某啤酒廠啤酒廢水處理工藝設計【含CAD圖紙+文檔】

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目錄 文摘 1 1緒論 2 1.1啤酒廠廢水組成 2 1.2排放要求 3 2 生物污水處理系統(tǒng) 4 2.1 厭氧處理系統(tǒng) 5 2.2 好氧處理系統(tǒng) 9 3 厭氧處理的優(yōu)勢——以一個實例說明 12 3.1能量需求量和產量 12 3.3空間需求 14 4 結論 15 5 參考文獻 16  啤酒廠廢水生物處理方法的最新進展 W DRIESSEN, T VEREIJKEN Paques B.V., P.O. Box 52, 8560 AB Balk, The Netherlands (w.driessen@paques.nl - www.paques.nl) 文摘 在過去的20年中,啤酒工業(yè)對環(huán)境保護和可持續(xù)生產過程的關注持續(xù)增加。ISO14001認證的執(zhí)行和更嚴格的環(huán)境法規(guī)已經成為啤酒工業(yè)投資生物廢水處理設施的重要動力。厭氧/好氧工藝相結合在生物廢水處理中被寄予了特殊的關注。把厭氧預處理和好氧后續(xù)處理相結合，發(fā)揮了兩種工藝的優(yōu)勢：降低了能源的消耗（有剩余能量產生）、降低了生物污泥的產量、減少了空間的需求，這些都是很重要的。在不影響排污標準的前提下，厭氧/好氧工藝相結合比起純好氧工藝更節(jié)省運行費用。 關鍵詞：啤酒廠廢水，生物處理，厭氧，好氧 1緒論 過去20年啤酒工業(yè)對環(huán)境的關注得到了極大的提高，從而加大了對環(huán)境保護設施的投資。啤酒工業(yè)重要的內部運作正在執(zhí)行如ISO14001的環(huán)境管理體系，以及有需要引導最優(yōu)啤酒工藝的基準研究。關于環(huán)境的排放（如廢水水質和水量）能帶來管理的信息，這有助于提高啤酒生產過程設備的效率（生產損失、水和能量流失的最小化）6。重要的環(huán)境投資外部操作是地方立法和環(huán)境稅收系統(tǒng)（排污收費）。最終的結果就是啤酒工業(yè)在環(huán)境污染物控制系統(tǒng)方面的興趣不斷增加。本文描述了啤酒廢水凈化技術的最重要的（生物）技術。厭氧處理工藝在降低污染和附帶生產富余沼氣方面得到了特別的關注。 1.1啤酒廠廢水組成 啤酒廠廢水的水質和水量有較大的波動由于它們依賴于啤酒廠各種不同的工藝過程（原始材料的處理、麥芽汁制備、發(fā)酵、篩選、清洗工藝、包裝等）。廢水產生的數量于特殊用水的消耗有關（以每百升水/每百升啤酒表示）。一部分水同啤酒副產物一起被處理，還有一部分由于蒸發(fā)作用而損失。結果廢水與啤酒的比率為1.2～2百升廢水/百升啤酒，小于水與啤酒之比。啤酒廠廢水的有機成份（以COD表示）一般比較容易降解，這些成份包括糖類、可溶性淀粉、乙醇、揮發(fā)性脂肪酸等，相關的COD/BOD高達0.6～0.7可說明這一點。啤酒廠固體物質（以SS表示），主要有用剩的谷物、硅藻土、失效酵母。啤酒廠廢水的PH值水平主要決定于清洗單元化學藥劑使用的數量和類型（例如腐蝕性蘇打、磷酸、硝酸等）。氮和磷的水平主要決定于原材料的處理和廢水中失效的酵母數量。含磷化學物質在清洗單元的使用也能導致磷含量的增加。 