某啤酒厂污水处理工艺运行实例

2019-07-05龚淑芬徐建飞

山东化工 2019年12期

程婷，龚淑芬，徐建飞

(1. 池州学院资源环境学院，安徽池州 247000；2. 安徽泽霖环保科技有限公司，安徽合肥 230000)

据统计，每生产1 t啤酒需要8～40 t新鲜水，相应地产生7～35 t废水。这种生产废水的组成成分有蛋白质、脂肪、纤维素、酒花残渣等[1]，这些物质多是有机无毒物质，但高浓度的有机废水排入天然水体后会大量消耗水中的溶解氧，导致水生生物大量死亡，使得原本纯净的水体发出恶臭，水质恶化。若废水不经处理直接对外排放，将会造成水体严重污染。鉴于啤酒废水可生化性较高等特点，目前，国内外啤酒厂大多采用生化法处理啤酒废水，处理效率高、工艺较成熟、处理成本较低。随着废水处理技术的发展，人们在处理啤酒废水的实践中对各种生化处理法，如活性污泥法、生物膜法、接触氧化法等加以组合、优化改良，逐渐达到最佳的处理效果。其中，厌氧处理和好氧处理的组合工艺应用最为广泛。

1 某啤酒厂污水的特点与排放指标

某啤酒厂废水主要来源于糖化车间、发酵车间和灌装车间，其中灌装车间的废水浓度较低，与灌装车间不同，糖化车间和发酵车间废水浓度较高且COD含量高，占总废水的30 %左右。啤酒废水的有机组成主要是糖、可溶性淀粉、挥发性脂肪酸等物质，这些物质易于生物降解，BOD/COD比值一般为0.6～0.7。啤酒加工原料及酵母的含量直接决定了废水中氮和磷的含量，CIP(clean in place)清洗单元上所使用的化学物质的数量和类型则是决定了pH值[2]。该啤酒废水进、出水水质见表1。

表1 某啤酒厂废水水质和排放指标

由表1可以看出，该啤酒废水的特点之一就是COD和SS进水浓度比较高，经过各工序的处理，排出的废水水质有很大的差异，其中COD的去除率较高，可生化性较强；其次，由于一月份没有生产，没有啤酒废水产生，二月份才开始生产，经过三个月的调试期达到满负荷运行，因此废水水质水量在不同时间段也有着一定的差别，且波动明显。鉴于生化处理工艺技术较为成熟，具有处理效率高，基建费用低等优势，应优先考虑此工艺处理啤酒废水。

2 某啤酒厂废水处理工艺组合

目前国内外较多采用生化处理法、物化与生化相结合处理法来解决啤酒厂废水的处理问题。具体有UASB+好氧接触氧化法、新型独立接触氧化法、生物接触氧化法、内循环UASB反应器+氧化沟法、UASB+SBR法、水解酸化+SBR等[3]。结合该啤酒厂啤酒生产规模、啤酒生产废水的水量、水质特征以及《啤酒工业污染物排放标准》(GB19821-2005)，且综合考虑资金、地理位置等因素，确定采用酸化-UASB-好氧接触氧化组合工艺进行处理，工艺流程见图1。

图1 酸化-UASB-好氧接触氧化组合工艺流程图

2.1 酸化-UASB-好氧接触氧化工艺

该工艺中主要的处理设备是上流式污泥床和好氧接触氧化池，主要的处理过程为：各啤酒生产环节产生的污水经过集水管网聚集到污水处理站的格栅间；经过提升泵房提升并经过水力筛的拦截，去除废水中的悬浮物质；去除杂质后的污水进入调节池后进行搅拌，以此来进行水质水量的调节。调节池中的污水经过均质、均量后由调节泵提升至水解酸化池。酸化池中的污水进入UASB厌氧反应器进行厌氧分解；厌氧分解出水靠重力自流入好氧反应器，二沉池[1]。沉淀池污泥和悬浮物质一起由污泥泵提升至污泥浓缩池后再进行脱水处理，脱水后的污泥进行外运。而二沉池的上清液则进入消毒池进行消毒，达标则排放。

2.1.1 水解酸化池

该工艺采用水解酸化作为厌氧-好氧组合工艺处理的预处理过程。水解酸化菌将水中的悬浮性物质水解转化为溶解性物质，从而来提高废水的可生化性，同时降低了污水的pH值，对之后的厌氧生物处理有很大的帮助。因此水解酸化池的设置不仅对系统的可生化性能有所改善，而且对于有机物和悬浮物的去除效果有明显提高，使整个系统的能耗相比不加酸化池要大幅度地降低。

2.1.2 UASB反应器

UASB由污泥反应区、固液气三相分离器和气室三部分组成，是本工艺的主体处理单元，污染物大多在此阶段降解去除。由于其结构的特殊性，絮状污泥和颗粒污泥可以在UASB反应器区内以很高的浓度存在着。开始阶段要控制UASB反应器内的温度和进水量，同时也应及时清理反应器上的悬浮杂物，并且避免反应器内的接种污泥流失。在线实时监控进水总量、进出水pH、温度等指标，对COD、SS、NH3-N、TP也每天定时取样检测，当反应器出水COD去除率能稳定达到80 %左右时，再逐渐加大进水量，大约经过90天的调试启动期，UASB反应器启动调试成功并且能够正常稳定运行[4]。

