玉米深加工清洁生产技术的应用对废水处理效果的影响

高鹏，年跃刚*，闫海红，殷勤，颉亚玮，2，郭晓娅

1．中国环境科学研究院水污染控制技术研究中心，北京 100012

2．清华大学环境学院，北京 100084

玉米深加工清洁生产技术的应用对废水处理效果的影响

高鹏1，年跃刚1*，闫海红1，殷勤1，颉亚玮1，2，郭晓娅1

1．中国环境科学研究院水污染控制技术研究中心，北京 100012

2．清华大学环境学院，北京 100084

对玉米深加工企业EGSB+A/O废水处理工艺进行问题诊断，提出清洁生产的改造措施，研究其对废水处理效果的影响。结果表明，在主生产车间加装澄清离心机和废水预处理段增设竖流沉降罐，提高了EGSB反应器的运行效率，反应器进出水CODCr平均值分别下降59%和62%以上，比产气率提高45%。改造后二沉池出水CODCr、BOD5、NH+4－N、SS平均浓度从124、31、57和33 mg/L降至55、9、5和19 mg/L，出水 pH为6．3～6．9，达到 GB 25461—2010《淀粉工业水污染物排放标准》要求。改造工程同时可创造132．04万元/a的经济效益。

玉米深加工;废水;改造;清洁生产;EGSB

玉米为全球主要的粮食作物之一，因其丰富的 产出和可再生的资源优势受到广泛的关注，玉米深加工产业也被誉为“黄金”产业。近年来，我国玉米深加工行业迅猛发展，为提高玉米附加值、稳定玉米产区经济、服务三农做出了重大贡献［1－2］。然而，玉米加工过程中排放的各种污染物尤其是高浓度有机淀粉废水，也使玉米深加工企业成为污染大户，末端治理难度很大，如处理不当，排入水体会造成严重的水体污染［3－4］。

我国目前玉米深加工行业污染减排的成果主要是通过大力推行末端治理设施实现，仍有很多企业技术落后，排放的污染物总量和浓度都很高，污水处理设施发挥了近极限的减排能力，很多企业在废水处理发生问题时，往往采取废水工艺参数调整等措施，问题严重时则进行废水工艺改造［5－7］。鉴于我国玉米深加工行业现状，如果能从加强行业清洁生产水平角度解决废水治理问题，一方面可以作为废水减排的重要措施，另一方面可以回收淀粉废水中的有用物质，产生经济效益。

国内外针对玉米淀粉废水的研究主要集中在废水末端治理技术［8－12］，较少有将企业清洁生产与废水处理结合进行的研究工作。笔者以典型玉米深加工企业为例，通过对淀粉生产分析和废水问题的诊断，提出清洁生产改造方案，研究其对废水处理效果的影响，以期为同行业企业提供参考。

1 玉米淀粉生产工艺及废水产生分析

某大型玉米深加工企业年加工玉米60万t，生产工艺采用湿磨法，即玉米经浸泡、细磨筛分、分离洗涤、脱水烘干等工序得到成品玉米淀粉。生产过程中以水为介质，从玉米浸泡到产品制造都离不开水，因而会产生大量的废水。图1为淀粉生产过程及水循环流程。从图1可以看到，该企业工艺用水采用闭路环流流程，各工段产生的工艺过程水大部分再次回用。

生产过程中排放的废水主要来源有2个:1)当生产负荷发生变化时，工艺水罐内的水量增加，因而产生了多余的过程水，这部分水主要在麸质浓缩环节排入污水站;2)浸泡水在三效蒸发器制取玉米浆的蒸发冷凝水，直接排入污水站。

2 废水处理工艺分析及问题诊断

2.1 废水处理工艺

图1 淀粉生产过程及水循环流程Fig．1 Starch production process and water cycle process

废水设施设计处理能力为3 500 m3/d，现处理量为2 650 m3/d，采用膨胀颗粒污泥床厌氧反应器+缺氧/好氧(EGSB+A/O)工艺。废水先进入调节酸化池进行预酸化，再经提升泵泵入EGSB反应器，利用厌氧颗粒污泥将废水中的污染物转化为沼气，达到去除CODCr的作用;出水进入A/O活性污泥池后利用微生物进一步降解水中的污染物，最后在二沉池中进行泥水分离。具体工艺流程如图2所示。

图2 废水处理工艺流程Fig．2 Wastewater treatment process

2.2 问题诊断

虽然企业产生的废水水量并未超过该套设施的设计能力，但该废水处理工艺运行效果仍不甚理想，无法满足现有排放标准的要求，工艺运行中存在一些问题:

1)进水有机物浓度高。主生产车间淀粉和蛋白分离效果不好，造成大量干物混入工艺废水，大大增加了污水处理设施的负荷。试验及工程数据表明，水中干物SS对CODCr的贡献约占废水中CODCr总量的30% ～35%［13－14］。

