UASB+CASS組合工藝處理啤酒生產(chǎn)廢水

鄒義龍，馮斐，鄧覓，萬(wàn)金保

(1.南昌大學(xué)a.資源環(huán)境與化工學(xué)院；b.鄱陽(yáng)湖環(huán)境與資源利用教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 南昌 330031;2.江西水利職業(yè)學(xué)院，江西 南昌 330013;3.江西省科學(xué)院鄱陽(yáng)湖研究中心，江西 南昌 330096)

啤酒是以優(yōu)質(zhì)麥芽和大米為原料，加酒花，經(jīng)原料處理、糖化、發(fā)酵、過(guò)濾等工序釀制而成，是世界上產(chǎn)量最大的酒種，相比于蒸餾型白酒，具有度數(shù)低、營(yíng)養(yǎng)豐富、飲用面廣、消費(fèi)量大等特點(diǎn)。適當(dāng)和適度的飲用啤酒，能促進(jìn)血液循環(huán)，有益于人的健康。啤酒作為食品或者酒類的一種深受廣大消費(fèi)者的青睞。據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù)顯示，2018年我國(guó)規(guī)模以上啤酒制造企業(yè)累積產(chǎn)量為3 812.2 萬(wàn)t，每生產(chǎn)1 t的啤酒需要消耗數(shù)噸的新鮮水，并會(huì)向周圍環(huán)境中排放5～12 t的有機(jī)廢水[1]，若不經(jīng)過(guò)合理的處理，直接排入水體后，將消耗受納水體中大量的溶解氧，造成水體缺氧，同時(shí)還能促使水體底泥中沉積有機(jī)物的釋放，進(jìn)一步加速水質(zhì)惡化，對(duì)水體環(huán)境造成嚴(yán)重的危害[2-3]。

由于厭氧法反應(yīng)速度較慢，處理過(guò)程長(zhǎng)，出水水質(zhì)較差；好氧法處理成本較高，產(chǎn)生的剩余污泥多。目前國(guó)內(nèi)外大多數(shù)采用厭氧+好氧優(yōu)化組合工藝，來(lái)達(dá)到對(duì)啤酒生產(chǎn)廢水的最佳處理效果。具體有UASB+A/O法[1]、IC+CIRCOX法[4]、MIC+AO法[5]、水解酸化+接觸氧化法[6]等。同時(shí)，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步發(fā)展，也有一些新型的處理啤酒廢水工藝出現(xiàn)，如吳玥等[7]利用人工濕地復(fù)合微生物燃料電池處理實(shí)際啤機(jī)廢水，不僅能產(chǎn)電，而且對(duì)COD和氨氮具有較高的去除率，但還未大規(guī)模應(yīng)用于工程實(shí)踐。結(jié)合本啤酒廠生產(chǎn)廢水的水質(zhì)水量特征和排放標(biāo)準(zhǔn)等要求，對(duì)初步可行的幾種工藝進(jìn)行全面的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析對(duì)比，最終有針對(duì)性的確定了厭氧UASB+CASS循環(huán)式好氧活性污泥法聯(lián)合工藝處理該廢水。

1 廢水來(lái)源及水量水質(zhì)

江西某啤酒有限公司年產(chǎn)25萬(wàn)噸啤酒，包裝形式主要為500 mL玻璃瓶。生產(chǎn)過(guò)程廢水產(chǎn)生環(huán)節(jié)多且分散，其主要來(lái)源為糖化車間的糖化、糊化鍋和過(guò)濾槽洗滌水；發(fā)酵車間的發(fā)酵罐洗滌廢水；灌裝車間的一般和廢堿液洗滌水；車間地面沖洗水和生產(chǎn)辦公區(qū)的生活污水等。廢水中含有大量無(wú)毒有害的有機(jī)碳和懸浮有機(jī)污染物，其成分主要為糖類、可溶性淀粉、蛋白質(zhì)、纖維素等[8-9]。廢水處理量為3 000 m3·d，處理后出水排放各項(xiàng)污染物指標(biāo)要求均能達(dá)到GB 19821—2005《啤酒工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》表1中的排放標(biāo)準(zhǔn)限值要求。

