玉米深加工清潔生產(chǎn)技術(shù)的應(yīng)用對廢水處理效果的影響

高鵬，年躍剛*，閆海紅，殷勤，頡亞瑋，2，郭曉婭

1．中國環(huán)境科學(xué)研究院水污染控制技術(shù)研究中心，北京 100012

2．清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院，北京 100084

玉米深加工清潔生產(chǎn)技術(shù)的應(yīng)用對廢水處理效果的影響

高鵬1，年躍剛1*，閆海紅1，殷勤1，頡亞瑋1，2，郭曉婭1

1．中國環(huán)境科學(xué)研究院水污染控制技術(shù)研究中心，北京 100012

2．清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院，北京 100084

對玉米深加工企業(yè)EGSB+A/O廢水處理工藝進(jìn)行問題診斷，提出清潔生產(chǎn)的改造措施，研究其對廢水處理效果的影響。結(jié)果表明，在主生產(chǎn)車間加裝澄清離心機(jī)和廢水預(yù)處理段增設(shè)豎流沉降罐，提高了EGSB反應(yīng)器的運(yùn)行效率，反應(yīng)器進(jìn)出水CODCr平均值分別下降59%和62%以上，比產(chǎn)氣率提高45%。改造后二沉池出水CODCr、BOD5、NH+4－N、SS平均濃度從124、31、57和33 mg/L降至55、9、5和19 mg/L，出水 pH為6．3～6．9，達(dá)到 GB 25461—2010《淀粉工業(yè)水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》要求。改造工程同時(shí)可創(chuàng)造132．04萬元/a的經(jīng)濟(jì)效益。

玉米深加工;廢水;改造;清潔生產(chǎn);EGSB

玉米為全球主要的糧食作物之一，因其豐富的 產(chǎn)出和可再生的資源優(yōu)勢受到廣泛的關(guān)注，玉米深加工產(chǎn)業(yè)也被譽(yù)為“黃金”產(chǎn)業(yè)。近年來，我國玉米深加工行業(yè)迅猛發(fā)展，為提高玉米附加值、穩(wěn)定玉米產(chǎn)區(qū)經(jīng)濟(jì)、服務(wù)三農(nóng)做出了重大貢獻(xiàn)［1－2］。然而，玉米加工過程中排放的各種污染物尤其是高濃度有機(jī)淀粉廢水，也使玉米深加工企業(yè)成為污染大戶，末端治理難度很大，如處理不當(dāng)，排入水體會(huì)造成嚴(yán)重的水體污染［3－4］。

我國目前玉米深加工行業(yè)污染減排的成果主要是通過大力推行末端治理設(shè)施實(shí)現(xiàn)，仍有很多企業(yè)技術(shù)落后，排放的污染物總量和濃度都很高，污水處理設(shè)施發(fā)揮了近極限的減排能力，很多企業(yè)在廢水處理發(fā)生問題時(shí)，往往采取廢水工藝參數(shù)調(diào)整等措施，問題嚴(yán)重時(shí)則進(jìn)行廢水工藝改造［5－7］。鑒于我國玉米深加工行業(yè)現(xiàn)狀，如果能從加強(qiáng)行業(yè)清潔生產(chǎn)水平角度解決廢水治理問題，一方面可以作為廢水減排的重要措施，另一方面可以回收淀粉廢水中的有用物質(zhì)，產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益。

國內(nèi)外針對玉米淀粉廢水的研究主要集中在廢水末端治理技術(shù)［8－12］，較少有將企業(yè)清潔生產(chǎn)與廢水處理結(jié)合進(jìn)行的研究工作。筆者以典型玉米深加工企業(yè)為例，通過對淀粉生產(chǎn)分析和廢水問題的診斷，提出清潔生產(chǎn)改造方案，研究其對廢水處理效果的影響，以期為同行業(yè)企業(yè)提供參考。

1 玉米淀粉生產(chǎn)工藝及廢水產(chǎn)生分析

某大型玉米深加工企業(yè)年加工玉米60萬t，生產(chǎn)工藝采用濕磨法，即玉米經(jīng)浸泡、細(xì)磨篩分、分離洗滌、脫水烘干等工序得到成品玉米淀粉。生產(chǎn)過程中以水為介質(zhì)，從玉米浸泡到產(chǎn)品制造都離不開水，因而會(huì)產(chǎn)生大量的廢水。圖1為淀粉生產(chǎn)過程及水循環(huán)流程。從圖1可以看到，該企業(yè)工藝用水采用閉路環(huán)流流程，各工段產(chǎn)生的工藝過程水大部分再次回用。

