因各厂工艺不同而各异，重庆某啤酒厂废水混合出水水质见表1-3。（5）废水中含有一定量的硅藻土，容易引起处理系统的堵塞。表1-3重庆某啤酒厂废水混合出水水质项目CODcrBOD5SSNH3—NTP含量（mg/L）1000~5000800~2500200~100015~301~4-3-第二章啤酒废水处理工艺概况2.1啤酒废水的主要处理工艺由于啤酒废水的水量较大,水中污染物浓度高,性质接近于生活污水,可生化性良好,所以目前国内多数企业均主要采用生化法处理啤酒废水,其又可以大致分为好氧生物处理法及厌氧生物处理法。2.1.1好氧生物处理好氧生物处理是指在氧气充足的条件下,利用好氧微生物的生命活动氧化啤酒废水中的有机物,其产物有二氧化碳、水及能量。但由于此法没有考虑到废水中有机物的利用问题,因此处理成本较高。2.1.1.1活性污泥法活性污泥法于1914年由英国人Ardernh和Lockett实验成功，在中、低浓度污染物有机废水处理中，其技术分支较为广泛,也是使用最多，运行可靠,最为成熟的方法。具有处理效果好、投资较少等优点，适用于大中城市啤酒厂采用。但是此法在用空气曝气时容易产生泡沫，造成难以充氧，管理不好则易产生污泥膨胀，此外还因动力消耗高、占地面积较大等缺点限制了其应用。目前，国内有广州啤酒厂、珠江啤酒厂、无锡啤酒厂、华都啤酒厂、珠江啤酒厂[6]等采用活性污泥法处理啤酒废水，废水COD的进水浓度为1000~1500mg/L，出水为40～100mg/L，去除率90%～96%。其中珠江啤酒厂从比利时引进TSU（Two-StageUnitank）两阶段单一槽活性污泥工艺[7]，其特点是曝气与沉淀反复循环，废水经第一段高负载混合曝气沉淀去除80%以上的BOD5，进入第二阶段低负载混合曝气沉淀槽，将剩余的BOD5进—步降低,最终BOD5去除率达到95%，出水达到排放标准。无锡啤酒厂也采用与之类似的两段曝气(Z-A法)+氧化塘处理啤酒废水，COD去除率为90%～95%，处理后的水可用于养鱼[8]。可见活性污泥法处理啤酒废水具有运行可靠、处理效果较好的优点，但啤酒废水氮磷含量低，碳氮比例失调，运行中容易产生污泥膨胀，因此，啤酒废水处理过程中需添加一定量的氮磷。此外，活性污泥法对啤酒废水水质、水量变化的适应性也较差，且因污泥产量高，处置麻烦，不耐冲击负荷，还需要大量充氧，增加了基建运行费用。-4-2.1.1.2生物膜法生物膜法是人们模仿土壤的自净过程而创造出来的，并很早被人们应用于废水生物处理。早在十九世纪，1893年英国科贝特（Corbett）在索尔福德城（Salford）创建了具有喷嘴布水装置的生物滤池（洒滴滤池），这也就是废水生物处理工程中最早出现的生物膜法滤池[9]。现在，随着科学技术的发展和实践经验的积累，生物膜法也经历了一个发展过程，使用的处理设施（生物滤池）及其运行方式，已从原来的洒滴滤池（普通生物滤池）发展到现在的各种高负荷率型的生物滤池。其运行原理是，生物滤池内填有某种附着粘菌的介质，废水流过滤池时与粘菌相接触，其中的污染物将被这层生物膜去除。以塑料为填料的池深可达12.2米,水力负荷高达0.16米3/分·米2。在适当的池深与流量条件下处理啤酒废水，BOD5去除率可高达90%。生物膜法主要为生物接触氧化法和生物转盘，该法主要用于去除水中的BOD5。国内采用生物接触氧化法处理啤酒废水的啤酒厂有青岛啤酒厂、抚顺啤酒厂、房山啤酒厂[6]等，废水COD为1000～1200mg/L，处理后出水COD为100mg/L，去除率达90%～92%。生物接触氧化法在国内应用很广，其主要优点是处理能力大，耐冲击负荷能力强，占地面积少，污泥生成量少，无污泥膨胀，运行管理方便等，但处理效果一股不及活性污泥法，建筑费用亦较高。采用生物转盘的工厂有杭州啤酒厂、上海华光啤酒厂等,进水COD为1500mg/L，处理后出水COD为30～150mg/L，去除率90%～98%。生物转盘法是较早用来处理啤酒废水的方法，它具有的优点有处理效果比较稳定，运行费用低，动力消耗，耐冲击负荷，无污泥膨胀等，但前期基建投资高，受气温变化影响大，不适合于气温偏低的地区使用。