五種啤酒廢水處理工藝及淺析
概述
80年代以來，我國啤酒工業(yè)得到迅速發(fā)展，到目前我國啤酒生產(chǎn)廠已有800多家，據(jù)1996年統(tǒng)計(jì)我國啤酒產(chǎn)量達(dá)1 650萬t，既成為世界啤酒生產(chǎn)大國，又成為較高濃度有機(jī)物污染大戶，啤酒廢水的排放和對環(huán)境的污染已成為突出問題，引起了各有關(guān)部門的重視。
啤酒廢水的主要成分和來源是：制麥、糖化、果膠、發(fā)酵(殘?jiān)?、蛋白化合物，包裝車間等有機(jī)物和少量無機(jī)鹽類。其水質(zhì)及變幅范圍一般為：pH=5.5～7.0(顯微酸性)，水溫為20～25℃，CODCr=1200～2300mg/L, BOD5=700～1400mg/L, SS=300～600mg/L, TN=30～70mg/L。水量為每生產(chǎn)1t啤酒廢水排放量為10～20m3,平均約15m3，目前全國啤酒廢水年排放量在2.5億m3以上。
“七五”以來，我國對啤酒廢水的處理工藝和技術(shù)進(jìn)行了大量的研究和探索，特別是輕工業(yè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)院和科研單位，對啤酒廢水的處理進(jìn)行了各方面的試驗(yàn)、研究和實(shí)踐，取得了行之有效的成功經(jīng)驗(yàn)，逐漸形成了以生化為主、生化與物化相結(jié)合的處理工藝。生化法中常用的有活性污泥法、生物膜法、厭氧與好氧相結(jié)合法、水解酸化與SBR相組合等各種處理工藝。這些處理方法與工藝各有其特點(diǎn)和不足之處，但各自都有較為成功的經(jīng)驗(yàn)。目前還有不少新的處理方法和工藝優(yōu)化組合正在試驗(yàn)和研究，有的已取得了理想的成效，不久將應(yīng)用于實(shí)踐中。
啤酒廢水的主要特點(diǎn)之一是BOD5/CODCr值高，一般在50%及以上，非常有利于生化處理，同時(shí)生化處理與普通物化法、化學(xué)法相比較：一是處理工藝比較成熟；二是處理效率高，CODCr、BOD5去除率高，一般可達(dá)80%～90%以上；三是處理成本低(運(yùn)行費(fèi)用省)。因此生物處理在啤酒廢水處理中，得到了充分重視和廣泛采用。現(xiàn)把目前啤酒廢水處理中相對比較成熟的生物處理工藝，進(jìn)行一些闡述和比較。
1處理工藝
1.1處理工藝方案1(見圖1)
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圖1 處理工藝方案1
該處理工藝是輕工部設(shè)計(jì)院為代表的推薦采用方案，河南開封啤酒廠、青島湖島啤酒廠、廈門冷凍廠啤酒廠等均采用此處理工藝流程，處理后均達(dá)標(biāo)排放。細(xì)格柵起初步的固液分離作用，故不設(shè)初沉池；酸化池中設(shè)填料，為細(xì)菌提供呈立體狀的生物床，把水中的顆粒物質(zhì)和膠體物質(zhì)截留和吸附，同時(shí)在水解細(xì)菌作用下，將不溶解性有機(jī)物水解為溶解性物質(zhì)，在產(chǎn)酸菌協(xié)同作用下，將大分子物質(zhì)、難于生物降解的物質(zhì)轉(zhuǎn)化為易于生物降解的小分子物質(zhì)。物化法中選用加藥反應(yīng)氣浮池的理由主要為三點(diǎn)：一是懸浮物等去除率高，普通沉淀池去除率僅為30%左右，豎流式沉淀池為40%～50%，而氣浮可達(dá)80%～90%；二是氣浮污泥含水率為97%～98%，氣浮排渣可直接進(jìn)行脫水處理，而其它沉淀池的污泥含水率達(dá)99%以上；三是氣浮池氣浮水力停留時(shí)間短，約30min左右，而其它沉淀池的水力停留時(shí)間1.5～2h,故氣浮池體積小，減少占地面積。但氣浮處理需要增設(shè)一套空壓機(jī)、壓力溶氣罐、回流水泵等組成的輔助系統(tǒng)(圖1中未繪出)，操作管理相對較復(fù)雜。
微生物所需要的營養(yǎng)，主要為碳水化合物、氮化合物、水、無機(jī)鹽類(氮和磷)及維生素。通常要求BOD∶N∶P=15∶5∶1,為滿足此要求，故在接觸氧化池前投加氨氮。