表1 啤酒廠廢水的典型特征 參數 單位 啤酒廠廢水含量 啤酒廠典型基準 流量 2~8百升廢水/百升啤酒 COD mg/l 2000~6000 0.5～3kgCOD/百升啤酒 BOD mg/l 1200~3600 0.2～2kgBOD/百升啤酒 TSS mg/l 200~1000 0.1～0.5kgTSS/百升啤酒 T ℃ 18~40 PH 4.5~12 氮 mg/l 25~80 磷 mg/l 10~50 1.2排放要求 一個啤酒廠的廢水排放限制必須遵守地方環(huán)保法規(guī)。顯然，當排放到敏感接納表面水體（河流、湖泊、海洋等）的限制要嚴格市政污水排放限制的區(qū)域。從廢水中去除有機化合物（COD，化學需氧量）很重要一點是避免接納水體處于厭氧條件。營養(yǎng)物質，例如氮和磷應該避免在藻類旺盛地區(qū)去除以免破壞接納水體的生態(tài)系統(tǒng)。表2列出了應用于環(huán)境保護同盟（1991年環(huán)境保護同盟協會指標）的表面水體接受污染指示物的限值。 表2 環(huán)境保護同盟排出物指示物標準 參數 單位 限值 COD mg/l 125 BOD mg/l 25 TSS mg/l 35 N mg/l 10～15 P mg/l 1～2 2 生物污水處理系統(tǒng) 在生物處理系統(tǒng)中可分為厭氧（沒有氧氣）和好氧（有氧氣供應）過程。厭氧處理的特征是把有機化合物（COD）轉化為沼氣（主要是甲烷70～85vol％，二氧化碳15～30％，還有痕量硫化氫）。在好氧處理中氧氣用于把COD氧化成二氧化碳和水。兩種生物處理過程都產生新的生物量。全部基礎反應是： 厭氧：COD CH4+CO2+厭氧生物 好氧：COD+ O2 CO2+H2O+好氧生物 表3列出了常規(guī)厭氧和好氧生物處理系統(tǒng)的比較（例如活性污泥） 假設污水排放到一個下水道厭氧處理設施，其后加一個磨光步驟，這是好氧處理的一個很好替代。當生物量保持力確定時，新的高效率反應器的發(fā)展應用于高水力流選擇性沖失啤酒固體（硅藻土、酵母）1，8。這使得污水排放入市政下水道而不用經過污泥處理設施。 假設污水排放入表面水體（例如河流、湖泊、海洋），啤酒廠通常需要遵循比單獨厭氧處理更加嚴格的限制。厭氧處理不應該被看作是好氧處理的替代品，但可以作為一種補充來使用。當聯合使用時，兩種工藝的優(yōu)點就得到綜合。厭氧預處理加以好氧后續(xù)處理可以導致積極的能量平衡，減少污泥產生量和節(jié)約空間。當排放到表面水體時，厭氧預處理和好氧后續(xù)處理相結合被認為是最具優(yōu)勢的處理方案。 表3 常規(guī)厭氧和好氧生物處理系統(tǒng)的比較 好氧處理系統(tǒng) 厭氧處理系統(tǒng) 能量消耗 高 低 能量產生 無 有 生物固體產生量 高 低 COD去除率 90～98％ 70～85％ 營養(yǎng)物（N/P）去除率 高 低 空間需求 高 低 間歇操作 難 易 2.1 厭氧處理系統(tǒng) 為了使工業(yè)廢水得到高效的生物處理，需要一種高能力的生物處理工藝。生物處理系統(tǒng)的去除能力由以下幾方面決定： 1、 生物數量（生物濃度、體積等） 2、 生物活性 生物數量（以kgVS/m3表示）越多和生物活性（以kgCOD/kgVS.d表示）越高，反應系統(tǒng)的轉換率（kgCOD/d）就越高。 