表1 廢水水質(zhì)及排放標(biāo)準(zhǔn)Tab.1 Wastewater quality and discharge standard

2 廢水處理工藝流程及構(gòu)筑物

2.1 廢水處理工藝流程

啤酒廢水屬于無(wú)毒有害的中濃度有機(jī)廢水，通常情況下其ρ(BOD5)/ρ(CODCr)>0.3，屬于可生化性強(qiáng)的廢水，采用生化處理方法非常適宜[10]。UASB+CASS組合工藝相比于厭氧或好氧法單一工藝，具有工藝成熟穩(wěn)定、運(yùn)行可靠、管理方便、能有效縮短廢水的停留時(shí)間、抗沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)、對(duì)有機(jī)物處理效率高、成本低等優(yōu)點(diǎn)。處理工藝流程如圖1所示。

生產(chǎn)廢水、生活污水經(jīng)管道接至格柵，攔截進(jìn)水中攜帶的廢商標(biāo)紙、麥糟等固態(tài)雜物，再進(jìn)入集水井，通過(guò)水力篩再進(jìn)一步分離去除大顆粒雜質(zhì)，防止形成絮凝體帶走后續(xù)生物處理單元中的微生物以及堵塞管路，預(yù)處理后進(jìn)入初沉池、調(diào)節(jié)(預(yù)酸化)池，調(diào)節(jié)池將高、中、低濃度各股廢水進(jìn)行混合均勻，同時(shí)加入灌裝車間產(chǎn)生的廢堿液，對(duì)污水水質(zhì)水量進(jìn)行調(diào)節(jié)，使污水的水質(zhì)水量達(dá)到均衡，由于廢水pH值變化較大，為保證處理水質(zhì)的穩(wěn)定，在初沉池前端設(shè)置了事故池，當(dāng)綜合廢水pH值大于12或小于5時(shí)，關(guān)閉管線上去初沉池的電動(dòng)閥門，開啟去事故池的電動(dòng)閥門。調(diào)節(jié)池中的廢水用泵提升至UASB反應(yīng)器，對(duì)廢水進(jìn)行厭氧消化處理，使污水中難以降解的有機(jī)物慢慢分解成容易降解的小分子有機(jī)物質(zhì)，然后通過(guò)重力自流至CASS反應(yīng)器，進(jìn)一步對(duì)有機(jī)物進(jìn)行好氧生物處理，再經(jīng)過(guò)砂濾池，進(jìn)一步過(guò)濾，最終確保其出水滿足GB 19821—2005《啤酒工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》表1中的標(biāo)準(zhǔn)，并通過(guò)污水管網(wǎng)排入園區(qū)污水處理廠進(jìn)行處理。

初沉池、CASS反應(yīng)器的剩余污泥排入污泥濃縮池，經(jīng)板框壓濾機(jī)脫水后，泥餅外運(yùn)安全處置，濾液回流到調(diào)節(jié)池重新處理。

2.2 主要處理構(gòu)筑物

1) 集水井。1座，啤酒生產(chǎn)過(guò)程中各工序?yàn)殚g歇性排水，水量隨季節(jié)和晝夜變化較大，負(fù)荷沖擊較強(qiáng)，因此設(shè)置一定容積的集水井，將廢水收集起來(lái)并使其均質(zhì)均量，以保證后續(xù)廢水處理單元的正常運(yùn)行。其尺寸為5.0 m×8.0 m×5.5 m，有效水深5.0 m，有效容積200 m3，HRT為2 h，采用半地下式鋼砼結(jié)構(gòu)。

2) 初沉池。1座，廢水中的懸浮物濃度較高，將硅藻土等易沉雜質(zhì)通過(guò)初沉池沉淀去除，降低后續(xù)單元處理負(fù)荷，其尺寸為Φ7.5 m×8.0 m，有效水深7.0 m，有效容積300 m3，HRT為3 h，采用地上鋼結(jié)構(gòu)，并對(duì)其進(jìn)行防腐處理。

3) 調(diào)節(jié)池。1座，啤酒生產(chǎn)過(guò)程中，各車間產(chǎn)生的各股廢水pH值和濃度等均不一樣，該池將各股廢水均質(zhì)、均量的同時(shí)，還能對(duì)廢水進(jìn)行水解酸化預(yù)處理，提高揮發(fā)性脂肪酸(VFA)含量、改善厭氧生物處理反應(yīng)條件和增強(qiáng)廢水的可生化性，其尺寸為Φ17.6 m×5.5 m，有效水深4.5 m，有效容積1 094 m3，HRT為10 h，采用地上鋼結(jié)構(gòu)，并對(duì)其進(jìn)行防腐處理。

