乳酸菌飲料生產(chǎn)廢水生物處理工藝

　　近年來大健康概念逐漸成為飲料行業(yè)的主流趨勢，消費者對于高含糖量、高熱量飲料的偏好度持續(xù)走低。含乳飲料和植物蛋白飲料等蛋白質(zhì)飲料因其在健康需求上能夠提供補腦、補鈣、促消化、促進睡眠等一系列相關(guān)功能，逐漸成為更多人的選擇。乳酸菌飲料是指以乳或乳制品為原料，經(jīng)乳酸菌發(fā)酵制得的乳液中加入水、食糖或甜味劑、酸味劑、果汁、茶、咖啡、植物提取液等的一種或幾種調(diào)制而成的飲料。飲料廢水主要來自殺菌廢水、CIP設(shè)備清洗廢水、生產(chǎn)車間地面沖洗廢水以及殘次品、不合格產(chǎn)品的廢液。

　　浙江某飲料企業(yè)主要生產(chǎn)乳酸菌飲料及乳酸菌水飲料，產(chǎn)生的廢水量大，其中有機物濃度高、pH值波動大。為保證廢水達標(biāo)排放，企業(yè)配套一套處理能力為1200m3/d的污水處理系統(tǒng)，出水水質(zhì)要求達到《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB8978-1996)一級標(biāo)準(zhǔn)，處理系統(tǒng)的核心工藝是復(fù)合式水解酸化器和生物接觸氧化法組合處理工藝。

　　近年來針對如酒糟廢液、乳制品廢水和畜禽糞便廢水等可生化性好、有機物濃度較高的廢水，可利用水解酸化法去除其中的高濃度懸浮物，水解酸化反應(yīng)器亦可替代初沉池，在將污水中不易生物降解的大分子有機物降解為易生物降解的小分子有機物同時也可以在一定程度上降低有機物總量。生物接觸氧化法是以生物膜為凈化主體的一種高效水處理工藝，兼有活性污泥法和生物膜法的優(yōu)點，因其具有高效節(jié)能、耐沖擊負荷、運行管理方便等特點被廣泛用于各行業(yè)的污水處理?；谝陨咸攸c，水解酸化+生物接觸氧化組合工藝被廣泛用于印染、電鍍、食品加工等多個行業(yè)的污水處理。文章以浙江某飲料企業(yè)廢水處理工程為例，對其污水處理工藝流程、主要構(gòu)筑物設(shè)計、運行效果和運行成本進行介紹。

　　1、廢水來源、處理規(guī)模及水質(zhì)特征

　　廢水處理規(guī)模為1200m3/d，包括殺菌廢水、CIP設(shè)備清洗廢水、地面沖洗廢水及生活污水，尤以殺菌廢水和CIP清洗廢水的水量和污染物濃度較高。乳酸菌飲料產(chǎn)品采用熱水噴淋殺菌，殺菌過程中熱水與飲料包裝物接觸，并不與飲料直接接觸，但在實際生產(chǎn)中會有少量飲料包裝物會出現(xiàn)破損導(dǎo)致殺菌水受到污染，作為污水排放。CIP清洗系統(tǒng)會先后使用堿性清潔劑與酸洗清潔劑及輕松清洗生產(chǎn)設(shè)備管道，調(diào)配及灌裝時會有微量奶粉、檸檬酸、糖類殘留在設(shè)備上，隨CIP設(shè)備清洗時進入廢水中。各類廢水水量及水質(zhì)情況詳見表1。

