啤酒废水处理方法：好氧与厌氧生物处理的优缺点及应用

啤酒废水处理方法：好氧与厌氧生物处理的优缺点及应用

摘要：)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，其产量将不断增加。为避免接受污水体的水质恶化，除了实行清污水分离、提高冷却水循环利用率以减少排放外，还必须对其进行有效的处理。(2)好氧生物处理、厌氧生物处理、土地利用和厂房净化是啤酒废水处理的常用方法。好氧生物处理对于低浓度废水的COD去除率较高(>90%)，但需要大量的投资和空间，能耗高，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的CODcr去除率较高，克服了好氧生物处理的大部分缺点，还可以转化生物质能，大大降低处理成本，因此被越来越多的厂家采用。

摘要：啤酒废水中有机物含量较高，如果直接排放，不仅会污染环境，而且会降低啤酒工业原料的利用率，为此许多学者和厂家对啤酒废水的处理及利用技术进行了研究。本文根据啤酒废水的来源和特点，对几种常见的处理及利用技术进行了比较。结论是单一的处理及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起来，才能实现经济效益和环境效益的统一。

关键词：啤酒行业废水处理 废水综合利用

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高，不仅可能导致，而且还会导致啤酒中原料的使用比例。 许多 sc 和 为 t 和使用付出了很多。本文在 和 的基础上对 进行了新的研究。 那就是， a 不能完全从 ，只有 才能在 和 中都发挥巨大作用。因此，被放在 。 关键，，

随着人民生活水平的提高，我国啤酒行业有了很大的发展，产量连年增加。1988年，我国有啤酒厂800多家，年产啤酒663万吨[1]，居世界第三位；经过近十年的发展，现在啤酒厂已有1000多家，年产啤酒超过1000万吨，成为世界第二大啤酒生产国[2]。然而，在啤酒产量大幅增加的同时，也向环境中排放了大量的有机废水。据统计，每生产一吨啤酒需要10至30吨的淡水，相应地产生10至20吨的废水[3]。我国现在年排放量为1.5亿吨[4]。 由于该废水中含有高浓度的蛋白质、脂肪、纤维、碳水化合物、废酵母、酒花渣等有机无毒成分，排入自然水体后会消耗水中的溶解氧，造成水体缺氧并促使沉积在水体底部的化合物发生厌氧分解，产生臭味，使水质恶化[5]。另外，上述成分大部分来自啤酒生产原料，丢弃它们不仅造成巨大的资源浪费，而且降低了啤酒生产原料的利用率。因此，在粮食短缺、水资源供应短缺的今天，如何有效处理啤酒废水，充分利用其有用资源已成为环境保护的重要研究课题。本文在前人研究成果的基础上，对啤酒废水处理利用的现状进行综述，以期为进一步探索高效的资源化处理技术提供参考。

1 啤酒废水产生及特点啤酒生产工序包括制麦芽和酿造，二者均产生冷却水，约占啤酒厂总排放量的65%，水质良好，可循环用于麦芽浸泡工序[7]。中、高污染负荷废水主要来自制麦芽的麦芽浸泡工序和酿酒的糖化、发酵、过滤和包装工序，其化学需氧量在500～40 000 mg·L-1之间。除包装工序废水为连续排放外，其他废水均为间歇排放[8]（见表1）。

表1 啤酒行业高负荷废水来源及浓度

过程

废水中CODcr浓度/(mg.L-1)

发射方式

浸泡工序

500～800

间歇放电

糖化工艺

2万～4万

间歇放电

发酵过程

2000～3000

间歇放电

包装过程

500～800

连续放电

啤酒厂总排水为中高浓度有机废水，呈酸性，p​​H值为4.5～6.5[7]。主要污染物为化学需氧量（CODcr）、生化需氧量（BOD5）和悬浮物（SS），浓度分别为1000～1500、500～1000和220～440mg.L-1[3]。啤酒废水的可生化性（BOD5/CODcr）较高，为0.4～0.6[7]。因此，很多处理技术都以生化处理为主。

