啤酒生產廢水的綜合治理

論文題目：啤酒生產廢水的綜合治理

摘  要
 啤酒廢水中有機物的含量較高，如直接排放，既污染 環境，又降低啤酒工業的原料利用率.為此，許多學者和廠家對啤酒廢水的處理與利用技術 進行了研究.本文在闡述啤酒廢水的來源及特點的基礎上，對幾種常見的處理利用技術進行了比較，結論是：單一的處理和利用技術不能從根本上解決啤酒廢水的污染問題，只有將多種技術結合使用，才能達到經濟效益和環境效益的統一。

關鍵詞：啤酒工業 廢水處理 廢水綜合利用

目  錄
摘  要 i
目  錄 I
第一章  緒論 1
第二章  啤酒的釀造過程 2
第三章  啤酒廢水的現狀 3
3.1 啤酒廢水的產生及其特點 3
3.2 啤酒廢水的處理方法 4
第四章  啤酒廢水的利用技術 7
4.1 啤酒廢水土地利用 7
4.2 啤酒廢水的植物凈化 7
結  語 9
參考文獻 10
致  謝 11

第一章  緒論
 燕京啤酒（包頭雪鹿）股份有限公司的前身是建于上世紀８０年代的包頭雪鹿啤酒廠，但到２０００年，年產量只有５萬噸，銷售市場僅限于包頭市和周邊旗縣。當年年底，包頭市委、市政府通過招商引資引進了中國最大的啤酒生產企業——北京燕京啤酒集團，并成功于包頭雪鹿啤酒廠合資。四年來，燕京啤酒集團累計向雪鹿公司投資１．６億元，利潤累計增加了１２８９萬元，稅金累計增加３３３２萬元，產品銷售半徑已經輻射到寧夏、陜西、河北等地。企業的快速成長為我國西部經濟欠發達地區的生產企業探索出了一條可借鑒的發展之路。雖然啤酒廠發展快速， 但是在生產過程中所產生的廢水卻不能不讓人擔心。生產工藝流程分六個工段，即粉碎、糖化、麥汁、冷卻、發酵、過濾灌裝。每個工段都有以廢水為主的廢棄物產生，污染源頭主要有廢麥糟、廢酵母、熱冷蛋白凝固物、廢硅藻土等固液混和物及排渣水、洗糟水、廢酒花、洗酵母水、洗瓶水、酒頭排放殺菌廢水和各種洗滌水。啤酒廢水濃度高、流量大、污染區域廣，直接污染地表水和地下水。公司在防治污染中采取源頭廢棄物分段治理和利用、強化生產管理和末端治理相結合的綜合治理措施，實現啤酒廢水和污染物濃度均達標排放。
 
第二章  啤酒的釀造過程
 麥芽、啤酒花、水和酵母，這四樣釀造啤酒的原料創造出世界級的釀造制品。在比利時、英國、德國和法國等國家，這種簡單的配方已經經歷了幾個世紀的洗禮，至今仍在使用。即使有些廠家在技術、防腐劑和添加劑上有改進，那也只是為了使釀造成本更低，釀造速度更快一些而已。
 啤酒使一種變化多端的復合物，雖然只有四種簡單的成分，但卻能配出千變萬化的組合，而且在釀造過程中會遭遇不同的難題，啤酒釀造師憑著對各種成分的深刻認識和它們彼此之間的相互影響，細致的設計配方，如果要鑒別最終的釀造結果，那只能純粹憑“啤酒大師”的知識和經驗了。
 啤酒的釀造過程，首先把發芽的大麥在滾筒碾碎機中碾碎，注入熱水混合，旋轉入麥芽汁桶（這是一種置于釀造車間的銅制或木制或不銹鋼制的大容器）。麥芽汁就像燕麥粥，呈金黃色，有點甜。煎熬麥芽汁的方法是由德國的釀酒師針對他們的麥芽類型開發的，他們先把麥芽汁抽入一個罐中，煮沸促使蛋白質分解，然后再抽回到麥芽汁桶，幾個小時內慢慢的上升溫度。這個方法起初應用于德國白啤酒(Weissbiers）和德國巴克黑啤酒(Backs)的釀造，那是為了釀制一種厚澤麥芽風格的啤酒。
 現在許多啤酒廠在傳統方法的基礎上又作了一些調整，其麥芽汁加溫過程只在一個容器中進行，所不同的是溫控步驟精確多了。麥芽汁制備完成后，甜甜的麥芽汁被過濾后流入釀造罐，通常再用熱水噴射麥芽汁沉淀物，以帶走剩余的麥芽汁。
 在釀造罐中，再煮沸麥芽汁并添加啤酒花，通常要煮一個半小時到三個小時。然后，過濾掉啤酒花沉淀，再用離心法分離掉沉淀的蛋白質，冷卻至發酵溫度，麥芽汁輸送至初級發酵罐中，在那里加入一定量的新鮮酵母。大多數情況下，發酵過程要持續五至十天，然后“清”啤酒被注入后熟罐，在那里需要進一步凈化和老化一至二周。拉格啤酒通常要經歷更長時間的發酵期；二周的初級發酵，二周的二級發酵以及一到六個月的后熟。熟啤酒離開啤酒廠之前，經過過濾和罐裝，并加入二氧化碳，最后成為我們見到的啤酒。
 但是在生產啤酒的同時卻又產生了附加物：那就是啤酒廢水的產生。

