玉米深加工清潔生產技術的應用對廢水處理效果的影響

高鵬，年躍剛*，閆海紅，殷勤，頡亞瑋，2，郭曉婭

1．中國環境科學研究院水污染控制技術研究中心，北京 100012

2．清華大學環境學院，北京 100084

玉米深加工清潔生產技術的應用對廢水處理效果的影響

高鵬1，年躍剛1*，閆海紅1，殷勤1，頡亞瑋1，2，郭曉婭1

1．中國環境科學研究院水污染控制技術研究中心，北京 100012

2．清華大學環境學院，北京 100084

對玉米深加工企業EGSB+A/O廢水處理工藝進行問題診斷，提出清潔生產的改造措施，研究其對廢水處理效果的影響。結果表明，在主生產車間加裝澄清離心機和廢水預處理段增設豎流沉降罐，提高了EGSB反應器的運行效率，反應器進出水CODCr平均值分別下降59%和62%以上，比產氣率提高45%。改造后二沉池出水CODCr、BOD5、NH+4－N、SS平均濃度從124、31、57和33 mg/L降至55、9、5和19 mg/L，出水 pH為6．3～6．9，達到 GB 25461—2010《淀粉工業水污染物排放標準》要求。改造工程同時可創造132．04萬元/a的經濟效益。

玉米深加工;廢水;改造;清潔生產;EGSB

玉米為全球主要的糧食作物之一，因其豐富的 產出和可再生的資源優勢受到廣泛的關注，玉米深加工產業也被譽為“黃金”產業。近年來，我國玉米深加工行業迅猛發展，為提高玉米附加值、穩定玉米產區經濟、服務三農做出了重大貢獻［1－2］。然而，玉米加工過程中排放的各種污染物尤其是高濃度有機淀粉廢水，也使玉米深加工企業成為污染大戶，末端治理難度很大，如處理不當，排入水體會造成嚴重的水體污染［3－4］。

我國目前玉米深加工行業污染減排的成果主要是通過大力推行末端治理設施實現，仍有很多企業技術落后，排放的污染物總量和濃度都很高，污水處理設施發揮了近極限的減排能力，很多企業在廢水處理發生問題時，往往采取廢水工藝參數調整等措施，問題嚴重時則進行廢水工藝改造［5－7］。鑒于我國玉米深加工行業現狀，如果能從加強行業清潔生產水平角度解決廢水治理問題，一方面可以作為廢水減排的重要措施，另一方面可以回收淀粉廢水中的有用物質，產生經濟效益。

國內外針對玉米淀粉廢水的研究主要集中在廢水末端治理技術［8－12］，較少有將企業清潔生產與廢水處理結合進行的研究工作。筆者以典型玉米深加工企業為例，通過對淀粉生產分析和廢水問題的診斷，提出清潔生產改造方案，研究其對廢水處理效果的影響，以期為同行業企業提供參考。

1 玉米淀粉生產工藝及廢水產生分析

某大型玉米深加工企業年加工玉米60萬t，生產工藝采用濕磨法，即玉米經浸泡、細磨篩分、分離洗滌、脫水烘干等工序得到成品玉米淀粉。生產過程中以水為介質，從玉米浸泡到產品制造都離不開水，因而會產生大量的廢水。圖1為淀粉生產過程及水循環流程。從圖1可以看到，該企業工藝用水采用閉路環流流程，各工段產生的工藝過程水大部分再次回用。

生產過程中排放的廢水主要來源有2個:1)當生產負荷發生變化時，工藝水罐內的水量增加，因而產生了多余的過程水，這部分水主要在麩質濃縮環節排入污水站;2)浸泡水在三效蒸發器制取玉米漿的蒸發冷凝水，直接排入污水站。

2 廢水處理工藝分析及問題診斷

2.1 廢水處理工藝

圖1 淀粉生產過程及水循環流程Fig．1 Starch production process and water cycle process

廢水設施設計處理能力為3 500 m3/d，現處理量為2 650 m3/d，采用膨脹顆粒污泥床厭氧反應器+缺氧/好氧(EGSB+A/O)工藝。廢水先進入調節酸化池進行預酸化，再經提升泵泵入EGSB反應器，利用厭氧顆粒污泥將廢水中的污染物轉化為沼氣，達到去除CODCr的作用;出水進入A/O活性污泥池后利用微生物進一步降解水中的污染物，最后在二沉池中進行泥水分離。具體工藝流程如圖2所示。

圖2 廢水處理工藝流程Fig．2 Wastewater treatment process

2.2 問題診斷

雖然企業產生的廢水水量并未超過該套設施的設計能力，但該廢水處理工藝運行效果仍不甚理想，無法滿足現有排放標準的要求，工藝運行中存在一些問題:

1)進水有機物濃度高。主生產車間淀粉和蛋白分離效果不好，造成大量干物混入工藝廢水，大大增加了污水處理設施的負荷。試驗及工程數據表明，水中干物SS對CODCr的貢獻約占廢水中CODCr總量的30% ～35%［13－14］。

2)EGSB反應器運行不穩定。進水污染物濃度過高且波動范圍較大，導致EGSB反應器運行效果差，比產氣率較低，嚴重時會有厭氧顆粒污泥解體現象發生。

3)二沉池出水水質超標。表1為出水污染物平均濃度，從表1可以看出，二沉池出水 CODCr、BOD5、NH+

4－N、SS濃度均超過GB 25461—2010《淀粉工業水污染物排放標準》的排放要求。

表1 二沉池出水水質Table 1 Water quality of final effluent mg/L

通過分析可知，廢水處理工藝存在的主要問題是進水中固形物、粗蛋白等回收率較低，厭氧反應器有機負荷和沖擊負荷較大、運行不穩定，最終導致二沉池出水無法達標排放。如能從改造企業淀粉生產工藝入手，開發提高資源利用效率的清潔生產技術，可以在一定程度上降低廢水中有機污染物濃度，促使污染物達標排放。

3 清潔生產改造措施

提高玉米深加工企業清潔生產水平，從源頭削減污染物產生量，可以從2個方面進行:1)從源頭控制淀粉生產用水量，從而減少廢水產生量，加強對淀粉廢水的綜合利用;2)提高原料利用率，即提高總干物收率，降低進入廢水的原材料損失，從而改善產生的廢水水質。

玉米深加工企業的過程用水控制非常關鍵，該企業過程水已采用閉路循環，過程水利用率較高，進一步提升的潛力有限。因此工藝改造采用提高總干物收率的方案，最終選擇在淀粉主生產車間末段和廢水預處理段實施改造。具體改造措施為:

1)加裝澄清離心機。在生產工藝的末段麩質分離環節加裝1臺澄清離心機(120 m3/h)，對生產過程水進行分離。輕相液進入污水處理系統，重相液回收到生產系統，可有效降低生產廢水中的蛋白含量，減小后續處理的負荷;通過回收重相液，大大提高了產品收率，尤其是蛋白收率。

2)增設豎流沉降罐和板框壓濾機。在污水處理設施預處理段加裝2座串聯豎流沉降罐(V=300 m3)和3臺板框壓濾機。生產車間的澄清離心機輕相液作為豎流沉降罐進料，經重力沉降的物料經過板框壓濾后，產生的物料回收至飼料車間加工飼料，頂流進入污水調節池。廢水在豎流沉降罐沉降時間為10 h，進一步降低了生產廢水的干物含量，確保污水濃度的穩定。清潔生產改造流程如圖3所示。

圖3 清潔生產改造流程Fig．3 Renovation of cleaner production flow chart

4 廢水處理效果

4.1 EGSB反應器水質變化

EGSB厭氧反應器是整個廢水處理工藝最關鍵的部分，反應器的運行效果直接影響最終出水水質［15］。圖4為清潔生產改造前后EGSB反應器進水CODCr對比。從圖4可以看出，改造前進水CODCr很高且波動很大，甚至會出現CODCr大于20 000 mg/L的情況，對EGSB反應器造成的沖擊非常大。改造后進水CODCr大幅下降，波動范圍也大大減少，進水CODCr平均值從9 802 mg/L降至4 016 mg/L，下降幅度達到59%。

圖4 EGSB進水CODCr變化Fig．4 Variation of CODCrof EGSB inlet

圖5為清潔生產改造前后EGSB反應器出水CODCr的對比。從圖5可以看出，改造前反應器出水水質波動范圍很大，有3 d出水CODCr在2 800 mg/L以上。改造后反應器出水 CODCr平均值從1 329 mg/L降至511 mg/L，下降幅度為62%，出水水質平穩。EGSB反應器比產氣率是衡量厭氧反應器運行效率的重要指標［15－16］，改造后反應器比產氣率為0．39 m3/kg(以CODCr計)，較改造前提高了45%以上，表明清潔生產改造措施降低了進水有機物濃度，使厭氧反應器運行效率得到提升。

圖5 EGSB出水CODCr變化Fig．5 Variation of CODCrof EGSB outlet

4.2 二沉池出水變化

圖6為改造前后二沉池出水CODCr的變化。從圖6可以看出，改造前二沉池出水CODCr平均值為124 mg/L，在連續30 d的監測中有21 d CODCr超標。改造后二沉出水實現了穩定達標排放，出水CODCr平均值降至55 mg/L;出水BOD5、SS、NH+4－N濃度平均值分別從31、33和57 mg/L降至9、19和4．5 mg/L，達到GB 25461—2010要求。