2 啤酒废水处理技术目前国内外普遍采用生物化学法处理啤酒废水。根据处理过程中是否需要曝气，生物处理方法可分为好氧生物处理和厌氧生物处理两大类。2.1 好氧生物处理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将啤酒废水中的有机物氧化，其产物为二氧化碳、水和能量(释放到水中)。该类方法没有考虑到废水中有机物的利用，因此处理成本相对较高。活性污泥法、生物膜法和深井曝气法是比较有代表性的好氧生物处理方法。2.1.1 活性污泥法活性污泥法是处理中、低浓度有机废水使用最多、最可靠的方法，具有投资少、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(内含大量好氧微生物)混合，在人工充氧条件下，活性污泥对废水中的有机物进行吸附氧化分解，而污泥与水的分离则由沉淀池完成。我国珠江啤酒、烟台啤酒、广州啤酒、长春啤酒等均采用此法处理啤酒废水[6,7]。据报道，当进水CODcr为1200～·l-1时，出水CODcr可降至50～100mg·l-1，去除率为92%～96%。活性污泥法处理啤酒废水的缺点是耗能大，处理过程中常发生污泥膨胀。

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，各营养成分比例不平衡，导致微生物不能正常生长而死亡。解决办法是投加含N、P的化学药剂，但这会增加处理成本。更经济的方法是将生活污水(其中N、P浓度相对较高)与啤酒废水混合处理。间歇活性污泥法(SBR)通过间歇曝气，可显著降低电耗，同时废水处理时间也比普通活性污泥法短。如珠江啤酒引进比利时SBR专利技术，废水处理时间仅需19～20小时，比普通活性污泥法缩短10～11小时，CODcr去除率也在96%以上[9]。 扬州啤酒厂和利用SBR技术处理啤酒废水也取得了同样的效果[10，11]。刘永松等[9]认为SBR法废水稀释程度低，反应底物浓度高，吸附和反应速率快，因而污泥能在较短的时间内实现再生。2.1.2深井曝气法为提高曝气时氧的利用率，节省能源，加拿大安大略省巴里啤酒厂[12]、我国上海啤酒厂和[7]均采用深井曝气(超深水曝气)处理啤酒废水。深井曝气实际上是一种利用地下深井作为曝气池的活性污泥法，曝气池由下降管和上升管组成。

废水和污泥由下降管引入，在井内循环，向下降管内或同时向两根管内注入空气，混合液由上升管排至固液分离装置，即利用上升管与下降管间的静水压差进行废水循环。其优点是：占地面积小、效率高、氧利用率高、无臭味产生等。据测定[12]，当入口BOD5浓度为·L-1时，出口浓度可降至50mg·L-1，去除率高达97.92%。当然深井曝气也有其不足之处，如施工难度大、成本高、防渗漏技术差等。2.1.3生物膜法与活性污泥法不同，生物膜法是在处理池内添加软性填料，利用生长在填料表面的微生物对废水进行处理。 不会发生污泥膨胀问题。生物接触氧化池和生物转盘是该类方法的代表，均用于啤酒废水的处理，主要是为了降低啤酒废水中的BOD5。生物接触氧化池在微生物固定和生长的同时进行曝气，该法可以获得很高的生物固体浓度和较高的有机负荷，因此处理效率高，占地面积比活性污泥法小。国内淄博啤酒、青岛啤酒、渤海啤酒等啤酒厂的废水处理均采用该技术[7]。青岛啤酒采用第二级生物接触氧化后进行混凝气浮处理，啤酒废水中CODcr和B OD5的去除率分别在80%和90%以上[13]。

在此基础上，山东省环境科学研究所将常压曝气改为加压曝气（P=0.25～0.30 MPa），以强化氧传质，有效提高废水中溶解氧浓度，满足中高浓度废水中微生物和有机物氧化分解的需要。结果表明，当容积负荷≤13.33 kg·m-3·d-1COD，停留时间为3～4 h时，COD和BOD平均去除率分别达93.52%和99.03%。由于停留时间缩短为原来的1/3～1/4，运行费用也较低[14]。生物转盘是早期处理啤酒废水的方法，主要由转盘、氧化池、转轴和驱动装置组成，依靠转盘的转动实现废水与转盘上生物膜的接触充氧。 该方法运行稳定，电耗低，但低温对运行影响较大。处理高浓度废水时，需增加转盘组数量。该方法在美国应用广泛，杭州啤酒也有所采用，我国也有所采用[7]，据报道，其对废水中BOD5的去除率达80%以上[13]。2.2厌氧生物处理厌氧生物处理适用于高浓度有机废水(CODcr>.L-1，BOD5>.L-1)，在厌氧条件下，借助厌氧菌的作用，将有机物分解。在此过程中，参与生物降解的有机底物50%～90%转化为沼气(甲烷)，发酵后的残渣可作为优质肥料和饲料[15]。

