制糖行業(yè)廢水污染物產(chǎn)排特征及影響因素分析

李嬋媛 侯崢

*1 常勝2 孫澤萍1 楊國權(quán)3 華素蘭3 徐美娟4

（1. 國家級昆明經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)管理委員會 昆明市生態(tài)環(huán)境局經(jīng)開分局，云南昆明 650501；2. 安徽省交通勘察設(shè)計院有限公司，安徽合肥 230011；3. 宜興市祿源項目管理有限公司，江蘇無錫 214200；4. 浙大寧波理工學(xué)院，浙江寧波 315100）

1 引言

食糖不僅在人們的日常生活中必不可少，還是重要的輕工業(yè)原料，在國民經(jīng)濟中占有重要地位［1］。在國際市場上，我國既是食糖生產(chǎn)和消費大國，也是主要的食糖進口國家［2］，在GB/T 4754—2017《國民經(jīng)濟行業(yè)分類》中，制糖屬于“13 農(nóng)副食品”加工業(yè)中的“1340 制糖業(yè)”［3］。據(jù)統(tǒng)計，我國在2020 年累計產(chǎn)糖1 031.04 萬t，位居世界第四，僅次于巴西、歐盟和印度［4］。制糖業(yè)廢水中通常含有碳水化合物、營養(yǎng)物質(zhì)、油脂、氯化物、硫酸鹽、重金屬等污染物，這些污染物一部分屬于生產(chǎn)過后殘余的原料，另一部分則來自用于雜質(zhì)的凝聚和最終產(chǎn)品的提煉所添加的化學(xué)藥品［5］。受生產(chǎn)工藝和管理水平影響，制糖廢水中的化學(xué)需氧量、氨氮、總氮、總磷等常規(guī)性污染物濃度較高，排入水體后會影響水生態(tài)環(huán)境質(zhì)量，其中，對如何有效去除化學(xué)需氧量面臨嚴峻考驗［6］。近年來，我國環(huán)境污染防治力度加大，各類環(huán)保政策及要求相繼出臺?！吨腥A人民共和國環(huán)境保護法》要求企業(yè)采用資源利用率高、污染物排放量少的工藝和設(shè)備，采用廢物綜合利用技術(shù)和污染物無害化處理技術(shù)，以減少污染物的產(chǎn)生［7］；廢水方面，《水污染防治行動計劃》中要求專項整治包括農(nóng)副食品加工等十大重點行業(yè)，實施清潔化改造［8］；此外，水污染防治已被納入我國污染防治攻堅戰(zhàn)的三大領(lǐng)域之一［9-10］。我國的制糖廢水處理工藝、相關(guān)政策制定起步較晚，缺乏對制糖工業(yè)的廢水排放標準及相關(guān)參數(shù)的研究［11］，廢水污染已成為制約我國制糖行業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵因素。因此，研究我國制糖行業(yè)廢水的產(chǎn)排特征及主要影響因素具有重要意義。

本研究對全國主要產(chǎn)糖區(qū)140 余家制糖企業(yè)的產(chǎn)品、原料、規(guī)模、工藝及污染物產(chǎn)生、排放和污染治理技術(shù)等相關(guān)信息開展了調(diào)研與監(jiān)測，基于我國制糖廢水的基本情況和相關(guān)排放標準，從地理分布、制糖原材料、企業(yè)規(guī)模、治理技術(shù)等層面分析了我國制糖廢水排放水平和主要影響因素，以期為未來制糖行業(yè)的水污染防治和相關(guān)部門的管理提供技術(shù)支持。

2 我國制糖行業(yè)廢水排放現(xiàn)狀

我國的糖產(chǎn)量呈現(xiàn)明顯的區(qū)域性分布，其中，以甘蔗糖為原料的南方糖產(chǎn)區(qū)（廣西、云南、廣東等）的產(chǎn)糖量遠高于以甜菜糖為原料的北方糖產(chǎn)區(qū)（新疆、內(nèi)蒙古等）。2019/2020 榨季，甘蔗制糖的產(chǎn)糖比例占全國的86%以上，其中廣西產(chǎn)糖量最大，占全國產(chǎn)糖量的58.44%；其次為云南，產(chǎn)糖量占比為20.06%。同期，甜菜制糖產(chǎn)糖量占全國產(chǎn)糖量的9.91%，新疆和內(nèi)蒙古甜菜制糖產(chǎn)糖量占比分別為5.25%和4.66%。

