啤酒生产废水的综合治理

论文题目：啤酒生产废水的综合治理

摘  要
 啤酒废水中有机物的含量较高，如直接排放，既污染 环境，又降低啤酒工业的原料利用率.为此，许多学者和厂家对啤酒废水的处理与利用技术 进行了研究.本文在阐述啤酒废水的来源及特点的基础上，对几种常见的处理利用技术进行了比较，结论是：单一的处理和利用技术不能从根本上解决啤酒废水的污染问题，只有将多种技术结合使用，才能达到经济效益和环境效益的统一。

关键词：啤酒工业 废水处理 废水综合利用

目  录
摘  要 i
目  录 I
第一章  绪论 1
第二章  啤酒的酿造过程 2
第三章  啤酒废水的现状 3
3.1 啤酒废水的产生及其特点 3
3.2 啤酒废水的处理方法 4
第四章  啤酒废水的利用技术 7
4.1 啤酒废水土地利用 7
4.2 啤酒废水的植物净化 7
结  语 9
参考文献 10
致  谢 11

第一章  绪论
 燕京啤酒（包头雪鹿）股份有限公司的前身是建于上世纪８０年代的包头雪鹿啤酒厂，但到２０００年，年产量只有５万吨，销售市场仅限于包头市和周边旗县。当年年底，包头市委、市政府通过招商引资引进了中国最大的啤酒生产企业——北京燕京啤酒集团，并成功于包头雪鹿啤酒厂合资。四年来，燕京啤酒集团累计向雪鹿公司投资１．６亿元，利润累计增加了１２８９万元，税金累计增加３３３２万元，产品销售半径已经辐射到宁夏、陕西、河北等地。企业的快速成长为我国西部经济欠发达地区的生产企业探索出了一条可借鉴的发展之路。虽然啤酒厂发展快速， 但是在生产过程中所产生的废水却不能不让人担心。生产工艺流程分六个工段，即粉碎、糖化、麦汁、冷却、发酵、过滤灌装。每个工段都有以废水为主的废弃物产生，污染源头主要有废麦糟、废酵母、热冷蛋白凝固物、废硅藻土等固液混和物及排渣水、洗糟水、废酒花、洗酵母水、洗瓶水、酒头排放杀菌废水和各种洗涤水。啤酒废水浓度高、流量大、污染区域广，直接污染地表水和地下水。公司在防治污染中采取源头废弃物分段治理和利用、强化生产管理和末端治理相结合的综合治理措施，实现啤酒废水和污染物浓度均达标排放。
 
第二章  啤酒的酿造过程
 麦芽、啤酒花、水和酵母，这四样酿造啤酒的原料创造出世界级的酿造制品。在比利时、英国、德国和法国等国家，这种简单的配方已经经历了几个世纪的洗礼，至今仍在使用。即使有些厂家在技术、防腐剂和添加剂上有改进，那也只是为了使酿造成本更低，酿造速度更快一些而已。
 啤酒使一种变化多端的复合物，虽然只有四种简单的成分，但却能配出千变万化的组合，而且在酿造过程中会遭遇不同的难题，啤酒酿造师凭着对各种成分的深刻认识和它们彼此之间的相互影响，细致的设计配方，如果要鉴别最终的酿造结果，那只能纯粹凭“啤酒大师”的知识和经验了。
 啤酒的酿造过程，首先把发芽的大麦在滚筒碾碎机中碾碎，注入热水混合，旋转入麦芽汁桶（这是一种置于酿造车间的铜制或木制或不锈钢制的大容器）。麦芽汁就像燕麦粥，呈金黄色，有点甜。煎熬麦芽汁的方法是由德国的酿酒师针对他们的麦芽类型开发的，他们先把麦芽汁抽入一个罐中，煮沸促使蛋白质分解，然后再抽回到麦芽汁桶，几个小时内慢慢的上升温度。这个方法起初应用于德国白啤酒(Weissbiers）和德国巴克黑啤酒(Backs)的酿造，那是为了酿制一种厚泽麦芽风格的啤酒。
 现在许多啤酒厂在传统方法的基础上又作了一些调整，其麦芽汁加温过程只在一个容器中进行，所不同的是温控步骤精确多了。麦芽汁制备完成后，甜甜的麦芽汁被过滤后流入酿造罐，通常再用热水喷射麦芽汁沉淀物，以带走剩余的麦芽汁。
 在酿造罐中，再煮沸麦芽汁并添加啤酒花，通常要煮一个半小时到三个小时。然后，过滤掉啤酒花沉淀，再用离心法分离掉沉淀的蛋白质，冷却至发酵温度，麦芽汁输送至初级发酵罐中，在那里加入一定量的新鲜酵母。大多数情况下，发酵过程要持续五至十天，然后“清”啤酒被注入后熟罐，在那里需要进一步净化和老化一至二周。拉格啤酒通常要经历更长时间的发酵期；二周的初级发酵，二周的二级发酵以及一到六个月的后熟。熟啤酒离开啤酒厂之前，经过过滤和罐装，并加入二氧化碳，最后成为我们见到的啤酒。
 但是在生产啤酒的同时却又产生了附加物：那就是啤酒废水的产生。