生產(chǎn)過程中排放的廢水主要來源有2個(gè):1)當(dāng)生產(chǎn)負(fù)荷發(fā)生變化時(shí)，工藝水罐內(nèi)的水量增加，因而產(chǎn)生了多余的過程水，這部分水主要在麩質(zhì)濃縮環(huán)節(jié)排入污水站;2)浸泡水在三效蒸發(fā)器制取玉米漿的蒸發(fā)冷凝水，直接排入污水站。

2 廢水處理工藝分析及問題診斷

2.1 廢水處理工藝

圖1 淀粉生產(chǎn)過程及水循環(huán)流程Fig．1 Starch production process and water cycle process

廢水設(shè)施設(shè)計(jì)處理能力為3 500 m3/d，現(xiàn)處理量為2 650 m3/d，采用膨脹顆粒污泥床厭氧反應(yīng)器+缺氧/好氧(EGSB+A/O)工藝。廢水先進(jìn)入調(diào)節(jié)酸化池進(jìn)行預(yù)酸化，再經(jīng)提升泵泵入EGSB反應(yīng)器，利用厭氧顆粒污泥將廢水中的污染物轉(zhuǎn)化為沼氣，達(dá)到去除CODCr的作用;出水進(jìn)入A/O活性污泥池后利用微生物進(jìn)一步降解水中的污染物，最后在二沉池中進(jìn)行泥水分離。具體工藝流程如圖2所示。

圖2 廢水處理工藝流程Fig．2 Wastewater treatment process

2.2 問題診斷

雖然企業(yè)產(chǎn)生的廢水水量并未超過該套設(shè)施的設(shè)計(jì)能力，但該廢水處理工藝運(yùn)行效果仍不甚理想，無法滿足現(xiàn)有排放標(biāo)準(zhǔn)的要求，工藝運(yùn)行中存在一些問題:

1)進(jìn)水有機(jī)物濃度高。主生產(chǎn)車間淀粉和蛋白分離效果不好，造成大量干物混入工藝廢水，大大增加了污水處理設(shè)施的負(fù)荷。試驗(yàn)及工程數(shù)據(jù)表明，水中干物SS對CODCr的貢獻(xiàn)約占廢水中CODCr總量的30% ～35%［13－14］。

2)EGSB反應(yīng)器運(yùn)行不穩(wěn)定。進(jìn)水污染物濃度過高且波動(dòng)范圍較大，導(dǎo)致EGSB反應(yīng)器運(yùn)行效果差，比產(chǎn)氣率較低，嚴(yán)重時(shí)會(huì)有厭氧顆粒污泥解體現(xiàn)象發(fā)生。

3)二沉池出水水質(zhì)超標(biāo)。表1為出水污染物平均濃度，從表1可以看出，二沉池出水 CODCr、BOD5、NH+

4－N、SS濃度均超過GB 25461—2010《淀粉工業(yè)水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》的排放要求。

表1 二沉池出水水質(zhì)Table 1 Water quality of final effluent mg/L

通過分析可知，廢水處理工藝存在的主要問題是進(jìn)水中固形物、粗蛋白等回收率較低，厭氧反應(yīng)器有機(jī)負(fù)荷和沖擊負(fù)荷較大、運(yùn)行不穩(wěn)定，最終導(dǎo)致二沉池出水無法達(dá)標(biāo)排放。如能從改造企業(yè)淀粉生產(chǎn)工藝入手，開發(fā)提高資源利用效率的清潔生產(chǎn)技術(shù)，可以在一定程度上降低廢水中有機(jī)污染物濃度，促使污染物達(dá)標(biāo)排放。

3 清潔生產(chǎn)改造措施

提高玉米深加工企業(yè)清潔生產(chǎn)水平，從源頭削減污染物產(chǎn)生量，可以從2個(gè)方面進(jìn)行:1)從源頭控制淀粉生產(chǎn)用水量，從而減少廢水產(chǎn)生量，加強(qiáng)對淀粉廢水的綜合利用;2)提高原料利用率，即提高總干物收率，降低進(jìn)入廢水的原材料損失，從而改善產(chǎn)生的廢水水質(zhì)。

玉米深加工企業(yè)的過程用水控制非常關(guān)鍵，該企業(yè)過程水已采用閉路循環(huán)，過程水利用率較高，進(jìn)一步提升的潛力有限。因此工藝改造采用提高總干物收率的方案，最終選擇在淀粉主生產(chǎn)車間末段和廢水預(yù)處理段實(shí)施改造。具體改造措施為:

1)加裝澄清離心機(jī)。在生產(chǎn)工藝的末段麩質(zhì)分離環(huán)節(jié)加裝1臺(tái)澄清離心機(jī)(120 m3/h)，對生產(chǎn)過程水進(jìn)行分離。輕相液進(jìn)入污水處理系統(tǒng)，重相液回收到生產(chǎn)系統(tǒng)，可有效降低生產(chǎn)廢水中的蛋白含量，減小后續(xù)處理的負(fù)荷;通過回收重相液，大大提高了產(chǎn)品收率，尤其是蛋白收率。