生物處理系統(tǒng)因此可以分為以下幾種： 1、 生物過濾（靜止的） 2、 生物和廢水接觸（混合的，紊亂的） 一般的厭氧處理系統(tǒng)在圖表1中列出 最簡單的厭氧處理系統(tǒng)有氧化塘和CSTR反應器（連續(xù)流攪拌槽式反應器）。由于這些反應器沒有特別的污泥停留系統(tǒng)，因而污泥停留時間等同于水力停留時間。結果懸浮生物濃度非常低，從而生物處理能力收到限制。這些處理系統(tǒng)主要用于污泥硝化，并且?guī)缀醪贿m合處理廢水。 厭氧接觸工藝是一個CSTR設施附帶外部分離單元回流部分污泥。通過機械鼓風機或沼氣吹風機來混合。由于厭氧污泥絮凝和稀釋的性質，這些系統(tǒng)運作于低體積負荷率，并不適合像啤酒廢水這樣的低濃度工業(yè)廢水。 厭氧濾池使用載體材料使污泥停留于生物生長處。由于載體經常有限，懸浮的絮狀污泥對反應器的能力仍然有貢獻。這種系統(tǒng)的一個缺點是閉合性導致廢水中固體造成“短路”和“死區(qū)”。 在1970年代末期，一種叫UASB（上流式厭氧污泥床）的厭氧反應器發(fā)展起來并首先應用于荷蘭制糖工業(yè)。在UASB反應器內，廢水以上流形式通過一層稠密的厭氧污泥床。這種污泥大部分是小顆粒（1～4mm），有很好的沉淀性質（>50m/h）。在UASB反應器的上部一種叫三相分離器的裝置把污泥從沼氣和廢水中分離出來。1984年第一個用于啤酒廠廢水處理的高效厭氧處理設施在荷蘭巴伐利亞啤酒麥芽廠建立5。在1984年之前，巴伐利亞有一臺厭氧活性設施運行（旋轉型）。持續(xù)增加的生產使得有必要擴大處理廠的處理能力以補現有設施對增加污水符合的不足。一個引流實驗用于測試稀釋水（1200～1700mgCOD/l）和低溫廢水（17～24℃）。在引流實驗成功后，一個完整規(guī)模的UASB反應器被建成用于預處理廢水以降低好氧處理設施的負荷。反應器從紙張和馬鈴薯磨碎機中獲得顆粒狀污泥并在兩個月設計符合下取得75～80％的COD去除率。在厭氧預處理運行后，好氧生物的穩(wěn)定性得到很大提高。結果導致高效穩(wěn)定的運行?，F在UASB反應器是世界上應用最廣泛的用于處理啤酒廢水的厭氧反應器（見表2）。 盡管UASB反應器多年來都運行良好，但新一代的反應器在九十年代后期于啤酒工業(yè)開始流行起來，它們是塔式反應器，如FB（流化床），EGSB（厭氧顆粒污泥膨脹床）和IC（內循環(huán)）反應器。流化床用流動載體材料使生物生長，而EGSB和IC反應器用厭氧顆粒污泥，和UASB反應器一樣。 圖1 厭氧反應系統(tǒng)總體示意圖 EGSB反應器事實上是UASB反應器的垂直延伸。UASB反應器罐體高度一般為4.5～6.5米高，而EGSB和IC反應器分別為12～16米和16～24米高，從而更加減少養(yǎng)料。 EGSB反應器像UASB反應器一樣通過反應器頂部的一級三相分離器分離污泥、沼氣和廢水。IC反應器更加精細，它由兩級反應器組成，包括上下兩個UASB反應器。低層的UASB反應器通過沼氣的產生引發(fā)內循環(huán)從而得到額外混合。由于一級分離器去除了大部分微生物，很大程度上降低了紊亂，從而導致二級分離器能夠從廢水中高效地去除厭氧污泥。IC反應器的符合率是UASB反應器的兩倍（15～30kgCOD/m3d）。