啤酒工業廢水回用技術
啤酒是世界通用性飲料，為產量僅次于茶、碳酸飲料、牛奶和咖啡的世界第五大消費飲料。近年來，隨著我國經濟水平不斷提高，我國的啤酒產量也步步攀升，自2003年以254億L成為世界第一大啤酒生產國之后，已連續10a居世界第一，2012年我國境內啤酒總產量已達到490.2億L。啤酒的生產過程需要投入大量的水，多數用于釀造、清洗和冷卻環節，勢必產生大量廢水。據報道，每生產1L啤酒將會產生3~10L廢水，這類廢水主要含有糖類、可溶性淀粉以及醇類等有機物，BOD5和COD都很高，必須經過處理達到標準后才能排放或者經過有效處理以循環利用，這是一項耗資且令人頭疼的問題。
目前大多數啤酒廠采用不同的廢水處理工藝達到排放標準，而對于用水量巨大的啤酒行業，單純將廢水進行處理排放并不能滿足人們的要求，且對環境造成很大壓力。筆者針對近幾年國內外新興的啤酒廢水回用技術進行綜述，必須指出的是，廢水回用技術在食品企業中并不常見，最主要的原因在于消費者不能接受由此可能造成的產品品質下降。然而，在地球環境污染以及水資源緊張問題日益突出的今天，啤酒工業廢水的循環利用已經成為一個不可避免的趨勢。
1啤酒工藝及廢水特點
啤酒的釀造方法因啤酒種類不同而異，但其大致工藝一般分為制麥芽、糖化、發酵、洗瓶及灌裝4大工序。在啤酒生產過程中幾乎每道工序都有以廢水為主的廢棄物產生，廢水主要來源有原料浸泡水、降溫水、裝置清洗水以及滅菌用水。不同來源的廢水水質及水量都不相同，以拉薩啤酒廠為例，表1為其不同工序排放廢水的水量及水質情況。
表1拉薩啤酒廠生產廢水的污染程度
拉薩啤酒廠每生產1t產品產生廢水量約12.2m3，COD為700~1700mg/L。從廢水來源來看，啤酒生產過程廢水主要可以分為以下幾大方面：大量的冷卻水，包括糖化、麥汁冷卻、發酵等，水質污染程度不高，水量約占廢水總體積的70%；洗滌、沖洗水，包括各種罐、瓶的沖洗水，其中麥芽制作、糖化、發酵罐的涮洗廢水屬于高濃度有機廢水，約占總量的5%~6%，洗瓶、沖洗、殺菌水中有機物濃度較低，約占廢水總量的20%。
2啤酒廢水回用技術
以前，啤酒廠都是將各個工序的廢水排放到同一個蓄水池中混合后再進行綜合處理，處理后根據水質特性考慮排放或再利用水處理工藝進行循環利用。目前已有將不同來源的廢水根據水質不同分別處理或回用的報道，主要包括以下幾種水源：（1）應用于啤酒產品的初級水；（2）用于降溫的冷卻水；（3）用于清洗酒瓶及灌裝過程產生的低有機濃度清洗廢水；（4）經過生化處理后達標排放的廢水。這些廢水經過進一步處理能夠回用作為冷卻水、清洗水、制麥芽用水及其他不直接加入啤酒中的次級水。由于啤酒工藝排放廢水的復雜性，現階段全面實行水封閉循環還有很大難度，因此筆者主要針對以上幾種水源情況綜述啤酒廢水回用新技術。
2.1啤酒廢水的預處理技術
啤酒廢水的預處理主要是針對一些高度污染的啤酒工藝廢水，這些工藝廢水必須經過一定的預處理，降低原有廢水的各項污染指標，通常情況下是達到排放標準后再進行回用。啤酒廢水的預處理技術主要包括物理方法、化學方法、生物方法以及以上幾種方法的聯用，最近幾年還興起了微生物燃料電池技術。
（1）物理和化學方法。啤酒廢水一般會含有一些肉眼可見物，包括懸浮物（SS）及可沉降的固體物質。廢水回用處理第一階段一般采用物理方法。物理方法主要根據懸浮物密度的不同使低密度物質上浮、高密度物質沉降，包括篩濾、氣浮、重力沉降、均衡調節、離心分離以及機械絮凝法。但是多數情況下，物理方法并不能完全清除這些污染物或將其完全分離，需要進一步采用化學方法。