2)EGSB反应器运行不稳定。进水污染物浓度过高且波动范围较大，导致EGSB反应器运行效果差，比产气率较低，严重时会有厌氧颗粒污泥解体现象发生。

3)二沉池出水水质超标。表1为出水污染物平均浓度，从表1可以看出，二沉池出水 CODCr、BOD5、NH+

4－N、SS浓度均超过GB 25461—2010《淀粉工业水污染物排放标准》的排放要求。

表1 二沉池出水水质Table 1 Water quality of final effluent mg/L

通过分析可知，废水处理工艺存在的主要问题是进水中固形物、粗蛋白等回收率较低，厌氧反应器有机负荷和冲击负荷较大、运行不稳定，最终导致二沉池出水无法达标排放。如能从改造企业淀粉生产工艺入手，开发提高资源利用效率的清洁生产技术，可以在一定程度上降低废水中有机污染物浓度，促使污染物达标排放。

3 清洁生产改造措施

提高玉米深加工企业清洁生产水平，从源头削减污染物产生量，可以从2个方面进行:1)从源头控制淀粉生产用水量，从而减少废水产生量，加强对淀粉废水的综合利用;2)提高原料利用率，即提高总干物收率，降低进入废水的原材料损失，从而改善产生的废水水质。

玉米深加工企业的过程用水控制非常关键，该企业过程水已采用闭路循环，过程水利用率较高，进一步提升的潜力有限。因此工艺改造采用提高总干物收率的方案，最终选择在淀粉主生产车间末段和废水预处理段实施改造。具体改造措施为:

1)加装澄清离心机。在生产工艺的末段麸质分离环节加装1台澄清离心机(120 m3/h)，对生产过程水进行分离。轻相液进入污水处理系统，重相液回收到生产系统，可有效降低生产废水中的蛋白含量，减小后续处理的负荷;通过回收重相液，大大提高了产品收率，尤其是蛋白收率。

2)增设竖流沉降罐和板框压滤机。在污水处理设施预处理段加装2座串联竖流沉降罐(V=300 m3)和3台板框压滤机。生产车间的澄清离心机轻相液作为竖流沉降罐进料，经重力沉降的物料经过板框压滤后，产生的物料回收至饲料车间加工饲料，顶流进入污水调节池。废水在竖流沉降罐沉降时间为10 h，进一步降低了生产废水的干物含量，确保污水浓度的稳定。清洁生产改造流程如图3所示。

图3 清洁生产改造流程Fig．3 Renovation of cleaner production flow chart

4 废水处理效果

4.1 EGSB反应器水质变化

EGSB厌氧反应器是整个废水处理工艺最关键的部分，反应器的运行效果直接影响最终出水水质［15］。图4为清洁生产改造前后EGSB反应器进水CODCr对比。从图4可以看出，改造前进水CODCr很高且波动很大，甚至会出现CODCr大于20 000 mg/L的情况，对EGSB反应器造成的冲击非常大。改造后进水CODCr大幅下降，波动范围也大大减少，进水CODCr平均值从9 802 mg/L降至4 016 mg/L，下降幅度达到59%。

图4 EGSB进水CODCr变化Fig．4 Variation of CODCrof EGSB inlet

图5为清洁生产改造前后EGSB反应器出水CODCr的对比。从图5可以看出，改造前反应器出水水质波动范围很大，有3 d出水CODCr在2 800 mg/L以上。改造后反应器出水 CODCr平均值从1 329 mg/L降至511 mg/L，下降幅度为62%，出水水质平稳。EGSB反应器比产气率是衡量厌氧反应器运行效率的重要指标［15－16］，改造后反应器比产气率为0．39 m3/kg(以CODCr计)，较改造前提高了45%以上，表明清洁生产改造措施降低了进水有机物浓度，使厌氧反应器运行效率得到提升。

图5 EGSB出水CODCr变化Fig．5 Variation of CODCrof EGSB outlet

4.2 二沉池出水变化

图6为改造前后二沉池出水CODCr的变化。从图6可以看出，改造前二沉池出水CODCr平均值为124 mg/L，在连续30 d的监测中有21 d CODCr超标。改造后二沉出水实现了稳定达标排放，出水CODCr平均值降至55 mg/L;出水BOD5、SS、NH+4－N浓度平均值分别从31、33和57 mg/L降至9、19和4．5 mg/L，达到GB 25461—2010要求。

