某啤酒廠污水處理工藝運行實例

程 婷，龔淑芬，徐建飛

(1. 池州學院 資源環境學院，安徽 池州 247000；2. 安徽澤霖環保科技有限公司，安徽 合肥 230000)

據統計，每生產1 t啤酒需要8～40 t新鮮水，相應地產生7～35 t廢水。這種生產廢水的組成成分有蛋白質、脂肪、纖維素、酒花殘渣等[1]，這些物質多是有機無毒物質，但高濃度的有機廢水排入天然水體后會大量消耗水中的溶解氧，導致水生生物大量死亡，使得原本純凈的水體發出惡臭，水質惡化。若廢水不經處理直接對外排放，將會造成水體嚴重污染。鑒于啤酒廢水可生化性較高等特點，目前，國內外啤酒廠大多采用生化法處理啤酒廢水，處理效率高、工藝較成熟、處理成本較低。隨著廢水處理技術的發展，人們在處理啤酒廢水的實踐中對各種生化處理法，如活性污泥法、生物膜法、接觸氧化法等加以組合、優化改良，逐漸達到最佳的處理效果。其中，厭氧處理和好氧處理的組合工藝應用最為廣泛。

1 某啤酒廠污水的特點與排放指標

某啤酒廠廢水主要來源于糖化車間、發酵車間和灌裝車間，其中灌裝車間的廢水濃度較低，與灌裝車間不同，糖化車間和發酵車間廢水濃度較高且COD含量高，占總廢水的30 %左右。啤酒廢水的有機組成主要是糖、可溶性淀粉、揮發性脂肪酸等物質，這些物質易于生物降解，BOD/COD比值一般為0.6～0.7。啤酒加工原料及酵母的含量直接決定了廢水中氮和磷的含量，CIP(clean in place)清洗單元上所使用的化學物質的數量和類型則是決定了pH值[2]。該啤酒廢水進、出水水質見表1。

表1 某啤酒廠廢水水質和排放指標

由表1可以看出，該啤酒廢水的特點之一就是COD和SS進水濃度比較高，經過各工序的處理，排出的廢水水質有很大的差異，其中COD的去除率較高，可生化性較強；其次，由于一月份沒有生產，沒有啤酒廢水產生，二月份才開始生產，經過三個月的調試期達到滿負荷運行，因此廢水水質水量在不同時間段也有著一定的差別，且波動明顯。鑒于生化處理工藝技術較為成熟，具有處理效率高，基建費用低等優勢，應優先考慮此工藝處理啤酒廢水。

2 某啤酒廠廢水處理工藝組合

目前國內外較多采用生化處理法、物化與生化相結合處理法來解決啤酒廠廢水的處理問題。具體有UASB+好氧接觸氧化法、新型獨立接觸氧化法、生物接觸氧化法、內循環UASB反應器+氧化溝法、UASB+SBR法、水解酸化+SBR等[3]。結合該啤酒廠啤酒生產規模、啤酒生產廢水的水量、水質特征以及《啤酒工業污染物排放標準》(GB19821-2005)，且綜合考慮資金、地理位置等因素，確定采用酸化-UASB-好氧接觸氧化組合工藝進行處理，工藝流程見圖1。

圖1 酸化-UASB-好氧接觸氧化組合工藝流程圖

2.1 酸化-UASB-好氧接觸氧化工藝

該工藝中主要的處理設備是上流式污泥床和好氧接觸氧化池，主要的處理過程為：各啤酒生產環節產生的污水經過集水管網聚集到污水處理站的格柵間；經過提升泵房提升并經過水力篩的攔截，去除廢水中的懸浮物質；去除雜質后的污水進入調節池后進行攪拌，以此來進行水質水量的調節。調節池中的污水經過均質、均量后由調節泵提升至水解酸化池。酸化池中的污水進入UASB厭氧反應器進行厭氧分解；厭氧分解出水靠重力自流入好氧反應器，二沉池[1]。沉淀池污泥和懸浮物質一起由污泥泵提升至污泥濃縮池后再進行脫水處理，脫水后的污泥進行外運。而二沉池的上清液則進入消毒池進行消毒，達標則排放。

