制糖廢水的主要處理工藝及發(fā)展方向芻議

胡亞萍，馬曉力，董貝貝

(鄭州大學水利與環(huán)境學院，河南鄭州 450001)

制糖工業(yè)是食品加工業(yè)的基礎行業(yè)，也是其它食品加工類如發(fā)酵、制藥等工業(yè)的原材料，在國民經(jīng)濟中占重要地位。據(jù)國家統(tǒng)計局統(tǒng)計，2011年我國成品糖的產(chǎn)量已達到1187.4萬t，比上年增長6.2%;至2012年3月成品糖產(chǎn)量累計達到873.7萬t，比上年同期增長16.1%。在大量生產(chǎn)糖的同時，廢水排放量也是巨大的。根據(jù)制糖原料的不同，生產(chǎn)排放的廢水量也各不相同:每榨1t甘蔗產(chǎn)生廢水量高達12～18t，產(chǎn)生 COD量為2～5kg［1］;而利用甜菜作為原料的制糖企業(yè)間的用水量根據(jù)其生產(chǎn)工藝水平高低也各不相同，一般水平的生產(chǎn)工藝中，控制的菜水比例為1∶4.5左右，先進水平可控制菜水比在1∶3左右，按生產(chǎn)規(guī)模計算，企業(yè)廢水的排放量基本都在100t/d以上［2］。我國目前用水短缺的嚴峻形勢使處理制糖廢水并使其達標排放或者回用具有重要的意義，所以，制糖廢水的處理一直都是工業(yè)廢水處理研究的重點之一［3］。

1 制糖廢水特征

制糖廢水主要來自制糖生產(chǎn)過程和制糖副產(chǎn)品綜合利用過程，主要是以甜菜或甘蔗為原料的制糖過程中所排出的廢水，混合了斜槽廢水、榨糖廢水、蒸餾廢水、地面沖洗水等，COD濃度波動往往比較大［4］。制糖廢水屬于有機廢水，色度高，直接排入河流容易造成水體缺氧和富營養(yǎng)化，影響水體中浮游生物、原生動物的生存，嚴重的會出現(xiàn)藻類大量繁殖瘋長，導致水中好氧生物因缺氧而死亡，最終導致水體惡化［5］。

甘蔗制糖廠每加工1t甘蔗需要排放20～30m3廢水，雖因亞法和碳法工藝流程的差異，廢水性質(zhì)有所區(qū)別，但甘蔗制糖廢水按污染程度可分為3種類型［6］，如表1所示。

表1 不同濃度制糖廢水的幾個指標值 (mg/L)

2 制糖廢水處理技術

目前制糖廢水的處理技術主要包括物化法和生化法，由于制糖廢水的可生化性好，國內(nèi)外對此廢水的處理常采用生化法。生化法主要有厭氧處理法、好氧處理法、厭氧—好氧處理法等。

2.1 物化法

物化法主要用于對廢水進行預處理，該方法包括:混凝沉淀法、吸附法、離子交換法、萃取法、擴散滲析法、電滲析法等［7］。近年來，對物化法的研究涉及到一些新的領域，納米技術的應用研究為制糖廢水的預處理提供了新的思路。鐘福新等［8］的研究表明，La/Fe共摻雜TiO2納米管陣列對甲基橙和制糖廢水具有催化降解效果。光照時間和pH是影響 La/Fe摻雜TiO2納米管陣列光催化降解制糖廢水的主要因素，在強堿性條件下，La/Fe摻雜TiO2納米管陣列對制糖廢水的光催化降解效率最高，光照20h時可達97%以上。

2.2 厭氧生物法

廢水的厭氧處理在有機物含量較高時很適用。由于厭氧處理時，污泥產(chǎn)生量少，對營養(yǎng)元素要求低，同時產(chǎn)生的甲烷可作潛在的能源，可消除氣體排放的污染，投資成本一般較低，運行管理費用也大大低于好氧工藝［9］。在制糖工業(yè)廢水處理中得到了廣泛的應用。

上流式厭氧污泥床反應器 (UASB)是厭氧處理的一個有代表性的形式。在反應器中，廢水從底部均勻進入并向上運動，反應器下部為濃度較高的污泥床，上部為濃度較低的懸浮污泥床，一般情況下處理甜菜制糖廢水時，容積負荷可達到20.7kg COD/(m3·d)，COD 去除率為82%左右［10］。