1.2處理工藝方案2(見圖2)
處理工藝方案2與處理工藝方案1在主體處理系統(tǒng)上基本上是相同的，都是水解酸化、接觸氧化和氣浮池，主要不同點(diǎn)：一是高濃度廢水先采用UASB(上流式厭氧污泥床)預(yù)處理后再進(jìn)入低濃度廢水調(diào)節(jié)池，進(jìn)行主體處理系統(tǒng)；二是主體處理系統(tǒng)調(diào)節(jié)池前增設(shè)了沉砂池和分離機(jī)(高濃度廢水預(yù)處理系統(tǒng)中調(diào)節(jié)池前也增設(shè)了沉砂池和分離機(jī))。
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圖2 處理工藝方案2
該工藝用在山東省三孔啤酒有限公司廢水處理中，高濃度有機(jī)廢水水量水質(zhì)為:Q1 = 500 m3/d; CODCr:5000mg/L; BOD5:2500mg/L; SS:3000mg/L。低濃度有機(jī)廢水：Q2=3500m3/d; CODCr:500mg/L; BOD5: 250mg/L; SS:500mg/L。Q=Q1+Q2=4000m3/d。
設(shè)計(jì)按當(dāng)時(shí)的GB8978—88現(xiàn)有企業(yè)欄標(biāo)準(zhǔn)，即：CODCr≤150mg/L; BOD5≤60mg/L; SS≤100mg/L;pH=6～9。
UASB進(jìn)出水水質(zhì)和混合水經(jīng)主體處理系統(tǒng)的進(jìn)出水水質(zhì)見表1和表2。可見處理后的出水水質(zhì)好于設(shè)計(jì)采用的標(biāo)準(zhǔn)值，全部達(dá)標(biāo)排放。
表1 UASB進(jìn)出水水質(zhì)
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表2 混合水經(jīng)主體處理進(jìn)出水水質(zhì)
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把高濃度有機(jī)廢水先單獨(dú)進(jìn)行預(yù)處理，反映了兩個(gè)主要特點(diǎn)：一是采用厭氧生物處理中的UASB反應(yīng)器，它具有截留污泥量大，顆粒化程度好，處理高濃度有機(jī)廢水能力強(qiáng)等特點(diǎn)。該反應(yīng)器采用中溫發(fā)酵，內(nèi)部具有熱交換裝置，結(jié)構(gòu)較緊湊，溫度、堿度、負(fù)荷等由微機(jī)控制；二是高濃度廢水集中進(jìn)行厭氧處理，產(chǎn)生沼氣量大，可以集中使用。該反應(yīng)器設(shè)計(jì)容積負(fù)荷為6.0kg/(m3·d),去除lkgCOD產(chǎn)生VSS0.082kg,產(chǎn)生沼氣0.52m3,則1天可產(chǎn)生1000多m3沼氣。
1.3處理工藝方案3(IC-CIRCOX工藝，見圖3)
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圖3 IC-CIRCOX處理工藝(方案3)
IC(厭氧內(nèi)循環(huán))反應(yīng)器根據(jù)UASB的原理，80年代中由荷蘭帕克(PAQUES)公司開發(fā)成功。它由混合區(qū)、污泥膨脹床、精處理區(qū)和循環(huán)系統(tǒng)四個(gè)部分組成。它與其它厭氧處理工藝相比有以下特點(diǎn)：
(1)因反應(yīng)器為立式結(jié)構(gòu)，高度為16～25m,故占地面積小，同時(shí)沼氣收集也方便。
(2)有機(jī)負(fù)荷高，水力停留時(shí)間短，它與其它厭氧處理工藝的有機(jī)負(fù)荷和水力停留時(shí)間比較見表3。
表3各種厭氧處理工藝的有機(jī)負(fù)荷與水力停留時(shí)間
(3)剩余污泥少，約為進(jìn)水COD的1%，且容易脫水。
(4)靠沼氣的提升產(chǎn)生循環(huán)，不需要外部動力進(jìn)行攪拌混合和使污泥回流，節(jié)省動力消耗。
