基于等标污染负荷法的酒精工业废水的污染源节点识别及分析
2020-11-09檀胜苏仪杭晓风
檀胜，苏仪，杭晓风
(中国科学院过程工程研究所 生化工程国家重点实验室，北京 100190 )
酒精的生产以发酵法为主，薯类、谷物、糖质等为原料，其中55%以上都是玉米。玉米酒精生产过程为玉米除杂粉碎、糊化、糖化、发酵和精馏，同时产生了玉米输送洗涤水、玉米浸泡水、蒸煮废水、糖化废水、发酵废水、蒸馏废水等工艺过程水，设备和地面冲洗水、冷却水及生活污水等[1-2]。定量地分析玉米酒精各个生产过程的水污染程度，是制定玉米酒精行业的水污染控制技术政策的依据[3-5]。
对工业进行水污染源节点识别和污染负荷的研究方法有排毒系数法、潜在污染能力指数法、环境影响潜在指数法和等标污染负荷法[6-10]。等标污染负荷法适用于多个污染源、多种污染物进行识别评价，可以确定生产工艺中主要污染源和污染物，比较各个因素的环境影响大小，是最常用的方法[11-13]。
本文分析了酒精工业废水的主要水污染源、主要污染物及其相应的污染贡献度大小，为玉米酒精行业水污染管理和控制提供决策依据。
1 数据收集与研究方法
1.1 数据收集
中小型酒精企业酒精产量占据中国酒精总产量的70%，其玉米生产酒精的工艺仍是全粒法，工艺流程为玉米整粒粉碎、拌料、蒸煮、糖化、发酵、蒸馏，其产品有酒精、CO2和废弃酒糟，部分企业能得到副产品DDGS高蛋白饲料、玉米油、玉米粕等[14-15]。
玉米酒精发酵生产系统中排入环境的废水主要分为3种：一是酒精糟液；二是含CODCr较高的设备清洗水、地面清洗水；三是含CODCr较低的循环排废水和锅炉排废水等[16-17]。 酒精发酵企业主要废水产生情况见表1。
实际生产中，随企业生产规模、工艺流程、设备配置、供水水源、资源回收利用方式、水循环利用程度、企业管理水平等因素的变化，实际吨产品废水量会有所浮动。
选取了典型玉米酒精企业，对酒精生产全过程水污染物情况进行了取样调查，与文献报道、实验室检测数据结合，整理得到结果见表2[18]。
表1 工艺用水量及废水的排放原因Table 1 The amount of pure water and reason of wastewater discharge
表2 传统酒精发酵过程各工序废水量及污染物浓度Table 2 Amount of wastewater discharge and the pollutants concentration in the traditional processes of alcoholic fermentation of corn
1.2 研究方法
采用等标污染负荷法，对各污染源、污染物进行数据标准化处理，计算得到相应的等标污染负荷值和等标污染负荷比[19]。
1.2.1 某一工序中某一污染物的等标污染负荷
(1)
式中Pij——i污染物在j工序的等标污染负荷,m3/t；
Cij——i污染物在j工序的实测浓度，mg/L；
Coj——i污染物的排放标准，mg/L；
Qij——含i污染物在j工序的排放量，m3/t。
1.2.2 某工序所有污染物的等标污染负荷之和(该工序的等标污染负荷之和Pnj) 按下式计算：
(2)
1.2.3 某污染物在所有工序的等标污染负荷之和(该污染物的等标污染负荷之和Pni) 按下式计算：
(3)
1.2.4 污染物负荷比 ① 某一工序污染物的等标污染负荷之和Pnj占所有工序等标污染负荷总和Pj总的百分比，称为该工序的等标污染负荷比Kj，按下式计算：
(4)
② 某一污染物的等标污染负荷之和Pni占所有污染物的等标污染负荷总和Pi总的百分比，称为该污染物的等标污染负荷比Ki，按下式计算：
(5)
依据等标污染负荷比的大小，即可确定主要污染物或主要污染工序。
1.3 评价标准
本研究中等标污染负荷法的评价标准为《发酵酒精和白酒工业水污染排放标准(GB 27631—2011)》中规定的水污染排放极限值，见表3[20]。
表3 发酵酒精企业水污染物排放浓度限值及单位产品基准排水量Table 3 Concentration limit of water pollutant discharge and standard water displacement per unit product of alcoholic fermentation of corn
2 结果与讨论
2.1 各工序水污染物等标污染负荷及污染负荷比
玉米酒精各工序废水中各污染物的等标负荷计算结果见表4。
酒精发酵过程中各个工序所排放的污染物的总等标污染负荷值、负荷比计算结果见表5。
由表5可知，玉米酒精发酵过程中，节点等标污染负荷比最大的是糟液回收，其次是循环冷却水和粉碎拌浆过程，三个污染负荷比之和达到了94%以上，即这三个节点对水质污染的贡献度最大，是清洁生产过程中针对“减排”以达到减轻玉米发酵生产酒精废水污染物排放的主要研究对象。糊化糖化、酒精发酵、精馏工段、锅炉房等排水单元的等标负荷比较小，这些节点对环境污染的贡献度较低，是清洁生产污染负荷控制的非重要节点。
