乳酸菌飲料生產廢水生物處理設備工藝

乳酸菌飲料生產廢水生物處理設備工藝 乳酸菌飲料生產廢水生物處理設備工藝

近年來大健康概念逐漸成為飲料行業的主流趨勢，消費者對于高含糖量、高熱量飲料的偏好度持續走低。含乳飲料和植物蛋白飲料等蛋白質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，經乳酸菌發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制而成的飲料。飲料廢水主要來zi殺菌廢水、CIP設備清洗廢水、生產車間地面沖洗廢水以及殘次品、不合格產品的廢液。

　　浙江某飲料企業主要生產乳酸菌飲料及乳酸菌水飲料，產生的廢水量大，其中有機物濃度高、pH值波動大。為保證廢水達標排放，企業配套一套處理能力為1200m3/d的污水處理系統，出水水質要求達到《污水綜合排放標準》(GB8978-1996)一級標準，處理系統的核心工藝是復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點，因其具有高效節能、耐沖擊負荷、運行管理方便等特點被廣泛用于各行業的污水處理?；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的污水處理。文章以浙江某飲料企業廢水處理工程為例，對其污水處理工藝流程、主要構筑物設計、運行效果和運行成本進行介紹。

　　1、廢水來源、處理規模及水質特征

　　廢水處理規模為1200m3/d，包括殺菌廢水、CIP設備清洗廢水、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，但在實際生產中會有少量飲料包裝物會出現破損導致殺菌水受到污染，作為污水排放。CIP清洗系統會先后使用堿性清潔劑與酸洗清潔劑及輕松清洗生產設備管道，調配及灌裝時會有微量奶粉、檸檬酸、糖類殘留在設備上，隨CIP設備清洗時進入廢水中。各類廢水水量及水質情況詳見表1。

　　2、廢水處理工藝流程

　　車間生產廢水經管網收集后進入集水井，在集水井前設置粗細格柵隔除雜物，然后廢水經泵抽入調節池進行均質均量，在調節池內設空氣攪拌系統，可以起到攪拌作用，防止有機物沉淀。廢水經泵提升至中和池將pH值調整至中性后流入水解酸化池，水解酸化池內設置潛水攪拌機以保證泥水充分混合，通過水解-酸化反應，水中大分子有機物(如蛋白質)轉化為小分子有機物，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化為(亞)硝酸鹽。接觸氧化池出水進入二沉池，污泥經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池加入絮凝劑后進入終沉池沉淀，出水達標排放。

　　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。污泥池內的污泥經壓濾機脫水處理，濾液流入調節池，泥餅定期由環衛部門外運進行安全處置。

　　3、主要構筑物及工藝參數

　　各主要構筑物尺寸見表2。

　　3.1 格柵井及調節池

　　在格柵井設置粗、細格柵裝置，用以攔截廢水中混有的瓶蓋﹑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、水質的變化，設置有足夠停留時間的調節池，HRT=20h。池底設置穿孔曝氣管道，進行間歇曝氣攪拌(汽水比3∶1)，以更充分的均質、均量。

　　3.2 中和池

　　CIP設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，排入調節池后雖充分攪拌混合，但無法做到*酸堿中和，加之廢水中的蛋白質極易酸化，造成調節池廢水通常呈酸性(pH<5)。 因此設置中和反應池,通過投 加氫氧化鈉溶液調節 pH,保證進入生化系統的廢 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,蛋白質被蛋白質酶水解為短 肽與氨基酸等。 這些小分子的水解產物能夠溶解 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轉化為更 為簡單的化合物并分泌到細胞外,從而更利于后 續好氧生物降解。 厭(缺)氧微生物為異養型微生 物細菌,必須從環境中汲取養分,將部分有機物降 解用于合成自身細胞,而實現有機物濃度下降。><5)。因此設置中和反應池，通過投加氫氧化鈉溶液調節pH，保證進入生化系統的廢水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，蛋白質被蛋白質酶水解為短肽與氨基酸等。這些小分子的水解產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轉化為更為簡單的化合物并分泌到細胞外，從而更利于后續好氧生物降解。厭(缺)氧微生物為異養型微生物細菌，必須從環境中汲取養分，將部分有機物降解用于合成自身細胞，而實現有機物濃度下降。

　　采用*混合式水解反應器，在池內填充?180×80H型組合填料，其結構是將塑料圓片壓扣改成雙圈大塑料環，并將醛化纖維或滌綸絲壓在環的環圈上，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，提高氧的轉移速率和利用率。每個水解酸化池內設置潛水攪拌機2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定的混合狀態。水解池的水力停留時間為12h，容積負荷取1.5~2.5kg[CODCr]∕(m3·d)，溶解氧的質量濃度控制在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。該工藝具有運行穩定、抗負荷沖擊能力強、無污泥膨脹、能耗節約，且操作簡單、管理方便等特點。接觸氧化池分四格串聯布置，池內填充?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設置?215型盤式微孔曝氣器，氧氣利用率為20%~25%，選用低噪音、節能型三葉羅茨風機供氧，并配置重載型變頻器，可通過調節風機頻率以控制溶解氧濃度，四格好氧池內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，設置中心傳動刮泥機。沉淀池表面負荷取1.0m3/(m2·h)，二沉池設置污泥回流泵，回流比50%~99%。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

　　終沉池采用輻流式沉淀池，設置中心傳動刮泥機。沉淀池表面負荷取1.0m3/(m2·h)，二沉池設置污泥回流泵，回流比50%~99%，終沉池前端設置混凝反應池，視二沉池出水水質投加混凝、絮凝劑，以保證出水SS正常。該項目所產生污泥主要為生化剩余污泥及部分終沉混凝反應產生的物化污泥，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，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

　　該廢水處理系統于2019年2月份開始調試運行，經過三個月的運行，處理效果較好，出水水質穩定達標，生化系統處理效果詳見圖2、圖3。

　　由圖2可見，生化系統穩定運行后，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%。再經生物接觸氧化處理后，出水CODCr保持在52~137mg/L。最后經混凝沉淀處理，最終外排出水CODCr為29~94mg/L，低于排放標準要求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，如蛋白質的形式存在。在厭氧或者缺氧狀態下，蛋白質分解，有機氮轉換為氨氮。如圖3所示，生化系統穩定運行后，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。經生物接觸氧化處理后，大部分NH+4-N經硝化作用轉化為硝態氮及亞硝態氮，最終外排出水NH+4-N濃度在0.8~3.8mg/L左右，低于排放標準要求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%，出水水質穩定達到《污水綜合排放標準》(GB8978-1996)一級標準。

　　4.2 直接運行成本分析

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

　　5、結論與建議

　　(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%，出水水質穩定達到《污水綜合排放標準》(GB8978-1996)中的一級標準。

　　(2)針對運行期間存在的問題及經驗總結如下：

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

　　b.該類廢水極易水解酸化，應重點關注生化前端pH調節反應效果。在調節池內可選擇潛水攪拌器替代穿孔曝氣管路，提供缺氧環境以利于“預酸化"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，也有利于調試期間缺氧污泥的培養。

　　d.污泥脫水濾布容易堵塞，應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