食品工業(yè)廢水處理技術研究進展

陳柳州，趙泉林，葉正芳

(北京大學 環(huán)境科學與工程學院水沙科學教育部重點實驗室，北京 100871)

在全世界范圍來看，大約有超過三分之二的淡水資源提取用于糧食生產(chǎn)，在某些國家甚至達到了90%。食品工業(yè)被認為是三大工業(yè)用水行業(yè)之一[1]。食品工業(yè)的快速發(fā)展，為經(jīng)濟的推動注入了巨大的動力，但同時也需要意識到生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的大量廢水給生態(tài)環(huán)境造成的損害。并且，由于世界上許多地區(qū)的淡水資源處于匱乏的狀態(tài)或者瀕臨枯竭，促使人們開始不斷重視食品工業(yè)廢水的處理和再利用。

1 食品工業(yè)廢水概述

1.1 我國食品工業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

根據(jù)國家統(tǒng)計局數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，2016年，食品工業(yè)資產(chǎn)占全國工業(yè)總資產(chǎn)的7.1%，主營業(yè)務收入高達10.4%，總利潤額占12.0%；2017年，我國食品行業(yè)的主要產(chǎn)品除成品糖外均保持著增長的態(tài)勢，食品行業(yè)的主營收入為21 260.3億元，增長了8.3%，行業(yè)利潤總額達1 678.2億元，增長了7.3%[2]。不同行業(yè)由于選用的原料、生產(chǎn)流程和要求不同，所需水量不同，因此產(chǎn)生的廢水污染物種類和濃度、廢水水量也具有較大的差異性[3]。相對而言，屠宰廠等肉類加工業(yè)用水較多[4]。

1.2 食品工業(yè)廢水來源

總體上看，食品工業(yè)生產(chǎn)需要經(jīng)過3個主要的過程：原料清洗階段、生產(chǎn)階段和成形階段。第1階段中，利用大量的清水沖洗原料，去除其中攜帶的雜物如皮、毛、葉以及砂土等，廢水中的污染物主要是一些懸浮物、天然色素和脂類物質等；第2階段中，生產(chǎn)工藝無法保證對原料的百分百利用，使得部分原料中的物質進入廢水，導致其中的有機物含量升高；第3階段中，生產(chǎn)商為了提高產(chǎn)品的品質、延長保鮮時間等，加入的食品添加劑(如甜味劑、色素)和防腐劑等也會部分進入廢水中，增加了食品工業(yè)廢水的復雜性[5]。

1.3 食品工業(yè)廢水特性

從整體上看，食品工業(yè)廢水主要具有3個特性：(1)廢水排放量、污染物種類和濃度受到原料種類、行業(yè)規(guī)模、加工方式和季節(jié)變化等方面的影響。(2)廢水中有機物、氮磷含量較高，具有良好的可生化性。由于食品工業(yè)選用的原料多來自于自然界中的動物、植物、真菌等，在加工處理過程中就會導致大量的有機物和氮磷流失到廢水中。(3)廢水中含有多種微生物，容易使廢水在微生物的厭氧發(fā)酵作用下產(chǎn)生臭味。

2 食品工業(yè)廢水處理方法

總體來看，具有不同作用原理的物理法、化學法、物化法和生物法是處理食品工業(yè)廢水的主要方法[6]。其中，物理法包括重力沉降、氣浮[7]和普通過濾等[8]，主要用于廢水的預處理，以去除廢水中大量的懸浮物和成懸浮態(tài)的油脂等物質?；瘜W法主要是通過投加化學試劑對廢水進行處理，包括水解[9]、混凝[10]、離子交換[11]、化學氧化法、高級氧化法等；物化法主要包括膜技術和吸附法；生物法即借助微生物在代謝過程中產(chǎn)生的作用，實現(xiàn)對廢水的處理。

2.1 化學法

2.1.2 高級氧化法 隨著食品工業(yè)的發(fā)展，食用色素和其他食品添加劑成為了廢水中的一類難降解物質，從而促使研究者們不斷開發(fā)新型強氧化物質[15]。人們發(fā)現(xiàn)羥基自由基(·OH)具有很強的氧化活性，高級氧化法便以此作為主要的氧化劑，通過化學反應分解廢水中的難以被生物降解或者對生物具有毒害作用的有機污染物[16]。H2O2/UV法、芬頓試劑法、電化學氧化法、超聲氧化法、光催化氧化法和超臨界水氧化法等都屬于高級氧化法的范疇。

