第一章发酵工业废水

第1章发酵工业废水处理发酵与发酵工业发酵：利用微生物在有氧或无氧条件下制备微生物菌体或直接产生代谢产物或次级代谢产物的过程。发酵工业：利用微生物的生命活动产生的酶对无机或有机原料进行加工获得产品的工业。发酵工业传统发酵工业（酿造）：食品、酒类生产近代发酵工业：酒精、乳酸、丙酮－丁醇等的生产新兴发酵工业：抗生素、有机酸、氨基酸、单细胞蛋白等的生产内容提要一、发酵工业废水的来源及水量二、发酵工业废水的水质特征三、发酵工业废水处理技术一、发酵工业废水的来源及水量发酵过程可以划分成六个基本组成部分原料糖化处理淀粉分离提纯发酵产品请思考，在发酵过程中废水来源有哪些？1发酵工业废水的来源原料处理后剩下的废渣：渣蔗、甜菜粕、大米渣、麦糟等。分离与提取主要产品后废母液与废糟：玉米、薯干、糖蜜酒精糟、味精发酵废母液、白酒糟、葡萄酒糟。加工和生产过程中的各种冲洗水、洗涤水和冷却水。2发酵工业废水的水量1998年，我国食品与发酵行业排放废水总量28.12亿m3，其中废渣3.4亿m3，废渣水中的有机物总量为944.8万m3。P2表1.1食品与发酵主要行业废渣水排放量及污染负荷请观察，单位产品年废水产量最高的行业是哪个？COD污染负荷最高的是？请思考，发酵工业废水水质有何主要特征？不同发酵行业水质都一样吗？二、发酵工业废水的水质特征发酵工业主要利用原料中的淀粉，其它成分（蛋白、脂肪、纤维等）未被很好利用，大部分随水流失进入发酵工业废水。食品与发酵工业的行业繁多、原料广泛、产品种类多，排出的废水水质差异大，其主要特点是有机物质和悬浮物含量较高、易腐败，一般无毒，但会导致受纳水体富营养化，造成水体缺氧，水质恶化。几种主要发酵工业废水水质P4图1.1酒精生产污染物的来源与排放废水来源：蒸馏发酵成熟醪后排出的酒精糟（高浓度有机废水）生产设备洗涤水（中浓度有机废水）蒸煮、糖化、发酵、蒸馏工艺的冷却水其中酒精糟呈酸性，COD高达(5~7)×104mg/L，是酒精行业的最主要污染源。1酒精工业废水啤酒是世界通用性饮料，它以优质大麦芽为主要原料，啤酒花为香料，经过制麦芽、糖化、发酵等工序制成的富含营养物质和二氧化碳的酿造酒。酒精含量为3％一6％(体积分数)。有酒花香和爽口的苦味，深受消费者欢迎，消费量大，是世界产量最大的酒种。我国的啤酒行业是国民经济的重要产业，发展迅速，啤酒产量较过去有了大幅度提高，我国已成为世界五大啤酒生产国之一。随着改革开放和人民生活水乎的不断提高，1990年、1996年、1998年全国啤酒产量分别达到690万t、1682万t、1987万t。截止2006年12月底，全行业规模以上企业数量为580家，遍布各省、市、自治区，以山东、浙江两省产量最大，浙江省企业数最多。啤酒生产的主要原料大麦，每年约稍耗200多万t。还应指出的是，啤酒生产主要利用粮食(大麦、大米)中的淀粉，大部分蛋白质等留在麦糟及凝固物中，同时排出酵母副产物，合理利用这些副产物是节粮、减少污染物排放的重要措施。该行业还是耗水量较大的行业，各企业间相差较大，每生产1t啤酒耗水量从10t到50t。以生产每吨啤酒产生20m3废水计算，我国啤酒工业排放的废水量每年达4.0亿m3，而我国多数啤酒厂综合利用和废水治理情况不理想，给环境造成严重污染。啤酒工业废水来自哪？水质有何特征？啤酒生产工艺：制麦芽、糖化、发酵及后处理P5图1.2啤酒生产工艺与主要污染源，表1.4啤废水质视频：啤酒生产2啤酒工业废水大麦筛选浸麦干燥成品麦芽贮藏发芽排水图制麦工艺过程使大麦生成各种酶，并使大麦胚乳中的成分在酶的作用下，达到适度的溶解；去掉绿麦芽的生腥味，产生啤酒特有的色、香和风味成分。用水主要包括浸麦洗麦用水和冷却用水两部分。用水浸渍大麦，俗称浸麦。浸麦的目的在于使麦粒吸水和吸氧、洗涤除尘、除杂以及除微生物，并将麦皮内的部分有害成分浸出，为发芽提供条件。