UASB+CASS组合工艺处理啤酒生产废水

邹义龙，冯斐，邓觅，万金保

(1.南昌大学a.资源环境与化工学院；b.鄱阳湖环境与资源利用教育部重点实验室，江西 南昌 330031;2.江西水利职业学院，江西 南昌 330013;3.江西省科学院鄱阳湖研究中心，江西 南昌 330096)

啤酒是以优质麦芽和大米为原料，加酒花，经原料处理、糖化、发酵、过滤等工序酿制而成，是世界上产量最大的酒种，相比于蒸馏型白酒，具有度数低、营养丰富、饮用面广、消费量大等特点。适当和适度的饮用啤酒，能促进血液循环，有益于人的健康。啤酒作为食品或者酒类的一种深受广大消费者的青睐。据国家统计局数据显示，2018年我国规模以上啤酒制造企业累积产量为3 812.2 万t，每生产1 t的啤酒需要消耗数吨的新鲜水，并会向周围环境中排放5～12 t的有机废水[1]，若不经过合理的处理，直接排入水体后，将消耗受纳水体中大量的溶解氧，造成水体缺氧，同时还能促使水体底泥中沉积有机物的释放，进一步加速水质恶化，对水体环境造成严重的危害[2-3]。

由于厌氧法反应速度较慢，处理过程长，出水水质较差；好氧法处理成本较高，产生的剩余污泥多。目前国内外大多数采用厌氧+好氧优化组合工艺，来达到对啤酒生产废水的最佳处理效果。具体有UASB+A/O法[1]、IC+CIRCOX法[4]、MIC+AO法[5]、水解酸化+接触氧化法[6]等。同时，随着技术的不断进步发展，也有一些新型的处理啤酒废水工艺出现，如吴玥等[7]利用人工湿地复合微生物燃料电池处理实际啤机废水，不仅能产电，而且对COD和氨氮具有较高的去除率，但还未大规模应用于工程实践。结合本啤酒厂生产废水的水质水量特征和排放标准等要求，对初步可行的几种工艺进行全面的技术经济分析对比，最终有针对性的确定了厌氧UASB+CASS循环式好氧活性污泥法联合工艺处理该废水。

1 废水来源及水量水质

江西某啤酒有限公司年产25万吨啤酒，包装形式主要为500 mL玻璃瓶。生产过程废水产生环节多且分散，其主要来源为糖化车间的糖化、糊化锅和过滤槽洗涤水；发酵车间的发酵罐洗涤废水；灌装车间的一般和废碱液洗涤水；车间地面冲洗水和生产办公区的生活污水等。废水中含有大量无毒有害的有机碳和悬浮有机污染物，其成分主要为糖类、可溶性淀粉、蛋白质、纤维素等[8-9]。废水处理量为3 000 m3·d，处理后出水排放各项污染物指标要求均能达到GB 19821—2005《啤酒工业污染物排放标准》表1中的排放标准限值要求。

表1 废水水质及排放标准Tab.1 Wastewater quality and discharge standard

2 废水处理工艺流程及构筑物

2.1 废水处理工艺流程

啤酒废水属于无毒有害的中浓度有机废水，通常情况下其ρ(BOD5)/ρ(CODCr)>0.3，属于可生化性强的废水，采用生化处理方法非常适宜[10]。UASB+CASS组合工艺相比于厌氧或好氧法单一工艺，具有工艺成熟稳定、运行可靠、管理方便、能有效缩短废水的停留时间、抗冲击负荷能力强、对有机物处理效率高、成本低等优点。处理工艺流程如图1所示。

生产废水、生活污水经管道接至格栅，拦截进水中携带的废商标纸、麦糟等固态杂物，再进入集水井，通过水力筛再进一步分离去除大颗粒杂质，防止形成絮凝体带走后续生物处理单元中的微生物以及堵塞管路，预处理后进入初沉池、调节(预酸化)池，调节池将高、中、低浓度各股废水进行混合均匀，同时加入灌装车间产生的废碱液，对污水水质水量进行调节，使污水的水质水量达到均衡，由于废水pH值变化较大，为保证处理水质的稳定，在初沉池前端设置了事故池，当综合废水pH值大于12或小于5时，关闭管线上去初沉池的电动阀门，开启去事故池的电动阀门。调节池中的废水用泵提升至UASB反应器，对废水进行厌氧消化处理，使污水中难以降解的有机物慢慢分解成容易降解的小分子有机物质，然后通过重力自流至CASS反应器，进一步对有机物进行好氧生物处理，再经过砂滤池，进一步过滤，最终确保其出水满足GB 19821—2005《啤酒工业污染物排放标准》表1中的标准，并通过污水管网排入园区污水处理厂进行处理。