河南某廠［11］建成1700m3UASB厭氧系統(tǒng)處理制糖廢水，在近中溫 (30℃ ～35℃)條件下啟動運行，當進水COD濃度平均為8000mg/L時，工程穩(wěn)定運行，日處理廢水近1000m3，COD去除率80% 以上，UASB有效容積負荷為5.0kgCOD/(m3·d)以上。運行實踐證明，采用UASB工藝處理制糖廢水，具有有機負荷高，HRT短，無需填料、污泥回流裝置及攪拌裝置，效率高，運行成本低等優(yōu)點。

同時UASB工藝也存在以下缺點:①三相分離器還沒有一個成熟的設計方法;②顆粒污泥的培養(yǎng)較困難，初次啟動和形成穩(wěn)定顆粒污泥用時較長;③大多數(shù)UASB反應器需對進水懸浮物濃度進行適當控制，以防止堵塞和短流;④耐沖擊負荷能力不強，出水水質(zhì)還達不到傳統(tǒng)二級處理工藝的出水水質(zhì)。

為了解決UASB顆粒污泥培養(yǎng)的問題，可以在厭氧啟動過程中加入惰性物質(zhì)，加速顆?；男纬伞ｍn洪軍等［12～13］的研究表明，在系統(tǒng)中加入顆粒活性炭，可以加快顆粒污泥的形成;Yu［14］等人向反應器中投加150～300 mg/L Ca2+，提高了生物量的積累，加速了反應器的啟動。

新型的反應器是折流式厭氧反應器 (ABR)，它綜合了UASB反應器的優(yōu)點，屬于分階段多相厭氧生物處理工藝技術。該反應器借助于廢水流動和沼氣上升的作用，反應器內(nèi)污泥上下運動，污水在折流板的作用下，水流繞其流動而使其流經(jīng)的總長度加長，再加上折流板的阻擋及污泥的沉降作用，污泥在水平方向上的流速極其緩慢，生物固體被有效地截留在反應器內(nèi)［15］。與 UASB反應器相比，ABR反應器具有獨特的分格式結(jié)構(gòu)及推流式流態(tài)，具有運行穩(wěn)定，操作靈活，工藝簡單，投資少，固液分離效果、耐沖擊、對毒性物質(zhì)適應性強，良好的生物固體截留能力等優(yōu)點。

ABR自問世以來就一直備受研究者們的關注，人們從不同角度對其進行研究探討，如反應器結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新［16～17］、水力學特性的優(yōu)化［18～19］、反應器啟動及顆粒污泥的形成［20］、微生物群落分布及生理生態(tài)［21～22］研究等方面，從這些研究中可以總結(jié)出以下對優(yōu)化ABR工藝的措施:①減少降流區(qū)寬度，使主反應區(qū)的升流區(qū)內(nèi)聚集更多的微生物，有利于厭氧污泥停留在上向流中，使每個小單位UASB優(yōu)勢更加突出:水流方向與產(chǎn)氣上升方向一致，不僅減少了堵塞的機會，還加強了氣體對污泥床的攪拌作用，使微生物與進水基質(zhì)充分混合，有助于形成顆粒污泥;②增加了折流板角度，有利于進水向上引向流室中心，實現(xiàn)了布水的均勻性，同時還可增大水力攪拌作用;③接種污泥用幾種不同來源的厭氧污泥混合而成，采用好氧曝氣法啟動。

ABR反應器雖然有很多優(yōu)點，但目前國際上關于ABR反應器的研究尚處于試驗階段，實際工程應用方面的研究實例還不多，國內(nèi)報道的工程應用更少。因此，在ABR反應器實際工程進一步推廣之前，需要通過大量中試尋求合適的設計參數(shù)，結(jié)合機理分析，以便更深入地了解ABR的工藝特性，為生產(chǎn)應用提供可靠的依據(jù)。

2.3 好氧生物法

好氧生物法主要有活性污泥法和生物膜法。

2.3.1 活性污泥法

活性污泥法就是以活性污泥為主體的生物處理法，其實質(zhì)是以存在于污水中的有機物為培養(yǎng)基，在有氧的條件下，對各種微生物群體進行混合連續(xù)培養(yǎng)，通過凝聚、吸附、氧化分解、沉淀等過程去除有機物的一種方法［23］。