4) UASB反應(yīng)器。2座，常溫運(yùn)行，調(diào)節(jié)池液位大于80%時(shí)開啟，集中運(yùn)行1個(gè)厭氧反應(yīng)器，保證系統(tǒng)高負(fù)荷運(yùn)行且不易發(fā)生酸化現(xiàn)象，廢水由泵輸送自下而上流經(jīng)反應(yīng)器，反應(yīng)器產(chǎn)生的沼氣經(jīng)脫水脫硫后，儲(chǔ)存在沼氣罐，作為沼氣鍋爐的燃料，同時(shí)在其頂部設(shè)置了臭氣風(fēng)機(jī)，將產(chǎn)生的臭氣輸送至生物除臭系統(tǒng)進(jìn)行處理，單座尺寸為Φ6.8 m×16.8 m，有效水深16 m，總有效容積1 161.5 m3，HRT為11.6 h，COD容積負(fù)荷為6.0 kg·(m3·d)-1，采用地上鋼結(jié)構(gòu)，并對(duì)其進(jìn)行防腐處理。

5) CASS反應(yīng)器。2座，UASB反應(yīng)器出水COD濃度仍然較高，滿足不了排放要求，需經(jīng)過(guò)CASS反應(yīng)池進(jìn)一步處理，進(jìn)水、反應(yīng)、沉淀、出水、閑置5個(gè)工序在反應(yīng)器內(nèi)循環(huán)交替運(yùn)行，采用盤式微孔曝氣方式，運(yùn)行周期12 h，污泥濃度3 000 mg·L-1，污泥負(fù)荷0.15 kg BOD·(kg·MLVSS·d)-1，單座尺寸為Φ17 m×5.5 m，有效水深4.5 m，總有效容積2 042 m3，采用地上鋼結(jié)構(gòu)，并對(duì)其進(jìn)行防腐處理。

6) 砂濾池。1座，其尺寸為Φ9.4 m×4.0 m，有效水深3.5 m，總有效容積243 m3，HRT為2.5 h，采用地上鋼結(jié)構(gòu)，并對(duì)其進(jìn)行防腐處理。

7) 事故池。1座，主要用于儲(chǔ)存發(fā)生事故時(shí)和pH值嚴(yán)重偏高或偏低的廢水。其尺寸為Φ9.8 m×8.0 m，有效水深7.5 m，有效容積565 m3，采用地上鋼結(jié)構(gòu)，并對(duì)其進(jìn)行防腐處理。

8) 污泥濃縮池。1座，其尺寸為Φ7.0 m×7.0 m，采用地上鋼結(jié)構(gòu)，并對(duì)其進(jìn)行防腐處理。

本工程配套設(shè)備包括干法脫硫罐、布水器、潷水器、厭氧臭氣處理系統(tǒng)、疊螺式脫水機(jī)、污水提升泵、羅茨風(fēng)機(jī)、板框壓濾機(jī)等。

3 工程調(diào)試

3.1 UASB調(diào)試

為方便運(yùn)輸，接種污泥取自本地生活污水處理廠脫水消化污泥，接種前，將污泥在調(diào)節(jié)池中攪拌成泥漿狀，先經(jīng)篩網(wǎng)(孔徑3～4 mm)進(jìn)行過(guò)濾，然后用泵將污泥均勻分布至UASB反應(yīng)器中，污泥接種量不低于反應(yīng)器容積的30%。在調(diào)試初期階段采用間歇性進(jìn)水，將COD容積負(fù)荷控制在0.2～0.5 kg·(m3·d)-1，1個(gè)月后調(diào)整為連續(xù)進(jìn)水，并逐步提高COD濃度，最后至容積負(fù)荷接近2.5 kg·(m3·d)-1，期間補(bǔ)充氮源、磷源和適量微量元素等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。調(diào)試過(guò)程中，密切監(jiān)控進(jìn)水量、pH值、溫度、COD、VFA等參數(shù)變化情況，將pH值控制在6.5～7.8，溫度維持在35～40 ℃，VFA控制在3 mmol·L-1左右。每天對(duì)出水COD進(jìn)行定時(shí)取樣監(jiān)測(cè)，連續(xù)10 d去除率穩(wěn)定在80%左右時(shí)，加大進(jìn)水量。運(yùn)行3個(gè)月后，UASB反應(yīng)器污泥濃度增大，沼氣產(chǎn)量穩(wěn)定，COD去除率穩(wěn)定在90%左右。

