啤酒工业废水处理与利用技术研究进展

啤酒工业废水处理与利用技术研究进展随着人民生活水平的提高，我国啤酒工业得到了长足发展，其产量逐年上升.1988年全国有啤酒厂800多家，年产啤酒663万t［1］，位居世界第三；经过近十年的发展，目前已达到1000多家，年产啤酒1000多万t，成为世界第二大啤酒生产国［2］.但是在啤酒产量大幅度提高的同时，也向环境中排放了大量的有机废水.据统计，每生产1t啤酒需要10～30t新鲜水，相应地产生10～20t废水［3］.我国现在每年排放的啤酒废水已达1.5亿t［4］.由于这种废水含有较高浓度的蛋白质、脂肪、纤维、碳水化合物、废酵母.酒花残渣等有机无毒成分，排入天然水体后将消耗水中的溶解氧，既造成水体缺氧，还能促使水底沉积化合物的厌氧分解，产生臭气，恶化水质［5］.另外，上述成分多来自啤酒生产原料，弃之不用不仅造成资源的巨大浪费，也降低了啤酒生产的原料利用率.因此，在粮食缺乏，水和资源供应紧张的今天，如何既有效地处理啤酒废水又充分利用其中的有用资源，已成为环境保护的一项重要研究内容.本文根据前人的研究结果综述了啤酒废水的处理和利用现状，以便为进一步探讨效益资源型处理技术提供借鉴.1啤酒废水的产生与特点啤酒生产工艺流程包括制麦和酿造两部分.二者均有冷却水产生，约占啤酒厂总排水量的65%，水质较好，可循环用于浸洗麦工序［7］.中、高污染负荷的废水主要来自制麦中的浸麦工序和酿造中的糖化、发酵、过滤、包装工序，其化学需氧量在500～40000mg.L-1之间，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［8］（见表1）.表1啤酒工业中、高污染负荷废水的来源与浓度Table1Sourcesandcontentsofbrewerywastewaterwithhighormiddlepollutionload工序废水中CODcr浓度/（mg.L-1）排放方式浸麦工序500～800间歇排放糖化工序20000～40000间歇排放发酵工序2000～3000间歇排放包装工序500～800连续排放啤酒厂总排水属于中、高浓度的有机废水，呈酸性，pH值为4.5～6.5［7］,其中的主要污染因子是化学需氧量（CODcr）、生化需氧量（BOD5）和悬浮物（SS），浓度分别为1000～1500，500～1000和220～440mg.L-1［3］.啤酒废水的可生化性（BOD5/CODcr）较大，为0.4～0.6［7］，因此很多治理技术的主体部分是生化处理.2啤酒废水处理技术目前，国内外普遍采用生化法处理啤酒废水.根据处理过程中是否需要曝气，可把生物处理法分为好氧生物处理和厌氧生物处理两大类.2.1好氧生物处理好氧生物处理是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，其产物是二氧化碳、水及能量（释放于水中）.这类方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.活性污泥法、生物膜法、深井曝气法是较有代表性的好氧生物处理方法.2.1.1活性污泥法活性污泥法是中、低浓度有机废水处理中使用最多、运行最可靠的方法，具有投资省、处理效果好等优点.该处理工艺的主要部分是曝气池和沉淀池.废水进入曝气池后，与活性污泥（含大量的好氧微生物）混合，在人工充氧的条件下，活性污泥吸附并氧化分解废水中的有机物，而污泥和水的分离则由沉淀池来完成.我国的珠江啤酒厂、烟台啤酒厂、上海益民啤酒厂、武汉西湖啤酒厂、广州啤酒厂和长春啤酒厂等厂家均采用此法处理啤酒废水［6,7］.据报道，进水CODcr为1200～1500mg.L-1时，出水CODcr可降至50～100mg.L-1，去除率为92%～96%.活性污泥法处理啤酒废水的缺点是动力消耗大，处理中常出现污泥膨胀.污泥膨胀的原因是啤酒废水中碳水化合物含量过高，而N，P，Fe等营养物质缺乏，各营养成分比例失调，导致微生物不能正常生长而死亡.