2.1.1 水解酸化池

該工藝采用水解酸化作為厭氧-好氧組合工藝處理的預處理過程。水解酸化菌將水中的懸浮性物質水解轉化為溶解性物質，從而來提高廢水的可生化性，同時降低了污水的pH值，對之后的厭氧生物處理有很大的幫助。因此水解酸化池的設置不僅對系統的可生化性能有所改善，而且對于有機物和懸浮物的去除效果有明顯提高，使整個系統的能耗相比不加酸化池要大幅度地降低。

2.1.2 UASB反應器

UASB由污泥反應區、固液氣三相分離器和氣室三部分組成，是本工藝的主體處理單元，污染物大多在此階段降解去除。由于其結構的特殊性，絮狀污泥和顆粒污泥可以在UASB反應器區內以很高的濃度存在著。開始階段要控制UASB反應器內的溫度和進水量，同時也應及時清理反應器上的懸浮雜物，并且避免反應器內的接種污泥流失。在線實時監控進水總量、進出水pH、溫度等指標，對COD、SS、NH3-N、TP也每天定時取樣檢測，當反應器出水COD去除率能穩定達到80 %左右時，再逐漸加大進水量，大約經過90天的調試啟動期，UASB反應器啟動調試成功并且能夠正常穩定運行[4]。

2.1.3 好氧反應器

好氧池就是通過控制好氧池溶解氧含量，以此來適宜好氧微生物生長繁殖，從而對污染物質進行處理。在UASB啟動一周后，啟動好氧接觸氧化池。在最初幾天，由于池內COD濃度較高細菌處于對數增長期，氧的利用速度快，溶解氧充分被細菌利用[5]。一周之后，由于UASB反應器中出水COD降低了不少，好氧接觸氧化池進水COD也相應地降低。好氧接觸氧化池的作用是讓活性污泥進行有氧呼吸，進一步把UASB反應器內未分解的有機物分解成無機物。

2.2 組合工藝的特點

水解酸化在該組合工藝中至關重要，它具有兩個方面的作用，其一是對啤酒污水中的有機污染物質進行改性，提高污水的可生化性；其二是起到提高去除易降解污染物質的效果，酸化的好壞影響著厭氧反應器的處理效果。有機物的去除主要集中在UASB反應器中。厭氧處理環節對污水處理效果的貢獻不容忽視。上流式厭氧污泥床的運行能耗比較低、運行起來也比較穩定、出水水質也比較理想，有效地降低了好氧生化單元的處理負荷和運行能耗。好氧處理對于污水中的COD和SS均有較高去除效率，這是因為此階段的污水有機物濃度仍然較高，有機物來源除了經厭氧處理后難降解的有機物被轉化以外，原污水中仍含有較多易生物降解但未被生物降解的有機物[1]。整個工藝對于COD和懸浮物的去除率極高，分別為98.7 %和97.5 %。

3 運行實況與效果分析

該啤酒廠一月份無生產情況，一月中旬至二月中旬這段時間開始厭氧反應器內微生物的馴化與培養，三月份至五月份是調試期，之后系統便穩定運行。污水經過格柵篩濾、調節pH后流向酸化池中，在酸化池中產酸菌代謝產生VFA并增大混合液的pH值，混合液進入UASB反應器和好氧處理系統，COD、SS得到很好的去除，NH3-N、TP的濃度得到了降低，反應進行的也比較順利。經過三個月的調試期，該污水站運行過程中各項指標基本達標，嚴格按照國家標準排放污水。

3.1 酸化池處理分析

水解酸化池的啟動并沒有接種微生物，而是依靠啤酒廢水中的微生物自身積累以及反應池中新細菌物質增長的。由于反應池內含有高濃度的兼性微生物，在池內缺氧條件下，被截留下來的有機物質在大量水解產酸菌的作用下，將不溶性有機物水解為溶解性物質，將大分子、難于生物降解的物質轉化為易于生物降解的物質VFA等[6]。

微生物在發育階段吸收吞食有機污染物作為營養物質促使自身生長，同時大分子有機物被降解為有機酸并釋放大量二氧化碳、硫酸鹽被還原為硫化氫、少量的甲烷化等過程，都使得COD在酸化池的含量得以降低。