2.1.3 好氧反应器

好氧池就是通过控制好氧池溶解氧含量，以此来适宜好氧微生物生长繁殖，从而对污染物质进行处理。在UASB启动一周后，启动好氧接触氧化池。在最初几天，由于池内COD浓度较高细菌处于对数增长期，氧的利用速度快，溶解氧充分被细菌利用[5]。一周之后，由于UASB反应器中出水COD降低了不少，好氧接触氧化池进水COD也相应地降低。好氧接触氧化池的作用是让活性污泥进行有氧呼吸，进一步把UASB反应器内未分解的有机物分解成无机物。

2.2 组合工艺的特点

水解酸化在该组合工艺中至关重要，它具有两个方面的作用，其一是对啤酒污水中的有机污染物质进行改性，提高污水的可生化性；其二是起到提高去除易降解污染物质的效果，酸化的好坏影响着厌氧反应器的处理效果。有机物的去除主要集中在UASB反应器中。厌氧处理环节对污水处理效果的贡献不容忽视。上流式厌氧污泥床的运行能耗比较低、运行起来也比较稳定、出水水质也比较理想，有效地降低了好氧生化单元的处理负荷和运行能耗。好氧处理对于污水中的COD和SS均有较高去除效率，这是因为此阶段的污水有机物浓度仍然较高，有机物来源除了经厌氧处理后难降解的有机物被转化以外，原污水中仍含有较多易生物降解但未被生物降解的有机物[1]。整个工艺对于COD和悬浮物的去除率极高，分别为98.7 %和97.5 %。

3 运行实况与效果分析

该啤酒厂一月份无生产情况，一月中旬至二月中旬这段时间开始厌氧反应器内微生物的驯化与培养，三月份至五月份是调试期，之后系统便稳定运行。污水经过格栅筛滤、调节pH后流向酸化池中，在酸化池中产酸菌代谢产生VFA并增大混合液的pH值，混合液进入UASB反应器和好氧处理系统，COD、SS得到很好的去除，NH3-N、TP的浓度得到了降低，反应进行的也比较顺利。经过三个月的调试期，该污水站运行过程中各项指标基本达标，严格按照国家标准排放污水。

3.1 酸化池处理分析

水解酸化池的启动并没有接种微生物，而是依靠啤酒废水中的微生物自身积累以及反应池中新细菌物质增长的。由于反应池内含有高浓度的兼性微生物，在池内缺氧条件下，被截留下来的有机物质在大量水解产酸菌的作用下，将不溶性有机物水解为溶解性物质，将大分子、难于生物降解的物质转化为易于生物降解的物质VFA等[6]。

微生物在发育阶段吸收吞食有机污染物作为营养物质促使自身生长，同时大分子有机物被降解为有机酸并释放大量二氧化碳、硫酸盐被还原为硫化氢、少量的甲烷化等过程，都使得COD在酸化池的含量得以降低。

图2 进水COD、酸化池COD、VFA浓度变化趋势图

从图2可以清楚地看出，在多数情况下，酸化池中COD浓度是低于进水COD浓度的，这说明酸化池中一些大分子物质被分解转化为小分子物质，一小部分有机污染物被有效降解；但同时，也可以明显地看出部分时间段酸化池中COD浓度和进水COD浓度差不多，甚至高于进水COD浓度。VFA浓度表示的污水系统内的挥发性有机酸的含量，是反映生物反应器效果的重要指标。从图中可以看出，酸化池中VFA的含量较高，一般保持在400～1400 mg/L上下浮动。水解酸化池的主要目的是将污水中一些长链难以降解的有机物水解酸化生成一些短链的易于生化降解的有机物。在COD的测定方法中提到过，重铬酸钾的氧化性比较强，但是对于芳烃，杂环芳烃类，长链有机物是不能氧化的，而经过水解酸化后可被氧化的有机物增多[7]，所以COD含量增高，说明污水中难降解的成分较多。

3.2 UASB厌氧处理分析

厌氧生物处理是指厌氧或兼性厌氧微生物在无分子氧条件下，将废水中的各种复杂有机物分解转化成甲烷和二氧化碳等物质，使废水得到净化的过程。UASB反应器的启动过程可分为3个阶段：污泥驯化驯化期、提高负荷期和满负荷运行期[8]。

3.2.1 UASB反应器内COD变化

调试与稳定运行过程中厌氧反应器COD与COD去除率关系图见下图3。如图所示，调试期内厌氧反应器内COD的含量在300～700 mg/L范围内，此时厌氧反应器对COD的去除率在69 %～87 %之间，保证了系统后续的稳定运行。经过3个多月的调试运行后，处理负荷达到了其设计的能力，整个系统运行起来是较为稳定的，各单元的平均处理效果也是很可观的。正常运转阶段UASB反应器进出水COD的去除率均稳定在80 %以上，有时高达到90 %。后期出水COD稳定在300 mg/L左右，这表明UASB反应器处理啤酒是稳定高效的。