解决的办法是投加含N，P的化学药剂，但这将使处理成本提高.而较为经济的方法是把生活污水（其中N，P浓度较大）和啤酒废水混合.间歇式活性污泥法（SBR）通过间歇曝气可以使动力耗费显著降低，同时，废水处理时间也短于普通活性污泥法.例如，珠江啤酒厂引进比利时SBR专利技术，废水处理时间仅需19～20h,比普通活性污泥法缩短10～11h，CODcr的去除率也在96%以上［9］.扬州啤酒厂和三明市大田啤酒厂采用SBR技术处理啤酒废水，也收到了同样的效果［10,11］.刘永淞等认为［9］，SBR法对废水的稀释程度低，反应基质浓度高，吸附和反应速率都较大，因而能在较短时间内使污泥获得再生.2.1.2深井曝气法为了提高曝气过程中氧的利用率，节省能耗，加拿大安大略省的巴利啤酒厂［12］、我国的上海啤酒厂和北京五星啤酒厂［7］均采用深井曝气法(超深水曝气)处理啤酒废水.深井曝气实际上是以地下深井作为曝气池的活性污泥法，曝气池由下降管以及上升管组成.将废水和污泥引入下降管，在井内循环，空气注入下降管或同时注入两管中，混合液则由上升管排至固液分离装置，即废水循环是靠上升管和下降管的静水压力差进行的.其优点是：占地面积少，效能高，对氧的利用率大，无恶臭产生等.据测定［12］，当进水BOD5浓度为2400mg.L-1时，出水浓度可降为50mg.L-1，去除率高达97.92%.当然，深井曝气也有不足之处，如施工难度大，造价高，防渗漏技术不过关等.2.1.3生物膜法与活性污泥法不同，生物膜法是在处理池内加入软性填料，利用固着生长于填料表面的微生物对废水进行处理，不会出现污泥膨胀的问题.生物接触氧化池和生物转盘是这类方法的代表，在啤酒废水治理中均被采用，主要是降低啤酒废水中的BOD5.生物接触氧化池是在微生物固着生长的同时，加以人工曝气.这种方法可以得到很高的生物固体浓度和较高的有机负荷，因此处理效率高，占地面积也小于活性污泥法.国内的淄博啤酒厂、青岛啤酒厂、渤海啤酒厂和徐州酿酒总厂等厂家的废水治理中采用了这种技术［7］.青岛啤酒厂在二段生物接触氧化之后辅以混凝气浮处理，啤酒废水中CODcr和BOD5的去除率分别在80%和90%以上［13］.在此基础上，山东省环科所改常压曝气为加压曝气（P=0.25～0.30MPa），目的在于强化氧的传质，有效提高废水中的溶解氧浓度，以满足中、高浓度废水中微生物和有机物氧化分解的需要.结果表明，当容积负荷≤13.33kg.m-3.d-1COD,停留时间为3～4h时，COD和BOD平均去除率分别达到93.52%和99.03%.由于停留时间缩短为原来的1/3～1/4，运转费用也较低［14］.生物转盘是较早用以处理啤酒废水的方法.它主要由盘片、氧化槽、转动轴和驱动装置等部分组成，依靠盘片的转动来实现废水与盘上生物膜的接触和充氧.该法运转稳定、动力消耗少，但低温对运行影响大，在处理高浓度废水时需增加转盘组数.该方法在美国应用较为普及，国内的杭州啤酒厂、上海华光啤酒厂和浙江慈溪啤酒厂也在使用［7］.据报道，废水中BOD5的去除率在80%以上［13］.2.2厌氧生物处理厌氧生物处理适用于高浓度有机废水（CODcr＞2000mg.L-1,BOD5＞1000mg.L-1）.它是在无氧条件下，靠厌气细菌的作用分解有机物.在这一过程中，参加生物降解的有机基质有50%～90%转化为沼气（甲烷），而发酵后的剩余物又可作为优质肥料和饲料［15］.因此，啤酒废水的厌氧生物处理受到了越来越多的关注.厌氧生物处理包括多种方法，但以升流式厌氧污泥床（UASB）技术在啤酒废水的治理方面应用最为成熟.UASB的主要组成部分是反应器，其底部为絮凝和沉淀性能良好的厌氧污泥构成的污泥床，上部设置了一个专用的气-液-固分离系统（三相分离室）［16］.废水从反应器底部加入，在上向流、穿过生物颗粒组成的污泥床时得到降解，同时生成沼气（气泡）.气、液、固（悬浮污泥颗粒）一同升入三相分离室，气体被收集在气罩里，而污泥颗粒受重力作用下沉至反应器底部，水则经出流堰排出.截止1990年9月，全世界已建成30座生产性UASB反应器用于处理啤酒废水，总容积达60600m3［17］.