初沉池、CASS反应器的剩余污泥排入污泥浓缩池，经板框压滤机脱水后，泥饼外运安全处置，滤液回流到调节池重新处理。

2.2 主要处理构筑物

1) 集水井。1座，啤酒生产过程中各工序为间歇性排水，水量随季节和昼夜变化较大，负荷冲击较强，因此设置一定容积的集水井，将废水收集起来并使其均质均量，以保证后续废水处理单元的正常运行。其尺寸为5.0 m×8.0 m×5.5 m，有效水深5.0 m，有效容积200 m3，HRT为2 h，采用半地下式钢砼结构。

2) 初沉池。1座，废水中的悬浮物浓度较高，将硅藻土等易沉杂质通过初沉池沉淀去除，降低后续单元处理负荷，其尺寸为Φ7.5 m×8.0 m，有效水深7.0 m，有效容积300 m3，HRT为3 h，采用地上钢结构，并对其进行防腐处理。

3) 调节池。1座，啤酒生产过程中，各车间产生的各股废水pH值和浓度等均不一样，该池将各股废水均质、均量的同时，还能对废水进行水解酸化预处理，提高挥发性脂肪酸(VFA)含量、改善厌氧生物处理反应条件和增强废水的可生化性，其尺寸为Φ17.6 m×5.5 m，有效水深4.5 m，有效容积1 094 m3，HRT为10 h，采用地上钢结构，并对其进行防腐处理。

4) UASB反应器。2座，常温运行，调节池液位大于80%时开启，集中运行1个厌氧反应器，保证系统高负荷运行且不易发生酸化现象，废水由泵输送自下而上流经反应器，反应器产生的沼气经脱水脱硫后，储存在沼气罐，作为沼气锅炉的燃料，同时在其顶部设置了臭气风机，将产生的臭气输送至生物除臭系统进行处理，单座尺寸为Φ6.8 m×16.8 m，有效水深16 m，总有效容积1 161.5 m3，HRT为11.6 h，COD容积负荷为6.0 kg·(m3·d)-1，采用地上钢结构，并对其进行防腐处理。

5) CASS反应器。2座，UASB反应器出水COD浓度仍然较高，满足不了排放要求，需经过CASS反应池进一步处理，进水、反应、沉淀、出水、闲置5个工序在反应器内循环交替运行，采用盘式微孔曝气方式，运行周期12 h，污泥浓度3 000 mg·L-1，污泥负荷0.15 kg BOD·(kg·MLVSS·d)-1，单座尺寸为Φ17 m×5.5 m，有效水深4.5 m，总有效容积2 042 m3，采用地上钢结构，并对其进行防腐处理。

6) 砂滤池。1座，其尺寸为Φ9.4 m×4.0 m，有效水深3.5 m，总有效容积243 m3，HRT为2.5 h，采用地上钢结构，并对其进行防腐处理。

7) 事故池。1座，主要用于储存发生事故时和pH值严重偏高或偏低的废水。其尺寸为Φ9.8 m×8.0 m，有效水深7.5 m，有效容积565 m3，采用地上钢结构，并对其进行防腐处理。