電化學氧化已經(jīng)廣泛用于食品工業(yè)廢水的前處理和后處理研究中[17-18]。常見電化學高級氧化技術包括陽極氧化技術、電芬頓技術、電化學過氧化技術等[19]。Sahu等[20]利用間歇式和連續(xù)式電絮凝-混凝工藝處理制糖工業(yè)廢水，通過控制反應條件可以使COD和色度的降解率分別達到98%和99.5%。光催化氧化法是利用光照，在催化劑表面產(chǎn)生強氧化性自由基實現(xiàn)對污染物的降解。Barakata等[21]構建了一種Ni(OH)2/氧化石墨烯/TiO2的三元納米材料用于乳品廢水的預處理，通過提高廢水的可生化性，促進廢水的生物降解。

2.2 物化法

2.2.1 膜技術 膜技術主要借助半透膜的選擇透過性，通過加壓等手段將膜兩側的能量差轉變?yōu)橥苿恿?，只允許混合物中的特定組分透過，從而實現(xiàn)污染物截留的作用。食品工業(yè)很早就引入了膜技術，它不僅可用于水果、植物汁液和提取物的溫和低溫處理，還可用于廢水的處理[22]。Hernandez等[23]利用超濾-反滲透兩段膜工藝對某一食品加工廠的廢水進行處理，超濾目的是去除膠體物質和二價鹽，降低TS和COD；而反滲透目的是去除一價鹽和殘留有機物，以提高水質。

2.2.2 吸附法 廣義上講，吸附是一種基于表面的傳質過程。在化學鍵或者物理吸引力作用下，使流經(jīng)多孔固體的流體中的單一組分或多個組分被積累在固體表面。吸附效果受到吸附劑和廢水自身含有的特性以及吸附實驗條件等因素的影響[24]。Irawan等[25]利用橡膠殼制備的改性活性炭對豆腐廢水進行處理，探討了吸附劑顆粒的大小、用量和改性情況對吸附的影響，不斷改進操作條件后可以使COD、BOD和TSS的去除率分別達到93.92%,91.61%,75.13%。張文濤[2]制備了一系列基于鉬硫的納米材料，用于食品工業(yè)廢水中吸附油脂和重金屬、滅菌以及降解色素，顯示出良好的廢水凈化性能。Ayu等[26]采用混凝、沉淀、吸附的三級處理方式去除食品廢水中的污染物，并將處理后的水回用于食品加工業(yè)。

2.3 生物法

由于生產(chǎn)的第2階段中部分原材料進入廢水中，使得BOD、COD濃度高，同時又具有良好的可生化性，因此可采用生物法進行處理。微生物在新陳代謝的過程中，利用酶的催化作用實現(xiàn)對廢水中污染物的分解和轉化。主要可以分為好氧生物法、厭氧生物法以及好氧/厭氧聯(lián)用生物法。

2.3.1 好氧生物法 好氧生物法是利用好氧微生物在污水中含有分子氧時降解有機物。根據(jù)微生物的存在狀態(tài)，主要可以分為2種。第1種污水中的微生物以活性污泥絮體的形態(tài)懸浮生長，以序批式活性污泥法為代表(活性污泥系統(tǒng))；第2種則附著生長在載體表面形成生物膜，以曝氣生物濾池為代表(生物膜系統(tǒng))。相較之下，微生物附著式生長系統(tǒng)具有更高的生物量，系統(tǒng)結構也更加緊湊[27]。除此以外，將活性污泥法與膜工藝結合的膜生物反應器在食品工業(yè)廢水處理中也應用較多。

(1)序批式活性污泥法

序批式活性污泥法是通過“進水-反應-沉淀-排水-排泥”交替進行，使廢水中的污染物隨著時間推移而被降解的一種間歇性活性污泥法。與傳統(tǒng)的連續(xù)性活性污泥法相比，它的系統(tǒng)組成簡單，可以提供較大的反應推動力，承受較大的沖擊負荷。Ansiha等[28]設計構建了兩段式序批式活性污泥反應器處理豆腐廢水，使每個反應器對BOD、COD和TSS的去除率都可以分別達到80%,85%,85%。Chinh等[29]利用序批式好氧污泥顆粒處理越南某面條生產(chǎn)村的廢水，經(jīng)過兩個月的運行，對化學需氧量、總氮和總磷的去除效率分別達到92%,83%,75%。