李鑫華等［24］研究采用活性污泥法處理甘蔗制糖廢水，工程規(guī)模日處理量Q=14000m3/d，經(jīng)過多年的運行，出水符合標準，且該工藝具有操作簡單、維護技術要求低、處理效果好、投資及運行費用低等優(yōu)點。但是，活性污泥法也存在抗沖擊負荷能力弱，系統(tǒng)穩(wěn)定性差，易發(fā)生污泥膨脹等問題。

序批式活性污泥法簡稱SBR法，主要構(gòu)筑物是SBR反應池，在該池中依次完成進水、反應、沉淀、潷水、排泥等過程［25］。該工藝相對于連續(xù)式活性污泥法有處理構(gòu)筑物少、污泥好氧穩(wěn)定、抗沖擊負荷強、氧利用率高、污泥膨脹的概率低、處理效果穩(wěn)定等優(yōu)點。該工藝在實際工程中通常與其他工藝聯(lián)合使用，邯鄲市某生物技術中心［26］采用UASB—SBR工藝處理淀粉制糖廢水，SBR池的水力停留時間為12h，容積負荷為1.2 kgCOD/(m3·d)，運行結(jié)果表明，對COD的去除率可達85%以上，對BOD5的去除率達90%以上，對SS的去除率達85%以上，處理出水優(yōu)于國家二級排放標準，且該工藝處理效果好、技術成熟可靠、運行穩(wěn)定。

但是SBR因其序批操作的運行方式也帶來了相應的弊端:①對自動控制設備的依賴性強，但是這些設備的故障率較高;②反應器的利用率偏低;③單元進水是間歇的，在污水廠來水和排水要求連續(xù)時需要把系統(tǒng)劃分為較多的的單元才能保證整體的連續(xù)性，或者是設置較大的進水水量調(diào)節(jié)池;④間歇運行曝氣器容易堵塞。

針對SBR的缺點和不同的使用目的出現(xiàn)了很多變形工藝，其中用于制糖廢水處理的工藝有循環(huán)式活性污泥系統(tǒng)，即CASS工藝。該工藝在運行方式上采用循環(huán)進水，反應器分為選擇器、缺氧區(qū)和主反應區(qū)三個區(qū)。該工藝完善了活性污泥選擇器的設計，并且設計和運行方式靈活，既體現(xiàn)了SBR的流程簡單、建筑物少等優(yōu)點，又克服了SBR的一些缺點。

有研究表明，CASS工藝用來處理制糖末端廢水具有明顯的優(yōu)勢。林傳松等［27］的研究表明，用CASS工藝處理制糖末端廢水，對系統(tǒng)的CODCr和SS的去除率分別為91.96%和73.77%，同時對營養(yǎng)物有明顯去除效果，省略了剩余污泥處理裝置，降低了建設費用和運行成本。通過控制工藝運行條件可以優(yōu)化CASS工藝的處理效果，鄧超冰等［28］的實驗表明，在曝氣時間為2h，曝氣量0.375 m3/h，污泥濃度4000mg/L左右，沉淀時間60min，排水比1/3的條件下，工藝條件最佳。各因素對COD去除效果影響的主次關系是:曝氣量＞排水比＞沉淀時間，故在實際工藝運行管理過程中可優(yōu)先考慮調(diào)節(jié)曝氣量。

CASS運行過程的控制一般由可編程序控制器來進行，主要根據(jù)進水量、DO、進水水質(zhì) (COD、pH等)、出水水質(zhì)等進行實時控制，自動調(diào)整各部件的運行狀況以達到最佳的效果及最經(jīng)濟的運轉(zhuǎn)［29］。目前，該技術在國內(nèi)應用的關鍵主要是進一步完善工藝設計方法及研究其設計的有關參數(shù)，同時提高自動控制裝置的可靠性及運行和操作管理人員的素質(zhì)，使其更加符合國內(nèi)制糖廢水處理的實際情況。

2.3.2 生物膜法

生物膜處理法的工藝有生物濾池、生物轉(zhuǎn)盤、生物接觸氧化設備和生物流化床。其中用于制糖廢水處理的有內(nèi)循環(huán)好氧生物流化床工藝。該工藝是一種將微生物固定化技術與傳統(tǒng)流態(tài)化技術相結(jié)合的生化處理設備，具有結(jié)構(gòu)簡單、傳質(zhì)效率高、負荷高、去除效率高、能耗低、抗沖擊負荷能力較強、占地少等優(yōu)點。

