啤酒生产中部分工序产生的废水对污泥活性的影响研究

张传兵

(华夏碧水环保科技有限公司，河南 郑州 450008)

0 引 言

啤酒是以大米、麦芽和酒花为主要原料，经发酵而成的低度酿造酒，目前我国已成为世界啤酒生产和消费第一大国[1]。据统计，2016年我国啤酒产量达4.56×1010L，生产过程中产生的废水达到2亿m3[2]。啤酒生产废水中有机物质量浓度较高，若处理不达标排放，将严重污染生态环境[3]。

经过多年发展，啤酒生产废水处理已形成成熟的“厌氧+好氧”2个阶段组合的生物处理模式，其中厌氧阶段COD容积负荷高，可去除约80%的有机污染物，是啤酒生产废水处理的关键[4-5]。厌氧活性污泥是当前研究厌氧处理的热点[6]，常敏等[7]研究发现，pH、温度等指标是影响厌氧污泥活性的重要因素；R.Rajagopal[8]等研究发现，pH可以影响厌氧菌的生物活性，温度波动会抑制相关微生物自身的新陈代谢，造成厌氧反应受到影响。厌氧污泥的活性直接影响厌氧反应的效果。水力停留时间、上升流速、进水浓度、悬浮物种类以及废水是否进行预酸化等都是影响活性污泥形成的重要因素[9]。聂红燕等[10]调查国内10余家啤酒生产企业污水处理站的运行过程发现，部分工序产生的废水使厌氧系统受到冲击，颗粒污泥活性下降，出现COD去除率和沼气产量明显降低、颗粒污泥流失严重等现象。

国内外关于影响厌氧污泥活性因素的研究较多[11-12],但目前还没有学者对啤酒生产各个环节产生的废水进行分类深入研究。啤酒生产废水成分比较复杂，各个环节产生的废水污染物并不相同，其性质对厌氧污泥的活性影响很大。因此，分类研究啤酒生产各环节排放的污染物对厌氧颗粒污泥活性的影响具有重要意义。

本文以国内某啤酒企业生产过程中产生的啤酒废水为研究对象，以厌氧颗粒污泥的产气性能表征其活性，对比分析啤酒生产过程中酿造车间和包装车间废水对厌氧颗粒污泥活性的影响，确定包装车间废水生物毒性后，进而研究包装车间生产过程中使用的洗瓶剂和链道润滑剂等化学品以及酵母菌对厌氧颗粒污泥活性的影响。

1 试 验

1.1 试验背景

国内啤酒企业生产过程中产生的废水主要特质:CODcr为1 800～3 500 mg/L，BOD5为800～1 800 mg/L，BOD/COD=0.3～0.6。

啤酒生产废水主要来源啤酒生产过程中的4道工序。4道工序产生的废水水质水量特点各异：(1)制麦工序的废水主要源自浸麦水、发芽降温喷雾水和洗涤水；(2)糖化工序的废水主要源自冷却水、洗锅水和洗麦糟水；(3)发酵工序的废水主要源自发酵罐洗涤水和过滤洗涤水；(4)罐装工序的废水主要源自洗瓶水、瓶体破损流出的啤酒、冷却水以及成品车间洗涤水[13]。按生产工序划分，啤酒生产废水可分为3类：(1)冷却水，约占总废水量的70%～75%，属于可再利用的清洁废水；(2)酿造车间混合废水，约占总废水量的5%～6%；(3)包装车间混合废水，主要为冲洗瓶杀菌水，约占总废水量的20%～25%。后2类是啤酒生产废水主要处理对象,其有机物质量浓度高、色泽较深、悬浮固体含量高、水质变化较大,pH，COD，BOD较为稳定。因此，本次试验选取对废水处理影响较大的酿造废水、包装混合废水以及洗瓶剂、链道润滑剂和废酵母试剂进行分析。

1.2 试验装置与试剂

试验装置(图1)包括恒温水浴锅、1 L具塞玻璃锥形瓶、玻璃导管、500 mL锥形瓶、集气瓶、玻璃量筒等。

1-反应瓶;2-恒温水浴锅;3-集气瓶;4-计量瓶

试剂主要有COD重铬酸钾法测定试剂、分析纯氢氧化钠、包装车间用润滑剂、洗瓶剂K、洗瓶剂B和洗瓶剂H。

厌氧池颗粒污泥取自酒精废水处理厂，颗粒污泥有机物质量浓度为84 g/L，有效菌泥颗粒度81%；酵母菌为酿造车间排出的废酵母；酿造废水、酿造和包装混合水分别取自酿造车间和污水站调节池。

