啤酒工業廢水處理與利用技術研究進展
摘要：啤酒廢水中有機物的含量較高，如直接排放，既污染 環境，又降低啤酒 工業 的原料利用率.為此，許多學者和廠家對啤酒廢水的處理與利用技術 進行了 研究 .本文在闡述啤酒廢水的來源及特點的基礎上，對幾種常見的處理利用技術進行 了比較，結論是：單一的處理和利用技術不能從根本上解決啤酒廢水的污染 問題 ，只有將多 種技術結合使用，才能達到 經濟 效益和環境效益的統一.
關鍵詞：啤酒工業 廢水處理 廢水綜合利用
Advances on the Treatment and Utilization of Brewery Wastewater
ABSTRACT BEing a liquid containing high organic pollutants, brewery wastewater may not only lead to environmental pollution,but also decreas e the utilization ratio of raw material used in beer production. The refore,many sc holars and breweries have paid much attention to developing new techniques for t reating and making use of brewery wastewater.This paper makes a comparison among various new techniques on the basis of analyzing the sources and characteristic s of brewery wastewater.It is concluded that a single technique can not effectiv ely remove the contamination from brewery wastewater,and only the combination of various techniques can achieve great benefits both in economy and in environment.Thus, several proposals are put forward for future research. KEY WORDS brewery industry,wastewater treatment,wastewater utilization
隨著人民生活水平的提高，我國啤酒工業得到了長足 發展 ，其產量逐年上升.1988年全國有 啤酒廠800多家，年產啤酒663萬t[1]，位居世界第三;經過近十年的發展， 目前 已 達到1000多家，年產啤酒1000多萬t，成為世界第二大啤酒生產國[2].但是在啤酒 產量大幅度提高的同時，也向環境中排放了大量的有機廢水.據統計，每生產1 t啤酒需要10 ～30 t新鮮水，相應地產生10～20 t廢水[3].我國現在每年排放的啤酒廢水已達1. 5億t[4].由于這種廢水含有較高濃度的蛋白質、脂肪、纖維、碳水化合物、廢酵母 .酒花殘渣等有機無毒成分，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，產生臭氣，惡化水質[5].另外，上述成分多來 自啤酒生產原料，棄之不用不僅造成資源的巨大浪費，也降低了啤酒生產的原料利用率.因 此，在糧食缺乏，水和資源供應緊張的今天，如何既有效地處理啤酒廢水又充分利用其中的 有用資源，已成為環境保護的一項重要研究 內容 .本文根據前人的研究結果綜述了啤酒廢水 的處理和利用現狀，以便為進一步探討效益資源型處理技術提供借鑒.
1 啤酒廢水的產生與特點 啤酒生產工藝流程包括制麥和釀造兩部分.二者均有冷卻水產生，約占啤酒廠總排水量的65% ，水質較好，可循環用于浸洗麥工序[7].中、高污染負荷的廢水主要來自制麥 中的浸麥工序和釀造中的糖化、發酵、過濾、包裝工序，其化學需氧量在500～40000 mg.L-1之間，除了包裝工序的廢水連續排放以外，其它廢水均以間歇方式排放[8](見表1).
表1 啤酒工業中、高污染負荷廢水的來源與濃度 Table 1 Sources and contents of brewery wastewater with high or middle pollution load
|
工序 |
廢水中CODcr濃度 /（mg.L-1） |
排放方式 |
| 浸麥工序 | 500～800 | 間歇排放 |
| 糖化工序 | 20000～40000 | 間歇排放 |
| 發酵工序 | 2000～3000 | 間歇排放 |
| 包裝工序 | 500～800 | 連續排放 |
啤酒廠總排水屬于中、高濃度的有機廢水，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]，因此很多治理技術的主體部分是生 化處理.