田雪蓮等［30］利用內(nèi)循環(huán)好氧生物流化床對CODCr和NH3－N質(zhì)量濃度分別為350～580 mg/L和7～12 mg/L的甘蔗制糖廢水進行處理，結(jié)果表明，在進氣量為40L/h，水力停留時間為3～4 h的條件下，CODCr和NH3－N的平均去除率分別為90.7%和86.5%，出水 CODCr和NH3－N穩(wěn)定在60mg/L和2mg/L以下，表明采用內(nèi)循環(huán)好氧生物流化床處理制糖廢水具有良好的效果，為制糖廢水的高效處理提供了一種新方法。

但是傳統(tǒng)生物流化床工藝仍存在不足，主要有以下幾點:①流化床的流態(tài)化特性十分復雜，給設計造成了困難;②以沉淀原理為基礎的三相分離器中，泥水分離靠重力作用，以致分離效率依賴活性污泥沉降性能，而由于沉淀時間短，固液分離效果不理想，出水中SS含量可能很高，影響出水水質(zhì);③載體易流失。

針對以上傳統(tǒng)生物流化床的缺陷，將其與膜分離單元有機結(jié)合，可解決傳統(tǒng)生物流化床出水懸浮物濃度偏高、載體易流失的問題。

2.3.3 生物膜/活性污泥聯(lián)合工藝

該聯(lián)合工藝是把活性污泥法與生物膜法相結(jié)合的一種污水生物處理技術。它一方面具有生物膜法負荷高的特點，因而減少了構(gòu)筑物體積，降低了投資;另一方面也具有活性污泥法固液接觸充分的特點，有機污染物去除效率高，出水水質(zhì)穩(wěn)定良好［31］。鄭育毅等人［32］的研究表明，采用聯(lián)合工藝處理淀粉制糖廢水時可使出水水質(zhì)達到GB/8978－1996的一級標準，同時比單純的活性污泥或生物膜工藝啟動要快、運行也更穩(wěn)定，且基本不會出現(xiàn)污泥膨脹等問題。

2.3.4 好氧工藝存在的問題

好氧處理技術有較多優(yōu)勢，如降解工藝的投資較低，操作條件簡單，所以是有機污染廢水處理的首選，但是對于像制糖廢水這樣的含高濃度有機物的情況，好氧處理仍然存在著許多原理和工藝上的限制條件，因而在實際應用上不如厭氧處理普遍，如運行期間的污泥系統(tǒng)的規(guī)劃與治理，如何較好地防治污泥的膨脹等都成為學者的熱門研究問題［33］。

2.4 厭氧—好氧處理工藝

實踐證明，厭氧生物處理法適用于高濃度有機廢水的處理，且具有能耗小、去除負荷高、并可回收沼氣做能源等優(yōu)點，但其出水難以達到排放標準;而好氧生物處理法適用于處理濃度較低的廢水，具有凈化后出水水質(zhì)好等優(yōu)點。因此目前在高濃度有機廢水的處理工程中，常集厭氧、好氧處理的優(yōu)點于一身，構(gòu)成厭氧—好氧組合工藝，即高濃度有機廢水首先經(jīng)厭氧法處理，出水再經(jīng)好氧法進行進一步凈化，在實際應用中取得良好效果。

李桂榮等［34］的研究結(jié)果表明，河南某糖廠采用了兩級UASB+好氧活性污泥的組合工藝處理制糖廢水，工程運行一年來，一直處于良好的穩(wěn)定狀態(tài)，去除污染物效果顯著，對COD的去除率可達98.3%以上，對NH3－N的去除率達94%以上，處理出水優(yōu)于國家一級排放標準。

ABR法和CASS法分別優(yōu)于UASB法和傳統(tǒng)的活性污泥法，可將ABR與CASS工藝聯(lián)合起來處理制糖廢水。厭氧系統(tǒng)采用ABR工藝可以提高廢水可生化性，減輕后續(xù)好氧生化負荷沖擊，保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行;好氧處理系統(tǒng)采用CASS工藝，可以實現(xiàn)完全自動控制，管理容易，不容易出現(xiàn)污泥膨脹現(xiàn)象，能夠使廢水穩(wěn)定達標。利用ABR水解酸化－CASS工藝處理甘蔗制糖廢水，系統(tǒng) COD、BOD5與NH3－N的去除率均在95%以上［35］。

3 制糖廢水處理工藝總結(jié)

