高潔凈低能耗背景下啤酒廢水處理新工藝研究

王存彥，劉智慧，徐亞萍，徐亞慧

(華夏碧水環(huán)保科技股份有限公司，河南 鄭州 450000)

我國(guó)是啤酒生產(chǎn)和消費(fèi)大國(guó)，啤酒廢水量為啤酒產(chǎn)量的3～10倍。2020年，我國(guó)啤酒產(chǎn)量約為0.34億m3，伴隨產(chǎn)生的啤酒廢水量為1.02億～3.40億m3[1-6]。啤酒生產(chǎn)是高耗水行業(yè)，廢水主要產(chǎn)生于啤酒生產(chǎn)過程的糖化、發(fā)酵等工序，具有水質(zhì)水量差異大、可生化性好等特點(diǎn)，主要包含有酵母菌殘?bào)w、糖類、酒花殘?jiān)?、醇類、揮發(fā)性脂肪酸等[7-10]。常用的啤酒廢水處理工藝為厭氧處理和好氧處理的組合工藝[11-13]。其中，厭氧處理工藝有升流式厭氧污泥床、厭氧序批式反應(yīng)器、厭氧膨脹顆粒污泥床等，而好氧處理工藝有生物膜法、活性污泥法等。近年來，隨著國(guó)家節(jié)能減排和綠色發(fā)展理念的提出，啤酒生產(chǎn)將節(jié)水納入了所有生產(chǎn)環(huán)節(jié)，啤酒噸水水耗下降且對(duì)洗瓶質(zhì)量要求增高，啤酒的生產(chǎn)制作中添加的潤(rùn)滑劑、洗瓶劑、殺菌劑等倍增，這嚴(yán)重降低了啤酒廢水的可生化性，系統(tǒng)穩(wěn)定性差，使得啤酒廢水的處理難度和處理成本增加。

目前，啤酒廢水處理面臨生物毒性高、抗沖擊力差、出水不穩(wěn)定、運(yùn)行成本高等技術(shù)難題。因此，尋找一種穩(wěn)定高效的啤酒廢水處理工藝，是目前啤酒廢水處理面臨的新挑戰(zhàn)。基于此，研究借助微生物的厭氧—好氧組合生化處理工藝的優(yōu)勢(shì)，首次提出了對(duì)啤酒廢水分質(zhì)分流預(yù)處理以及中水回用的理念，即預(yù)處理+生化處理+回用水深度處理。根據(jù)廢水的水質(zhì)特點(diǎn)，將釀造廢水和包裝廢水單獨(dú)預(yù)處理，采用“強(qiáng)化循環(huán)的厭氧反應(yīng)器+好氧工藝+二沉池+纖維轉(zhuǎn)盤過濾”作為廢水處理站的主工藝，最后增設(shè)中水回用裝置，探索出一條節(jié)能降耗、無污染、低成本的處理工藝。浙江省某啤酒廠案例的成功實(shí)施，為啤酒廢水的處理提供了可靠的理論依據(jù)和技術(shù)支撐，對(duì)啤酒行業(yè)的技術(shù)革新和長(zhǎng)久發(fā)展具有重要意義。

1 工程概況

該工程位于浙江省，設(shè)計(jì)廢水處理規(guī)模6 000 m3/d，所產(chǎn)生的啤酒廢水具有如下特點(diǎn)：①?gòu)U水來源復(fù)雜多樣，廢水量大，水質(zhì)水量波動(dòng)較大；②廢水主要含有大量的糖類、醇類、氨基酸、果膠、啤酒花、維生素、蛋白化合物及包裝車間的有機(jī)物和少量無機(jī)鹽類等；③廢水具有一定的可生化性[14]，但廢水中的生物毒性較強(qiáng)，會(huì)造成生化系統(tǒng)處于失穩(wěn)狀態(tài)。

各主要生產(chǎn)工段廢水水質(zhì)特點(diǎn)：①糖化廢水，屬高濃度有機(jī)廢水，pH值為5～7，弱酸性。其中，COD為5 000～10 000 mg/L，間歇排放。②發(fā)酵廢水，屬中濃度有機(jī)廢水，pH值為5～7，弱酸性。COD為2 000～3 000 mg/L，間歇排放。③包裝廢水，屬低濃度有機(jī)廢水，pH值為8～14，堿性。COD為200～800 mg/L，連續(xù)排放。