图6 二沉池出水CODCr变化Fig．6 Variation of CODCrof final effluent

4.3 二沉池出水三维荧光分析

借助三维荧光光谱(EEM)技术可以更深入地揭示水质常规监测指标外的变化，利于对有机物的去除情况进行充分的评估［17－20］。由图7可以看出，改造前二沉池出水中含有4个主要的荧光峰，分别为高激发波长类色氨酸(峰a)荧光峰、可见区类腐殖酸(峰b)荧光峰和可见区类富里酸(峰c)荧光峰、紫外区类腐殖酸(峰d)荧光峰［21－22］，其在EEM谱上的中心位置(激发波长/发射波长，即Ex/Em)分别位于275 nm/350 nm、405 nm/470 nm、320 nm/405 nm和260/445 nm。

图8为改造后二沉池出水的三维荧光谱。从图8可以看出，改造后出水仅剩下高激发波长类色氨酸(峰a)和可见区类富里酸(峰c)2个峰，峰a和峰c的峰值强度也分别从3 577、1 692减至1 309、726。类腐殖酸类物质完全消失，表明活性污泥性状得到了一定改善［23］。三维荧光谱的分析表明，清洁生产改造后，不仅降低了二沉池出水的污染物浓度，也使出水有机物组分减少，有机物得到了更充分的降解。

图7 改造前二沉池出水三维荧光谱Fig．7 The EEM of final effluent before renovation

图8 改造后二沉池出水三维荧光谱Fig．8 The EEM of final effluent after renovation

5 经济效益分析

清洁生产改造工程总投资303．4万元，主要为设备及土建安装费用。新增运行成本包括人工费用和运转费用及设备维护费等，其中按新增设备全年用电量190万kW·h，电费0．86元/(kW·h)计，则运转电费163．4万元/a;劳动定员4人，按2 200元/(月·人)计，人工费为10．56万元/a;设备维护费10万元/a。运行过程中，回收干物作为饲料原料，可产生经济效益:年废水量×回收干物比例×单价=720 000 t×0．55% ×800元=316万元。因此年经济效益=经济收入－人工费用－电费－运行维护费=132．04万元/a，投资回收期=总投资额/年经济收益=2．3年。

6 结论

1)采用EGSB+A/O工艺处理玉米深加工废水时，通过实施清洁生产改造来解决废水工艺运行的问题是切实可行的。在主生产车间加装澄清离心机和废水预处理段增设竖流沉降罐后，可有效缓解废水减排压力，保证废水设施稳定运行，同时可创造132．04万元/a的经济效益。

2)实施清洁生产改造提高了EGSB反应器运行效率，反应器进出水CODCr浓度分别下降59%和62%以上，比产气率提高了45%以上。

3)改造后二沉池出水CODCr、BOD5、NH+4－N、SS浓度平均值分别从124、31、57和33 mg/L降至55、9、5和19 mg/L，出水 pH为6．3～6．9，达到 GB 25461—2010要求;三维荧光分析显示，二沉池出水溶解性有机物组分和浓度均减少，水质改善显著。

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Effects of Cleaner Production Technologies of a Corn Starch Enterprise on W astewater Treatment Effectiveness

GAO Peng1，NIAN Yue－gang1，YAN Hai－hong1，YIN Qin1，XIE Ya－wei1，2，GUO Xiao－ya1
1．Research Center ofWater Pollution Control Technology，Chinese Research Academy of Environmental Sciences，Beijing 100012，China
2．School of Environment，Tsinghua University，Beijing 100084，China

The problem diagnosis was performed for EGSB+A/O wastewater treatment process of a corn starch enterprise，and the cleaner production renovation measure were proposed for the enterprise．The effects of the cleaner production renovation measure on wastewater treatment effectiveness were investigated．The results showed that the operational efficiency of EGSB reactor could be enhanced by adding a centrifuge in themain workshop and vertical flow sedimentation tank in wastewater pretreatment section．The average CODCrof the inlet and outletwere reduced by 59%and 62%respectively，and the specific methane production rate was increased by 45%．After renovation engineering，the average CODCr，BOD5，NH+4－N，SS concentrations of the effluentwastewater from the secondary sedimentation tank were reduced from 124，31，57 and 33 mg/L to 55，9，5 and 19 mg/L，respectively，and the pH was 6．3－6．9，allmeeting with Discharge Standard ofWater Pollutants for Starch Industry(GB 25461－2010)．The clean production renovation engineering could also create an annual economic benefit of 1．320 4 million Yuan．

corn starch processing;wastewater;renovation;cleaner production;EGSB

X703

A

10．3969/j．issn．1674－991X．2014．03．030

1674－991X(2014)03－0181－06

2014－03－14

国家水体污染控制与治理科技重大专项(2012ZX07202－009－01)

高鹏(1989—)，男，硕士，主要从事水污染控制及回用研究，18810403739@163．com

*责任作者:年跃刚(1963—)，研究员，博士，主要从事生态修复、中水回用研究，nianyg@craes．org．cn