乳品行業廢水處理及中水回用

于容樸 孫迎雪 胡洪營

摘 要：本文介紹了乳品行業生產工藝及排污特點，分析了乳品行業廢水處理主流工藝的關鍵技術參數，并對污水處理站產水進行研究。結果發現，其排水水質優于中水回用標準。最后，筆者探討了乳品企業內外中水回用途徑，明確了乳品行業中水回用的發展方向。

關鍵詞：乳品行業;廢水處理;中水回用

中圖分類號：X703文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2020）23-0099-03

Abstract： This paper introduced the production process and sewage characteristics of the dairy industry， analyzed the key technical parameters of the mainstream wastewater treatment process in the dairy industry， and conducted research on the water produced by the sewage treatment station. It was found that the drainage water quality was better than the standard for reclaimed water. Finally， the author discussed the ways of water reuse inside and outside dairy companies， and clarified the development direction of water reuse in the dairy industry.

Keywords： dairy industry;wastewater treatment;reclaimed water reuse

隨著社會的進步和經濟的發展，我國乳制品產量快速增加，1998年的乳制品年產量僅為54.03萬t[1]，到2018年，其年產量超過2 700萬t[2]，耗水量也大幅度提升，即使用水定額按最低3.5 t/t產品計算[3]，年用水量也達到了近億噸規模。我國人均水資源量只有2 000多噸，僅為世界人均水平的25%。如果可以將乳品廢水處理后加以利用，就可以節約大量淡水資源，緩解部分水資源短缺問題。

1 乳品行業廢水排污特點

1.1 乳制品生產工藝及原料組成

乳制品主要包括純牛奶、酸奶、奶粉、冷飲（冰激淋等），生產工藝單元有高溫滅菌、厭氧發酵、調制、包裝、清洗等過程，生產用水水質要求較高，一般為軟化水或脫鹽水。生產的主要原料是鮮牛奶，常用的添加劑有香精、抗氧化劑、增稠劑、甜味劑等成分，個別產品還需要添加色素、果肉、植物油、植物蛋白等，生產過程中幾乎不添加無機組分以及難降解組分。

1.2 廢水排放來源

乳品行業廢水包括四個方面：一是生產排水和生活排水，生產排水是廢水的主要來源，其組成包括容器、管道、生產設備在生產過程中的周期性CIP（Clean in Place，也稱原位清洗）排水，這部分廢水濃度高、水量大，占所有水量的70%～80%;二是軟化純水生產車間的排污;三是鍋爐房排污;四是制冷循環水系統排污等。

1.3 水體污染物特點

受生產周期影響，乳品廢水為間歇式排放，水質水量隨時間、生產班次有較大的波動。另外，廢水中的主要污染物為乳產品組分，含乳蛋白（如酪蛋白、乳清蛋白等）、乳脂肪、乳糖等，另外廢水還含有清洗及軟化等過程排出的酸、堿和無機鹽等。廢水中大部分有機污染物具有較好的生化性，廢水的B/C約為0.5，生化性能好，適合進行生物降解。

2 乳品行業廢水處理主流工藝

乳品行業廢水處理主流工藝一般包括四個過程，即預處理、厭氧生物處理、好氧生物處理、深度處理。下面對四個過程工藝參數進行詳細分析。

2.1 預處理單元設計

乳品廢水典型預處理工藝如下：綜合排放廢水→粗格柵→集水池→提升泵→細格柵→調節池→提升泵→氣浮池（水解池）→中間水池。

車間排出的廢水含有包裝盒、吸管等雜質，為防止堵塞后續設備、管線，一般經粗、細兩道格柵過濾攔截大的顆粒物，粗格柵的柵隙在25 mm以內，細格柵的柵隙為1～2 mm，柵條均需采用304材質。

在不同的CIP沖洗周期節點，排水特性也不相同，包括酸洗水、堿洗水、高濃水、熱水等類別，水溫、有機物濃度以及酸堿對生化單元的沖擊較大，需要設置調節池均質均量，調節池水力停留時間（HRT）介于8～12 h，池體的停留時間和企業排水規模成反比。

為減小廢水中動植物油（主要是乳脂肪）厭氧污泥的沖擊，原水預處理還需要進行隔油處理。原水中的油以乳濁液形態存在，用普通的隔油池難以分離。當進水濃度較高（CODCr≥3 000 mg/L）時，宜采用混凝氣浮除油預處理工藝;當進水濃度較低（CODCr≤1 500 mg/L）時，宜采用水解酸化破乳隔油預處理工藝，水解酸化時間應大于12 h，另外，池內應考慮去除浮渣的措施。