項(xiàng)目設(shè)計(jì)出水水質(zhì)滿足《啤酒工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 19821—2005)一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，該工程進(jìn)出水水質(zhì)見表1。

表1 浙江省某啤酒污水處理廠進(jìn)出水水質(zhì)Tab.1 Inlet and outlet water quality of a brewery wastewater treatment plant in Zhejiang Province

根據(jù)進(jìn)出水水質(zhì)情況以及排放標(biāo)準(zhǔn)，工程處理工藝需對(duì)污水中的有機(jī)物、懸浮物、氮、磷具有良好的去除效果。由于啤酒廢水釀造廢水和洗瓶廢水的有機(jī)物含量和毒性差異較大[15]，根據(jù)以往的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)以及節(jié)能降耗的角度考慮，該工程工藝對(duì)啤酒釀造廢水和洗瓶廢水采用分流分質(zhì)預(yù)處理以降低廢水中的化學(xué)品毒性，并保障后續(xù)生化工藝穩(wěn)定運(yùn)行。廢水主工藝段采用“強(qiáng)化循環(huán)的厭氧反應(yīng)器+好氧工藝+二沉池+纖維轉(zhuǎn)盤過濾”工藝，實(shí)現(xiàn)對(duì)污染物的高效去除和出水穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。其中，強(qiáng)化循環(huán)的厭氧反應(yīng)器通過射流混合布水技術(shù)、沼氣強(qiáng)化循環(huán)及廢水內(nèi)外循環(huán)技術(shù)以緩沖廢水的毒性，保證水流剪切力，維持有機(jī)負(fù)荷穩(wěn)定[16-18]。厭氧階段產(chǎn)生的沼氣，經(jīng)脫硫凈化制蒸汽技術(shù)回用于鍋爐燃燒，實(shí)現(xiàn)能源化，降低企業(yè)運(yùn)行成本。最后，該工程采用“多介質(zhì)過濾+超濾+反滲透”結(jié)合工藝首次實(shí)現(xiàn)啤酒中水回用，有效截留水中的無機(jī)離子、膠體物質(zhì)和大分子溶質(zhì)，回用到生產(chǎn)或外售，實(shí)現(xiàn)水的資源化利用。上述工藝的具體流程如圖1所示。

2 主要構(gòu)筑物設(shè)計(jì)和工程特點(diǎn)

該工程污水站罐體采用先進(jìn)的利浦罐工藝，實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵工藝段裝備化，具有制作周期短、使用壽命長(zhǎng)、氣密性能好、造價(jià)成本低、外形美觀且可重復(fù)利用等優(yōu)勢(shì)。

(1)初沉罐。2座，均為利浦罐結(jié)構(gòu)，1座包裝初沉罐，1座釀造初沉罐，包裝初沉池設(shè)計(jì)尺寸為φ10.10 mm×6.50 m，有效水深6.00 m，有效池容480.47 m3，水力停留時(shí)間6.41 h，表面負(fù)荷0.94 m3/(m2·h)；釀造初沉池設(shè)計(jì)尺寸φ13.10 mm×6.50 m，有效水深6.00 m，有效池容808.28 m3，水力停留時(shí)間4.62 h，表面負(fù)荷1.30 m3/(m2·h)。因啤酒廢水中含有的懸浮物雜質(zhì)較多，需要將易沉淀的雜質(zhì)去除，降低后續(xù)處理負(fù)荷。

圖1 污水處理工藝流程Fig.1 Process flow of wastewater treatment

(2)調(diào)節(jié)罐。2座，均為利浦罐結(jié)構(gòu)，1座包裝調(diào)節(jié)罐，1座釀造調(diào)節(jié)罐，包裝調(diào)節(jié)罐設(shè)計(jì)尺寸φ16.40 mm×6.00 m，有效水深5.50 m，有效池容為1 161.23 m3，水力停留時(shí)間15.48 h；釀造調(diào)節(jié)罐設(shè)計(jì)尺寸φ21.00 mm×6.00 m，有效水深5.50 m，有效池容1 904.02 m3，水力停留時(shí)間10.88 h。因各車間的廢水水質(zhì)有差異，污染物濃度以及pH各不相同，調(diào)節(jié)罐不僅起到均質(zhì)均量的作用，還能改善厭氧生化的反應(yīng)條件、提高揮發(fā)性脂肪酸的含量。