荷蘭丹博斯喜力啤酒廠于1990年率先采用IC反應器技術8。在啤酒制造業(yè)IC反應器在過去五年里已經取得41％的市場占有率。（見圖2、3） 過去厭氧系統(tǒng)在飲料工業(yè)比例（n＝401） 過去五年（1998-2002年）厭氧系統(tǒng)在飲料工業(yè)比例（n＝106） 圖2 圖3 表4：厭氧反應系統(tǒng)典型設計參數 體積負荷率（kgCOD/m3d） 微生物/ 污泥停留 微生物/廢水接觸 氧化塘 0.1～1 懸浮 － － CSTR接觸反應工藝 1～5 懸浮/ 外部設置 機械鼓風 沼氣 生物濾池 5～10 附著/懸浮 載體/包裝 － UASB 5～15 顆粒狀/ 相項分離 水力上流 沼氣上流 EGSB 15～25 顆粒狀/ 三項分離 水力上流 沼氣上流 IC 20～30 顆粒狀/ 二級三相分離 水力上流 沼氣上流 內循環(huán) 2.2 好氧處理系統(tǒng) 和厭氧反應器系統(tǒng)一樣，好氧反應器系統(tǒng)可以按這種方式劃分：這些反應器劃定微生物停留時間以保證好氧微生物和廢水之間充分接觸。圖表4列出了好氧廢水處理系統(tǒng)最廣泛的應用。 好氧塘沒有專門的污泥停留系統(tǒng)，由于這些系統(tǒng)需要占用大量土地，因此不大使適用于處理啤酒廢水。由于氧化塘多年積累污泥，因此氧化塘在一段時期過后會耗盡污泥。 好氧固定床和流化床反應器使用載體材料使微生物附著生長。這些系統(tǒng)不能截留入水懸浮固體，因此通常用作預處理。和厭氧濾池一樣，好氧固定床反應器由于廢水中固體物質或微生物生長易發(fā)生堵塞。再者，如果沒有通風設備，這些系統(tǒng)由于好氧不充分會導致臭氣散發(fā)。流化床反應器經常產生高能耗和大量污泥 圖4 好氧系統(tǒng)總體示意圖 活性污泥法是處理工業(yè)廢水最經常和廣泛應用的好氧技術。這種技術基于曝氣反應器和懸浮絮狀好氧污泥，和通風裝置供入的氧氣混合。除了壓縮的空氣或氧氣，曝氣裝置噴霧也可用作供氧。一個外部重力污泥分離器緊接著曝氣池。好氧凈化水排出，同時好氧污泥回流到曝氣池。剩余的好氧污泥通常脫水后填埋。如果有需要，好氧池可以改良用于脫氮（硝化和反硝化作用）?；钚晕勰喾ㄌ幚淼膹U水可以排放到河流和湖泊。 當前一種氣升式反應器已經發(fā)展起來。在氣升式反應器內部水和污泥在空氣壓縮機提供的空氣下于內部氣缸強烈混合循環(huán)。活性污泥系統(tǒng)在絮狀好氧污泥（一般3～6TSSg/l）下運作，而氣升式反應器在濃縮顆粒裝污泥（20～40 TSSg/l）下運作。由于高污泥濃度，氣升式反應器可以在更高體積負荷下運作（5～10kg/m3d），而傳統(tǒng)的活性污泥法一般只能在1～2 kg/m3d的體積負荷下運作。結果由于氣升式反應器顆粒裝污泥的長污泥齡，硝化作用（將有機氮和氨氧化成硝酸鹽）得到保證，使得可溶性氮含量低于10mg/l。具備完整的反硝化單元（將硝酸鹽轉化為氮氣）的氣升式反應器已經發(fā)展起來并應用于處理啤酒和麥芽廢水3，4。氮轉化率在1～2kgNH4-N/m3。氣升式反應器允許啤酒廠污泥通過，并保留下顆粒裝污泥。沒有沉淀的硅藻土、用盡的谷物和其他啤酒廠副產品被去除。為了滿足更嚴格的地表水排放限值，可以在氣升式反應器后加裝DAF（溶解空氣浮選單元）用于去除細小懸浮固體和氮磷。 