第三章  啤酒废水的现状
 随着人民生活水平的提高，我国啤酒工业得到了长足发展，其产量逐年上升。1988年全国有啤酒厂800多家，年产啤酒663万t，位居世界第三；经过近十年的发展，目前已 达到1000多家，年产啤酒1000多万t，成为世界第二大啤酒生产国。但是在啤酒产量大幅度提高的同时，也向环境中排放了大量的有机废水。据统计，每生产1t啤酒需要10 ～30 t新鲜水，相应地产生10～20 t废水。由于这种废水含有较高浓度的蛋白质、脂肪、纤维、碳水化合物、废酵母 。酒花残渣等有机无毒成分，排入天然水体后将消耗水中的溶解氧，既造成水体缺氧，还 能促使水底沉积化合物的厌氧分解，产生臭气，恶化水质。另外，上述成分多来自啤酒生产原料，弃之不用不仅造成资源的巨大浪费，也降低了啤酒生产的原料利用率。因此，在粮食缺乏，水和资源供应紧张的今天，如何既有效地处理啤酒废水又充分利用其中的 有用资源，已成为环境保护的一项重要研究内容。
3.1 啤酒废水的产生及其特点
 啤酒生产工艺流程包括制麦和酿造两部分。二者均有冷却水产生，约占啤酒厂总排水量的65%，水质较好，可循环用于浸洗麦工序。中、高污染负荷的废水主要来自制麦中的浸麦工序和酿造中的糖化、发酵、过滤、包装工序，其化学需氧量在500～40000 mg/L-1之间，除了包装工序的废水连续排放以外，其它废水均以间歇方式排放（见表3-1）。
 表3-1  啤酒工业中高污染负荷废水的来源与浓度
工序 废水中CODcr浓度（mg/L-1） 排放方式
浸麦工序 500～800 间歇排放
糖化工序 20000～40000 间歇排放
发酵工序 2000～3000 间歇排放
包装工序 500～800 连续排放
 啤酒厂总排水属于中、高浓度的有机废水，呈酸性，pH值为4.5～6.5,其中的主要污染因子是化学需氧量（CODcr）、生化需氧量（BOD5）和悬浮物（SS），浓度分别为1000～1500，500～1000和220～440 mg/L-1。啤酒废水的可生化性（BOD5/CODcr）较大，为0.4～0.6，因此目前国内很多治理技术的主体部分是生化处理。
 