在浸麦时，浸麦用水中常投加化学药品，可以加速麦皮中有害物质（如酚类等）的浸出，缩短发芽周期，达到清洗和卫生的要求。如饱和澄清石灰水、甲醛水溶液、高锰酸钾、氢氧化钠成氢氧化钾溶液。在麦芽制备段，每制1t成品酒，产生CODcr污染物约2kg、BOD5污染物约1kg.(1)麦芽制备工段麦汁制备过程俗称糖化。将麦芽粉碎后与温水混合，借助麦芽自身的多种水解酶，将淀粉和蛋白质等高分子物质进一步分解成可溶性低分子糖类、糊精、氨基酸、胨、肽等，麦芽内容物的浸出率可达80％，这就是糖化过程。此工段中将产生麦汁冷却水、装置洗涤水、麦糟、热凝固物和酒糟。装置洗涤水主要是糖化锅洗涤水、过滤槽洗涤水和沉淀槽洗涤水。除此之外，糖化过程还要排出酒花槽、热凝固物等大量悬浮固体。在麦汁制备工段，每制1t成品酒，产生CODcr污染物7.24kg，或BOD5污染物3.77kg。(2)麦汁制备工段加酒花后的澄清麦汁冷却至6.5—8.0℃，接种酵母，发酵正式开始。酵母对以麦芽糖为主的麦汁进行发酵，产生乙醇和CO2。发酵工段中除产生大量的冷却水外，还产生发酵罐洗涤水、废消毒液、酵母漂洗水和冷凝固物。在发酵工段，每制1t成品酒，产生CODcr污染物8.3kg或BOD5污染物5kg。(3)发酵工段经过后发酵的成熟酒俗称嫩啤酒，入贮存罐。残余酵母和蛋白质等沉积于贮存罐底部，少量悬浮于酒中，须经分离后才能罐装。在滤酒工艺中，经滤器裁留的酒渣、部分过虑材料及残酒随水排入下水道。经过滤后的成品酒可直接桶装或罐装。装酒用的桶或罐，在装酒前需要进行清洗和消毒，因此清洗水中含有残酒和酒泥。在成品酒工段，每制1t啤酒，产生废水约6m3，含CODcr污染物7.5kg，或BOD5污染物4kg。(3)成品酒工段啤酒生产废水主要来源：麦芽生产过程的洗麦水、浸麦水发芽降温喷雾水、麦槽水、洗涤水凝固物洗涤水糖化过程的糖化、过滤洗涤水发酵过程的发酵罐洗涤、过滤洗涤水灌装过程洗瓶、灭菌及成品车间的冷却水和洗涤水办公楼、食堂、宿舍和浴室等的生活污水废水水质：超标水质项目主要是COD、BOD5和SS等主要来自大量的冷却水和冲洗、洗涤水水质特点：水量大、无毒有害、属高浓度有机废水。啤酒工业废水按其有机物含量可分为以下几类：冷却水：水质基本上未受污染清洗废水：受到不同程度的有机污染冲渣废水：含有大量的悬浮性固体物质灌装废水：含有部分残酒洗瓶废水：含有残余碱性洗涤剂、纸浆、染料、浆糊、残酒、泥沙等表北京某啤酒厂废水水质国内有关啤酒厂其他废水特性参见下表。国内啤酒厂进水CODcr多在1000-2500mg/L之间，BOD5600-1500mg/L之间。从以上各表可以看出，啤酒废水BOD5与CODcr的比例高达0.5左右，说明这种废水具有较高的生物可降解性。国内几家啤酒厂污水处理工程进、出水指标3乳品工业废水P9图1.3,1.4液体乳品加工工艺和奶粉生产工艺废水来源：乳场洗涤水、冲洗水乳品加工厂生产工艺废水和冷却水乳品接收站的设备洗涤水废水水质特征：含大量有机物质，并在水中呈可溶性或胶体悬浮状态废水酸碱度近中性或略带碱性废水浊度相对较高P11图1.6味精生产工艺与主要污染源废水来源：原料处理后剩下的废渣发酵液经提取谷氨酸后的废母液或离子交换尾液生产过程中各种设备的洗涤水离子交换树脂洗涤与再生废水液化至糖化和糖化至发酵等各阶段的冷却水各种冷凝水4味精工业废水废水水质特征：发酵母液和离子交换尾液COD负荷高达30000~70000mg/L，偏酸性，属于高浓度有机废水洗涤水、冲洗水COD负荷为1000~2000mg/L，属于中浓度有机废水硫酸盐浓度高冷却水无水质污染5抗菌素类生物制药工业废水P13图1.7抗菌素生产工艺流程废水来源：提取工艺的结晶废母液、废流出液等高浓度有机废水各种设备的洗涤水、冲洗水等中浓度有机废水冷却水废水的水质特征：COD浓度高：青霉素废水COD浓度为15000~80000mg/L；土霉素废水COD浓度为8000~35000mg/L。