第三章  啤酒廢水的現狀
 隨著人民生活水平的提高，我國啤酒工業得到了長足發展，其產量逐年上升。1988年全國有啤酒廠800多家，年產啤酒663萬t，位居世界第三；經過近十年的發展，目前已 達到1000多家，年產啤酒1000多萬t，成為世界第二大啤酒生產國。但是在啤酒產量大幅度提高的同時，也向環境中排放了大量的有機廢水。據統計，每生產1t啤酒需要10 ～30 t新鮮水，相應地產生10～20 t廢水。由于這種廢水含有較高濃度的蛋白質、脂肪、纖維、碳水化合物、廢酵母 。酒花殘渣等有機無毒成分，排入天然水體后將消耗水中的溶解氧，既造成水體缺氧，還 能促使水底沉積化合物的厭氧分解，產生臭氣，惡化水質。另外，上述成分多來自啤酒生產原料，棄之不用不僅造成資源的巨大浪費，也降低了啤酒生產的原料利用率。因此，在糧食缺乏，水和資源供應緊張的今天，如何既有效地處理啤酒廢水又充分利用其中的 有用資源，已成為環境保護的一項重要研究內容。
3.1 啤酒廢水的產生及其特點
 啤酒生產工藝流程包括制麥和釀造兩部分。二者均有冷卻水產生，約占啤酒廠總排水量的65%，水質較好，可循環用于浸洗麥工序。中、高污染負荷的廢水主要來自制麥中的浸麥工序和釀造中的糖化、發酵、過濾、包裝工序，其化學需氧量在500～40000 mg/L-1之間，除了包裝工序的廢水連續排放以外，其它廢水均以間歇方式排放（見表3-1）。
 表3-1  啤酒工業中高污染負荷廢水的來源與濃度
工序 廢水中CODcr濃度（mg/L-1） 排放方式
浸麥工序 500～800 間歇排放
糖化工序 20000～40000 間歇排放
發酵工序 2000～3000 間歇排放
包裝工序 500～800 連續排放
 啤酒廠總排水屬于中、高濃度的有機廢水，呈酸性，pH值為4.5～6.5,其中的主要污染因子是化學需氧量（CODcr）、生化需氧量（BOD5）和懸浮物（SS），濃度分別為1000～1500，500～1000和220～440 mg/L-1。啤酒廢水的可生化性（BOD5/CODcr）較大，為0.4～0.6，因此目前國內很多治理技術的主體部分是生化處理。
 