圖2 進水COD、酸化池COD、VFA濃度變化趨勢圖

從圖2可以清楚地看出，在多數情況下，酸化池中COD濃度是低于進水COD濃度的，這說明酸化池中一些大分子物質被分解轉化為小分子物質，一小部分有機污染物被有效降解；但同時，也可以明顯地看出部分時間段酸化池中COD濃度和進水COD濃度差不多，甚至高于進水COD濃度。VFA濃度表示的污水系統內的揮發性有機酸的含量，是反映生物反應器效果的重要指標。從圖中可以看出，酸化池中VFA的含量較高，一般保持在400～1400 mg/L上下浮動。水解酸化池的主要目的是將污水中一些長鏈難以降解的有機物水解酸化生成一些短鏈的易于生化降解的有機物。在COD的測定方法中提到過，重鉻酸鉀的氧化性比較強，但是對于芳烴，雜環芳烴類，長鏈有機物是不能氧化的，而經過水解酸化后可被氧化的有機物增多[7]，所以COD含量增高，說明污水中難降解的成分較多。

3.2 UASB厭氧處理分析

厭氧生物處理是指厭氧或兼性厭氧微生物在無分子氧條件下，將廢水中的各種復雜有機物分解轉化成甲烷和二氧化碳等物質，使廢水得到凈化的過程。UASB反應器的啟動過程可分為3個階段：污泥馴化馴化期、提高負荷期和滿負荷運行期[8]。

3.2.1 UASB反應器內COD變化

調試與穩定運行過程中厭氧反應器COD與COD去除率關系圖見下圖3。如圖所示，調試期內厭氧反應器內COD的含量在300～700 mg/L范圍內，此時厭氧反應器對COD的去除率在69 %～87 %之間，保證了系統后續的穩定運行。經過3個多月的調試運行后，處理負荷達到了其設計的能力，整個系統運行起來是較為穩定的，各單元的平均處理效果也是很可觀的。正常運轉階段UASB反應器進出水COD的去除率均穩定在80 %以上，有時高達到90 %。后期出水COD穩定在300 mg/L左右，這表明UASB反應器處理啤酒是穩定高效的。

圖3 厭氧反應器COD濃度及COD去除率關系圖

如圖4所示，這是2017年8月份該啤酒污水處理站UASB反應器進出水COD的濃度以及COD去除率。顯而易見，UASB反應器進水COD濃度變化起伏較大，一般在1000～2700 mg/L上下浮動。但UASB反應器出水COD濃度就比較均衡，基本維持在300～500 mg/L，變化浮動較均衡。這也說明，大部分COD在UASB反應器中都被降解，在這些工藝中，UASB反應器僅僅是作為一個預處理單元。

圖4 8月份UASB進出水COD濃度及COD去除率

3.2.2 UASB反應器內SS 變化

調試與穩定運行過程中厭氧反應器SS與COD去除率關系圖見圖5。如下圖所示，調試期內有效地控制厭氧反應器內SS的含量在80～150 mg/L范圍內，厭氧反應器對COD的去除率在69 %～87 %。

進入穩定運行期后，厭氧反應器內SS的濃度開始大幅度地減少，說明系統正常運行后，廢水中的懸浮物質被大量降解和去除，以期達到較高的去除效率。在SS濃度減小的同時，反應器內COD去除率在逐漸增高。故廢水中SS的減少對于反應器內COD去除率具有積極地促進作用。

圖5 UASB反應器內SS變化趨勢圖

3.2.3 UASB反應器內的溫度變化

溫度能影響UASB反應器內微生物的反應，在適宜的溫度下酶的活性可以升高，促進反應的發生。因此，生物反應過程每一種酶都有顯示其最大活力的溫度，最適溫度，在這個溫度下或其范圍內，酶活性最強。

由圖6可知，溫度由18℃升至33℃時，氨氮和總磷的去除速率在逐漸提高，隨著系統的穩定運行，溫度繼續升高，反應速率在慢慢減緩。當溫度上升至37℃時，氨氮和總磷的去除效率達到最大，反應器內COD的去除效率也保持著持續增大。由此說明，厭氧反應微生物在37℃時活性最大，氨被氧化的速率也是最大的。

圖6 UASB反應器內溫度變化趨勢圖

3.3 好氧處理分析

在系統調試初期，需要先向好氧池中加入少量的中低濃度的有機廢水來進行預曝氣處理[9]，同時往池內投加一定量的營養物質。隨后開始，慢慢加大進水水量，使得反應池內的好氧污泥可以逐步適應待處理的啤酒廢水。在好氧處理過程中，COD的含量并沒有大幅度的變化，僅僅是在UASB反應器處理過的基礎上再次對啤酒廢水中的有機污染物進行轉化分解。在這一過程中，好氧反應器內部已經形成了良好的生物相體系，此時的出水水質狀況良好，COD的質量濃度相比較而言均穩定在300 mg/L左右。