表4 各工序水污染物的等标污染负荷Table 4 Equal-standard pollution load of water pollutants in each process
表5 各工序污染物等标污染负荷总和及负荷比Table 5 Total pollutant load and load ratio of pollutants in each process
对比等标污染负荷比贡献度最大的三个节点排水，发现各工序所产生的水量和水质都有较大的差异。 酒精蒸馏后废醪液和粉碎拌料的两股废水浓度高、水量较小，但是两者的有机污染负荷最大，而循环冷却水站呈现浓度低、水量大，最终的有机负荷也较大。因此，从降低水中有机物负荷的角度来看，酒精废醪液废水和粉碎拌浆废水是污染控制的关键，尤其是废醪液的综合利用；从节水的角度来看，循环冷却水是节水的关键，提高冷却水的循环利用率，同时还能降低生产能耗[21-23]。 数据解析结果符合生产工艺的实际情况，通过关键节点的技术改造可以降低废水排放量、减少污染物排放。 蒋炜[24]分析了酒精生产过程中各工段的工艺温度要求，利用热能平衡网络关系，提出了各工段的冷却的方式，结合必要的设备改造，能显著地将原每吨酒精耗水量100 t降至31 t，废水量减排69%。 根据玉米酒精生产的实际情况看，降低酒精废糟液和粉碎拌料废水的最经济的处理方法是清液回配，即将醪塔底部排出的酒糟，先经卧螺离心机将酒糟分离成滤渣和清液两部分，将清液作为粉碎拌料用水，在不影响发酵的情况下，其清液回配比例可以达到30%～50%[25-26]。 如何能够在不影响酒精正常发酵的前提下，最大限度地提高回配比例，是摆在酒精生产企业面前的一大难题。姚文娟等[27-28]采用絮凝法二次处理酒精废糟液后，回配比例可以提高到65%；应用膜过滤技术处理酒精糟液，也取得重大突破，清液可以实现全回配[29]。 如果能够实现清液的全回配，将可以大大地缓解酒精产业发展带来的环境压力，实现玉米酒精的产业可持续发展。 黄志忠等[30]报道了酒精企业对拌料工序、粗塔蒸馏由直接加热改为间接加热、提高废酒精醪液温度、用蒸发系统冷凝水做粉碎拌料用水等节能减排措施，实现酒精生产过程的零排放，在节约水资源的同时，也节约了酒精生产过程糖化工序调pH时的用酸量，实现了废水资源的回收利用，降低了新鲜水的耗用，节约水资源，资源效益明显。
2.2 各污染物总等标污染负荷及负荷比
为了解整个玉米酒精加工过程中的主要污染物，在污染物的等标负荷的基础上，对某一污染物在整个酒精生产过程中各工序的等标污染负荷累积求和，得出其总等标负荷，并计算污染负荷比，计算结果见表6。
表6 各污染物等标污染负荷总和及负荷比Table 6 Total pollutant load and load ratio of each pollutant
由表6可知，玉米酒精生产过程中，废水排放量CODCr、BOD5、悬浮物污染负荷在所有的污染节点中最高，氨氮和总氮污染负荷较低。 这表明CODCr、BOD5和悬浮物是玉米酒精生产废水污染治理重点，应该在源头治理时关注污染物的产生，以减少废水以及污染物的产生量，减轻后续处理压力。数据分析符合实际的酒精企业生产中产生的废水排放特点[31]：悬浮物含量较高、废水中化学需氧量高、废水呈酸性、平均水温较高。 这些原因导致这些废水不能直接排放。目前处理的方式大都与其他工段废水混合集中稀释后再进行末端治理，基本流程是对悬浮物用板框压滤、离心分离及清液蒸发浓缩，而高CODCr、BOD5可生化性较好的特色，则采用厌氧生物处理、好氧生物处理及其组合工艺等，可以有效地将废水中CODCr值由原来的50 000～70 000 mg/L降至约4 000～8 000 mg/L，大大降低了废水处理负荷[17]。采用常规的处理手段存在着诸多问题，如占地面积大、投资费用高以及操作和管理困难等。 寻求清洁生产的酒精废水综合利用技术，做到废水的资源化利用，是酒精行业节能减排的未来方向[32]。
3 结论
为制定玉米酒精加工全行业的水污染管理和控制策略，采用等标污染负荷法分析了传统玉米酒精生产过程中的废水污染源解析工作，可知：在传统的酒精生产工艺中，污染物排放量最大工序是玉米的酒精废糟液和粉碎拌料，两者累积负荷比达到了82.35%～87.00%；废水排放量最大的工序是循环冷却水站，约占66.49%～79.87%。为有效地控制酒精废水污染，从降低水中有机物负荷的角度来看，酒精废醪液废水和粉碎拌浆废水是污染控制的关键，尤其是废醪液的综合利用；从节水的角度来看，循环冷却水是节水的关键，实现冷却水的高效利用。