我國制糖行業(yè)廢水排放主要執(zhí)行GB 21909—2008《制糖工業(yè)水污染物排放標準》，在此基礎(chǔ)上，廣西率先制定和執(zhí)行了DB 451893—2013《甘蔗制糖工業(yè)水污染物排放標準》。國家和地方兩級標準中，典型廢水污染物排放限值對比見表1。廣西制糖原料為甘蔗，作為全國最大的產(chǎn)糖基地，廣西的地方標準相對于國家標準更加嚴格，除總磷外，其他指標值均低于國家標準，廢水污染控制在行業(yè)內(nèi)處于領(lǐng)先水平。

表1 國家制糖工業(yè)水污染物排放標準與廣西地方制糖標準對比 mg/L

3 制糖廢水排放水平及主要影響因素

基于對GB 21909—2008《制糖工業(yè)水污染物排放標準》和DB 451893—2013《甘蔗制糖工業(yè)水污染物排放標準》的比較與分析，選取6 種典型污染物指標（SS，BOD，COD，NH3-N，TN，TP）對我國不同地區(qū)制糖企業(yè)廢水污染物產(chǎn)生及排放濃度進行梳理。結(jié)果表明，分別有60%和54%企業(yè)的NH3-N 及TN 的污染物產(chǎn)生濃度已經(jīng)達到GB 21909—2008《制糖工業(yè)水污染物排放標準》的要求，處理后排放濃度遠低于該標準。因此，本文以產(chǎn)生濃度高于排放標準的SS，BOD，COD 和TP 作為判斷制糖廢水排放水平的主要指標。另外，我國制糖行業(yè)的主要差異可以歸納為分布區(qū)域、原料以及產(chǎn)業(yè)規(guī)模，而廢水處理技術(shù)也對最終廢水排放是否達標起到至關(guān)重要的作用。因此，將上述4 個因素作為制糖廢水排放水平的主要影響因素進一步進行分析。

3.1 地理位置影響

2019/2020 榨季主要產(chǎn)糖區(qū)制糖企業(yè)的SS，BOD，COD 和TP 4 種污染物的濃度均值與去除率如圖1 所示。

圖1 2019/2020 榨季我國主要地區(qū)制糖企業(yè)水污染物濃度均值和去除率

總體來看，雖然廣西、云南、廣東、新疆和內(nèi)蒙古的主要4 種廢水污染物排放濃度均值均低于GB 21909—2008《制糖工業(yè)水污染物排放標準》，然而，分布區(qū)域?qū)ξ廴疚锱欧潘接绊懸廊皇置黠@，南方地區(qū)污染物產(chǎn)生濃度遠低于北方，除TP 以外，SS，BOD 和COD 的排放濃度均值由低到高依次為廣西、云南、廣東、新疆、內(nèi)蒙古，由此可見，南方較北方的制糖廢水中污染物排放濃度更低，其中，廣西排放的廢水污染水平最低。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因一方面是制糖業(yè)具有較為明顯的規(guī)模效應(yīng)，制糖產(chǎn)業(yè)在南方地區(qū)的規(guī)?；彤a(chǎn)業(yè)聚集效應(yīng)使得其生產(chǎn)技術(shù)更為先進，污染物產(chǎn)生量較少；另一方面則是由于地理位置所引起的自然條件差異，南方水資源充足，水循環(huán)次數(shù)少，污染物產(chǎn)排濃度較低。除此之外，政策的導(dǎo)向也起到重要作用，2015 年，廣西發(fā)布了DB 45/T 1188—2015《甘蔗制糖行業(yè)清潔生產(chǎn)評價指標體系》及針對制糖行業(yè)的“三不允許和兩不予”等標準、政策，嚴格的標準和政策的執(zhí)行對制糖行業(yè)廢水污染物減排形成倒逼作用。

對于TP 而言，排放濃度最低的是云南，其次是廣西、新疆、廣東和內(nèi)蒙古，從總量上來看，區(qū)域差異對于TP 的排放影響并不明顯，這主要是因為TP 的進水濃度不高，相較于其他污染物，受天氣、原料品質(zhì)等不確定因素影響更大。從污染物去除率的角度來看，雖然在進水側(cè)新疆、內(nèi)蒙古的污染物濃度遠高于廣西、云南、廣東，但是最終的去除率卻呈現(xiàn)相反的結(jié)果。這在一定程度上說明進水中的大部分污染物可以通過企業(yè)內(nèi)部污水處理單元去除，地理位置的差異并不是影響制糖業(yè)廢水排放的唯一因素。