化學方法主要包括加入pH調節劑使廢水得到中和、加入絮凝劑使膠體物質混凝沉淀以及加入氧化劑（如O3、Cl2、空氣）對廢水中的有機物質進行氧化分解。A.GangagniRao等將厭氧生物反應器中產生的CO2作為酸化劑調節廢水pH，既減少了向環境排放的廢氣量又節約了購買酸化劑的費用。T.Pavón-Silva等發現聚合氯化鋁為預處理階段最佳絮凝劑，廢水經過絮凝沉淀后再進行生物處理能夠達到回用標準。郭浩等采用臭氧活性炭—超濾—紫外臭氧聯合消毒處理工藝對釀酒行業洗瓶廢水進行處理，處理后水質各項指標均滿足生活飲用水標準要求，回用率達到100%；瘜W處理方法能夠有效去除一些大分子污染物質，但是仍需要進一步處理可溶性有機物。
（2）生物方法。目前國內外啤酒廠工業廢水處理都是采用以生化法為中心的處理系統，根據生物處理過程中是否需要曝氣，將生化處理法分為好氧生物處理和厭氧生物處理兩大類。好氧生物處理是在氧氣存在條件下通過好氧微生物（通常為細菌）消耗水中的有機物產生CO2、H2O和NH3，從而將可溶性固形物轉化成可沉降固形物，隨后進行沉淀。現階段應用的好氧生物處理法主要有3種形式：活性污泥法、生物膜法及氧化塘。厭氧生物處理法是在沒有空氣（或氧氣）存在的條件下，通過厭氧微生物將有機物質轉化成沼氣（CH455%~75%、CO225%~40%）的過程。根據裝置設計不同，現階段厭氧處理方法主要有升流式厭氧污泥反應床（UASB）、厭氧流化床反應器（FBR）以及厭氧內循環反應器（IC）等幾種形式。厭氧生物處理較好氧生物處理動力耗能低、產生污泥量少，適合處理高濃度有機廢水（COD＞2000mg/L、BOD5＞1000mg/L）并且有沼氣產生，但是對溫度、pH要求高，啟動慢，出水COD高。因此，生物處理法正朝著厭氧+好氧綜合處理法發展，實踐證明，厭氧+好氧工藝處理啤酒廢水是成熟可靠的工藝，目前正成為我國啤酒廢水處理工藝的主流技術。
幸響付等用升流式厭氧污泥反應床（UASB）+厭氧/缺氧/好氧活性污泥（A2O）+化學除磷組合工藝對啤酒廢水進行深度處理并回用，厭氧、好氧工藝處理后的廢水經過過濾單元、消毒單元和供水單元后達到了回用標準，回用水可用作啤酒廠的非生產工藝輔助用水，如釀造、包裝車間場地設備外表沖洗用水、冷卻循環用水等。李耀陽等在高濃度啤酒廢水處理及回用方面做了相關探究，其采用微濾—厭氧水解—接觸氧化—氣浮工藝，使高濃度啤酒廢水經厭氧+需氧綜合處理后達到了國家一級排放標準，隨后廢水經過高效過濾—活性炭吸附—加氯殺菌工藝處理，達到回用標準。冀貞泉等采用厭氧—好氧工藝技術對啤酒廢水進行處理，隨后進一步去除濁度和進行消毒處理，使白馬山啤酒廠排放廢水達到或接近飲用水標準，能回用作間接冷卻水、清洗水等。可以看出，通過厭氧+需氧對啤酒廢水進行預處理是廢水回用的前提。