3.2 啤酒廢水的處理方法
 目前，國內外普遍采用生化法和末端治理法來處理啤酒廢水。
生化法
 生化法分為兩大類：分為好氧生物處理和厭氧生物處理兩大類。
 好氧生物處理：是在氧氣充足的條件下，利用好氧微生物的生命活動氧化啤酒廢水中的有機物，其產物是二氧化碳、水及能量（釋放于水中）。這類方法沒有考慮到廢水中有機物的利用問題，因此處理成本較高。活性污泥法、生物膜法、深井曝氣法是較有代表性的好氧生物處理方法。
 ① 活性污泥法
 活性污泥法是中、低濃度有機廢水處理中使用最多、運行最可靠的方法，具有省時、處理效果好等優點。該處理工藝的主要部分是曝氣池和沉淀池。廢水進入曝氣池后，與活性污泥（含大量的好氧微生物）混合，在人工充氧的條件下，活性污泥吸附并氧化分解廢水中的有機物，而污泥和水的分離則由沉淀池來完成。活性污泥法處理啤酒廢水的缺點是動力消耗大，處理中常出現污泥膨脹。污泥膨脹的原因是啤酒廢水中碳水化合物含量過高，而N，P，Fe等營養物質缺乏，各營養成分比例失調，導致微生物不能正常生長而死亡。解決的辦法是投加含N，P的化學藥劑，但這將使處理成本提高。而較為經濟的方法是把生活污水（其中N，P濃度較大）和啤酒廢水混合。
 此種方法的另一種變化模式是間歇式活性污泥法（SBR），通過間歇曝氣可以使動力耗費顯著降低，同時，廢水處理時間也短于普通活性污泥法。
深井曝氣法
 為了提高曝氣過程中氧的利用率，節省能耗啤酒廢水。深井曝氣實際上是以地下深井作為曝氣池的活性污泥法，曝氣池由下降管以及上 升管組成。將廢水和污泥引入下降管，在井內循環，空氣注入下降管或同時注入兩管中，混 合液則由上升管排至固液分離裝置，即廢水循環是靠上升管和下降管的靜水壓力差進行的。 其優點是：占地面積少，效能高，對氧的利用率大，無惡臭產生等。據測定 當進水BOD5濃度為2400 mg。L-1時，出水濃度可降為50 mg。L-1，去除率高達97。92% 。當然，深井曝氣也有不足之處，如施工難度大，造價高，防滲漏技術不過關等。
生物膜法
 與活性污泥法不同，生物膜法是在處理池內加入軟性 填料，利用固著生長于填料表面的微生物對廢水進行處理，不會出現污泥膨脹的問題。生物 接觸氧化池和生物轉盤是這類方法的代表，在啤酒廢水治理中均被采用，主要是降低啤酒廢 水中的BOD5。生物接觸氧化池是在微生物固著生長的同時，加以人工曝氣。這種方法可以得到很高的 生物固體濃度和較高的有機負荷，因此處理效率高，占地面積也小于活性污泥法。
 厭氧生物處理：厭氧生物處理適用于高濃度有機廢水（CODcr＞2000 mg/L-1, BOD5＞1000 mg/L-1）。它是在無氧條件下，靠厭氣細菌的作用分解有機物。在這一過程中，參加生物降解的有機基質有50%～90%轉化為沼氣（甲烷），而發酵后的剩余物又可作為優質肥料和飼料。因此，基于以上優點，啤酒廢水的厭氧生物處理受到了越來越多的關注。
 厭氧生物處理包括多種方法，但以升流式厭氧污泥床（UASB）技術在啤酒廢水的治理方面應用最為成熟。UASB的主要組成部分是反應器，其底部為絮凝和沉淀性能良好的厭氧污泥構成的污泥床，上部設置了一個專用的氣-液-固分離系統（三相分離室）廢水從反應器底部加入，在上向流、穿過生物顆粒組成的污泥床時得到降解，同時生成沼氣（氣泡）。氣、液、固（懸浮污泥顆粒）一同升入三相分離室，氣體被收集在氣罩里，而污泥 顆粒受重力作用下沉至反應器底部，水則經出流堰排出。實踐證明，UASB成功處理高濃度啤酒廢水的關鍵是培養出沉降性能良好的厭氧顆粒污泥。顆粒污泥的形成是厭氧細菌群不斷繁殖、積累的結果，較多的污泥負荷有利于細菌獲得充足的營養基質，故對顆粒污泥的形成和發展具有決定性的促進作用；適當高的水力負荷將產生污泥的水力篩選，淘汰沉降性能差的絮體污泥而留下沉降性能好的污泥，同時產生剪切力，使污泥不斷旋轉，有利于絲狀菌互相纏繞成球。此外，一定的進水堿度也是顆粒污泥形成的必要條件，因為厭氧生物的生長要求適當高的堿度，例如：產甲烷細菌生長的最適宜pH值 為6.8～7.2。一定的堿度既能維持細菌生長所需的pH值，又能保證足夠的平衡緩沖能力。由于啤酒廢水的堿度一般為500～800 mg/L-1(以CaCO3計)，堿度不足，所以需投加工業碳酸鈉或氧化鈣加以補充。研究表明，在 UASB啟動階段，保持進水堿度不低于1000 mg/L-1對于顆粒污泥的培養和反應器在高負荷下的良好運行十分必要。應該指出，啤酒廢水中的乙醇是一種有效的顆粒化促進劑 ，它為UASB的成功運行提供了十分有利的條件。
 總之，UASB具有效能高，處理費用低，電耗省，投資少，占地面積小等一系列優點，完全適用于高濃度啤酒廢水的治理。其不足之處是出水CODcr的濃度仍達500 mg/L-1左右，需進行再處理或與好氧處理串聯才能達標排放。
末端處理法
 啤酒廢水末端治理措施是聯合使用塔式生物濾池、生物接角氧化法和活性污泥法，采用“兼氣-好氧”生物序批操作。工藝流程見圖3-1。
 