试验装置为HH-S4型恒温水浴锅，恒温范围为室温～100 ℃。

1.3 分析方法

采用单一变量法和控制变量法进行试验探究，利用产气量进行分析比较。

产气量：用恒温水浴锅将产气装置温度维持在30 ℃左右，厌氧颗粒污泥和废水在反应瓶中发酵产生沼气和硫化氢等气体；在集气瓶中注满氢氧化钠溶液，用以吸收产生的硫化氢和二氧化碳等，沼气的主要成分甲烷则占据集气瓶中的空间。将氢氧化钠溶液压至计量瓶中，通过对计量瓶中的溶液进行定容，即可确定产气量。

为保证厌氧污泥的基本生存条件，溶解氧质量浓度需控制在3 mg/L(正常生存条件为2～4 mg/L)，水温维持在25 ℃，并提供足够的营养料维持微生物生存。

为精确衡量颗粒污泥处理不同废水时的活性，采用产气率(每降解单位COD产生的沼气量，mL/mg)表征其微生物活性，试验均设置3组平行度检验。

2 结果与讨论

2.1 酿造废水、酿造包装混合水对厌氧颗粒污泥活性的影响

厌氧污泥颗粒由厌氧活性菌起主要作用。为了分析酿造废水、酿造包装混合废水对厌氧颗粒污泥活性的影响，连续21 d取酿造车间和酿造包装车间混合废水，用新鲜颗粒污泥做产气试验，污泥的接种量为100 mL/L。其中酿造废水COD在1 500～2 500 mg/L间，酿造包装混合废水COD在2 500～3 000 mg/L间，试验前采用电子pH计将2种废水pH调至7.0左右。不同废水中厌氧颗粒污泥的产气率曲线如图2所示。

由图2可知，厌氧颗粒污泥在酿造废水中的产气率明显较高，均在0.17 mL/mg以上，而且随着时间推移，其产气率比较稳定。但是在酿造包装混合废水中，厌氧颗粒污泥的产气率均低于0.15 mL/mg，产气率由最初的0.12 mL/mg逐步下降至0.08 mL/mg，说明在包装废水中存在抑制厌氧颗粒污泥活性的污染物。

图2 不同废水中厌氧颗粒污泥产气率曲线

2.2 洗瓶剂对厌氧颗粒污泥活性的影响

包装车间洗瓶机排放的废水中含有大量洗瓶剂，如洗瓶剂K、洗瓶剂B和洗瓶剂H等，其中洗瓶剂B和H在使用时按照1∶1投加。为了研究其对厌氧颗粒污泥活性的影响程度，在酿造废水中添加以上洗瓶剂，其中洗瓶剂K试验质量浓度、洗瓶剂B和H混合试验质量浓度一致。根据相关文献，设置质量浓度梯度分别为0，20，50，80，100，120 mg/L。统一控制试验温度为25 ℃(室温)，培养时间为24 h。添加不同质量浓度洗瓶剂时厌氧颗粒污泥的产气量曲线如图3所示。

图3 不同洗瓶剂质量浓度时厌氧颗粒污泥的产气量曲线

由产气量曲线可知，随着洗瓶剂质量浓度增加，厌氧颗粒污泥的沼气产量均表现出明显的下降趋势，颗粒污泥的活性受洗瓶剂K的抑制作用较强。当洗瓶剂K质量浓度为20 mg/L时，厌氧颗粒污泥的产气量下降50%以上；当其质量浓度超过120 mg/L后，厌氧颗粒污泥产气量几乎为0。当洗瓶剂B和H的质量浓度为50 mg/L时，厌氧颗粒污泥的产气量下降约60%；当它们质量浓度为120 mg/L时，颗粒污泥产气量只有原先产气量的15%～20%。洗瓶剂K比洗瓶剂B和H的混合液对厌氧颗粒污泥的抑制性更强。