(5)因生物降解后的出水為堿性，當(dāng)進(jìn)水酸度較高時(shí)，可通過出水的回流使進(jìn)水中和，減少藥劑使用量。
(6)耐沖擊負(fù)荷性能強(qiáng)，處理效率高，COD去除率為75%～80%,BOD去除率為80%～85%。
(7)生物氣純度高(CH4為70%～80%，CO2為20%～30%，其它有機(jī)物為1%～5%)，可作燃料加以利用。
CIRCOX(封閉式空氣提升好氧)反應(yīng)器為雙層立式筒體(外層為下降筒體，內(nèi)層為上升筒體)，水由底部進(jìn)入反應(yīng)器，與壓縮空氣一起從內(nèi)層筒體(也稱上升管)向上流，使進(jìn)水與微生物充分接觸，微生物粘附在載體(細(xì)砂類物質(zhì))表面，形成生物膜，使活性污泥有良好的沉降性能，不易被出水帶離反應(yīng)器而在系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)，筒體的上部做成“帽狀”(直徑放大約1/3左右)，氣、水和污泥的混合液進(jìn)入反應(yīng)器上部“帽狀”的三相分離區(qū)分離；氣體從上面離開反應(yīng)器，澄清水從出水口流出，污泥經(jīng)過沉降區(qū)返回到反應(yīng)器底部。
CIRCOX反應(yīng)器與其它好氧處理工藝相比，有以下特點(diǎn)：
(1)高度與直徑比大，故占地面積小。
(2)有機(jī)負(fù)荷與微生物濃度高，有機(jī)負(fù)荷為4～10kgCOD/(m3·d),微生物濃度15～30 kgVSS / m3。
(3)水力停留時(shí)間短，一般為0.5～4h。
(4)剩余污泥少，小于進(jìn)水COD的5%；污泥回流在同一反應(yīng)器內(nèi)完成，不需要外加動力。
(5)因該反應(yīng)器為封閉系統(tǒng)，可以容易地控制污水中易揮發(fā)物質(zhì)，可根據(jù)需要設(shè)置生物過濾器或活性炭過濾器處理廢氣。
(6)因反應(yīng)器內(nèi)液體的流速很高，約為50ｍ／ｈ，載體通過相互碰撞摩擦而自動脫膜，不需要另設(shè)脫膜裝置；同時(shí)污水中的懸浮物很容易從反應(yīng)器內(nèi)沖出，允許進(jìn)水懸浮物的濃度較高，不需設(shè)預(yù)沉池。
(7)因活性污泥在反應(yīng)器內(nèi)循環(huán)，泥齡很高，污泥中可產(chǎn)生一些生長速度很慢的硝化細(xì)菌等，故CIRCOX反應(yīng)器適合于處理含氮化合物及其它難降解的化合物。
IC反應(yīng)器應(yīng)用于高濃度有機(jī)廢水處理，CIRCOX適用于低濃度的啤酒生產(chǎn)廢水和城市污水處理，兩者串連起來是優(yōu)化的組合，體現(xiàn)了占地面積小，無臭氣排放，污泥量少和處理效率高的優(yōu)點(diǎn)。1995年上海富仕達(dá)釀酒公司引進(jìn)了帕克公司的專利技術(shù)處理啤酒生產(chǎn)廢水(工藝流程如圖3所示)，已建成投產(chǎn)，處理能力4800ｍ3/ｄ。
圖3中，旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)的出水管上設(shè)溫度和pH在線測定儀表，當(dāng)溫度和pH的測定值滿足控制要求時(shí)，廢水就進(jìn)入緩沖槽，否則排至應(yīng)急槽，再用泵提升到旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)進(jìn)水管內(nèi)。緩沖槽內(nèi)設(shè)淹沒式攪拌機(jī)，使廢水均質(zhì)并防止沉淀。設(shè)預(yù)酸化槽的目的為：一是使有機(jī)物部分降解為揮發(fā)性脂肪酸；二是調(diào)節(jié)營養(yǎng)比例；三是調(diào)節(jié)pH值。
1.4處理工藝方案4(見圖4)
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圖4 處理工藝方案4(SBR為主體)