圖3-1  末端處理法工藝流程
 污水處理站有兩組反應設施，每組有一個塔式生物濾池，四個串聯的兼氣池和兩個串聯的SBR（序批式曝氣）池。各車間排放的污水經固液分離機去降大顆粒雜質后，進集水池，然后用潛污泵送至調解池。在池內均質6-8小時，經表面浮桶均勻出水，自流入兼氣反應池，池內組合填料上生長著最大兼氣菌，廢水中有機物經兼氣初步吸附氧化，再經循環泵送到塔式過濾池頂端的放置布水器。向下噴淋的廢水通過塔內的立波填料時與填料表面的好氧生物膜及空氣接觸，吸附氧化得到第一次凈化。廢水由濾塔自流兼氣池后，有氧廢水和無氧廢水混合，兼性菌在兼氣池內把高分子有機物分解成低分子有機物，把活性污泥難以氧化的有機物預先分解，廢水第二次行得到凈化。廢水經兼氣池處理后自流入SBR池，SBR池為活性污泥法。CODcr一般在500 mg/L以下，兼氣池廢水中維持有足夠溶解氧，為微生物生長創造良好的條件，活性污泥有很強的有為附和氧化分解有機物的能力，使廢水得到第三次凈化。SBR池處理廢水工序包括進水、反應、沉淀、排水、空載、等待機等五道工序，室內設有曝氣和攪拌裝置，集曝氣、沉淀、排水、排泥、各種功能于一身，不必另設沉淀和污泥回流工序，能較大幅度地節省占地、節約能耗及進出水時間。
 
第四章  啤酒廢水的利用技術
 利用自然生態良性循環的方法凈化和利用啤酒廢水，也是目前啤酒廢水綜合治理的一個方向，有利于實現廢物的資源化。
4.1 啤酒廢水土地利用
 廢水的土地利用在國內外都有悠久的歷史。其目的不單純是廢水農田灌溉，而是根據生態學原理，在充分利用水資源的同時，科學地運用土壤-植物系統的凈化功能，使該系統起到廢水的二、三級處理作用。廢水的土地利用一般有快速滲濾和地表漫流兩種方法。前者的特點是加入的廢水大部分都經過土壤滲透到下層，因而僅限于在砂及砂質粘土之類的快滲土壤上使用，植物對廢水的凈化作用較小，主要是由土壤中發生的物理、化學和生物學過程使廢水得到處理。后者是一種固定膜生物處理法，廢水從生長植物的坡地上游沿溝渠流下，流經植被表面后排入徑流集水渠。廢水凈化主要是通過坡地上的生物膜完成的。這種方法對于滲透較慢的土壤最為適用，啤酒廢水經過土地利用系統后，水質明顯改善，能夠達到農田灌溉水質標準（GB 5084-85）的要求；同時又可節省水源，增加農田土壤的有機質含量，提高農作物產量。其經濟效益在干旱地區更能得到體現。
 當然，啤酒廢水的土地利用也存在一定的問題：①處理過程中會產生臭味，必須將處理場地設在遠離居住區的地方，這樣需要較長的輸水干管；②廢水的含鹽量過高時，將危害植物生長，并造成土壤排水、通氣不良。如何避免這些問題發生，需要進一步研究。
4.2 啤酒廢水的植物凈化
 啤酒廢水中有機碳含量豐富，氮、磷的含量也有一定水平，可以為植物生長提供必要的營養物質。近年來，一些學者利用啤酒廢水對普通絲瓜（Luffa cyclindrica）、多花黑麥草（Lolium multiflorum ）、水雍菜（Ipomoea aquatica） 、金針菜（Hemerocallis fulva）等植物進行水培試驗，發現這些植物長勢良好并能完成其生活史，既創造了經濟效益，同時又顯著降低了廢水中多種污染物（COD除外）的濃度（見表4-1）。這為啤酒廢水的資源化處理開拓了一條新思路。
 