洗瓶剂属于表面活性剂，其分子结构具有两亲性，即亲水基团和疏水基团，当洗瓶剂随废水进入厌氧系统后会被吸附在颗粒污泥表面，由于其生物降解性较差，进而影响颗粒污泥正常的代谢活动。若洗瓶剂在废水中的质量浓度很高时，会使厌氧处理系统pH升高，抑制甲烷菌活性，使其产气量下降。潘春如[14]在研究洗瓶剂对厌氧污泥的影响过程中指出，2种洗瓶剂添加到污水水样中会对厌氧污泥的活性显示出抑制现象。贺延龄[15]也在研究中发现，洗涤剂及其质量浓度是影响厌氧处理的重要因素，非离子型洗涤剂50%抑制质量浓度为50 mg/L，离子型洗涤剂50%抑制质量浓度为20 mg/L。

2.3 链道润滑剂对厌氧颗粒污泥活性的影响

将包装车间使用的链道润滑剂投加到酿造废水中，根据查找的相关文献并结合本试验，控制试验温度为室温25 ℃，培养时间为24 h。设计质量浓度梯度分别为0，20，50，80，100，120 mg/L，研究其对厌氧颗粒污泥产气量的影响，结果如图4所示。

图4 不同润滑剂质量浓度时厌氧颗粒污泥的产气量曲线

由产气量曲线可知，随着润滑剂质量浓度增加，厌氧颗粒污泥的产气量逐渐降低。当润滑剂质量浓度为50 mg/L时厌氧颗粒污泥的产气量下降超过50%，质量浓度增加到100 mg/L后，厌氧颗粒污泥产气量下降约70%。润滑剂的主要成分是长链脂肪酸，其在降解过程中能抑制厌氧颗粒污泥中产甲烷菌的活性，而且厌氧系统中乙酸的存在也会在一定程度上增加长链脂肪酸的毒性。另外，长链脂肪酸中部分不能溶解的脂肪酸会被吸附到污泥表面，使厌氧颗粒污泥漂浮。董事壁等[16]在研究高质量浓度润滑剂废水的综合处理工艺中也曾指出，润滑剂成分复杂，处理难度大，直接进入生化系统会严重抑制微生物的活性。

2.4 酵母对厌氧颗粒污泥活性的影响

在该啤酒生产企业废水处理站运行过程中发现，酿造车间排放废酵母至污水管网后，污水站厌氧系统的去除率和产气量明显下降。为研究酵母对厌氧颗粒污泥活性的影响，取酵母若干，将其投加至酿造废水中。根据查找的相关文献并结合本试验，设置试验质量浓度梯度分别为0，2，5，8，10，12 g/L，控制试验温度为室温25 ℃，培养时间为24 h。结果如图5～6所示。

图5 不同酵母质量浓度时厌氧颗粒污泥的产气量曲线

图6 酵母对厌氧颗粒污泥的毒性作用

试验结果表明，随着酵母质量浓度增加，厌氧颗粒污泥的产气量明显下降。当酵母质量浓度为2 g/L时，颗粒污泥的产气量下降40%以上，而且可以观察到，颗粒污泥表面开始包裹一层白色绒毛，颗粒污泥大量上浮。当酵母质量浓度5 g/L时，颗粒污泥的产气量下降55%左右，酵母质量浓度达到10g/L后，颗粒污泥的产气量下降约80%。废酵母随污水进入厌氧系统后会附着在颗粒污泥上，由于其不能被快速降解，堵塞颗粒污泥表面的孔隙，引起颗粒污泥底物传质困难，同时妨碍颗粒污泥内部产生的气体向外扩散，导致颗粒污泥上浮。另外，酵母中含有丰富的蛋白质，蛋白质水解释放出的硫化物将导致过量的游离态硫氢离子产生，严重抑制颗粒污泥的活性。

3 结 论

(1)酿造包装混合水对厌氧颗粒污泥活性有明显的抑制作用，所以包装废水中存在抑制厌氧颗粒污泥活性的污染物。

(2)啤酒生产企业包装车间在生产过程中使用的洗瓶剂和润滑剂对厌氧颗粒污泥的活性均有抑制作用，且洗瓶剂K比洗瓶剂B和H的混合液对厌氧颗粒污泥的抑制性更强。随着洗瓶剂和润滑剂质量浓度增加，其对厌氧颗粒污泥的活性抑制性越强，因此，需严格控制洗瓶剂和润滑剂使用量和排放质量浓度，并将其与其他啤酒生产废水分类存储、处理、排放。

(3)废酵母严重抑制颗粒污泥的活性，所以酿造车间的废酵母应禁止排入污水管网，可集中回收处理并再次利用。