图3 厌氧反应器COD浓度及COD去除率关系图

如图4所示，这是2017年8月份该啤酒污水处理站UASB反应器进出水COD的浓度以及COD去除率。显而易见，UASB反应器进水COD浓度变化起伏较大，一般在1000～2700 mg/L上下浮动。但UASB反应器出水COD浓度就比较均衡，基本维持在300～500 mg/L，变化浮动较均衡。这也说明，大部分COD在UASB反应器中都被降解，在这些工艺中，UASB反应器仅仅是作为一个预处理单元。

图4 8月份UASB进出水COD浓度及COD去除率

3.2.2 UASB反应器内SS 变化

调试与稳定运行过程中厌氧反应器SS与COD去除率关系图见图5。如下图所示，调试期内有效地控制厌氧反应器内SS的含量在80～150 mg/L范围内，厌氧反应器对COD的去除率在69 %～87 %。

进入稳定运行期后，厌氧反应器内SS的浓度开始大幅度地减少，说明系统正常运行后，废水中的悬浮物质被大量降解和去除，以期达到较高的去除效率。在SS浓度减小的同时，反应器内COD去除率在逐渐增高。故废水中SS的减少对于反应器内COD去除率具有积极地促进作用。

图5 UASB反应器内SS变化趋势图

3.2.3 UASB反应器内的温度变化

温度能影响UASB反应器内微生物的反应，在适宜的温度下酶的活性可以升高，促进反应的发生。因此，生物反应过程每一种酶都有显示其最大活力的温度，最适温度，在这个温度下或其范围内，酶活性最强。

由图6可知，温度由18℃升至33℃时，氨氮和总磷的去除速率在逐渐提高，随着系统的稳定运行，温度继续升高，反应速率在慢慢减缓。当温度上升至37℃时，氨氮和总磷的去除效率达到最大，反应器内COD的去除效率也保持着持续增大。由此说明，厌氧反应微生物在37℃时活性最大，氨被氧化的速率也是最大的。

图6 UASB反应器内温度变化趋势图

3.3 好氧处理分析

在系统调试初期，需要先向好氧池中加入少量的中低浓度的有机废水来进行预曝气处理[9]，同时往池内投加一定量的营养物质。随后开始，慢慢加大进水水量，使得反应池内的好氧污泥可以逐步适应待处理的啤酒废水。在好氧处理过程中，COD的含量并没有大幅度的变化，仅仅是在UASB反应器处理过的基础上再次对啤酒废水中的有机污染物进行转化分解。在这一过程中，好氧反应器内部已经形成了良好的生物相体系，此时的出水水质状况良好，COD的质量浓度相比较而言均稳定在300 mg/L左右。

图7 好氧接触氧化池内COD浓度及COD去除率

由图7可知，三月份至五月份三个月是调试期，其中COD的含量较稳定运行期较高，且COD的去除效率也不高。稳定运行阶段，污水经UASB反应器进入好氧接触氧化池，此时污水中的有机污染物的含量已经不多，但仍需要进行进一步的处理，使其达到应有的标准。

3.4 运行效果

3.4.1 运行中NH3-N变化

内该啤酒厂啤酒废水中含有大量的N、P无机盐，这些物质本身并没有多大的毒性，但可能含有大量可被生物降解的有机物质，如果不加以治理直接对外排放，将会导致地表水体的富营养化以及水环境的破坏。调试与稳定运行过程中进出水NH3-N浓度变化见图8。

图8 进出水NH3-N变化趋势图

由图8可以很明显地看出，尽管进水氨氮的浓度有很大的差异，持续在25～40 mg/L左右，但随着整个工艺经过调试期至稳定运行，出水氨氮的浓度在大幅度的降低，基本稳定在5～16 mg/L，符合啤酒工业污水排放标准，同时氨氮的去除率也在持续的升高。

3.4.2 运行中TP变化

在废水中，磷一般以各种磷酸盐的形式存在，存在于溶液和悬浮物中。但是水中磷含量过高，就会导致水体富营养化，水质恶化。因此，磷含量也是水质评价的重要指标。

由图9可知，进水TP浓度最大值为14 mg/L，出现在3月；进水TP浓度最小值为8mg/L，出现在6月。在系统调试至稳定运行6个月中进水TP的浓度忽升忽降。出水TP浓度稳定在0.5～3mg/L，符合啤酒工业污水排放标准。从变化趋势看，TP的去除率整体上呈现出缓慢上升的趋势。

图9 TP变化趋势图

3.4.3 运行中pH变化

pH值对氨氮硝化有影响，主要是因为pH值过低将会导致硝化反应的停止，从而影响氨氮的降解，进而影响反应系统内其他处理单元。由图10可知，三月份进水pH值最大，高达12，系统处理后出水pH值为9，此时氨氮和COD的去除率都不高。稳定运行阶段，出水pH值稳定在6～8之间，这是符合污水排放标准的；同时氨氮和COD的去除率相较于调试阶段呈现出稳定持续升高的趋势。