(3)強(qiáng)化循環(huán)的厭氧反應(yīng)器。2座，利浦罐結(jié)構(gòu)，單座設(shè)計(jì)尺寸φ12.70 mm×18.00 m，有效水深17.50 m，總有效池容4 431.44 m3，水力停留時(shí)間25.32 h，容積負(fù)荷4.26 kg/(m3·d)。通過動(dòng)態(tài)回流緩沖流量維持有機(jī)負(fù)荷穩(wěn)定且不發(fā)生厭氧酸化的現(xiàn)象，利用射流混合布水技術(shù)、沼氣強(qiáng)化循環(huán)及廢水內(nèi)外循環(huán)技術(shù)，緩沖廢水的毒性，并促進(jìn)了有機(jī)氮的轉(zhuǎn)化，為后續(xù)生物脫氮奠定了良好基礎(chǔ)。

(4)好氧反應(yīng)器。2座，利浦罐結(jié)構(gòu)，單座設(shè)計(jì)尺寸φ26.00 mm×6.00 m，有效水深5.50 m，總有效池容5 837.26 m3，水力停留時(shí)間23.35 h，容積負(fù)荷0.47 kg/(m3·d)。通過采用鼓風(fēng)機(jī)+可變微孔曝氣方式，有效強(qiáng)化好氧生物的生化作用，進(jìn)一步降低污染物濃度。

(5)二沉罐。1座，利浦罐結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)尺寸φ26.00 mm×6.00 m，有效水深5.50 m，有效池容2 918.63 m3，水力停留時(shí)間11.67 h，表面負(fù)荷0.47 m3/(m2·h)。二沉罐為輻流式結(jié)構(gòu)，易于固液分離。

(6)沼氣回收成套裝備。濕法脫硫罐1座，利浦罐結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)脫硫罐尺寸15.00 m×6.50 m×5.00 m，有效池容438.75 m3。厭氧產(chǎn)生的沼氣經(jīng)過氣水分離和脫硫系統(tǒng)后，進(jìn)入沼氣鍋爐燃燒產(chǎn)生蒸汽，異常情況下可進(jìn)入火炬燃燒。

(7)纖維轉(zhuǎn)盤過濾器。1套，濾布采用有機(jī)纖維，處理能力350 m3/h，配備自動(dòng)反洗系統(tǒng)。好氧出水進(jìn)入纖維轉(zhuǎn)盤過濾后，出水進(jìn)入回用水池，達(dá)標(biāo)排放。

(8)深中水處理系統(tǒng)。1套，采用“多介質(zhì)+超濾+反滲透”工藝，多介質(zhì)過濾器過濾流速小于10 m/s，產(chǎn)水SDI<5，管道、閥門為不銹鋼304材質(zhì)；超濾系統(tǒng)采用陶氏膜，產(chǎn)水≥100 m3/h；RO系統(tǒng)膜殼采用FRP或304不銹鋼材質(zhì)，支架采用SS304或碳鋼材質(zhì)，進(jìn)水≥90 m3/h，產(chǎn)水≥50 m3/h。中水部分回用于車間冷卻設(shè)備及包裝洗瓶，部分外供至溫州市某電廠。

(9)污泥濃縮罐。1座，利浦罐結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)尺寸15.00 m×6.50 m×5.00 m，有效池容438.75 m3。用于處理釀造初沉池、二沉池、纖維裝盤濾池的污泥。濃縮污泥經(jīng)調(diào)理池調(diào)理后由高、低壓螺桿泵打入疊螺機(jī)脫水，濃縮池上清液、污泥濾液自流進(jìn)入集水井重新進(jìn)行處理。

3 工程啟動(dòng)及運(yùn)行效果

該啤酒廠廢水處理工程于2020年10月建成，并與于2020年12月穩(wěn)定投產(chǎn)使用，自運(yùn)行以來，總體可達(dá)到設(shè)計(jì)水量的75%以上，最大日處理量可達(dá)到98%。