SS浓度高：主要来源于发酵的残余培养基质和发酵产生的微生物菌丝体。一般为1~50g/L，也有更高值。存在难生物降解和有抑菌作用的抗菌素等毒性物质。硫酸盐浓度高，对厌氧生物处理有抑制作用。水质成分复杂，易引起pH大幅度波动，影响生化反应的活性。水量小且间歇排放，冲击负荷高，对生物处理不利。三、发酵工业废水处理技术1啤酒废水的处理2味精废水的处理1啤酒生产废水处理啤酒废水属中等浓度有机废水，具有良好的生物可降解性，处理方法主要是生物氧化法。鉴于啤酒废水含有大量的有机碳，而氮源含量较少，在进行传统生物氧化法时含N量远远低于BOD5：N＝100：5(质量比)的要求，致使有些啤酒厂的废水处理采用活性污泥法时，如不补充氮源则处理效果很差，甚至无法进行。在生物氧化过程中，有些微生物如球衣细菌(俗称丝状菌)、酵母菌等虽能适应高有机碳、低N的环境，由于球衣细菌、酵母菌等微生物体系大、密度小，菌胶团细菌不能在活性污泥法的处理构筑物中正常生长，这也是早期活性污泥法处理啤酒废水不理想的主要原因之一。因此，早期啤酒废水在进行生物氧化处理时，通常采用生物膜法，一般可选用生物接触氧化法。生物接触氧化法利用池内填料聚集球衣细菌等微生物，使处理取得理想的效果，所以啤酒厂废水处理站的主工艺建议采用生物接触氧化法。啤酒废水中含有大量悬浮有机污染物，进入生物接触氧化池前应进行初级处理。初级处理装置可选用格栅和机械细筛两级处理，使悬浮有机物的去除率达80％以上。啤酒废水自然存放4h就会发生腐败，腐败的废水进入好氧处理系统会影响处理效果，因此设调节池时应考虑设预曝气装置；也可考虑不设调节池，但必须加大好氧生物处理装量的容量，使该装置具备足够的缓冲能力。（一）好氧处理工艺1．接触氧化工艺20世纪80年代初，啤酒废水处理主要采用好氧处理技术，如活性污泥法、高负荷生物过滤法和接触氧化法等。现在也有的用曝气生物滤池。当时接触氧化法比活性污泥法有一定的优势，所以在啤酒废水的处理上得到了广泛的应用。表国内部分啤酒厂废水处理工艺由于啤酒废水进水COD浓度高，所以一般采用二级接触氧化工艺。下图为北京市环境保护科学研究院为北京某啤酒厂设计的典型的两级接触氧化工艺流程图。该二级接触氧化工艺日处理废水2000t，高峰流量200m3/h。图两级接触氧化工艺流程图进水水质：COD:1000mg/L，BOD:600mg/L，ρ(SS):600mg/L。处理后的出水水质：COD≤60mg/L，BOD≤10mg/L，ρ(SS)≤30mg/L。啤酒工业污染物排放标准.pdf采用接触氧化工艺代替传统活性污泥法，可以防止高糖含量废水引起污泥膨胀的现象并且不用投配N、P营养。用生物接触氧化法，可以选择的BOD5负荷范围是1.0—1.5kg／(m3·d)；用鼓风曝气，每去除1kgBOD5污染物约需空气80m3。近年来，SBR和氧化沟工艺也得到很大程度的应用。2．SBR反应器(1)序批间歇式活性污泥法简称为SBR法。SBR法实际上并不是一种新的技术，而是早期充排式反应器PDR(Fill-DrowReactor)的一种再现和改进，它比连续流活性污泥法出现得更早。尽管间歇式比连续式具有明显的处理效率高等优点，但在实际运行中有很多困难，如曝气池水流的反复切换位操作烦琐；难以取出澄清的处理出水；曝气设备容易被沉淀污泥堵塞。因此，过去充排式活性污泥法极少被污水处理厂采用，最终演变成现今的连续式活性污泥法。由于自动控制和控制元件的发展，SBR工艺目前投入运行的SBR装置基本上实现了自动控制。所用电控系统一般由电磁阀、水位计和电子机械定时器或微电脑组成，费用低廉且稳定可靠，使本来很烦琐的操作管理变得简单方便，使SBR工艺又得到很大的发展。如同大多数活性污泥工艺一样，从SBR开发起就有许多变形工艺，如ICEAS、CASS等。(2)SBR反应器的特点①运行方式灵活，脱氮、除磷效果好。SBR在运行操作过程中