3.2 啤酒废水的处理方法
 目前，国内外普遍采用生化法和末端治理法来处理啤酒废水。
生化法
 生化法分为两大类：分为好氧生物处理和厌氧生物处理两大类。
 好氧生物处理：是在氧气充足的条件下，利用好氧微生物的生命活动氧化啤酒废水中的有机物，其产物是二氧化碳、水及能量（释放于水中）。这类方法没有考虑到废水中有机物的利用问题，因此处理成本较高。活性污泥法、生物膜法、深井曝气法是较有代表性的好氧生物处理方法。
 ① 活性污泥法
 活性污泥法是中、低浓度有机废水处理中使用最多、运行最可靠的方法，具有省时、处理效果好等优点。该处理工艺的主要部分是曝气池和沉淀池。废水进入曝气池后，与活性污泥（含大量的好氧微生物）混合，在人工充氧的条件下，活性污泥吸附并氧化分解废水中的有机物，而污泥和水的分离则由沉淀池来完成。活性污泥法处理啤酒废水的缺点是动力消耗大，处理中常出现污泥膨胀。污泥膨胀的原因是啤酒废水中碳水化合物含量过高，而N，P，Fe等营养物质缺乏，各营养成分比例失调，导致微生物不能正常生长而死亡。解决的办法是投加含N，P的化学药剂，但这将使处理成本提高。而较为经济的方法是把生活污水（其中N，P浓度较大）和啤酒废水混合。
 此种方法的另一种变化模式是间歇式活性污泥法（SBR），通过间歇曝气可以使动力耗费显著降低，同时，废水处理时间也短于普通活性污泥法。
深井曝气法
 为了提高曝气过程中氧的利用率，节省能耗啤酒废水。深井曝气实际上是以地下深井作为曝气池的活性污泥法，曝气池由下降管以及上 升管组成。将废水和污泥引入下降管，在井内循环，空气注入下降管或同时注入两管中，混 合液则由上升管排至固液分离装置，即废水循环是靠上升管和下降管的静水压力差进行的。 其优点是：占地面积少，效能高，对氧的利用率大，无恶臭产生等。据测定 当进水BOD5浓度为2400 mg。L-1时，出水浓度可降为50 mg。L-1，去除率高达97。92% 。当然，深井曝气也有不足之处，如施工难度大，造价高，防渗漏技术不过关等。
生物膜法
 与活性污泥法不同，生物膜法是在处理池内加入软性 填料，利用固着生长于填料表面的微生物对废水进行处理，不会出现污泥膨胀的问题。生物 接触氧化池和生物转盘是这类方法的代表，在啤酒废水治理中均被采用，主要是降低啤酒废 水中的BOD5。生物接触氧化池是在微生物固着生长的同时，加以人工曝气。这种方法可以得到很高的 生物固体浓度和较高的有机负荷，因此处理效率高，占地面积也小于活性污泥法。
 厌氧生物处理：厌氧生物处理适用于高浓度有机废水（CODcr＞2000 mg/L-1, BOD5＞1000 mg/L-1）。它是在无氧条件下，靠厌气细菌的作用分解有机物。在这一过程中，参加生物降解的有机基质有50%～90%转化为沼气（甲烷），而发酵后的剩余物又可作为优质肥料和饲料。因此，基于以上优点，啤酒废水的厌氧生物处理受到了越来越多的关注。
 厌氧生物处理包括多种方法，但以升流式厌氧污泥床（UASB）技术在啤酒废水的治理方面应用最为成熟。UASB的主要组成部分是反应器，其底部为絮凝和沉淀性能良好的厌氧污泥构成的污泥床，上部设置了一个专用的气-液-固分离系统（三相分离室）废水从反应器底部加入，在上向流、穿过生物颗粒组成的污泥床时得到降解，同时生成沼气（气泡）。气、液、固（悬浮污泥颗粒）一同升入三相分离室，气体被收集在气罩里，而污泥 颗粒受重力作用下沉至反应器底部，水则经出流堰排出。实践证明，UASB成功处理高浓度啤酒废水的关键是培养出沉降性能良好的厌氧颗粒污泥。颗粒污泥的形成是厌氧细菌群不断繁殖、积累的结果，较多的污泥负荷有利于细菌获得充足的营养基质，故对颗粒污泥的形成和发展具有决定性的促进作用；适当高的水力负荷将产生污泥的水力筛选，淘汰沉降性能差的絮体污泥而留下沉降性能好的污泥，同时产生剪切力，使污泥不断旋转，有利于丝状菌互相缠绕成球。此外，一定的进水碱度也是颗粒污泥形成的必要条件，因为厌氧生物的生长要求适当高的碱度，例如：产甲烷细菌生长的最适宜pH值 为6.8～7.2。一定的碱度既能维持细菌生长所需的pH值，又能保证足够的平衡缓冲能力。由于啤酒废水的碱度一般为500～800 mg/L-1(以CaCO3计)，碱度不足，所以需投加工业碳酸钠或氧化钙加以补充。研究表明，在 UASB启动阶段，保持进水碱度不低于1000 mg/L-1对于颗粒污泥的培养和反应器在高负荷下的良好运行十分必要。应该指出，啤酒废水中的乙醇是一种有效的颗粒化促进剂 ，它为UASB的成功运行提供了十分有利的条件。
 总之，UASB具有效能高，处理费用低，电耗省，投资少，占地面积小等一系列优点，完全适用于高浓度啤酒废水的治理。其不足之处是出水CODcr的浓度仍达500 mg/L-1左右，需进行再处理或与好氧处理串联才能达标排放。
末端处理法
 啤酒废水末端治理措施是联合使用塔式生物滤池、生物接角氧化法和活性污泥法，采用“兼气-好氧”生物序批操作。工艺流程见图3-1。
 