 
 表4-1  水培植物對啤酒廢水的凈化能力
植物 廢水中污染物去除率/% www
 COD T-N T-P NH4+-N 濁度
普通絲瓜1) 22.5～44.1 78.6～89.1 78.0～90.4 99.2～99.6 
多花黑麥草1) 11.5～34.5 12.9～54.1 36.5～82.2 16.3～69.7 55.8～92.5
水雍菜2) 47.7～75.1 84.9～94.6 78.7～96.5 95.5～98.8 
金針菜3) 39.60 90.60 65.41 99.34 81.28
 其中1）處理時間為24～120h；2)處理時間為24～48h；3)處理時間為72h。
 水培植物對廢水中COD的去除率不高，主要是因為廢水中C的含量大大高于N，P，而植物是按照一定的C，N，P比例來攝取營養物質的。從這一點來看，水培植物用于生物處理后出 水（含C量已大為降低）的深度凈化更為合理。
 
結  語
 啤酒廢水是一種中、高濃度的有機廢水，隨著啤酒工業的不斷發展，其產生量也將持續上升。為了避免納污水體的水質惡化，除了實行清、污分流，提高冷卻水的循環利用率 以降低排放量外，還必須對其進行有效處理。
 好氧生物處理、厭氧生物處理、土地利用和植物凈化等方法是常見的啤酒廢水治理方法。好氧生物處理對于低濃度廢水有較高的COD去除率（＞90%），但是需要大量的投資和場地，能耗較高，受外界環境（溫度等）影響較大；厭氧生物處理對于高濃度廢水有較高的CODcr去除率，它克服了好氧生物處理的大多數缺點，還能進行生物質能轉化，大幅度降低處理成本，因而為越來越多的廠家所采用，其最大缺陷是出水CODcr的濃度仍然很高，難以達到《污水綜合排放標準》的要求。土地利用系統雖然能夠改善廢水的水質，節約水源，增加土壤有機質含量，但是占地面積大，易產生臭味，還可能引起土壤鹽堿化。用植物凈化 啤酒廢水，可以有效去除其中的N，P和濁度，并可獲得一定的經濟效益，但是對CODcr的去除率卻不高。
 要得到理想的處理結果，實現啤酒廢水治理的環境效益和經濟效益的統一，必須將兩種或三種技術結合使用，這是解決啤酒廢水污染問題的根本出路。例如，把厭氧和好氧處 理池串聯使用，依靠前者把廢水的高負荷降低，再以后者把低濃度廢水處理達標，其動力消耗則可由前一過程的質能轉化予以補償。又如，把生物處理與土地利用結合起來，既能有效凈化廢水，還能起到互補作用，產生更高的經濟效益。
 另外，在如下幾個方面還須作進一步研究：(1)啤酒工業實施清潔生產工藝的可行性及其綜合效益分析；（2）多種處理技術串聯使用時，其結合點上啤酒廢水的最適濃度；（3）厭氧和好氧微生物種類在一個處理單元內共同作用于啤酒廢水的可能性及相關的處理技術；（4）啤酒廢水的土地利用技術對土壤理化性質的各種可能影響。]
 
參考文獻
【1】紡織印染工業廢水治理技術。楊書銘，黃長盾。化學工業出版設。2006，1。
【2】五十年來我國電鍍廢水治理的回顧。黃瑞光。電鍍與精飾。2000年22卷第二期。
【3】制藥廢水處理進展綜述。樓菊青。重慶科技學院學報。2006年第8卷第4期。

致  謝
 本論文是在閆永平主任和宋飛燕老師的悉心指導下完成的，本論文從選題到完成，每一步都是在導師的指導下完成的，傾注了導師大量的心血。在此，謹向導師表示崇高的敬意和衷心的感謝！
 在此我要對我的車間的指導師傅維修班長肖澤說聲感謝，在這篇論文中您對我的幫助也非常大，在這里請接受我誠摯的謝意！
 最后我還要感謝培養我長大含辛茹苦的父母，謝謝你們多年的養育之恩。