（3）微生物燃料電池。微生物燃料電池（MFC）是利用酶或微生物作為陽極催化劑，通過代謝作用將有機物氧化產生電能的裝置。由于MFC能在處理有機廢水的同時獲得電能，因而受到學者的廣泛關注。其主要作用原理是在微生物細胞內將可降解的有機質（廢水中的有機物質）代謝分解，并通過呼吸鏈將此過程產生的電子傳輸到細胞膜上，然后電子進一步從細胞膜轉移到電池的陽極上，陽極上的電子通過外電路到達電池陰極，在陰極表面，電子最終與電子受體（氧化劑如氧氣）結合，有機物代謝分解過程中產生的質子則在電池內部從陽極區擴散到陰極區，從而完成整個微生物燃料電池的電子傳遞過程。MFC預處理啤酒廢水具有如下特點：（1）直接將底物化學能轉化為電能，能量利用率高；（2）有機物利用率高，廢水中各種有機物都可以作為燃料發電；（3）常溫常壓下進行操作，條件溫和；（4）不需要充電；（5）產生的氣體不需要處理，主要產生CO2（無N2、H2S、CH4、H2等產生）；（6）產生污泥量低。YujieFeng等應用MFC對啤酒廢水進行處理，在20、30℃下，啤酒廢水COD為（2250±418）mg/L時，去除率分別為85%、87%。A.S.Mathuriya等〔15〕報道連續的MFC處理啤酒廢水對COD去除率能夠達到94%？梢，MFC連續處理后的啤酒廢水經進一步深處理可在回用的同時產生再生能源，是具有發展前景的高濃度有機廢水預處理新技術。
2.2啤酒廢水的回用技術
啤酒廢水經過預處理后進一步處理可達到循環利用的標準，也可以將污染程度不高的啤酒廢水直接處理使其達到標準后回用。
（1）膜過濾。國內外研究最熱門且應用最多的廢水回用技術為膜過濾技術。它是采用天然或人工合成膜以外界能量或化學差作為推動力，對廢水中的各組分進行分離、分級和提純富集的方法，依據操作壓力及孔徑大小分為4類：微濾（MF）、超濾（UF）、納濾（NF）及反滲透（RO）。表2為4種不同過濾方式的各項指標比較。
表２4種膜過濾方式比較
多篇文獻報道了膜過濾技術在啤酒廢水回用中的應用情況。L.Braeken等將納濾應用于啤酒廢水的循環利用，采用4種不同的納濾膜（UTC-20、UTC-60、Desal-HL-51、Desal-5-DK）對4種不同來源的啤酒廢水（經過生物預處理排放的廢水、洗瓶水、清酒池清洗水和發酵室清洗水）進行過濾，結果發現經過生物預處理后的廢水經納濾后除電導率沒有達到預期目標，其他各項指標均達到回用標準。M.Vourch等應用反滲透對廢水進行處理回用，結果表明經過反滲透的廢水與蒸餾水相似，達到回用標準，能夠應用于煮沸、清洗及冷卻環節。沈興研究了啤酒廢水常規處理工藝并在其出水水質基礎上采用超濾和反滲透進行深度處理，處理后水質滿足中水回用要求，可用作冷卻水和蒸汽鍋爐系統的補充水，取得了巨大經濟效益。B.VanderBruggen等以膜過濾為主要技術對洗瓶廢水、發酵室清洗水進行處理回用，通過超濾膜去除顆粒性物質、纖維和懸浮固體物質，之后采用納濾膜去除可溶性鹽和有機物質，出水COD、電導率等均達到回用標準，可用作所有非接觸啤酒用水。
（2）膜生物反應器。膜生物反應器（MBR）是已被證實的可高效去除廢水中有機、無機污染物以及病原菌、病毒的具有發展前景的廢水處理新技術。它綜合了傳統生物處理法及膜過濾法的特點，即通過微生物降解大分子物質或難溶性顆粒物形成可溶性小分子物質，然后再通過膜過濾將小分子物質濾除，從而得到凈水。
近幾年MBR正不斷應用到廢水處理與回用中。T.Melin報道，截止2004年德國共8家大、中規模的污水處理廠（＞2000m3/d）應用MBR對廢水進行處理，3家不同規模MBR應用于廢水回用。表3為MBR對廢水各項指標的綜合去除率。HaipingDai等應用升流式厭氧污泥反應床+膜生物反應器（UASB+MBR）對啤酒廢水進行處理，結果表明處理后的啤酒廢水達到城市回用水標準（GB18921—2002）。秦百晶等根據啤酒廢水特點提出了中水回用方案，方法之一即采用MBR法對UASB處理后的廢水進行深度處理，經過比較和投資估算認為這種方法在技術和經濟上是可行的。王連軍等采用好氧分置式膜生物反應器直接處理啤酒廢水3.5~5h，對COD、NH3-N、SS、濁度的去除率分別達到96%、99%、90%、100%，出水水質好且穩定，宜于回用。