　　2、廢水處理工藝流程

　　車間生產(chǎn)廢水經(jīng)管網(wǎng)收集后進入集水井，在集水井前設(shè)置粗細格柵隔除雜物，然后廢水經(jīng)泵抽入調(diào)節(jié)池進行均質(zhì)均量，在調(diào)節(jié)池內(nèi)設(shè)空氣攪拌系統(tǒng)，可以起到攪拌作用，防止有機物沉淀。廢水經(jīng)泵提升至中和池將pH值調(diào)整至中性后流入水解酸化池，水解酸化池內(nèi)設(shè)置潛水?dāng)嚢铏C以保證泥水充分混合，通過水解-酸化反應(yīng)，水中大分子有機物(如蛋白質(zhì))轉(zhuǎn)化為小分子有機物，在降解部分有機物的同時提高了廢水可生化性。之后廢水流入接觸氧化池，有機物在微生物凝聚、吸附、氧化等作用下降解，氨氮則通過硝化作用轉(zhuǎn)化為(亞)硝酸鹽。接觸氧化池出水進入二沉池，污泥經(jīng)污泥泵回流入接觸氧化池(部分補充至水解酸化池)，二沉池出水流入混凝反應(yīng)池加入絮凝劑后進入終沉池沉淀，出水達標(biāo)排放。

　　污泥處理：污泥主要為生化剩余污泥及部分終沉物化污泥，定期污泥泵排入污泥池。污泥池內(nèi)的污泥經(jīng)壓濾機脫水處理，濾液流入調(diào)節(jié)池，泥餅定期由環(huán)衛(wèi)部門外運進行安全處置。

　　3、主要構(gòu)筑物及工藝參數(shù)

　　各主要構(gòu)筑物尺寸見表2。

　　3.1 格柵井及調(diào)節(jié)池

　　在格柵井設(shè)置粗、細格柵裝置，用以攔截廢水中混有的瓶蓋?p錫紙等細小雜物，避免潛污提升泵被堵塞，從而降低維修頻率。粗格柵建議選用10.0~15.0mm的柵距，細格柵選用柵距為3.0~5.0mm的柵距。

　　考慮車間排水的周期性及排水濃度、水質(zhì)的變化，設(shè)置有足夠停留時間的調(diào)節(jié)池，HRT=20h。池底設(shè)置穿孔曝氣管道，進行間歇曝氣攪拌(汽水比3∶1)，以更充分的均質(zhì)、均量。

　　3.2 中和池

　　CIP設(shè)備管道清洗因清洗劑不同，清洗廢水在不同時段pH可為強酸性或強堿性，排入調(diào)節(jié)池后雖充分攪拌混合，但無法做到完全酸堿中和，加之廢水中的蛋白質(zhì)極易酸化，造成調(diào)節(jié)池廢水通常呈酸性(pH<5)。 因此設(shè)置中和反應(yīng)池,通過投 加氫氧化鈉溶液調(diào)節(jié) pH,保證進入生化系統(tǒng)的廢 水 pH 為 6~7。 3.3 水解酸化池 乳酸菌飲料廢水基本沒有有毒物質(zhì)或抑制 劑,可生化性好,雖然有機物濃度較高,但主要由 些大分子有機物組成(如增稠劑、蛋白質(zhì)等),大分 子有機物因相對分子量巨大,不能透過細胞膜,因 此不可能為細菌直接利用。 它們在水解階段被細 菌胞外酶分解為小分子。 例如,纖維素被纖維素 酶水解為纖維二糖與葡萄糖,淀粉被淀粉酶分解 為麥芽糖和葡萄糖,蛋白質(zhì)被蛋白質(zhì)酶水解為短 肽與氨基酸等。 這些小分子的水解產(chǎn)物能夠溶解 于水并透過細胞膜為細菌所利用。 在酸化階段, 上述小分子的化合物在酸化菌的細胞內(nèi)轉(zhuǎn)化為更 為簡單的化合物并分泌到細胞外,從而更利于后 續(xù)好氧生物降解。 厭(缺)氧微生物為異養(yǎng)型微生 物細菌,必須從環(huán)境中汲取養(yǎng)分,將部分有機物降 解用于合成自身細胞,而實現(xiàn)有機物濃度下降。><5)。因此設(shè)置中和反應(yīng)池，通過投加氫氧化鈉溶液調(diào)節(jié)pH，保證進入生化系統(tǒng)的廢水pH為6~7。