該工藝以水解酸化-SBR為主體。水解酸化池內(nèi)設(shè)填料(球形填料)，水力停留時(shí)間為4h左右(利用厭氧過程的前階段)，COD去除率30%～40%，pH值4.8～5.2。SBR反應(yīng)池內(nèi)反應(yīng)時(shí)間約為6h左右，水溫20～25℃，污泥濃度4 000mg/L左右，出水水質(zhì)達(dá)到原GB8978—88一級排放標(biāo)準(zhǔn)，COD總?cè)コ?gt;92%，BOD總?cè)コ?gt;98%。
SBR處理工藝的特點(diǎn)是集生物降解和終沉排水等功能于一體，與傳統(tǒng)的連續(xù)式活性污泥法(CFS)相比，可省去沉淀池和污泥回流設(shè)施，具有運(yùn)行穩(wěn)定，凈化效率高，耐沖擊負(fù)荷，避免污泥膨脹，便于操作管理等特點(diǎn)。
1.5處理工藝方案5(見圖5)
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圖5 CASS反應(yīng)池為主體處理工藝
CASS與CAST相似，是一種循環(huán)式活性污泥法，CASS反應(yīng)池的運(yùn)行一般包括三個(gè)階段：進(jìn)水、曝氣、回流階段；沉淀階段；潷水、排泥階段。周期為4～12ｈ，根據(jù)需要設(shè)定。CASS反應(yīng)池一般用隔墻分隔成三個(gè)區(qū)：生物選擇區(qū)、預(yù)反應(yīng)區(qū)、主反應(yīng)區(qū)。生物選擇區(qū)內(nèi)不進(jìn)行曝氣，類似于SBR法中的限制性曝氣階段。在該區(qū)內(nèi)，回流污泥中的微生物大量吸附廢水中的有機(jī)物，能較迅速有效地降低廢水中有機(jī)物濃度；預(yù)反應(yīng)區(qū)采取半限制性曝氣，溶解氧保持在0.5mg／L左右，使該區(qū)存在著反硝化進(jìn)程的可能；主反應(yīng)區(qū)進(jìn)行強(qiáng)制鼓風(fēng)曝氣，使有機(jī)物及氨氮得到生化與硝化。
該處理工藝用于安徽某啤酒廢水處理中，CASS反應(yīng)池運(yùn)行周期8ｈ，其中進(jìn)水、曝氣、回流時(shí)間6ｈ，進(jìn)水、沉淀時(shí)間1ｈ，潷水、排泥時(shí)間1ｈ。處理水量3500ｍ3／ｄ，進(jìn)水水質(zhì)為：CODCr: 800～1 500ｍｇ／Ｌ； BOD5:400～800ｍｇ／L； SS300～600mg/L。根據(jù)測試，處理后的出水：CODCr: 63～120ｍｇ／L; BOD5:41～58mg/L; pH:6.7～8.3。當(dāng)然還有其它處理工藝，如單獨(dú)采用好氧法和單獨(dú)采用厭氧法(包括UASB反應(yīng)器)等，但并不具有代表性，故不作詳述和介紹。
2 處理工藝淺析
就上述介紹的具有一定代表性的啤酒廢水處理工藝談些粗略看法和分析。
(1)根據(jù)啤酒廢水BOD5／CODCr大的特點(diǎn)，上述5個(gè)處理工藝方案的共同點(diǎn)，均以生物處理為主體，而且基本上均以前級為厭氧(水解酸化為主)，后級為好氧處理，所不同的為：一是后級好氧生化處理分為生物接觸氧化法(生物膜法)和活性污泥法(微生物呈懸浮狀態(tài))；是在厭氧和好氧生物處理中，又分為成熟的傳統(tǒng)方法(工藝1、2、4)和較新技術(shù)應(yīng)用的方法(如工藝2中預(yù)處理用UASB，工藝3中IC和CIRCOX及工藝5中的CASS法)。但有一個(gè)共同點(diǎn)是可以肯定的：啤酒廢水(混合水)采用厭氧(水解酸化)生物處理與好氧生物處理相結(jié)合(為主體)的處理工藝是成熟、可靠的工藝，是可以接受和被采用的。