2 啤酒廢水處理技術 目前，國內外普遍采用生化法處理啤酒廢水.根據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 機物，其產物是二氧化碳、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、處理效果好等優點.該處理工藝的主要部分是曝氣池和沉淀池.廢水進入 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].據報道，進水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，Fe等營養物質缺乏，各營 養成分比例失調，導致微生物不能正常生長而死亡.解決的辦法是投加含N，P的化學藥劑， 但這將使處理成本提高.而較為經濟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，珠江啤酒廠引進比利時SBR專利技術，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技術處理啤酒廢水，也收到了同樣的效果[10,11] .劉永淞等認為[9]，SBR法對廢水的稀釋程度低，反應基質濃度高，吸附和反應 速率都較大，因而能在較短時間內使污泥獲得再生. 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，在井內循環，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，即廢水循環是靠上升管和下降管的靜水壓力差進行的. 其優點是：占地面積少，效能高，對氧的利用率大，無惡臭產生等.據測定[12]， 當進水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97.92% .當然，深井曝氣也有不足之處，如施工難度大，造價高，防滲漏技術不過關等. 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行處理，不會出現污泥膨脹的問題.生物 接觸氧化池和生物轉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負荷，因此處理效率高，占地面積也小于活性污泥法.國內的淄 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 [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].在此基礎上，山東省環科所改常壓曝氣 為加壓曝氣(P=0.25～0.30 MPa)，目的在于強化氧的傳質，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物氧化分解的需要.結果表明，當容積負荷≤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，運轉費用也較低[14]. 生物轉盤是較早用以處理啤酒廢水的方法.它主要由盤片、氧化槽、轉動軸和驅動裝置 等部分組成，依靠盤片的轉動來實現廢水與盤上生物膜的接觸和充氧.該法運轉穩定、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盤組數.該方法在美國 應用 較 為普及，國內的杭州啤酒廠、上海華光啤酒廠和浙江慈溪啤酒廠也在使用[7].據 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廢水(CODcr>2000 mg.L-1, BOD5>1000 mg.L-1).它是在無氧條件下，靠厭氣細菌的作用分解有機物.在這一過程中，參加生物降解的有機基質有50%～90%轉化為沼氣(甲烷)，而發酵后的剩余物又可作為優質肥料和飼料[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)技術在啤酒廢水的治理方 面應用最為成熟.UASB的主要組成部分是反應器，其底部為絮凝和沉淀性能良好的厭氧污泥 構成的污泥床，上部設置了一個專用的氣-液-固分離系統(三相分離室)[16].廢 水從反應器底部加入，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器底部，水則經出流堰排出. 截止1990年9月，全世界已建成30座生產性UASB反應器用于處理啤酒廢水，總容積達60 600 m3[17].國內已有北京啤酒廠[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計的UASB反應器對啤酒廢水CODcr的去除率為80%～86% [13,19,20],北京啤酒廠UASB處理裝置的中試結果也保持在這一水平，而且其沼氣 產率為0.3～0.5 m3.kg-1(COD)[8].清華大學在常溫條件下利用UASB厭氧 處理啤酒廢水的研究結果表明，進水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的高濃度有機廢水送入UASB進行厭氧處理，廢水 中CODcr的質能利用率可達91.93%[15]. 實踐證明，UASB成功處理高濃度啤酒廢水的關鍵是培養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菌群不斷繁殖、積累的結果，較多的污泥負荷有利于細菌獲得充 足的營養基質，故對顆粒污泥的形成和發展具有決定性的促進作用;適當高的水力負荷將產 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，同時產生剪切力 ，使污泥不斷旋轉，有利于絲狀菌互相纏繞成球.此外，一定的進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高的堿度，例如：產甲烷細菌生長的最適宜pH值 為6.8～7.2.一定的堿度既能維持細菌生長所需的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，所以需投加工業碳酸鈉或氧化鈣加以補充.研究表明[4,21]，在 UASB啟動階段，保持進水堿度不低于1000 mg.L-1對于顆粒污泥的培養和反應器在 高 負荷下的良好運行十分必要.應該指出，啤酒廢水中的乙醇是一種有效的顆粒化促進劑 [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500 mg.L-1左右，需進行再處理或與好氧處理串聯才能達標排放.