3.2 原料和工藝影響

目前，我國甘蔗制糖的主要工藝為亞硫酸法，而甜菜制糖的工藝為碳酸法。因此，把原料和工藝一并分析，探討其對單位產(chǎn)品污染物濃度的影響，結(jié)果如圖2 所示。

圖2 不同原料與對應(yīng)生產(chǎn)工藝對污染物排放水平影響

不同原料對廢水中單位產(chǎn)品污染物排放濃度有明顯影響（見圖2a）。甘蔗制糖的SS，BOD，COD 的單位產(chǎn)品污染物排放濃度分別為甜菜制糖的單位產(chǎn)品污染物排放濃度的1/6，1/11，1/10。從原料本身特點來講，造成這一現(xiàn)象的主要原因有兩點：（1）北方的甜菜生長在地下，需用水清洗其表面附帶的泥土，此時土壤中大量污染物會隨之進入廢水中，而南方的甘蔗生長在地面上，沒有太多泥土等雜物，無需清洗，無清洗廢水產(chǎn)生；（2）甜菜長時間儲存導(dǎo)致部分腐爛，在極端的天氣下還會造成生產(chǎn)期較長的企業(yè)出現(xiàn)甜菜爛垛的現(xiàn)象，在清洗時部分糖分進入水中導(dǎo)致廢水中有機污染物濃度升高。制糖的生產(chǎn)過程（見圖2b）為提汁、清凈、蒸發(fā)、結(jié)晶、分蜜、干燥、成品，其中在壓榨裝備、熱力方案、煮煉方案、分蜜等工段的自動化程度不高，我國節(jié)能減排措施雖然在制糖生產(chǎn)過程中逐年加大力度，但效果并不明顯，而巴西和墨西哥等國已經(jīng)在自動化制糖工藝方面顯著提高效率，同時有效降碳［12］。不同原料對應(yīng)的生產(chǎn)工藝為石灰法和亞硫酸法，兩種工藝的主要差異在雜質(zhì)沉淀工藝環(huán)節(jié)，石灰法是通過多次在CO2氣氛下循環(huán)的方式完成沉淀，而亞硫酸法則主要依靠分步添加SO2［13］。在以甜菜為原料制糖的過程中，隨著時間的推移，甜菜制糖的流送水多次循環(huán)后，COD 的濃度也逐漸累積升高，這導(dǎo)致了甜菜制糖廢水污染物濃度高于甘蔗制糖。但相比于亞硫酸法，石灰法具有產(chǎn)品品質(zhì)高、無毒副產(chǎn)物等特點，是優(yōu)質(zhì)的生產(chǎn)工藝［14］，因此，降低廢水排放水平仍應(yīng)著力于對現(xiàn)有工藝的改進和創(chuàng)新，協(xié)調(diào)工藝技術(shù)特性與廢水減排的需求。

3.3 產(chǎn)業(yè)規(guī)模影響

參照相關(guān)規(guī)定，將甘蔗制糖生產(chǎn)規(guī)模分為5 000 t/d 以下和5 000 t/d 以上，甜菜制糖生產(chǎn)規(guī)模分為3 000 t/d 以下和3 000 t/d 以上［12］。生產(chǎn)規(guī)模與制糖廢水單位產(chǎn)品污染物排放濃度的關(guān)系如圖3所示。

圖3 生產(chǎn)規(guī)模對制糖廢水單位產(chǎn)品污染物排放濃度影響

甘蔗制糖生產(chǎn)規(guī)模5 000 t/d 以下企業(yè)4 種污染物的單位產(chǎn)品污染物排放濃度均值全部大于規(guī)模5 000 t/d 以上的制糖企業(yè)，甜菜制糖3 000 t/d 以下企業(yè)4 種污染物的單位產(chǎn)品污染物排放濃度均值也全部大于規(guī)模3 000 t/d 以上的制糖企業(yè)。結(jié)果表明，生產(chǎn)規(guī)模越大，制糖企業(yè)的單位產(chǎn)品污染物排放濃度越低，制糖行業(yè)的規(guī)?；兄谖鬯欧艥舛冉档汀哪┒酥卫韥砜?，大型的企業(yè)集群往往可以獲得更高的利潤，相應(yīng)的污水治理投入也更多；從生產(chǎn)工藝來看，生產(chǎn)的規(guī)?；兄谳^為優(yōu)秀的人才和先進技術(shù)的引進，可提高資源利用水平，并有效減少生產(chǎn)工藝環(huán)節(jié)所產(chǎn)生的污染。除此之外，不同規(guī)模的企業(yè)TP 排放水平并未出現(xiàn)明顯差異，這說明規(guī)?；鸬腡P 減排效果存在明顯的邊際效應(yīng)，TP 受其影響不大。由上述分析可知，我國制糖行業(yè)的潛在減排空間主要在于規(guī)模較小的制糖企業(yè)，規(guī)?；?、大型化是行業(yè)未來的發(fā)展方向。