2)增設(shè)豎流沉降罐和板框壓濾機(jī)。在污水處理設(shè)施預(yù)處理段加裝2座串聯(lián)豎流沉降罐(V=300 m3)和3臺(tái)板框壓濾機(jī)。生產(chǎn)車間的澄清離心機(jī)輕相液作為豎流沉降罐進(jìn)料，經(jīng)重力沉降的物料經(jīng)過板框壓濾后，產(chǎn)生的物料回收至飼料車間加工飼料，頂流進(jìn)入污水調(diào)節(jié)池。廢水在豎流沉降罐沉降時(shí)間為10 h，進(jìn)一步降低了生產(chǎn)廢水的干物含量，確保污水濃度的穩(wěn)定。清潔生產(chǎn)改造流程如圖3所示。

圖3 清潔生產(chǎn)改造流程Fig．3 Renovation of cleaner production flow chart

4 廢水處理效果

4.1 EGSB反應(yīng)器水質(zhì)變化

EGSB厭氧反應(yīng)器是整個(gè)廢水處理工藝最關(guān)鍵的部分，反應(yīng)器的運(yùn)行效果直接影響最終出水水質(zhì)［15］。圖4為清潔生產(chǎn)改造前后EGSB反應(yīng)器進(jìn)水CODCr對比。從圖4可以看出，改造前進(jìn)水CODCr很高且波動(dòng)很大，甚至?xí)霈F(xiàn)CODCr大于20 000 mg/L的情況，對EGSB反應(yīng)器造成的沖擊非常大。改造后進(jìn)水CODCr大幅下降，波動(dòng)范圍也大大減少，進(jìn)水CODCr平均值從9 802 mg/L降至4 016 mg/L，下降幅度達(dá)到59%。

圖4 EGSB進(jìn)水CODCr變化Fig．4 Variation of CODCrof EGSB inlet

圖5為清潔生產(chǎn)改造前后EGSB反應(yīng)器出水CODCr的對比。從圖5可以看出，改造前反應(yīng)器出水水質(zhì)波動(dòng)范圍很大，有3 d出水CODCr在2 800 mg/L以上。改造后反應(yīng)器出水 CODCr平均值從1 329 mg/L降至511 mg/L，下降幅度為62%，出水水質(zhì)平穩(wěn)。EGSB反應(yīng)器比產(chǎn)氣率是衡量厭氧反應(yīng)器運(yùn)行效率的重要指標(biāo)［15－16］，改造后反應(yīng)器比產(chǎn)氣率為0．39 m3/kg(以CODCr計(jì))，較改造前提高了45%以上，表明清潔生產(chǎn)改造措施降低了進(jìn)水有機(jī)物濃度，使厭氧反應(yīng)器運(yùn)行效率得到提升。

圖5 EGSB出水CODCr變化Fig．5 Variation of CODCrof EGSB outlet

4.2 二沉池出水變化

圖6為改造前后二沉池出水CODCr的變化。從圖6可以看出，改造前二沉池出水CODCr平均值為124 mg/L，在連續(xù)30 d的監(jiān)測中有21 d CODCr超標(biāo)。改造后二沉出水實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定達(dá)標(biāo)排放，出水CODCr平均值降至55 mg/L;出水BOD5、SS、NH+4－N濃度平均值分別從31、33和57 mg/L降至9、19和4．5 mg/L，達(dá)到GB 25461—2010要求。

圖6 二沉池出水CODCr變化Fig．6 Variation of CODCrof final effluent

4.3 二沉池出水三維熒光分析

借助三維熒光光譜(EEM)技術(shù)可以更深入地揭示水質(zhì)常規(guī)監(jiān)測指標(biāo)外的變化，利于對有機(jī)物的去除情況進(jìn)行充分的評估［17－20］。由圖7可以看出，改造前二沉池出水中含有4個(gè)主要的熒光峰，分別為高激發(fā)波長類色氨酸(峰a)熒光峰、可見區(qū)類腐殖酸(峰b)熒光峰和可見區(qū)類富里酸(峰c)熒光峰、紫外區(qū)類腐殖酸(峰d)熒光峰［21－22］，其在EEM譜上的中心位置(激發(fā)波長/發(fā)射波長，即Ex/Em)分別位于275 nm/350 nm、405 nm/470 nm、320 nm/405 nm和260/445 nm。

圖8為改造后二沉池出水的三維熒光譜。從圖8可以看出，改造后出水僅剩下高激發(fā)波長類色氨酸(峰a)和可見區(qū)類富里酸(峰c)2個(gè)峰，峰a和峰c的峰值強(qiáng)度也分別從3 577、1 692減至1 309、726。類腐殖酸類物質(zhì)完全消失，表明活性污泥性狀得到了一定改善［23］。三維熒光譜的分析表明，清潔生產(chǎn)改造后，不僅降低了二沉池出水的污染物濃度，也使出水有機(jī)物組分減少，有機(jī)物得到了更充分的降解。