(2)總的來說，厭氧(水解酸化)與好氧為主體的處理工藝，產(chǎn)生的污泥量較少，但上述5個(gè)處理工藝中也有區(qū)別，處理工藝1～3在好氧生物處理后均設(shè)沉淀設(shè)施(工藝1和2為氣浮池，工藝3為斜管沉淀池)；而處理工藝4和5，在好氧生物處理后不設(shè)沉淀池，污泥量很少，大多數(shù)內(nèi)部消化，故污泥直接進(jìn)入污泥濃縮池，進(jìn)行污泥的處理與處置。從上述5個(gè)處理工藝分析，工藝1～3好氧生物處理采用的是生物膜法(前兩個(gè)是生物接觸氧化法，第三個(gè)CIRCOX反應(yīng)器是好氧生物流化床原理發(fā)展而來，微生物粘附在細(xì)砂類載體物表面，形成生物膜)，生物膜要進(jìn)行新、老更替，老的膜剝落后需要經(jīng)沉淀后去除(當(dāng)然同時(shí)也去除懸浮物等)，故氧化(好氧)生物處理后要設(shè)沉淀設(shè)施。后兩種好氧生物處理均屬活性污泥法范疇，SBR集生物降解和終沉排水于一體，污泥濃縮在SBR池下面，省去了沉淀池；CASS反應(yīng)池污泥用回流泵回流(循環(huán)式活性污泥法)，產(chǎn)泥少、污泥直接進(jìn)污泥濃縮池，不設(shè)沉淀池。可見后兩種工藝省去了沉淀設(shè)施，減少了沉淀池的造價(jià)和占地面積。可以這樣說：好氧生物處理采用生物膜法，后面要設(shè)沉淀池，其處理工藝由生化和物化相結(jié)合；好氧生物處理采用SBR和CASS反應(yīng)池的，后面可不設(shè)沉淀池，其處理工藝省去了物化處理，由單一的生化處理組成。
(3)處理工藝2中，把高濃度有機(jī)廢水采用UASB進(jìn)行預(yù)處理后再進(jìn)入總調(diào)節(jié)池，與低濃度有機(jī)廢水進(jìn)行混合，再進(jìn)入主體處理工藝系統(tǒng)。從表1數(shù)據(jù)可見，高濃度有機(jī)廢水采用厭氧處理中的UASB反應(yīng)器進(jìn)行處理，效果是好的，CODCr、BOD5、SS等去除率均較高，因此它不僅可用于高濃度啤酒廢水的處理，也可用于豆制品等其它高濃度有機(jī)廢水的處理。有資料報(bào)道，啤酒廢水處理中，高濃度廢水采用UASB反應(yīng)器進(jìn)行預(yù)處理，混合廢水進(jìn)入AS(活性污泥法)處理(稱為UASB+AS法)與全部直接進(jìn)入AS法處理比較，UASB+AS法比AS法節(jié)省曝氣電費(fèi)68%，節(jié)省污泥處理費(fèi)59%，沼氣還可利用；與SBR法比較，運(yùn)行費(fèi)和污泥處理費(fèi)也比SBR低。1996年11月7日日本的《日經(jīng)產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)新聞》報(bào)道，朝日啤酒公司將在1999年以前更新其所屬日本國內(nèi)的全部啤酒廠廢水處理設(shè)備，全部采用UASB+AS法工藝。因此，我國的啤酒廢水處理工藝中，應(yīng)重視采用UASB技術(shù)。
(4)總的來說，啤酒廢水采用厭氧(水解酸化)預(yù)處理，再進(jìn)行好氧處理是比較理想的，但上述5個(gè)處理工藝方案中，也各有所不同。如處理工藝方案2處理后的出水水質(zhì)遠(yuǎn)好于排放標(biāo)準(zhǔn)，這對于水資源緊缺的地方來說，稍加深度處理后即可回用，對于回用水水質(zhì)要求不高的地方來說，可直接回用(如綠化、澆馬路等)。又如處理工藝方案5采用CASS反應(yīng)器，調(diào)試相對較麻煩、時(shí)間可能較長；操作管理要嚴(yán)密妥當(dāng)，否則有可能產(chǎn)生污泥膨脹；潷水器的下降速度要與水面的下降速度基本相同，否則可能擾動已沉淀的污泥層等。同時(shí)從處理后的出水水質(zhì)來看，處理工藝方案5的出水CODCr常大于100mg/L，BOD5常大于50mg/L，比其它4個(gè)工藝方案差，如果排放標(biāo)準(zhǔn)較高些，則采用此工藝要慎重。
(5)處理工藝方案的比較，在處理效果好，達(dá)到國家規(guī)定的排放標(biāo)準(zhǔn)前提下還有投資、運(yùn)行費(fèi)用、管理操作，占地面積等諸方面，因因素很多，情況復(fù)雜，故無法進(jìn)行全面、系統(tǒng)地論述。上述介紹與淺析僅供參考，不妥之處，歡迎指正。
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