3.4 廢水處理技術(shù)影響

制糖工業(yè)中一級處理包括過濾、沉淀等步驟，由于制糖工業(yè)廢水中含有大量易降解的糖類和揮發(fā)性脂肪酸，因此適用所有的生物（厭氧和好氧）處理工藝，所以二級處理通常選用生物法［13-14］。數(shù)據(jù)分析表明，甘蔗制糖廢水的末端治理技術(shù)主要為水解酸化＋活性污泥法、活性污泥法、周期循環(huán)式活性污泥法3種處理工藝。甜菜制糖廢水主要采用水解酸化＋活性污泥法、上流式厭氧污泥床＋活性污泥法。

利用各污染物的去除率分析不同的末端治理技術(shù)對制糖廢水污染物去除率的影響，結(jié)果如圖4 所示。

圖4 不同的末端治理技術(shù)對制糖廢水污染物去除率的影響

由圖4 可以看出，不同的廢水處理技術(shù)對廢水中的污染物去除效果各有優(yōu)劣。為了消除原料不同帶來的影響，分別對甘蔗和甜菜制糖的末端治理技術(shù)進行分析。從圖4a 可以看出，除TP 外，甘蔗制糖廢水處理的3 種主流工藝對SS，BOD，COD 的去除效果最好的是周期循環(huán)式活性污泥法，去除率分別為88.86%，97.74%，96.65%，其次是水解酸化＋活性污泥法，去除率分別為87.51%，93.63%，90.69%，最差的是活性污泥法，去除率分別為86.69%，86.73%，87.72%。通過圖4b 中甜菜制糖的2 種末端治理技術(shù)的對比發(fā)現(xiàn)，上流式厭氧污泥床＋活性污泥法比水解酸化＋活性污泥法對廢水中污染物的去除效果更好，前者的SS，BOD，COD 的去除率分別為85.88%，98.70%，97.49%。從總體上看，不同種技術(shù)均能對制糖行業(yè)廢水實現(xiàn)達標處理，其中，SS 的處理效果并沒有明顯差異，這說明上述5 種常用技術(shù)均能對廢水中的SS 進行有效沉淀；而對于COD 和BOD，單獨使用活性污泥法則無法達到較高的去除率，這可以歸因于以好氧作用為主的活性污泥法無法適應(yīng)制糖廢水較高的污染物負荷，而由于周期性循環(huán)污泥法和上流式厭氧污泥床等技術(shù)具有一定的厭氧處理過程，在降低制糖廢水的治理中占有優(yōu)勢；不同工藝對于TP 的處理效果差別很大，帶有水解酸化環(huán)節(jié)的技術(shù)對TP 的去除率更高，而水解酸化的主要作用是對蛋白質(zhì)、長碳鏈碳水化合物的分解作用［15］，說明水解酸化對于TP 的促進作用是為后續(xù)工藝中的生物除磷提供穩(wěn)定且可利用的底物。

值得注意的是，制糖行業(yè)廢水末端處理技術(shù)實際上是針對營養(yǎng)的去除。然而，營養(yǎng)對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)至關(guān)重要，具有很高的經(jīng)濟價值。我國許多地區(qū)正面臨著有機碳、氮、磷的巨大失衡，其中，磷一直是我國乃至世界的重要戰(zhàn)略型資源［16］。形成氮、磷循環(huán)的閉環(huán)將成為未來幾十年的主要挑戰(zhàn)，從嚴格的末端處理到資源化導(dǎo)向的技術(shù)多樣化是實現(xiàn)區(qū)域內(nèi)營養(yǎng)平衡的有效手段，而不是以高昂的治理費用通過末端處理工藝消耗和破壞有價值的營養(yǎng)物質(zhì)。