综上所述，生物膜法不同于活性污泥法的最大优点是不存在污泥膨胀问题。因为生物膜是附着在固体滤料表面上，微生物固着于表面生长，而在活性污泥法中，微生物悬浮于液体之中生长。因此对生物膜法来讲，不会引起污泥膨胀问题。总之，生物膜法和活性污泥法相比，具有运转管理相对方便，而且剩余污泥量亦较少等优点。因而，生物膜法在啤酒废水生物处理工程中，尤其在处理一般规模的场合下，已受到很多厂家欢迎并予以采用。2.1.1.3氧化塘法氧化塘工艺一般可分为四种：兼性塘、厌氧塘、好氧塘和曝气塘[10]。一般来说，厌-5-氧塘、兼性塘和好氧塘串联使用，从工艺设施构造和运行管理来看，这是较经济的一种处理方法，而且处理效果也令人满意，只是有些气味。经氧化塘法工艺处理后的啤酒工业废水，出水CODCr浓度为100～150mg/L，BOD5浓度为30～90mg/L，SS浓度为30～90mg/L，出水水质达到国家二级排放标准。氧化塘工艺具有前期基建投资少及运行费用低等优点。但是氧化塘工艺要实施必须占用有较大面积，这也就成为了它基建费用的主要内容。因而选择此类工艺主要取决于当地实际情况。2.1.1.4膜—生物反应器膜—生物反应器（MBR）是20世纪90年代兴起的一种废水生化处理的新技术，它是用膜组件替代传统二沉池进行固液分离的一种新型高效废水处理技术，与传统的活性污泥法相比，膜—生物反应器具有污染物去除效率高、出水水质稳定、装置容积负荷大、设备占地面积小、传氧效率高、污泥产量低、操作运行简便等优点。目前,国内由于对膜—生物反应器的研究起步较晚，尚无实际应用的例子，但据近年来的实验报道，膜—生物反应器对啤酒废水的COD和NH3-N具有良好的处理效果，去除率分别为96.13%和99.33%，远远高于相同试验条件下的普通活性污泥法[11,12]。它已成为一项值得研究和推广的新型生物反应器处理技术。2.1.2厌氧生物处理传统的厌氧发酵工艺需要较高的温度、较长的停留时间，且处理效能低。20世纪60年代末以来世界上先后出现了厌氧滤池（AF）、升流式厌氧污泥床反应器（UASB），两相厌氧消化（TPAD）等工艺，以其较高的容积负荷率和较短的水力停留时间受到人们的关注，被称为第二代厌氧反应器。经过实践证明，这类反应器完全适用于处理啤酒废水，而且厌氧消化工艺相似于啤酒酿造、发酵生产工艺，很容易被啤酒厂家所掌握。与好氧生物处理相比，厌氧生物处理的优点有:动力消耗低、剩余污泥量少、处理设备较便宜、能降解某些好氧处理难于降解的物质。其缺点分别是：厌氧污泥增殖缓慢、出水水质差、操作控制复杂以及废水浓度较低时产生的CH4回收价值小等。厌氧生物处理是在无氧条件下，靠厌氧细菌的作用分解有机物。它适用于高浓度有机废水（CODCr2000mg/L,BOD51000mg/L）。在这一过程中，参加生物降解的有机基质有-6-50%～90%转化为沼气,而发酵后的剩余物还可回收作为优质肥料和饲料。因此，厌氧生物处理啤酒废水已经受到了越来越多的关注。2.1.2.1升流式厌氧污泥床升流式厌氧污泥床（USAB）是由荷兰Wageninger农业大学Lettinga教授提出。它利用厌氧微生物降解废水中的有机物，其主体分为配水系统，反应区，气、液、固三相分离系统，沼气收集系统四个部分，具有效能高，处理费用低，电耗省，投资少，占地面积小等一系列优点，完全适用于高浓度啤酒废水的治理[13]。沈阳啤酒厂[14]采用回收固形物及厌氧消化综合治理工艺，实行清污分流，集中收集CODCr大于5000mg/L的高浓度有机废水送入UASB进行厌氧处理，废水中CODCr的质能利用率可达91.93%。但其不足之处是出水CODcr的浓度仍有500mg/L左右，需进行再处理或与好氧处理串联才能达标排放。2.1.2.2内循环厌氧反应器内循环（InternalCirculation，IC）厌氧反应器于20世纪80年代中期由荷兰PAQUES公司开发研制成功[15]，它是在UASB反应器的基础上发展而来的，和UASB反应器一样，可以形成高生物活性的厌氧颗粒污泥，但不同的是这种反应器内部