3.2 CASS反應(yīng)器調(diào)試

CASS反應(yīng)器采用悶曝法進(jìn)行調(diào)試，接種污泥同樣取自本地生活污水處理廠脫水污泥(含水率約80%)，溶化、稀釋后，利用泵將污泥均勻打入CASS池內(nèi)，控制污泥濃度為2 000 mg·L-1，同時(shí)泵入低濃度廢水注滿全池，每天進(jìn)水2次，每次曝氣后沉淀2 h，排出1/3上清液體，并補(bǔ)充新鮮低濃度廢水，連續(xù)小氣量悶曝，期間補(bǔ)充氮源、磷源和適量微量元素等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，控制m(BOD)：m(N)：m(P)=100：5：1，當(dāng)污泥顏色悶曝成黃褐色時(shí)，逐步加大進(jìn)水量，并調(diào)整曝氣量，將反應(yīng)池內(nèi)DO維持在2～3 mg·L-1，使池內(nèi)的微生物種群適應(yīng)待處理的高濃度啤酒廢水，經(jīng)過(guò)2個(gè)月左右的調(diào)試啟動(dòng)后進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行階段[11]。

4 運(yùn)行情況

系統(tǒng)調(diào)試完畢后投入正常運(yùn)行，經(jīng)當(dāng)?shù)丨h(huán)保監(jiān)測(cè)部門連續(xù)監(jiān)測(cè)，結(jié)果表明廢水經(jīng)過(guò)格柵、集水井、水力篩、初沉池、調(diào)節(jié)池、UASB反應(yīng)器、CASS反應(yīng)器、砂濾池處理后出水各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到GB 19821—2005《啤酒工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》表1中標(biāo)準(zhǔn)要求。部分出水水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)見表2。

由表2可知，該工程對(duì)CODCr、BOD5、SS、NH3-N、TP的總?cè)コ史謩e為98.6%、98.8%、93.6%、88.1%、97.6%。

5 技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

該工程總投資為477.64萬(wàn)元，其中土建費(fèi)74.52萬(wàn)元，設(shè)備費(fèi)376.33萬(wàn)元，其他費(fèi)用(設(shè)計(jì)﹑安裝﹑調(diào)試等)為26.79萬(wàn)。運(yùn)行成本為1.51 元·m-3，見表3，比UASB+A/O工藝[1]處理成本2.61元·m-3，具有成本低的優(yōu)點(diǎn)。工程運(yùn)行后，每年可減排CODCr約2 218.5 t，BOD5約1 066.5 t，氨氮約23.8 t，SS約421.2 t，大大減輕了水體污染，為企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供了堅(jiān)實(shí)保障。

表2 各主要構(gòu)筑物處理情況一覽表Tab.2 List of the main structures processing situation

表3 工程運(yùn)行費(fèi)用一覽表Tab.3 Schedule of project operation cost

6 結(jié)論

1) UASB相比IC、EGSB等其他高效厭氧反應(yīng)器，具有投資少、效能高、占地面積小、污泥產(chǎn)量少、流速低、污泥床的截留效果明顯、COD容積負(fù)荷高等優(yōu)點(diǎn)，是整個(gè)組合工藝的核心組成部分，但該反應(yīng)器會(huì)消耗大量的堿，運(yùn)行過(guò)程中需根據(jù)實(shí)際情況增加堿度，防止系統(tǒng)酸化。

2) CASS是SBR的改良型，作為UASB后續(xù)好氧處理工藝，兼具了SBR的優(yōu)點(diǎn)，運(yùn)行管理方便，可連續(xù)進(jìn)水，抗沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)，可根據(jù)進(jìn)、出水水質(zhì)變化情況調(diào)整排水比，對(duì)于UASB反應(yīng)器出水中一些難降解的有機(jī)物，在CASS反應(yīng)器內(nèi)通過(guò)缺氧-好氧交替循環(huán)作用得到最大程度的去除，保證了整套工藝最終出水達(dá)標(biāo)排放，在實(shí)際工程運(yùn)用中具有明顯優(yōu)勢(shì)。

3) 采用UASB+CASS組合工藝處理啤酒廢水能夠取得較好的處理效果，CODCr、BOD5、SS、NH3-N、TP的總?cè)コ史謩e為98.6%、98.8%、93.6%、88.1%、97.6%。出水水質(zhì)穩(wěn)定，各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到GB 19821—2005《啤酒工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》表1中的排放標(biāo)準(zhǔn)。