3 啤酒廢水的利用技術 利用 自然 生態良性循環的 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外都有悠久的 歷史 .其目的不單純是廢水農田灌溉，而是根據生 態學原理，在充分利用水資源的同時， 科學 地運用土壤-植物系統的凈化功能，使該系統起 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過土壤滲透到下層，因而僅限于在 砂及砂質粘土之類的快滲土壤上使用，植物對廢水的凈化作用較小，主要是由土壤中發生的 物理、化學和生物學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.根據謝家恕[26]、蕭月芳等 [27]的 研究 ，啤酒廢水經過 土地利用系統后，水質明顯改善，能夠達到農田灌溉水質標準(GB 5084-85)的要求;同時 又可節省水源，增加農田土壤的有機質含量，提高農作物產量.其 經濟 效益在干旱地區更能 得到體現. 當然，啤酒廢水的土地利用也存在一定的 問題 ：①處理過程中會產生臭味，必須將處理 場地設在遠離居住區的地方，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生，需要進一步研究. 3.2 啤酒廢水的植物凈化 啤酒廢水中有機碳含量豐富，氮、磷的含量也有一定水平，可以為植物生長提供必要的 營養物質.近年來，一些學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]等植物進行水培試驗，發現 這些植物長勢良好并能完成其生活史，既創造了經濟效益，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.據報道 ，目前，無錫市釀酒總廠已在氧化塘中種植絲瓜以強化處理系統的凈化效果[27].
表2 水培植物對啤酒廢水的凈化能力 Table 2 The ability of water plants for purifying brewery wast ewater
| 植 物 |
廢水中污染物去除率/% |
||||
| COD | T-N | T-P | NH4+-N | 濁度 | |
| 普通絲瓜1) | 22.5～44.1 | 78.6～89.1 | 78.0～90.4 | 99.2～99.6 | |
| 多花黑麥草1) | 11.5～34.5 | 12.9～54.1 | 36.5～82.2 | 16.3～69.7 | 55.8～92.5 |
| 水雍菜2) | 47.7～75.1 | 84.9～94.6 | 78.7～96.5 | 95.5～98.8 | |
| 金針菜3) | 39.60 | 90.60 | 65.41 | 99.34 | 81.28 |
1)處理時間為24～120 h ;2) 處理時間為24～48 h;3) 處理時間為72 h
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比例來攝取營養物質的.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 語 (1)啤酒廢水是一種中、高濃度的有機廢水，隨著啤酒 工業 的不斷 發展 ，其產生量也將 持續上升.為了避免納污水體的水質惡化，除了實行清、污分流，提高冷卻水的循環利用率 以降低排放量外，還必須對其進行有效處理. (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缺點，還能進行生物質能轉化，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 以達到《污水綜合排放標準》的要求.土地利用系統雖然能夠改善廢水的水質，節約水源， 增加土壤有機質含量，但是占地面積大，易產生臭味，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，并可獲得一定的經濟效益，但是對CODcr的去 除率卻不高. (3)要得到理想的處理結果，實現啤酒廢水治理的環境效益和經濟效益的統一，必須將 兩種或三種技術結合使用，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 理池串聯使用，依靠前者把廢水的高負荷降低，再以后者把低濃度廢水處理達標，其動力消 耗則可由前一過程的質能轉化予以補償.又如，把生物處理與土地利用結合起來，既能有效 凈化廢水，還能起到互補作用，產生更高的經濟效益. 另外，在如下幾個方面還須作進一步研究：(1)啤酒工業實施清潔生產工藝的可行性及其綜 合效益 分析 ;(2)多種處理技術串聯使用時，其結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共同作用于啤酒廢水的可能性及相關的處理技術;(4)啤酒廢水的土地利用技術對土壤理化性質的各種可能影響.
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