第一部氣升式反應器（CIRCOX型）首先在1996年1應用于荷蘭Enschede的Grolsch啤酒廠。在它的處理車間Circox用作從IC反應器出來的厭氧廢水的后處理，以保證不將廢氣排入市政下水道。在1999年第一臺脫氮Circox反應器應用于處理厭氧IC反應器預處理出來的廢水。Circox處理出來的廢水后來又經DAF單元以保證固體和COD的去除。相似的系統(tǒng)已經應用于麥芽廢水處理。 表5：好氧反應系統(tǒng)典型設計參數 體積負荷率（kgCOD/m3d） 生物狀態(tài)/ 污泥停留 微生物/廢水接觸 氧化塘 0.1 懸浮 － － 好氧污泥法 0.5～2.5 懸浮/ 外部沉淀 好氧 固定/流化床 1～5 附著/懸浮/ 負載/包裝 水力流 好氧 升流式反應器 5～10 顆粒狀/ 內部沉淀 好氧 強烈升流循環(huán) 3 厭氧處理的優(yōu)勢——以一個實例說明 在這一部分中將會給出一個理論計算的例子，需要說明的是所提及的數據僅供參考。這些資料是簡化的并可能不適用于其他沒有經過改良的啤酒廠。 這個例子是基于一個年產1000000百升啤酒，一周工作5天，每7百升水生產1百升啤酒，15％的水損失率，廢水產量估計是2000m3/d。廢水的COD含量為3000mg/l，惰性污泥產量為250 mg/l。每百升啤酒大約產生0.51 m3廢水，每百升啤酒大約產生1.53kgCOD。這個例子專為本案例計算，廢水質量必須遵循嚴格的地表水質量標準。 三個可供選擇的廢水處理方案： 1、完全好氧的活性污泥法 2、IC反應器和好氧污泥法結合的厭氧/好氧法 3、IC反應器、CIRCOX升流式反應器和DAF結合的厭氧/好氧法 完全的好氧廢水處理工藝（活性污泥法）包括格柵（去除固體雜質）、緩沖池、好氧池、沉淀池、污泥濃縮池、泥水單元。 厭氧/好氧結合工藝包括格柵、緩沖池、調節(jié)池、厭氧IC反應器、曝氣池、沉淀池、污泥濃縮池、泥水單元。 盡管把曝氣池換成Circox升流式反應器和和沉淀池換成DAF單元，IC/CIRCOX/DAF的選擇范圍和厭氧/好氧結合工藝相似。由于污泥經DAF已經濃縮（大約10％），因此不需要污泥濃縮池。 3.1能量需求量和產量 以好氧處理工藝100％的去除率為基準估計，好氧能量消耗為每千克COD耗能0.7千瓦時，完全好氧工藝能耗為1.53kgCOD/hl×0.7=1.07KWh/hl＝3.9Mj/hl啤酒。再加上廢水處理工藝其他能量消耗（泵、混合等）的0.7Mj/hl，估計一共需要能量為每百升啤酒4.6兆焦。 假設厭氧反應器COD去除率為80％，厭氧/好氧結合工藝中好氧能量僅為完全好氧工藝的20％，大約每百升啤酒0.78兆焦。加上其他能量消耗其總能量消耗大約為每百升啤酒耗能1.5兆焦。 計算理論最大甲烷產量為去除每千克COD產生甲烷0.35立方分米，甲烷產量估計為每百升啤酒產生：1.53 kgCOD/hl×80％×0.35Nm3 kgCOD＝0.43 Nm3甲烷。計算熱值產量，每立方分米甲烷產生13.8Mj熱量，沼氣準確的能量為每百升啤酒產生0.43×32＝13.8Mj能量。生產的可以沼氣用于蒸汽鍋爐燃燒，也可以用作蒸汽機車的能量。如果沼氣用作代替化石燃料，它能為一座現代啤酒廠節(jié)約8％的能量（大約170Mj/hl）。表6列出了應用厭氧處理節(jié)約的能量，很明顯，當應用厭氧處理時可以取得積極的能量平衡。