8) 污泥浓缩池。1座，其尺寸为Φ7.0 m×7.0 m，采用地上钢结构，并对其进行防腐处理。

本工程配套设备包括干法脱硫罐、布水器、滗水器、厌氧臭气处理系统、叠螺式脱水机、污水提升泵、罗茨风机、板框压滤机等。

3 工程调试

3.1 UASB调试

为方便运输，接种污泥取自本地生活污水处理厂脱水消化污泥，接种前，将污泥在调节池中搅拌成泥浆状，先经筛网(孔径3～4 mm)进行过滤，然后用泵将污泥均匀分布至UASB反应器中，污泥接种量不低于反应器容积的30%。在调试初期阶段采用间歇性进水，将COD容积负荷控制在0.2～0.5 kg·(m3·d)-1，1个月后调整为连续进水，并逐步提高COD浓度，最后至容积负荷接近2.5 kg·(m3·d)-1，期间补充氮源、磷源和适量微量元素等营养物质。调试过程中，密切监控进水量、pH值、温度、COD、VFA等参数变化情况，将pH值控制在6.5～7.8，温度维持在35～40 ℃，VFA控制在3 mmol·L-1左右。每天对出水COD进行定时取样监测，连续10 d去除率稳定在80%左右时，加大进水量。运行3个月后，UASB反应器污泥浓度增大，沼气产量稳定，COD去除率稳定在90%左右。

3.2 CASS反应器调试

CASS反应器采用闷曝法进行调试，接种污泥同样取自本地生活污水处理厂脱水污泥(含水率约80%)，溶化、稀释后，利用泵将污泥均匀打入CASS池内，控制污泥浓度为2 000 mg·L-1，同时泵入低浓度废水注满全池，每天进水2次，每次曝气后沉淀2 h，排出1/3上清液体，并补充新鲜低浓度废水，连续小气量闷曝，期间补充氮源、磷源和适量微量元素等营养物质，控制m(BOD)：m(N)：m(P)=100：5：1，当污泥颜色闷曝成黄褐色时，逐步加大进水量，并调整曝气量，将反应池内DO维持在2～3 mg·L-1，使池内的微生物种群适应待处理的高浓度啤酒废水，经过2个月左右的调试启动后进入稳定运行阶段[11]。

4 运行情况

系统调试完毕后投入正常运行，经当地环保监测部门连续监测，结果表明废水经过格栅、集水井、水力筛、初沉池、调节池、UASB反应器、CASS反应器、砂滤池处理后出水各项指标均达到GB 19821—2005《啤酒工业污染物排放标准》表1中标准要求。部分出水水质监测数据见表2。

由表2可知，该工程对CODCr、BOD5、SS、NH3-N、TP的总去除率分别为98.6%、98.8%、93.6%、88.1%、97.6%。

5 技术经济分析

该工程总投资为477.64万元，其中土建费74.52万元，设备费376.33万元，其他费用(设计﹑安装﹑调试等)为26.79万。运行成本为1.51 元·m-3，见表3，比UASB+A/O工艺[1]处理成本2.61元·m-3，具有成本低的优点。工程运行后，每年可减排CODCr约2 218.5 t，BOD5约1 066.5 t，氨氮约23.8 t，SS约421.2 t，大大减轻了水体污染，为企业的可持续发展提供了坚实保障。

表2 各主要构筑物处理情况一览表Tab.2 List of the main structures processing situation

表3 工程运行费用一览表Tab.3 Schedule of project operation cost

6 结论

1) UASB相比IC、EGSB等其他高效厌氧反应器，具有投资少、效能高、占地面积小、污泥产量少、流速低、污泥床的截留效果明显、COD容积负荷高等优点，是整个组合工艺的核心组成部分，但该反应器会消耗大量的碱，运行过程中需根据实际情况增加碱度，防止系统酸化。

2) CASS是SBR的改良型，作为UASB后续好氧处理工艺，兼具了SBR的优点，运行管理方便，可连续进水，抗冲击负荷能力强，可根据进、出水水质变化情况调整排水比，对于UASB反应器出水中一些难降解的有机物，在CASS反应器内通过缺氧-好氧交替循环作用得到最大程度的去除，保证了整套工艺最终出水达标排放，在实际工程运用中具有明显优势。

3) 采用UASB+CASS组合工艺处理啤酒废水能够取得较好的处理效果，CODCr、BOD5、SS、NH3-N、TP的总去除率分别为98.6%、98.8%、93.6%、88.1%、97.6%。出水水质稳定，各项指标均达到GB 19821—2005《啤酒工业污染物排放标准》表1中的排放标准。