图3-1  末端处理法工艺流程
 污水处理站有两组反应设施，每组有一个塔式生物滤池，四个串联的兼气池和两个串联的SBR（序批式曝气）池。各车间排放的污水经固液分离机去降大颗粒杂质后，进集水池，然后用潜污泵送至调解池。在池内均质6-8小时，经表面浮桶均匀出水，自流入兼气反应池，池内组合填料上生长着最大兼气菌，废水中有机物经兼气初步吸附氧化，再经循环泵送到塔式过滤池顶端的放置布水器。向下喷淋的废水通过塔内的立波填料时与填料表面的好氧生物膜及空气接触，吸附氧化得到第一次净化。废水由滤塔自流兼气池后，有氧废水和无氧废水混合，兼性菌在兼气池内把高分子有机物分解成低分子有机物，把活性污泥难以氧化的有机物预先分解，废水第二次行得到净化。废水经兼气池处理后自流入SBR池，SBR池为活性污泥法。CODcr一般在500 mg/L以下，兼气池废水中维持有足够溶解氧，为微生物生长创造良好的条件，活性污泥有很强的有为附和氧化分解有机物的能力，使废水得到第三次净化。SBR池处理废水工序包括进水、反应、沉淀、排水、空载、等待机等五道工序，室内设有曝气和搅拌装置，集曝气、沉淀、排水、排泥、各种功能于一身，不必另设沉淀和污泥回流工序，能较大幅度地节省占地、节约能耗及进出水时间。
 
第四章  啤酒废水的利用技术
 利用自然生态良性循环的方法净化和利用啤酒废水，也是目前啤酒废水综合治理的一个方向，有利于实现废物的资源化。
4.1 啤酒废水土地利用
 废水的土地利用在国内外都有悠久的历史。其目的不单纯是废水农田灌溉，而是根据生态学原理，在充分利用水资源的同时，科学地运用土壤-植物系统的净化功能，使该系统起到废水的二、三级处理作用。废水的土地利用一般有快速渗滤和地表漫流两种方法。前者的特点是加入的废水大部分都经过土壤渗透到下层，因而仅限于在砂及砂质粘土之类的快渗土壤上使用，植物对废水的净化作用较小，主要是由土壤中发生的物理、化学和生物学过程使废水得到处理。后者是一种固定膜生物处理法，废水从生长植物的坡地上游沿沟渠流下，流经植被表面后排入径流集水渠。废水净化主要是通过坡地上的生物膜完成的。这种方法对于渗透较慢的土壤最为适用，啤酒废水经过土地利用系统后，水质明显改善，能够达到农田灌溉水质标准（GB 5084-85）的要求；同时又可节省水源，增加农田土壤的有机质含量，提高农作物产量。其经济效益在干旱地区更能得到体现。
 当然，啤酒废水的土地利用也存在一定的问题：①处理过程中会产生臭味，必须将处理场地设在远离居住区的地方，这样需要较长的输水干管；②废水的含盐量过高时，将危害植物生长，并造成土壤排水、通气不良。如何避免这些问题发生，需要进一步研究。
4.2 啤酒废水的植物净化
 啤酒废水中有机碳含量丰富，氮、磷的含量也有一定水平，可以为植物生长提供必要的营养物质。近年来，一些学者利用啤酒废水对普通丝瓜（Luffa cyclindrica）、多花黑麦草（Lolium multiflorum ）、水雍菜（Ipomoea aquatica） 、金针菜（Hemerocallis fulva）等植物进行水培试验，发现这些植物长势良好并能完成其生活史，既创造了经济效益，同时又显著降低了废水中多种污染物（COD除外）的浓度（见表4-1）。这为啤酒废水的资源化处理开拓了一条新思路。
 