厭氧廢水處理使啤酒廠更可持續(xù)運作。 表6：生物廢水處理系統(tǒng)能量平衡展示（1kWh＝3.6Mj） 完全好氧（Mj/hl） 厭氧/好氧結合（Mj/hl） 節(jié)約能量（Mj/hl） 能量產生 能量消耗 0.0 -4.6 ＋13.8 -1.5 ＋13.8 ＋2.8 總平衡 -4.6 ＋12.3 ＋16.9 3.2污泥產量 一般說來像活性污泥法的好氧設施（延伸好氧）產生大量剩余污泥，大約每去除1千克COD產生0.1～0.25千克污泥，使用顆粒狀污泥的厭氧處理設施去除每千克COD的剩余污泥數量只有0.01～0.03千克。如果厭氧處理系統(tǒng)的COD去除效率以80％算，接下來的好氧設施生物固體的產生量減少了5個因素。把惰性啤酒廠固體計入厭氧/好氧處理中，總污泥產生量在給出的例子中減少了50％（見表7） 表7：生物廢水處理系統(tǒng)污泥產量展示 固體產生 完全好氧處理（kgTS/hl） 厭氧/好氧結合（kgTS/hl） 污泥節(jié)約（kgTS/hl） 生物固體（好氧） 惰性污泥 0.25 0.15 0.05 0.15 0.20（80％） 0（0％） 總污泥 0.40 0.20 0.50（50％） 除了生物固體的數量減少外，好氧污泥的質量也經常提高。在厭氧預處理設施下，可生物降解的糖類沒那么容易進入好氧反應器。結果，在活性污泥設施中導致污泥膨脹的絲狀菌數量得到大大降低。這個結果提高了好氧污泥的穩(wěn)定性，因此導致一個操作更穩(wěn)定和安全的活性污泥工藝。最后，由于好氧污泥更高的礦化程度，因此比起沒有厭氧預處理的活性污泥法，有厭氧預處理的更好。 在這個例子中厭氧顆粒污泥的產量估計為1.53kg kgCOD/hl×80％×0.02kgTS/kgCOD＝0.02 kgTS/hl。但是好氧剩余污泥需要脫水，這是一項花費需要控制和處理，厭氧處理設施的剩余污泥使用顆粒狀污泥不需要進一步的處理，因此有積極的商業(yè)價值。 厭氧污泥能夠儲存一段長時間而沒有重大損失。剩余顆粒狀厭氧污泥在事故中為了安全可以儲存起來。 3.3空間需求 使用厭氧/好氧處理（IC＋活性污泥法）取代完全好氧工藝處理導致更小的空間。由于經過厭氧處理后有機COD負荷已經得到很大削減，好氧池體積可以小一些。 活性污泥設施和UASB反應器現今建成矩形混凝土基座，池壁分別高4～5米和4～6.5米。厭氧IC反應器和好氧Circox反應器建成高細型罐，高度分別為16～24米和10～18米。在IC和Circox反應器結合工藝中使用緩沖器和調節(jié)池使用高鋼罐可以允許更高的負荷。高鋼罐在緩沖器和反應器上的使用允許更緊密的廢水處理設施設計，對于在城市地區(qū)空間狹小處建設啤酒廠是非常適合的。表8列出了排入接受水體的完全廢水處理設施的空間需求。 4 結論 厭氧處理廣泛應用于啤酒廢水處理。 比起完全好氧處理，厭氧/好氧相結合處理處理啤酒廢水有很大優(yōu)勢，特別是在能源需求平衡、降低生物污泥量和大大降低空間需求。 應用于高負荷廢水處理工藝的IC反應器和厭氧升流反應器的應最新發(fā)展仍然面對嚴格的表面水質要求。 5 參考文獻 [1] Driessen W, Habets L & Vereijken T. 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