2.2 厭氧生物處理單元設計

厭氧生物處理工藝如下：預處理水出水→提升泵→布水系統→厭氧反應區→收水系統→吹脫池。

乳品廢水中有機物濃度較高，一般原水CODCr為2 000～4 000 mg/L，經預處理的原水CODCr濃度為1 000～2 000 mg/L，預處理后總氮濃度為50～80 mg/L，BOD5與凱氏氮比值較高。通常，生物單元先采用厭氧生物處理，具有兩大優點：一是可以減少好氧的電費，節約運行成本;二是可以減小池體容積，減少工程投資費用。

常用的厭氧處理方式有UASB和ABR，當最不利季節的平均水溫可以維持在25 ℃以上時，厭氧可選用IC工藝。常見的厭氧單元去除率為70%～85%，出水的CODCr為200～500 mg/L，一般不能滿足后續A2O工藝的脫氮的碳氮比要求，其間需要少量濃水作為反硝化碳源，超越厭氧池，直接進入好氧的反硝化池。厭氧池的水力停留時間多控制在14～24 h，容積負荷受反應溫度、污泥性質（絮凝泥/顆粒泥）影響較大。UASB工藝的上升流速一般控制在0.5～1.0 m/h，ABR的升流區流速為1～2 m/h，IC的上升流速（進水+內循環）控制在4～5 m/h。

2.3 好氧處理單元

目前，國內大型乳品廠污染物內控標準多為《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB 18918—2002）一級A標準，好氧采用的工藝有接觸氧化法、活性污泥法、CASS工藝等，應用較廣的是ANO工藝。工藝流程如下：進水→反硝化AN池→好氧O池（硝化液回流泵）→二沉池（污泥回流泵）。

好氧池的污泥齡一般控制在20 d以上;硝化負荷控制在0.05 kg左右，并根據實際水溫做修正;BOD5污泥負荷控制在0.1 kg/（kgMLSS·d）左右;缺氧、好氧總停留時間控制在18～26 h。除TP外，其他指標（CODCr、BOD5、SS、TN、NH3-N、pH）一般均能滿足一級A排放要求。

2.4 深度處理單元

乳品廢水的總磷（TP）含量為10～20 mg/L，通過微生物的代謝排泥，難以滿足0.5 mg/L的排放標準，深度處理方式一般包含化學除磷、中水回用、消毒處理。常用化學除磷的工藝有微絮凝過濾、活性砂連續過濾、高密度沉淀池、氣浮除磷等，均可滿足排放要求。氣浮除磷動力消耗高，占地小，高密沉淀池結構較為復雜，效果顯著。

除磷劑一般采用聚合氯化鋁或聚合硫酸鐵，投加藥劑三價金屬離子和去除總磷的摩爾比控制范圍為1.5～2.5。鋁鹽和鐵鹽水解都需要消耗3倍的氫氧根濃度，以鋁鹽投加計算，每摩爾鋁離子需要3 mol堿度，折合碳酸鈣堿度50×3/27=5.56 g/g[4]，同理，鐵離子需要碳酸鈣堿度2.68 g/g。由于聚合氯化鋁也稱堿式氯化鋁，在水解過程中會釋放大量的氫氧根，因此實際除磷過程中需要的堿度比聚鐵要小得多。

3 乳品行業中水回用的方向

3.1 乳品廠處理出水的污染物對中水回用的影響

《建筑中水設計標準》（GB 50336—2018）規定，用作雜用水如沖廁、綠化、洗車等，出水應符合《城市污水再生利用 城市雜用水水質》（ GBT 18920—2002）要求;用作景觀環境用水，出水應符合《城市污水再生利用 景觀環境用水》（GBT 18921—2002）要求。兩個標準相比較，雜用水對鐵、錳等顯色離子要求較高，另外對溶解性總固體要求較為嚴格（減少結垢），景觀環境用水對總磷指標要求更為嚴格，以控制水體的富營養化。

針對乳品企業污水站出水進行檢測，結果發現，一些工廠排水的溶解性總固體達到近2 000 mg/L，超出雜用水1 500 mg/L的上限要求，其他指標均可以滿足中水回用要求。經分析，部分工廠排水礦化度（TDS）較高的原因主要有四類：一是企業位于北方地區，自來水為深層地下水，背景TDS值較高;二是生產工藝水處理系統（軟化水及鍋爐）的排污帶入鹽分;三是生產過程中酸、堿清洗將鹽分帶入系統;四是污水處理過程中增加了鹽分（因pH和堿度要求在污水中投加片堿;混凝氣浮除油或混凝除磷過程中投加有機絮凝劑）。