3.1 強(qiáng)化循環(huán)的厭氧反應(yīng)器

強(qiáng)化循環(huán)的厭氧反應(yīng)器所接種的污泥來自某檸檬酸工廠的厭氧顆粒污泥，利用厭氧水解菌的降解功能，降解大分子有機(jī)物，同時(shí)去除大部分BOD5、COD等污染物[19]。運(yùn)行調(diào)試期間控制反應(yīng)器的溫度在28～35 ℃，進(jìn)水量控制在35～60 m3/h，進(jìn)水方式選擇間歇性進(jìn)水，進(jìn)水周期在10～12 h。調(diào)試過程中，密切監(jiān)控反應(yīng)器出水情況并及時(shí)清理上層的浮渣，當(dāng)出水中出現(xiàn)大量的污泥時(shí)，停止進(jìn)水，并進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的調(diào)控，如進(jìn)水量、pH值、溫度、上升流速等[20]。通過逐步梯次地增大進(jìn)水量，每天定時(shí)從設(shè)置的5個(gè)取樣點(diǎn)取樣，觀測(cè)污水的處理效果，并控制反應(yīng)的揮發(fā)性脂肪酸低于2.5 mg/L，當(dāng)COD的去除率穩(wěn)定在75%～80%時(shí)，再逐步加大進(jìn)水量。最終，經(jīng)過約3個(gè)月的調(diào)試，反應(yīng)器的各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)穩(wěn)定，廢水COD的去除率達(dá)到90%以上，調(diào)試成功并正常運(yùn)行[21-22]。

3.2 運(yùn)行結(jié)果

系統(tǒng)調(diào)試成功后連續(xù)進(jìn)水運(yùn)行，經(jīng)過連續(xù)監(jiān)測(cè)，各項(xiàng)出水指標(biāo)均滿足且優(yōu)于排放標(biāo)準(zhǔn)，各工藝段進(jìn)出水?dāng)?shù)據(jù)見表2。

表2 各工藝段進(jìn)出水指標(biāo)Tab.2 Influent and effluent indicators of each process section

由表2可知，該工程對(duì)COD、BOD5、NH3-N 、SS、TP的總體去除率可分別達(dá)到98.89%、99.00%、98.57%、97.00%、92.67%。其中，強(qiáng)化循環(huán)的厭氧反應(yīng)器對(duì)COD的去除率達(dá)92.06%。

4 經(jīng)濟(jì)指標(biāo)和環(huán)境效益分析

(1)運(yùn)行成本。污水處理站投入運(yùn)行后，年運(yùn)行費(fèi)用137.97萬元，其中每天的運(yùn)行成本約為0.90元/m3(包括水、電、氣、材料、藥劑、設(shè)備維修、折舊、人員工資福利、中水回用處理等費(fèi)用)。

(2)經(jīng)濟(jì)效益。產(chǎn)生的總經(jīng)濟(jì)效益為527.26萬元/a。其中，強(qiáng)化循環(huán)的厭氧反應(yīng)器日產(chǎn)飽和蒸汽70.03 t/d，產(chǎn)生直接經(jīng)濟(jì)效益460.10萬元/a；中水外售水量400 m3/d，產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益為67.16萬元/a。結(jié)合運(yùn)行成本，污水站每年產(chǎn)生的正效益為389.29萬元/a。

(3)環(huán)境效益。污水站投入運(yùn)行后，通過資源回收利用、使用節(jié)能降耗產(chǎn)品、精準(zhǔn)投加藥劑、增設(shè)綠化等措施，每年的碳減排量達(dá)5 400 t/a，對(duì)周圍的環(huán)境起到了非常關(guān)鍵的作用。

5 結(jié)論

(1)該工程首次提出并運(yùn)用啤酒原水分質(zhì)分流預(yù)處理。根據(jù)廢水水質(zhì)特點(diǎn)，將釀造廢水和包裝廢水單獨(dú)預(yù)處理有針對(duì)性地降解污染物，達(dá)到節(jié)約處理成本的效果，經(jīng)預(yù)處理后，廢水化學(xué)品毒性大大降低，保障后續(xù)生化工藝穩(wěn)定運(yùn)行。

(2)采用預(yù)處理+生化處理+回用水深度處理組合工藝處理啤酒廢水可取得較好的處理效果。系統(tǒng)出水水質(zhì)穩(wěn)定達(dá)到且優(yōu)于《啤酒工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 19821—2005)一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

(3)該工程產(chǎn)生了良好的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益，基于強(qiáng)化循環(huán)的厭氧反應(yīng)器產(chǎn)生的沼氣和首次運(yùn)用的啤酒中水處理工藝，首次實(shí)現(xiàn)啤酒廢水處理污水站正效益389.29萬元/a，并實(shí)現(xiàn)每年碳減排為5 400 t。

(4)該工程污水站罐體采用先進(jìn)的利浦罐工藝，實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵工藝段裝備化。具有制作周期短，使用壽命長(zhǎng)，氣密性能好、造價(jià)成本低、外形美觀且可重復(fù)利用等優(yōu)勢(shì)。