(1)厭氧處理法中應用較多的是UASB工藝，但該工藝存在不足，如顆粒污泥的培養(yǎng)困難等。針對該工藝的缺陷可以根據(jù)實際運行情況對工藝進行改進，如在系統(tǒng)中加入顆粒活性炭，加速顆?；男纬?。

(2)厭氧處理法中較為先進的工藝是ABR工藝，該工藝不僅綜合了UASB的優(yōu)點，而且在一定程度上彌補了UASB的缺陷，但ABR反應器尚處于實驗研究階段，需要尋求合適的設計參數(shù)以在實際工程中進一步推廣。

(3)活性污泥處理法中用于制糖廢水處理的方法主要有連續(xù)式流活性污泥法和SBR法，但這兩種工藝仍存在弊端。針對這些弊端，CASS工藝的應用具有明顯的優(yōu)勢，但在工藝運行管理過程中，要對運行的參數(shù) (如曝氣量、排水比、沉淀時間等)進行合理地控制，同時要提高自動控制裝置的可靠性及運行和操作管理人員的素質(zhì)。

(4)生物膜法中用于制糖廢水處理的工藝主要是生物流化床工藝，對該工藝進行合理的改進，如將其與膜分離單元有機結(jié)合，可以彌補該工藝在實際運行中的部分缺陷。

(5)各處理工藝各有優(yōu)缺點，因此，在實際應用中，應采用將多種工藝相結(jié)合的組合工藝，充分利用每種工藝的優(yōu)點，取長補短，協(xié)調(diào)控制工藝條件，以到達較經(jīng)濟、環(huán)保的處理效果。孟慶輝等［36］的研究表明，對甜菜制糖廢水采用水解—好氧—化學氧化—混凝沉淀的處理工藝，突出了兩類生化處理技術的優(yōu)勢，工程運行費用低，操作方便，且出水水質(zhì)優(yōu)于一般單純生物法。

4 制糖廢水處理發(fā)展方向建議

隨著糖類產(chǎn)品需求量的急劇增加，制糖產(chǎn)生的廢水也在逐年增加，傳統(tǒng)處理工藝已經(jīng)不能滿足當今變化發(fā)展中的制糖工業(yè)產(chǎn)生的廢水處理要求。因此，尋求高效節(jié)能的處理工藝是制糖廢水處理的發(fā)展趨勢，為此，提出以下新的思路:

(1)首先在源頭上實現(xiàn)減排，即改進制糖工藝。由于傳統(tǒng)制糖工藝落后，污染物產(chǎn)量和排放量大，要對制糖廢水污染進行控制，首先必須實施清潔生產(chǎn)，比如采用真空無濾布吸濾機，杜絕洗濾布廢水產(chǎn)生排放而帶來的水污染。真空無濾布吸濾機主要用于糖業(yè)蔗汁的過濾，它具有過濾效率高，無污水排放，節(jié)約水資源，能耗低等優(yōu)點。

(2)提高廢水循環(huán)利用率，以緩解水資源的消耗。如煮糖、蒸發(fā)設備的冷凝水和冷卻水，壓榨動力汽輪機、真空吸濾機水噴泵和動力車間發(fā)電設備排出的冷卻水等低濃度廢水，可以循環(huán)使用，提高水的利用率，實現(xiàn)節(jié)約水資源的目的。

(3)利用廢水中的有效資源進行變廢為寶處理，使其利益最大化。陳紅等［37］的研究表明，在污泥接種量為17.74 g/L，溫度為34～36℃，水力停留時間為6 h，通過調(diào)節(jié)有機負荷，在12 d左右就可以快速實現(xiàn)生物制氫。同時，氫氣是熱值很高的清潔能源，此技術又能在一定程度上緩解能源短缺的局勢。因此，利用制糖廢水制氫，不僅凈化了廢水，而且變廢為寶，具有經(jīng)濟和環(huán)保的雙重效益。

(4)制糖廢水作為一種肥料在農(nóng)業(yè)灌溉上具有廣闊的前景，土地灌溉技術可以節(jié)省大量的工程操作及運行成本，而且簡單易實施，但前提是要明確了解制糖廢水中的水質(zhì)情況，嚴格控制流入土地的水量，結(jié)合作物需求采用合理科學的灌溉制度及技術，做好相關措施，科學合理操作，減少對環(huán)境的污染。

(5)加強制糖生產(chǎn)過程的管理至關重要。要杜絕跑、冒、滴、漏等浪費的現(xiàn)象，同時改進相關的政策來鼓勵員工節(jié)水等。

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