4 我國制糖行業(yè)廢水減排路徑探討

我國制糖業(yè)中，糖類產(chǎn)品原料（如甘蔗）需要消耗大量水資源去種植作物，而在排放末端這些水耗又轉(zhuǎn)化成為難以處理的廢水，同時，在不同的預(yù)處理和生產(chǎn)配置下，由于化學(xué)助劑進入制糖工藝的水循環(huán)中，大量的廢水和較高的污染負荷是制糖廢水處理中無法避免的難題。因此，降低生產(chǎn)水耗和生產(chǎn)工藝升級是我國制糖業(yè)廢水減排的2 項可行性策略。在節(jié)水降耗方面，由于原料本身攜帶有充足的水分，具備補充生產(chǎn)用水的潛力，例如對廢水清污分流后，清水經(jīng)軟化后作為蒸發(fā)結(jié)晶、濃縮提純等工藝用水進行循環(huán)使用，實現(xiàn)近零取水等措施，提高水資源利用率，從源頭削減末端廢水排放量［17］；在生產(chǎn)工藝升級方面，可以借鑒發(fā)達國家膜法制糖和生物澄清等先進技術(shù)［18-19］，減少化學(xué)品的投加，提高原料的轉(zhuǎn)化率，在降低污染物排放的同時增加經(jīng)濟效益。

在節(jié)能方面，通過節(jié)能提高糖廠經(jīng)濟效益的潛力還很大［20］。歐美國家的甜菜糖廠和精煉糖廠的降碳技術(shù)比較先進，其中丹麥DDS 標煤耗對甜菜比約為3%；德國BMA 公司在20 世紀90 年代的汽耗對甜菜比已降低到25%～32%。在煉糖方面，歐美國家加工1 t 原糖耗能（3.5～4.2）×106kJ，為0.12～0.14噸標煤。因此，我國在制糖的廢水處理技術(shù)、工藝節(jié)能降碳、降低經(jīng)濟成本等方面仍存在較大的提升空間，合理制定深度處理工藝、精細化制定廢水排放政策將是未來我國制糖行業(yè)需要進一步發(fā)展和推廣的主要方面。

除此之外，廢水資源化也應(yīng)引起重視。在制糖行業(yè)，對于固體廢物的再利用技術(shù)已經(jīng)有了廣泛應(yīng)用，如甘蔗渣造紙、壓泥制乙醇等［21］。制糖廢水完全可以利用其營養(yǎng)物質(zhì)豐富的特點作為農(nóng)田的灌溉用水，當然，為了避免廢水中的化學(xué)藥品所造成的土壤鹽堿化和重金屬沉積帶來的環(huán)境問題，上述設(shè)想必須依托于清污分流和生產(chǎn)工藝的升級。另外，生產(chǎn)廢液也可以同廢渣一樣，作為底物生產(chǎn)的生物能源，以提高經(jīng)濟效益并降低碳排放，如廢液生物制氫、制生物柴油等技術(shù)在國際領(lǐng)域已經(jīng)開展過研究［22］。

5 結(jié)論

（1）甘蔗制糖的產(chǎn)糖比例占全國的86%以上，其中廣西產(chǎn)糖量最大，占全國產(chǎn)糖量的58.44%；南方制糖原料為甘蔗，廢水污染物產(chǎn)生和排放水平普遍低于以甘蔗為原材料的北方，另外，南方部分地區(qū)嚴于國標的排放標準和管理政策的執(zhí)行對制糖行業(yè)的污水減排產(chǎn)生倒逼作用。

（2）制糖行業(yè)廢水污染物排放強度隨著生產(chǎn)規(guī)模的增加而降低，生產(chǎn)的規(guī)?；瘞磔^高的污水治理投入和先進的工藝技術(shù)，有助于減少污染物排放；我國制糖行業(yè)的潛在減排空間主要在于規(guī)模較小的企業(yè)，規(guī)模化、大型化和全過程減排是未來的發(fā)展方向。

（3）不同技術(shù)對于SS 的處理效果并沒有明顯差異，而對于COD 和BOD，單獨使用活性污泥法則無法達到較高的去除率，需要增加厭氧過程；帶有水解酸化環(huán)節(jié)的技術(shù)對TP 的去除率更高。相比于末端治理，降低生產(chǎn)水耗和升級生產(chǎn)工藝是我國制糖業(yè)廢水減排的2 項可行性策略。