對照中水標準的其他指標，包括娛樂性景觀用水中的BOD5（限值6mg/L），按照本文所述的處理工藝，出水均可達到相應要求。

3.2 乳品企業廠內的中水用途

乳品加工行業屬于食品領域，車間做無塵設計，中水不能回用于生產，也不宜沖洗地面。目前，乳品行業鍋爐基本采用天然氣鍋爐，沒有脫硫、除塵用水要求。鍋爐熱水用于管道及容器清洗，有接觸食品的風險，鍋爐用水也不能采用中水。一般辦公和生產車間共建，中水進車間也不能保證生產安全。

目前，乳品廠內的中水回用在干旱地區多集中于綠化澆灑，個別的用于廠內景觀補水。乳品廢水處理產水在水質上完全可以滿足消防水池補水要求，但火災發生時中水的產量一般不能保證，采用中水補水時消防水池容積應按火災持續時間內室內外滅火所需全部水量設計，池體投資和占地均較大，因此實際應用案例也較少。

以某日產酸奶500 t的乳制品加工廠為例，工廠占地20 hm2，綠化率為30%，工廠綠化面積約為60 000 m2，每次澆灑用水定額取2 L/（m2·d），每天噴灑2次，每天最大綠化用水量為240 m3，該工廠排水量為2 500 m3/d，綠化用水利用率不足10%，到了雨季或冬季，回用水量更是趨近于零。

3.3 出廠后的中水用途

乳品廢水處理產水達到一級A排放標準后，產水清澈透明，沒有一類污染物，各項指標優于中水回用標準，有比較大的再生利用價值，主要用途如下所述。

3.3.1 生產工藝用水。工業園區內的乳品企業排水，可以直接作為用水要求不高的相鄰企業工藝用水，如鋼鐵、造紙、焦化等行業生產用水。

3.3.2 循環冷卻用水。當出水溶解性總固體濃度較低時，結合微濾（超濾）膜工藝，出水經處理后可以滿足鍋爐補給水水質標準[5]，供給熱電廠等用水大戶回用。

3.3.3 農田灌溉用水。按《農田灌溉水質標準》（GB 5084—2005）要求，灌溉用水對含鹽量、氯化物的要求較為嚴格。首先，在乳品生產過程中，應注意樹脂再生水、鍋爐濃水等分流排放;其次，在水處理過程中，尤其需要控制化學混凝劑的投加量。通過上述的工藝調整優化，乳品廠排水完全可以滿足灌溉用水要求。

3.3.4 地表環境補水。《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB 18918—2002）規定，滿足一級A標準的排水可以引入稀釋能力較小的河湖作為城鎮景觀用水和一般回用水等使用。

4 乳品水中水回用存在的幾個問題

一是乳品行業和其他工業行業一樣，具有生產的淡季和旺季，排放水量有一定的波動性。二是不同地區自來水的含鹽量不同，生產制水的工藝不同，CIP清洗酸堿用量不同，污水處理藥劑投加不同，出水含鹽量差異較大。當回用水對含鹽量有要求時，應對生產情況及廢水處理工藝做充分調研。三是乳品加工過程中經常會出現排放事故奶的問題，廢奶的COD高達十多萬毫克每升，可能會對污水處理單元和最終產水的水質有一定沖擊。在中水回用時，應加強水質檢測工作。

5 結論

因原水營養豐富，降解性好，經處理后，乳品行業廢水的排水較為優良，一般出水優于一級A排放標準，按2017年全國工業廢水排放量181.6億t計算，行業排水占比超過0.5%，具有回收利用的價值。綜上分析，工廠內部的利用率一般不超過10%，人們需要將其和社會其他用水需求相結合，最大限度地發揮乳品行業再生水的價值。

參考文獻：

[1]劉敏，任南琪，李鵬，等.牛奶廢水厭氧水解酸化試驗研究[J].哈爾濱工業大學學報，2004（3）：331-337.

[2]喬金亮.去年全國乳制品產量近2 700萬噸[N].經濟日報，2019-07-15.

[3]喬志剛，李海濤，巴圖.乳制品制造業用水定額淺析[J].內蒙古水利，2015（6）：152-153.

[4]熊建英.污水處理工程中投加各類化學藥劑的加藥設計[J].中國市政工程，2014（3）：28-31.

[5]鄧悅，王立剛，房輝，等.城市中水回用至鍋爐補給水的可行性分析[J].湖州師范學院學報，2018（2）：57-62.