　　3.3 水解酸化池

　　乳酸菌飲料廢水基本沒有有毒物質(zhì)或抑制劑，可生化性好，雖然有機物濃度較高，但主要由些大分子有機物組成(如增稠劑、蛋白質(zhì)等)，大分子有機物因相對分子量巨大，不能透過細胞膜，因此不可能為細菌直接利用。它們在水解階段被細菌胞外酶分解為小分子。例如，纖維素被纖維素酶水解為纖維二糖與葡萄糖，淀粉被淀粉酶分解為麥芽糖和葡萄糖，蛋白質(zhì)被蛋白質(zhì)酶水解為短肽與氨基酸等。這些小分子的水解產(chǎn)物能夠溶解于水并透過細胞膜為細菌所利用。在酸化階段，上述小分子的化合物在酸化菌的細胞內(nèi)轉(zhuǎn)化為更為簡單的化合物并分泌到細胞外，從而更利于后續(xù)好氧生物降解。厭(缺)氧微生物為異養(yǎng)型微生物細菌，必須從環(huán)境中汲取養(yǎng)分，將部分有機物降解用于合成自身細胞，而實現(xiàn)有機物濃度下降。

　　采用完全混合式水解反應(yīng)器，在池內(nèi)填充?180×80H型組合填料，其結(jié)構(gòu)是將塑料圓片壓扣改成雙圈大塑料環(huán)，并將醛化纖維或滌綸絲壓在環(huán)的環(huán)圈上，使纖維束均勻分布，以利于微生物掛膜并提高膜面積。內(nèi)圈是雪花狀塑料枝條，既能掛膜，又能有效切割氣泡，提高氧的轉(zhuǎn)移速率和利用率。每個水解酸化池內(nèi)設(shè)置潛水?dāng)嚢铏C2臺，推流方向呈對角，并與廢水過流方向交叉，從而維持污泥和廢水處于一個穩(wěn)定的混合狀態(tài)。水解池的水力停留時間為12h，容積負荷取1.5~2.5kg[CODCr]?M(m3?d)，溶解氧的質(zhì)量濃度控制在0.1~0.5mg/L之間。

　　3.4 接觸氧化池

　　好氧階段采用生物接觸氧化工藝。該工藝具有運行穩(wěn)定、抗負荷沖擊能力強、無污泥膨脹、能耗節(jié)約，且操作簡單、管理方便等特點。接觸氧化池分四格串聯(lián)布置，池內(nèi)填充?180×80H組合填料，可大大增加單位容積的生物膜面積，強化污染物的傳遞和生物膜的脫落，組合填料填充率約70%。池底上方20cm設(shè)置?215型盤式微孔曝氣器，氧氣利用率為20%~25%，選用低噪音、節(jié)能型三葉羅茨風(fēng)機供氧，并配置重載型變頻器，可通過調(diào)節(jié)風(fēng)機頻率以控制溶解氧濃度，四格好氧池內(nèi)溶解氧濃度依次控制為1~2mg/L、2~3mg/L、3~4mg/L、4~5mg/L。接觸氧化池的水力停留時間為12.0h，容積負荷取0.8~1.5kg[BOD5]/(m3?d)，污泥濃度控制在3000~4000mg/L，污泥齡12~14d。

　　3.5 二沉池

　　二沉池采用輻流式沉淀池，設(shè)置中心傳動刮泥機。沉淀池表面負荷取1.0m3/(m2?h)，二沉池設(shè)置污泥回流泵，回流比50%~100%。二沉池污泥同時回流至水解酸化池進水端和接觸氧化池進水端，回流量比值1∶4。

　　3.6 終沉池及污泥脫水系統(tǒng)

　　終沉池采用輻流式沉淀池，設(shè)置中心傳動刮泥機。沉淀池表面負荷取1.0m3/(m2?h)，二沉池設(shè)置污泥回流泵，回流比50%~100%，終沉池前端設(shè)置混凝反應(yīng)池，視二沉池出水水質(zhì)投加混凝、絮凝劑，以保證出水SS正常。該項目所產(chǎn)生污泥主要為生化剩余污泥及部分終沉混凝反應(yīng)產(chǎn)生的物化污泥，污泥脫水采用廂式壓濾機脫水，即污泥池中的污泥通過氣動隔膜泵打入壓濾系統(tǒng)，壓濾機采用XMZ100/1000-UB一臺，過濾面積100m2。