国内已有北京啤酒厂［4,7,18］、沈阳啤酒厂［7,15］等厂家利用UASB来处理啤酒废水.荷兰、美国的某些公司所设计的UASB反应器对啤酒废水CODcr的去除率为80%～86%［13,19,20］,北京啤酒厂UASB处理装置的中试结果也保持在这一水平，而且其沼气产率为0.3～0.5m3.kg-1(COD)［8］.清华大学在常温条件下利用UASB厌氧处理啤酒废水的研究结果表明，进水CODcr浓度为2000mg.L-1时，去除率为85%～90%［21］.沈阳啤酒厂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-1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%［15］.实践证明，UASB成功处理高浓度啤酒废水的关键是培养出沉降性能良好的厌氧颗粒污泥.颗粒污泥的形成是厌氧细菌群不断繁殖、积累的结果，较多的污泥负荷有利于细菌获得充足的营养基质，故对颗粒污泥的形成和发展具有决定性的促进作用；适当高的水力负荷将产生污泥的水力筛选，淘汰沉降性能差的絮体污泥而留下沉降性能好的污泥，同时产生剪切力，使污泥不断旋转，有利于丝状菌互相缠绕成球.此外，一定的进水碱度也是颗粒污泥形成的必要条件，因为厌氧生物的生长要求适当高的碱度，例如：产甲烷细菌生长的最适宜pH值为6.8～7.2.一定的碱度既能维持细菌生长所需的pH值，又能保证足够的平衡缓冲能力［22,23］.由于啤酒废水的碱度一般为500～800mg.L-1(以CaCO3计)［24］，碱度不足，所以需投加工业碳酸钠或氧化钙加以补充.研究表明［4,21］，在UASB启动阶段，保持进水碱度不低于1000mg.L-1对于颗粒污泥的培养和反应器在高负荷下的良好运行十分必要.应该指出，啤酒废水中的乙醇是一种有效的颗粒化促进剂［25］，它为UASB的成功运行提供了十分有利的条件.总之，UASB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.其不足之处是出水CODcr的浓度仍达500mg.L-1左右，需进行再处理或与好氧处理串联才能达标排放.3啤酒废水的利用技术利用自然生态良性循环的方法净化和利用啤酒废水，也是目前啤酒废水综合治理的一个方向，有利于实现废物的资源化.3.1啤酒废水土地利用废水的土地利用在国内外都有悠久的历史.其目的不单纯是废水农田灌溉，而是根据生态学原理，在充分利用水资源的同时，科学地运用土壤-植物系统的净化功能，使该系统起到废水的二、三级处理作用［5］.废水的土地利用一般有快速渗滤和地表漫流两种方法［19］.前者的特点是加入的废水大部分都经过土壤渗透到下层，因而仅限于在砂及砂质粘土之类的快渗土壤上使用，植物对废水的净化作用较小，主要是由土壤中发生的物理、化学和生物学过程使废水得到处理.后者是一种固定膜生物处理法，废水从生长植物的坡地上游沿沟渠流下，流经植被表面后排入径流集水渠.废水净化主要是通过坡地上的生物膜完成的.这种方法对于渗透较慢的土壤最为适用.根据谢家恕［26］、萧月芳等［27］的研究，啤酒废水经过土地利用系统后，水质明显改善，能够达到农田灌溉水质标准（GB5084-85）的要求；同时又可节省水源，增加农田土壤的有机质含量，提高农作物产量.其经济效益在干旱地区更能得到体现.当然，啤酒废水的土地利用也存在一定的问题：①处理过程中会产生臭味，必须将处理场地设在远离居住区的地方，这样需要较长的输水干管；②废水的含盐量过高时，将危害植物生长，并造成土壤排水、通气不良.如何避免这些问题发生，需要进一步研究.3.2啤酒废水的植物净化啤酒废水中有机碳含量丰富，氮、磷的含量也有一定水平，可以为植物生长提供必要的营养物质.近年来，一些学者利用啤酒废水对普通丝瓜（Luffacyclindrica）［28］、多花黑麦草（Loliummultiflorum）［29］、水雍菜（Ipomoeaaquatica）