圖6 二沉池出水CODCr變化Fig．6 Variation of CODCrof final effluent

4.3 二沉池出水三維熒光分析

借助三維熒光光譜(EEM)技術可以更深入地揭示水質常規監測指標外的變化，利于對有機物的去除情況進行充分的評估［17－20］。由圖7可以看出，改造前二沉池出水中含有4個主要的熒光峰，分別為高激發波長類色氨酸(峰a)熒光峰、可見區類腐殖酸(峰b)熒光峰和可見區類富里酸(峰c)熒光峰、紫外區類腐殖酸(峰d)熒光峰［21－22］，其在EEM譜上的中心位置(激發波長/發射波長，即Ex/Em)分別位于275 nm/350 nm、405 nm/470 nm、320 nm/405 nm和260/445 nm。

圖8為改造后二沉池出水的三維熒光譜。從圖8可以看出，改造后出水僅剩下高激發波長類色氨酸(峰a)和可見區類富里酸(峰c)2個峰，峰a和峰c的峰值強度也分別從3 577、1 692減至1 309、726。類腐殖酸類物質完全消失，表明活性污泥性狀得到了一定改善［23］。三維熒光譜的分析表明，清潔生產改造后，不僅降低了二沉池出水的污染物濃度，也使出水有機物組分減少，有機物得到了更充分的降解。

圖7 改造前二沉池出水三維熒光譜Fig．7 The EEM of final effluent before renovation

圖8 改造后二沉池出水三維熒光譜Fig．8 The EEM of final effluent after renovation

5 經濟效益分析

清潔生產改造工程總投資303．4萬元，主要為設備及土建安裝費用。新增運行成本包括人工費用和運轉費用及設備維護費等，其中按新增設備全年用電量190萬kW·h，電費0．86元/(kW·h)計，則運轉電費163．4萬元/a;勞動定員4人，按2 200元/(月·人)計，人工費為10．56萬元/a;設備維護費10萬元/a。運行過程中，回收干物作為飼料原料，可產生經濟效益:年廢水量×回收干物比例×單價=720 000 t×0．55% ×800元=316萬元。因此年經濟效益=經濟收入－人工費用－電費－運行維護費=132．04萬元/a，投資回收期=總投資額/年經濟收益=2．3年。

6 結論

1)采用EGSB+A/O工藝處理玉米深加工廢水時，通過實施清潔生產改造來解決廢水工藝運行的問題是切實可行的。在主生產車間加裝澄清離心機和廢水預處理段增設豎流沉降罐后，可有效緩解廢水減排壓力，保證廢水設施穩定運行，同時可創造132．04萬元/a的經濟效益。

2)實施清潔生產改造提高了EGSB反應器運行效率，反應器進出水CODCr濃度分別下降59%和62%以上，比產氣率提高了45%以上。

3)改造后二沉池出水CODCr、BOD5、NH+4－N、SS濃度平均值分別從124、31、57和33 mg/L降至55、9、5和19 mg/L，出水 pH為6．3～6．9，達到 GB 25461—2010要求;三維熒光分析顯示，二沉池出水溶解性有機物組分和濃度均減少，水質改善顯著。

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Effects of Cleaner Production Technologies of a Corn Starch Enterprise on W astewater Treatment Effectiveness

GAO Peng1，NIAN Yue－gang1，YAN Hai－hong1，YIN Qin1，XIE Ya－wei1，2，GUO Xiao－ya1
1．Research Center ofWater Pollution Control Technology，Chinese Research Academy of Environmental Sciences，Beijing 100012，China
2．School of Environment，Tsinghua University，Beijing 100084，China

The problem diagnosis was performed for EGSB+A/O wastewater treatment process of a corn starch enterprise，and the cleaner production renovation measure were proposed for the enterprise．The effects of the cleaner production renovation measure on wastewater treatment effectiveness were investigated．The results showed that the operational efficiency of EGSB reactor could be enhanced by adding a centrifuge in themain workshop and vertical flow sedimentation tank in wastewater pretreatment section．The average CODCrof the inlet and outletwere reduced by 59%and 62%respectively，and the specific methane production rate was increased by 45%．After renovation engineering，the average CODCr，BOD5，NH+4－N，SS concentrations of the effluentwastewater from the secondary sedimentation tank were reduced from 124，31，57 and 33 mg/L to 55，9，5 and 19 mg/L，respectively，and the pH was 6．3－6．9，allmeeting with Discharge Standard ofWater Pollutants for Starch Industry(GB 25461－2010)．The clean production renovation engineering could also create an annual economic benefit of 1．320 4 million Yuan．

corn starch processing;wastewater;renovation;cleaner production;EGSB

X703

A

10．3969/j．issn．1674－991X．2014．03．030

1674－991X(2014)03－0181－06

2014－03－14

國家水體污染控制與治理科技重大專項(2012ZX07202－009－01)

高鵬(1989—)，男，碩士，主要從事水污染控制及回用研究，18810403739@163．com

*責任作者:年躍剛(1963—)，研究員，博士，主要從事生態修復、中水回用研究，nianyg@craes．org．cn