(2)曝氣生物濾池

鞏膜扣帶術包括鞏膜加壓術、環(huán)扎術，其通過在眼球壁上加壓，造成鞏膜向內(nèi)壓陷頂壓裂孔，促使脫離的視網(wǎng)膜神經(jīng)上皮與色素上皮接觸復位。鞏膜扣帶術常用于局限性視網(wǎng)膜脫離或周邊裂孔引起的視網(wǎng)膜脫離，尤其適用于有晶狀體眼的年輕患者。鞏膜扣帶或鞏膜環(huán)扎術后常見的并發(fā)癥包括屈光度改變、感染、眼前段缺血、青光眼、鞏膜扣帶/環(huán)扎帶脫出或腐蝕、漿液性脈絡膜脫離、黃斑囊樣水腫、黃斑前膜、黃斑皺褶及復視[1，2]。鞏膜全層腐蝕熔解是其中較為罕見的并發(fā)癥，常見于病理性近視等鞏膜較薄的患者，可致持續(xù)性的低眼壓與眼球萎縮[3]。

曝氣生物濾池又稱顆粒填料生物濾池，最初起源于歐洲。與傳統(tǒng)的活性污泥法相比，曝氣生物濾池中的微生物濃度高，不需要二沉池，占地面積小。該工藝通過填裝不同的填料，使微生物附著其上，在填料的截留和污染物代謝共同作用下實現(xiàn)對污染物的降解，可分為上向流式和下向流式。Chen等[30]的中試結果表明，曝氣生物濾池系統(tǒng)對豬場廢水污染物BOD5、COD、TN和NH3-N的去除率均在82%以上。

(3)膜生物反應器

傳統(tǒng)活性污泥處理需要構建二沉池使出水澄清，而膜生物反應器則引入了膜過濾技術，更加快捷高效的分離固液相，具有更高的出水水質、更小的占地面積以及更容易操作和管理等優(yōu)點[31]，可用于食品廢水處理，如乳品廢水、肉類廢水等。AL-Saadi[32]構建了兩段膜生物反應器系統(tǒng)處理羅馬尼亞某肉類加工廠的食品工業(yè)廢水，并在反沖洗的過程中投加NaClO，該系統(tǒng)對濁度、TSS、BOD和COD的去除率分別為99.96%,89.52%,93.56%,99.36%。

2.3.2 厭氧生物法 厭氧生物法是利用兼性細菌和厭氧細菌在沒有分子氧及化合態(tài)氧存在的情況下降解有機物，適宜處理高濃度有機污水。在食品工業(yè)廢水處理中，升流式厭氧污泥床、膨脹顆粒污泥床和厭氧折流板反應器等較為常見。

(1)升流式厭氧污泥床

升流式厭氧污泥床利用反應器底部高活性厭氧污泥層實現(xiàn)對污染物的降解，反應器上部設置三相分離器將氣、液、固三相分開，處理效率高，可以承受更大的有機負荷。Artsupho等[33]采用升流式厭氧污泥床工藝對制糖廢水進行處理，通過將電廠冷凝水和廢水混合，分析了系統(tǒng)運行中溫度對處理效率的影響，通過調控溫度為29～40 ℃時，可以使揮發(fā)性酸和化學需氧量的去除率達到92%左右。

(2)顆粒污泥膨脹床

顆粒污泥膨脹床是升流式厭氧污泥床和厭氧流化床的結合體，開始運行時選擇將厭氧顆粒污泥直接接種，縮短了啟動時間，具有高效性、高有機負荷、更短停留時間和抗沖擊負荷等特定。將顆粒污泥膨脹床用于咖啡加工廢水[34]和奶酪乳清廢水[35]，均可以去除90%以上的COD。Mortezaei等[36]利用顆粒污泥膨脹床-固定床復合反應器對酸奶廢水進行處理，采用響應面法確定最適條件，可以在27 h內(nèi)使進水COD的去除率達到90%。

(3)厭氧折流板反應器

厭氧折流板反應器設置了一系列垂直隔板，廢水進入反應器后以升流形式進入每一個折板反應區(qū)，使廢水與活性生物質接觸，可視為一種串聯(lián)安裝的升流式厭氧污泥床反應器，其中有機化合物濃度沿反應器變化，可導致不同格室的微生物增長數(shù)量不同[37]。Putra等[38]利用厭氧折流板反應器處理有機物含量為140 g/L的魚粉廢水，運行200 d后，反應器的總化學需氧量平均去除率為98%。

3 結語

上述三種方法中，化學法對難生物降解的污染物具有較好的處理效果但因化學試劑的投加和副反應的發(fā)生容易造成二次污染；物化法處理效果好但成本較高；生物法可以對大多數(shù)污染物實現(xiàn)降解，成本較低，處理量大，還能對能源回收利用但占地面積也大。為實現(xiàn)食品工業(yè)廢水的快速高效、低成本處理，應將今后的發(fā)展方向定位在物化、化學和生物法的聯(lián)合應用上，使得食品工業(yè)廢水得到快速高效的處理，同時降低能耗，減少二次污染。