表３MBR對廢水各污染物的去除率
（3）低溫等離子體。等離子體是對氣體放電產生的高度電離的具有化學反應性，與其他物質狀態不同的特異性能氣體，又稱為物質的第四態。等離子體由電子、正負離子、激發態原子、分子以及自由基等組成。采用低溫等離子體處理廢水，是基于高能電子輻射、臭氧氧化與紫外光分解3種原理于一體的廢水處理新技術。A.Doubla等應用低溫等離子體對啤酒廢水有機污染物進行去除，結果顯示啤酒廢水BOD5為385、1018mg/L時對應的去除率分別為74%、98%，并且發現低溫等離子體能使堿性啤酒廢水得到中和。基于低溫等離子體能在短時間內去除有機污染物及微生物，作者提出低溫等離子體能夠與生物處理法聯用以進一步降低有機污染物濃度，從而簡便快捷地達到回用標準。盡管有一部分關于低溫等離子體對啤酒廢水處理的報道，但目前并沒有工業化的等離子體水處理裝置，該技術需要解決工藝流程、結果評價、控制技術和裝置以及連續流動水處理的問題。
（4）電化學方法。電化學方法是在外加電源下對廢水進行電解，根據去除機理不同可以分為3種類型：電化學絮凝、電化學氧化與電化學還原，常用于去除難降解廢水中的污染物。其中電化學氧化是基于陽極產生的氧化產物對廢水中有機物質進行氧化降解。電化學方法處理啤酒廢水不會受到水壓的影響，也不像生物處理方法產生有毒物質且處理時間短，因而受到人們歡迎。F.Manea等對電化學方法降解廢水中有機物質做了相關探究，認為電化學絮凝法能夠代替傳統絮凝劑去除有機物質，電化學氧化法非常適合降解及氧化含有難降解有機物的廢水。T.Zayas等采用絮凝沉淀+電化學方法澄清經過生物處理的酒糟廢水，可使廢水COD去除率超過95%，且顏色和濁度的去除率達到100%，經進一步處理即可回用。
3總結與展望
傳統的絮凝、沉淀以及重力沉降、化學氧化等方法具有分離效率低、耗資高、占地面積大以及可能產生二次污染等缺點，生物處理法作為預處理方法得到廣泛的應用。通常啤酒廠廢水處理過程都會用到需氧處理，近些年來厭氧處理因具有較高的COD去除率逐漸成為人們的首要選擇。MFC因在有效去除廢水COD的同時產生能源，也受到廣泛關注。盡管這些方法在有機物含量較高的啤酒廠廢水處理中得到廣泛應用，但如將這些廢水進行循環利用還需作進一步處理。
膜過濾、MBR、低溫等離子體以及電化學方法等新型回用技術具有發展前景，它們將隨著研究深入在啤酒廢水回用方面發揮巨大作用。如電化學方法在電解啤酒廢水中氯的同時，產生的Cl2經歧化反應可生成HClO，能對致病微生物起到抑制作用，達到回用過程中除鹽和殺菌的雙重作用；MBR兼具活性污泥和膜過濾的功能，因而適合處理有機物濃度稍高的啤酒廢水；低溫等離子體法對啤酒廢水處理也比較有效，但其產生電弧將消耗大量電能，所以處理費用比較昂貴。值得一提的是，膜技術尤其是反滲透技術在啤酒廢水回用中的作用將不斷加大，隨著新型膜材料的研制以及膜質量的提高，膜過濾將作為啤酒廢水回用的主導處理技術得到高質量的回用水。
使用微信“掃一掃”功能添加“谷騰環保網”