 
 表4-1  水培植物对啤酒废水的净化能力
植物 废水中污染物去除率/% www
 COD T-N T-P NH4+-N 浊度
普通丝瓜1) 22.5～44.1 78.6～89.1 78.0～90.4 99.2～99.6 
多花黑麦草1) 11.5～34.5 12.9～54.1 36.5～82.2 16.3～69.7 55.8～92.5
水雍菜2) 47.7～75.1 84.9～94.6 78.7～96.5 95.5～98.8 
金针菜3) 39.60 90.60 65.41 99.34 81.28
 其中1）处理时间为24～120h；2)处理时间为24～48h；3)处理时间为72h。
 水培植物对废水中COD的去除率不高，主要是因为废水中C的含量大大高于N，P，而植物是按照一定的C，N，P比例来摄取营养物质的。从这一点来看，水培植物用于生物处理后出 水（含C量已大为降低）的深度净化更为合理。
 
结  语
 啤酒废水是一种中、高浓度的有机废水，随着啤酒工业的不断发展，其产生量也将持续上升。为了避免纳污水体的水质恶化，除了实行清、污分流，提高冷却水的循环利用率 以降低排放量外，还必须对其进行有效处理。
 好氧生物处理、厌氧生物处理、土地利用和植物净化等方法是常见的啤酒废水治理方法。好氧生物处理对于低浓度废水有较高的COD去除率（＞90%），但是需要大量的投资和场地，能耗较高，受外界环境（温度等）影响较大；厌氧生物处理对于高浓度废水有较高的CODcr去除率，它克服了好氧生物处理的大多数缺点，还能进行生物质能转化，大幅度降低处理成本，因而为越来越多的厂家所采用，其最大缺陷是出水CODcr的浓度仍然很高，难以达到《污水综合排放标准》的要求。土地利用系统虽然能够改善废水的水质，节约水源，增加土壤有机质含量，但是占地面积大，易产生臭味，还可能引起土壤盐碱化。用植物净化 啤酒废水，可以有效去除其中的N，P和浊度，并可获得一定的经济效益，但是对CODcr的去除率却不高。
 要得到理想的处理结果，实现啤酒废水治理的环境效益和经济效益的统一，必须将两种或三种技术结合使用，这是解决啤酒废水污染问题的根本出路。例如，把厌氧和好氧处 理池串联使用，依靠前者把废水的高负荷降低，再以后者把低浓度废水处理达标，其动力消耗则可由前一过程的质能转化予以补偿。又如，把生物处理与土地利用结合起来，既能有效净化废水，还能起到互补作用，产生更高的经济效益。
 另外，在如下几个方面还须作进一步研究：(1)啤酒工业实施清洁生产工艺的可行性及其综合效益分析；（2）多种处理技术串联使用时，其结合点上啤酒废水的最适浓度；（3）厌氧和好氧微生物种类在一个处理单元内共同作用于啤酒废水的可能性及相关的处理技术；（4）啤酒废水的土地利用技术对土壤理化性质的各种可能影响。]
 
参考文献
【1】纺织印染工业废水治理技术。杨书铭，黄长盾。化学工业出版设。2006，1。
【2】五十年来我国电镀废水治理的回顾。黄瑞光。电镀与精饰。2000年22卷第二期。
【3】制药废水处理进展综述。楼菊青。重庆科技学院学报。2006年第8卷第4期。

致  谢
 本论文是在闫永平主任和宋飞燕老师的悉心指导下完成的，本论文从选题到完成，每一步都是在导师的指导下完成的，倾注了导师大量的心血。在此，谨向导师表示崇高的敬意和衷心的感谢！
 在此我要对我的车间的指导师傅维修班长肖泽说声感谢，在这篇论文中您对我的帮助也非常大，在这里请接受我诚挚的谢意！
 最后我还要感谢培养我长大含辛茹苦的父母，谢谢你们多年的养育之恩。