　　4、工程運行效果與分析

　　4.1 運行情況

　　該廢水處理系統(tǒng)于2019年2月份開始調(diào)試運行，經(jīng)過三個月的運行，處理效果較好，出水水質(zhì)穩(wěn)定達標(biāo)，生化系統(tǒng)處理效果詳見圖2、圖3。

　　由圖2可見，生化系統(tǒng)穩(wěn)定運行后，在28天的運行過程中，在進水CODCr為872~1389mg/L條件下，水解酸化池出水CODCr在430~902mg/L，平均去除率40.13%。再經(jīng)生物接觸氧化處理后，出水CODCr保持在52~137mg/L。最后經(jīng)混凝沉淀處理，最終外排出水CODCr為29~94mg/L，低于排放標(biāo)準(zhǔn)要求100mg/L。

　　在乳制品廢水中，氨氮的濃度并不高，氮元素主要以有機氮，如蛋白質(zhì)的形式存在。在厭氧或者缺氧狀態(tài)下，蛋白質(zhì)分解，有機氮轉(zhuǎn)換為氨氮。如圖3所示，生化系統(tǒng)穩(wěn)定運行后，在28天的運行過程中，進水NH+4-N濃度為5.8~15.0mg/L，而水解酸化池出水NH+4-N濃度達到13.0~28.0mg/L。經(jīng)生物接觸氧化處理后，大部分NH+4-N經(jīng)硝化作用轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮及亞硝態(tài)氮，最終外排出水NH+4-N濃度在0.8~3.8mg/L左右，低于排放標(biāo)準(zhǔn)要求15mg/L。

　　水解酸化+生物接觸氧化工藝能有效降解去除乳酸菌飲料生產(chǎn)廢水的污染物，其中CODCr的平均去除率達到94.23%，NH+4-N的平均去除率達到79.40%，出水水質(zhì)穩(wěn)定達到《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB8978-1996)一級標(biāo)準(zhǔn)。

　　4.2 直接運行成本分析

　　該項目總投資355萬元，正常生產(chǎn)運行費用為1.19元/噸水，主要費用組成詳見表3。

　　5、結(jié)論與建議

　　(1)采用水解酸化+生物接觸氧化工藝處理乳酸菌飲料生產(chǎn)廢水，CODCr平均去除率達94.23%，NH+4-N的平均去除率達到79.40%，出水水質(zhì)穩(wěn)定達到《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB8978-1996)中的一級標(biāo)準(zhǔn)。

　　(2)針對運行期間存在的問題及經(jīng)驗總結(jié)如下：

　　a.對于CIP清洗廢水濃度高、pH波動大的特點，應(yīng)設(shè)置單獨收集池及收集管路，避免生產(chǎn)高峰期間對生化系統(tǒng)形成沖擊負荷，同時可以避免酸堿性廢水對格柵井、集水池設(shè)備的腐蝕。

　　b.該類廢水極易水解酸化，應(yīng)重點關(guān)注生化前端pH調(diào)節(jié)反應(yīng)效果。在調(diào)節(jié)池內(nèi)可選擇潛水?dāng)嚢杵魈娲┛灼貧夤苈罚峁┤毖醐h(huán)境以利于“預(yù)酸化”更充分。

　　c.水解酸化池出水帶有部分污泥進入接觸氧化池，建議在水解酸化池末端設(shè)置沉淀池以截留缺氧污泥，可以減輕對前端好氧池的沖擊，也有利于調(diào)試期間缺氧污泥的培養(yǎng)。

　　d.污泥脫水濾布容易堵塞，應(yīng)注意及時清洗更換濾布，在不計較投資成本的前提下可選用帶式壓濾機替代廂式壓濾機。(來源：煤科集團杭州環(huán)保研究院有限公司)