因此，啤酒废水的厌氧生物处理日益受到重视。厌氧生物处理包括多种方法，但在啤酒废水处理中以上流式厌氧污泥床（UASB）技术最为成熟。UASB的主要组成部分是反应器，反应器底部为絮凝沉淀性能良好的厌氧污泥组成的污泥床，顶部设置专用的气-液-固分离系统（三相分离室）[16]。废水从反应器底部加入，向上流动穿过由生物颗粒组成的污泥床时被降解，同时产生沼气（气泡）。气体、液体、固体（悬浮的污泥颗粒）一起上升进入三相分离室，气体在气罩内被收集，污泥颗粒在重力作用下沉至反应器底部，水经出水堰排出。 截止1990年9月，全世界已建成30座生产型UASB反应器处理啤酒废水，总容积达[17]。我国已有北京啤酒厂[4,7,18]、沈阳啤酒厂[7,15]等厂家采用UASB处理啤酒废水。荷兰、美国一些公司设计的UASB反应器对啤酒废水CODcr的去除率为80%～86%[13,19,20]，北京啤酒厂的UASB处理装置中试结果也保持在此水平，其沼气产率为0.3～0.5m3·kg-1（COD）[8]。清华大学常温条件下采用UASB厌氧处理啤酒废水的研究结果表明，进水CODcr浓度为/L。

在L-1时去除率为85%～90%[21]。沈阳啤酒采用固体回收与厌氧消化的综合处理工艺，实行清污分流，收集CODcr大于·L-1高浓度有机废水送至UASB进行厌氧处理，废水中CODcr的质能利用率可达91.93%[15]。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菌不断繁殖和积累的结果，较大的污泥负荷有利于细菌获得充足的营养基质，因此对颗粒污泥的形成和发展具有决定性的促进作用； 适当较高的水力负荷会对污泥产生水力筛选，淘汰沉降性能差的絮状污泥，留下沉降性能好的污泥，同时产生剪切力，使污泥不断旋转，有利于丝状菌相互缠结成球。此外，一定的进水碱度也是形成颗粒污泥的必要条件，因为厌氧生物的生长需要中等偏高的碱度，如产甲烷菌生长最适宜的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[22,23]。由于啤酒废水的碱度一般为500～800mg·L-1(以CaCO3计)[24]，碱度不足，需投加工业碳酸钠或氧化钙进行补充。 研究表明[4,21]，UASB启动阶段，进水碱度应维持不低于。

L-1对颗粒污泥的培养和反应器在高负荷下的良好运行都是十分必要的。需要指出的是，啤酒废水中的乙醇是一种有效的颗粒化促进剂[25]，这为UASB的成功运行提供了非常有利的条件。总之，UASB具有效率高、处理成本低、耗能少、投资少、占地少等一系列优点，完全适合高浓度啤酒废水的处理。它的缺点是出水CODcr浓度仍在500mg·L-1左右，需进行再处理或与好氧处理串联才能达到排放标准。