圖7 好氧接觸氧化池內COD濃度及COD去除率

由圖7可知，三月份至五月份三個月是調試期，其中COD的含量較穩定運行期較高，且COD的去除效率也不高。穩定運行階段，污水經UASB反應器進入好氧接觸氧化池，此時污水中的有機污染物的含量已經不多，但仍需要進行進一步的處理，使其達到應有的標準。

3.4 運行效果

3.4.1 運行中NH3-N變化

內該啤酒廠啤酒廢水中含有大量的N、P無機鹽，這些物質本身并沒有多大的毒性，但可能含有大量可被生物降解的有機物質，如果不加以治理直接對外排放，將會導致地表水體的富營養化以及水環境的破壞。調試與穩定運行過程中進出水NH3-N濃度變化見圖8。

圖8 進出水NH3-N變化趨勢圖

由圖8可以很明顯地看出，盡管進水氨氮的濃度有很大的差異，持續在25～40 mg/L左右，但隨著整個工藝經過調試期至穩定運行，出水氨氮的濃度在大幅度的降低，基本穩定在5～16 mg/L，符合啤酒工業污水排放標準，同時氨氮的去除率也在持續的升高。

3.4.2 運行中TP變化

在廢水中，磷一般以各種磷酸鹽的形式存在，存在于溶液和懸浮物中。但是水中磷含量過高，就會導致水體富營養化，水質惡化。因此，磷含量也是水質評價的重要指標。

由圖9可知，進水TP濃度最大值為14 mg/L，出現在3月；進水TP濃度最小值為8mg/L，出現在6月。在系統調試至穩定運行6個月中進水TP的濃度忽升忽降。出水TP濃度穩定在0.5～3mg/L，符合啤酒工業污水排放標準。從變化趨勢看，TP的去除率整體上呈現出緩慢上升的趨勢。

圖9 TP變化趨勢圖

3.4.3 運行中pH變化

pH值對氨氮硝化有影響，主要是因為pH值過低將會導致硝化反應的停止，從而影響氨氮的降解，進而影響反應系統內其他處理單元。由圖10可知，三月份進水pH值最大，高達12，系統處理后出水pH值為9，此時氨氮和COD的去除率都不高。穩定運行階段，出水pH值穩定在6～8之間，這是符合污水排放標準的；同時氨氮和COD的去除率相較于調試階段呈現出穩定持續升高的趨勢。

圖10 進出水PH及NH3-N、COD去除率變化趨勢圖

3.4.4 各單元處理效果

該污水處理工程經過三個月的調試至穩定運行，各主要單元進出水水質監測數據見表2。

表2 各處理單元處理效果

整個啤酒廠污水站污水處理系統經過三個月的調試，進入穩定運行期。在穩定運行過程中，啤酒廢水經酸化池的水解酸化到UASB反應器的厭氧處理再到好氧接觸氧化池的好氧處理，廢水中COD的質量濃度由原來的高濃度降解轉化為現在的低濃度達標排放，去除率較高且穩定[6]。

4 結語

(1)采用水解酸化池+內循環UASB反應器+好氧接觸氧化池組合工藝處理啤酒廢水可以取的很好的處理效果，通過運用該工藝處理該啤酒廠啤酒廢水，系統經調試至穩定運行期間COD、SS、氨氮平均去除率分別高達90.8 %、98.3 %、83.3 %，系統出水水質能夠穩定達到國家相關排放標準。

(2)UASB反應器是整個組合處理工藝的核心重要組成部分，具有較高的COD容積負荷。啟動運行調試的關鍵在于培養反應器內部顆粒污泥良好的沉降性能，而培養厭氧顆粒污泥群的前提條件是為其提供良好的營養環境，維持適宜的進水酸堿度及適時地調整進水水力負荷。

(3)該處理工藝處理廢水具有效果運行平穩，水質好，消耗低，負荷能力強等特點。

(4)在三個月的調試期內，該工藝尚未達到設計的負荷能力，還需要調劑污泥活性和提高污泥量，以絮狀污泥運行UASB反應器。

(5)此工藝對堿的消耗較大，需要根據實際情況增加堿性物質，以防止酸化。在今后的穩定運行過程中，隨著反應池內活性污泥的生長和增長量，可以適當的嘗試減少堿的投加量。