圖7 改造前二沉池出水三維熒光譜Fig．7 The EEM of final effluent before renovation

圖8 改造后二沉池出水三維熒光譜Fig．8 The EEM of final effluent after renovation

5 經(jīng)濟(jì)效益分析

清潔生產(chǎn)改造工程總投資303．4萬元，主要為設(shè)備及土建安裝費(fèi)用。新增運(yùn)行成本包括人工費(fèi)用和運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用及設(shè)備維護(hù)費(fèi)等，其中按新增設(shè)備全年用電量190萬kW·h，電費(fèi)0．86元/(kW·h)計(jì)，則運(yùn)轉(zhuǎn)電費(fèi)163．4萬元/a;勞動(dòng)定員4人，按2 200元/(月·人)計(jì)，人工費(fèi)為10．56萬元/a;設(shè)備維護(hù)費(fèi)10萬元/a。運(yùn)行過程中，回收干物作為飼料原料，可產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益:年廢水量×回收干物比例×單價(jià)=720 000 t×0．55% ×800元=316萬元。因此年經(jīng)濟(jì)效益=經(jīng)濟(jì)收入－人工費(fèi)用－電費(fèi)－運(yùn)行維護(hù)費(fèi)=132．04萬元/a，投資回收期=總投資額/年經(jīng)濟(jì)收益=2．3年。

6 結(jié)論

1)采用EGSB+A/O工藝處理玉米深加工廢水時(shí)，通過實(shí)施清潔生產(chǎn)改造來解決廢水工藝運(yùn)行的問題是切實(shí)可行的。在主生產(chǎn)車間加裝澄清離心機(jī)和廢水預(yù)處理段增設(shè)豎流沉降罐后，可有效緩解廢水減排壓力，保證廢水設(shè)施穩(wěn)定運(yùn)行，同時(shí)可創(chuàng)造132．04萬元/a的經(jīng)濟(jì)效益。

2)實(shí)施清潔生產(chǎn)改造提高了EGSB反應(yīng)器運(yùn)行效率，反應(yīng)器進(jìn)出水CODCr濃度分別下降59%和62%以上，比產(chǎn)氣率提高了45%以上。

3)改造后二沉池出水CODCr、BOD5、NH+4－N、SS濃度平均值分別從124、31、57和33 mg/L降至55、9、5和19 mg/L，出水 pH為6．3～6．9，達(dá)到 GB 25461—2010要求;三維熒光分析顯示，二沉池出水溶解性有機(jī)物組分和濃度均減少，水質(zhì)改善顯著。

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Effects of Cleaner Production Technologies of a Corn Starch Enterprise on W astewater Treatment Effectiveness

GAO Peng1，NIAN Yue－gang1，YAN Hai－h(huán)ong1，YIN Qin1，XIE Ya－wei1，2，GUO Xiao－ya1
1．Research Center ofWater Pollution Control Technology，Chinese Research Academy of Environmental Sciences，Beijing 100012，China
2．School of Environment，Tsinghua University，Beijing 100084，China

The problem diagnosis was performed for EGSB+A/O wastewater treatment process of a corn starch enterprise，and the cleaner production renovation measure were proposed for the enterprise．The effects of the cleaner production renovation measure on wastewater treatment effectiveness were investigated．The results showed that the operational efficiency of EGSB reactor could be enhanced by adding a centrifuge in themain workshop and vertical flow sedimentation tank in wastewater pretreatment section．The average CODCrof the inlet and outletwere reduced by 59%and 62%respectively，and the specific methane production rate was increased by 45%．After renovation engineering，the average CODCr，BOD5，NH+4－N，SS concentrations of the effluentwastewater from the secondary sedimentation tank were reduced from 124，31，57 and 33 mg/L to 55，9，5 and 19 mg/L，respectively，and the pH was 6．3－6．9，allmeeting with Discharge Standard ofWater Pollutants for Starch Industry(GB 25461－2010)．The clean production renovation engineering could also create an annual economic benefit of 1．320 4 million Yuan．

corn starch processing;wastewater;renovation;cleaner production;EGSB

X703

A

10．3969/j．issn．1674－991X．2014．03．030

1674－991X(2014)03－0181－06

2014－03－14

國家水體污染控制與治理科技重大專項(xiàng)(2012ZX07202－009－01)

高鵬(1989—)，男，碩士，主要從事水污染控制及回用研究，18810403739@163．com

*責(zé)任作者:年躍剛(1963—)，研究員，博士，主要從事生態(tài)修復(fù)、中水回用研究，nianyg@craes．org．cn