3.啤酒废水的利用技术利用自然生态良性循环的方法净化利用啤酒废水也是目前啤酒废水综合治理的一个方向，有利于实现废弃物的资源化利用。3.1啤酒废水的土地利用废水的土地利用在国内外有着悠久的历史，其目的不仅仅是用废水灌溉农田，而是根据生态学原理，在充分利用水资源的同时，科学运用土壤—植物系统的净化功能，使该系统发挥废水二级、三级处理的作用[5]。废水土地利用一般有快速入渗和地表流两种方式[19]。前者的特点是加入的废水大部分透过土壤向下层渗透，因此仅限于在沙土、砂质粘土等快速入渗土壤上使用，植物对废水的净化作用相对较小，主要依靠土壤中发生的物理、化学和生物过程对废水进行处理。后者为固定膜生物处理法。 废水从植物生长的坡面上游沿沟流下，流经植被表面后排入径流收集渠，废水净化主要靠坡面生物膜完成，这种方式最适用于入渗速度慢的土壤。根据谢家澍[26]、肖月芳等[27]的研究，啤酒废水经过土地利用系统后水质明显改善，可达到农业灌溉水质标准（GB 5084-85）；同时可以节水、增加农田土壤有机质含量，提高作物产量，其经济效益在干旱地区更为明显。当然，啤酒废水土地利用也存在一定的问题：①处理过程中会产生恶臭，处理点必须远离居民区，需要较长的自来水干管；②废水含盐量过高时，会危害植物生长，造成土壤排水通气不畅。 如何避免这些问题还有待进一步研究。 3.2 啤酒废水的植物净化 啤酒废水中含有丰富的有机碳，氮和磷的含量也在一定水平，可以为植物生长提供必要的营养物质。近年来，有学者利用啤酒废水对丝瓜(Luffa)[28]、多花黑麦草()[29]、空心菜()[30]、金针菜(fulva)[31]等植物进行了水培试验，发现这些植物生长良好，能够完成其生命周期，不仅创造了经济效益，而且明显降低了废水中各种污染物(COD除外)的浓度(见表2)。这为啤酒废水的资源化处理开辟了新的思路。据报道，已有研究在氧化塘中种植丝瓜来增强处理系统的净化效果[27]。

表2 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/%

化学需氧量

田纳西州

TP

氨氮

浊度

普通丝瓜络 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

空心菜 2）

47.7～75.1

84.9～94.6

78.7～96.5

95.5～98.8

萱草 3)

39.60

90.60

65.41

99.34

81.28

1）处理时间为24至120小时；2）处理时间为24至48小时；3）处理时间为72小时

水培植物对废水中COD的去除率不高，主要是因为废水中的C含量远高于N和P，而植物是按照一定的C、N、P比例吸收营养的。从这个角度考虑，在生物处理后再利用水培植物对出水（C含量已大大降低）进行深度净化是更为合理的。

4 结语 (1)啤酒废水属于中高浓度有机废水，随着啤酒工业的不断发展，其产量将不断增加，为避免受纳污水体水质恶化，除实行清污水分离、提高冷却水循环利用率以减少排放量外，还必须对其进行有效处理。 (2)好氧生物处理、厌氧生物处理、土地利用和植物净化是啤酒废水处理的常用方法。好氧生物处理对于低浓度废水的COD去除率较高(>90%)，但需要投资和占地较大，能耗高，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的CODcr去除率较高，克服了好氧生物处理的大部分缺点，还可以转化生物质能，大大降低处理成本，因此被越来越多的厂家采用。 其最大缺点是出水CODcr浓度仍然很高，难以达到《污水综合排放标准》的要求。土地利用系统虽然可以改善废水水质，节约水资源，增加土壤中的有机质含量，但占地面积大，易产生臭味，还可能造成土壤盐渍化。利用植物净化啤酒废水，可以有效去除N、P和浊度，并可获得一定的经济效益，但CODcr去除率不高。（3）要获得理想的处理效果，实现啤酒废水处理的环境效益和经济效益的统一，必须将两种或三种技术联合使用。这是解决啤酒废水污染问题的根本途径。例如，将厌氧和好氧处理池串联使用，依靠前者降低废水的高负荷，再由后者处理低浓度废水达标，其电耗可以通过前道工序的质能转换来补偿。 再如，将生物处理与土地利用相结合，不仅能有效净化废水，而且可以起到互补作用，产生更高的经济效益。此外，以下几个方面还需进一步研究：（1）啤酒行业实施清洁生产技术的可行性及其综合效益分析；（2）多种处理技术串联使用时，啤酒废水在连接点的最佳浓度；（3）厌氧和好氧微生物菌种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）啤酒废水土地利用技术对土壤理化性质的各种可能影响。

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