食品工业废水处理技术研究进展

陈柳州，赵泉林，叶正芳

(北京大学 环境科学与工程学院水沙科学教育部重点实验室，北京 100871)

在全世界范围来看，大约有超过三分之二的淡水资源提取用于粮食生产，在某些国家甚至达到了90%。食品工业被认为是三大工业用水行业之一[1]。食品工业的快速发展，为经济的推动注入了巨大的动力，但同时也需要意识到生产过程中产生的大量废水给生态环境造成的损害。并且，由于世界上许多地区的淡水资源处于匮乏的状态或者濒临枯竭，促使人们开始不断重视食品工业废水的处理和再利用。

1 食品工业废水概述

1.1 我国食品工业发展现状

根据国家统计局数据发现，2016年，食品工业资产占全国工业总资产的7.1%，主营业务收入高达10.4%，总利润额占12.0%；2017年，我国食品行业的主要产品除成品糖外均保持着增长的态势，食品行业的主营收入为21 260.3亿元，增长了8.3%，行业利润总额达1 678.2亿元，增长了7.3%[2]。不同行业由于选用的原料、生产流程和要求不同，所需水量不同，因此产生的废水污染物种类和浓度、废水水量也具有较大的差异性[3]。相对而言，屠宰厂等肉类加工业用水较多[4]。

1.2 食品工业废水来源

总体上看，食品工业生产需要经过3个主要的过程：原料清洗阶段、生产阶段和成形阶段。第1阶段中，利用大量的清水冲洗原料，去除其中携带的杂物如皮、毛、叶以及砂土等，废水中的污染物主要是一些悬浮物、天然色素和脂类物质等；第2阶段中，生产工艺无法保证对原料的百分百利用，使得部分原料中的物质进入废水，导致其中的有机物含量升高；第3阶段中，生产商为了提高产品的品质、延长保鲜时间等，加入的食品添加剂(如甜味剂、色素)和防腐剂等也会部分进入废水中，增加了食品工业废水的复杂性[5]。

1.3 食品工业废水特性

从整体上看，食品工业废水主要具有3个特性：(1)废水排放量、污染物种类和浓度受到原料种类、行业规模、加工方式和季节变化等方面的影响。(2)废水中有机物、氮磷含量较高，具有良好的可生化性。由于食品工业选用的原料多来自于自然界中的动物、植物、真菌等，在加工处理过程中就会导致大量的有机物和氮磷流失到废水中。(3)废水中含有多种微生物，容易使废水在微生物的厌氧发酵作用下产生臭味。

2 食品工业废水处理方法

总体来看，具有不同作用原理的物理法、化学法、物化法和生物法是处理食品工业废水的主要方法[6]。其中，物理法包括重力沉降、气浮[7]和普通过滤等[8]，主要用于废水的预处理，以去除废水中大量的悬浮物和成悬浮态的油脂等物质。化学法主要是通过投加化学试剂对废水进行处理，包括水解[9]、混凝[10]、离子交换[11]、化学氧化法、高级氧化法等；物化法主要包括膜技术和吸附法；生物法即借助微生物在代谢过程中产生的作用，实现对废水的处理。

2.1 化学法

2.1.2 高级氧化法 随着食品工业的发展，食用色素和其他食品添加剂成为了废水中的一类难降解物质，从而促使研究者们不断开发新型强氧化物质[15]。人们发现羟基自由基(·OH)具有很强的氧化活性，高级氧化法便以此作为主要的氧化剂，通过化学反应分解废水中的难以被生物降解或者对生物具有毒害作用的有机污染物[16]。H2O2/UV法、芬顿试剂法、电化学氧化法、超声氧化法、光催化氧化法和超临界水氧化法等都属于高级氧化法的范畴。

电化学氧化已经广泛用于食品工业废水的前处理和后处理研究中[17-18]。常见电化学高级氧化技术包括阳极氧化技术、电芬顿技术、电化学过氧化技术等[19]。Sahu等[20]利用间歇式和连续式电絮凝-混凝工艺处理制糖工业废水，通过控制反应条件可以使COD和色度的降解率分别达到98%和99.5%。光催化氧化法是利用光照，在催化剂表面产生强氧化性自由基实现对污染物的降解。Barakata等[21]构建了一种Ni(OH)2/氧化石墨烯/TiO2的三元纳米材料用于乳品废水的预处理，通过提高废水的可生化性，促进废水的生物降解。

2.2 物化法

2.2.1 膜技术 膜技术主要借助半透膜的选择透过性，通过加压等手段将膜两侧的能量差转变为推动力，只允许混合物中的特定组分透过，从而实现污染物截留的作用。食品工业很早就引入了膜技术，它不仅可用于水果、植物汁液和提取物的温和低温处理，还可用于废水的处理[22]。Hernandez等[23]利用超滤-反渗透两段膜工艺对某一食品加工厂的废水进行处理，超滤目的是去除胶体物质和二价盐，降低TS和COD；而反渗透目的是去除一价盐和残留有机物，以提高水质。

2.2.2 吸附法 广义上讲，吸附是一种基于表面的传质过程。在化学键或者物理吸引力作用下，使流经多孔固体的流体中的单一组分或多个组分被积累在固体表面。吸附效果受到吸附剂和废水自身含有的特性以及吸附实验条件等因素的影响[24]。Irawan等[25]利用橡胶壳制备的改性活性炭对豆腐废水进行处理，探讨了吸附剂颗粒的大小、用量和改性情况对吸附的影响，不断改进操作条件后可以使COD、BOD和TSS的去除率分别达到93.92%,91.61%,75.13%。张文涛[2]制备了一系列基于钼硫的纳米材料，用于食品工业废水中吸附油脂和重金属、灭菌以及降解色素，显示出良好的废水净化性能。Ayu等[26]采用混凝、沉淀、吸附的三级处理方式去除食品废水中的污染物，并将处理后的水回用于食品加工业。

2.3 生物法

由于生产的第2阶段中部分原材料进入废水中，使得BOD、COD浓度高，同时又具有良好的可生化性，因此可采用生物法进行处理。微生物在新陈代谢的过程中，利用酶的催化作用实现对废水中污染物的分解和转化。主要可以分为好氧生物法、厌氧生物法以及好氧/厌氧联用生物法。

2.3.1 好氧生物法 好氧生物法是利用好氧微生物在污水中含有分子氧时降解有机物。根据微生物的存在状态，主要可以分为2种。第1种污水中的微生物以活性污泥絮体的形态悬浮生长，以序批式活性污泥法为代表(活性污泥系统)；第2种则附着生长在载体表面形成生物膜，以曝气生物滤池为代表(生物膜系统)。相较之下，微生物附着式生长系统具有更高的生物量，系统结构也更加紧凑[27]。除此以外，将活性污泥法与膜工艺结合的膜生物反应器在食品工业废水处理中也应用较多。

(1)序批式活性污泥法

序批式活性污泥法是通过“进水-反应-沉淀-排水-排泥”交替进行，使废水中的污染物随着时间推移而被降解的一种间歇性活性污泥法。与传统的连续性活性污泥法相比，它的系统组成简单，可以提供较大的反应推动力，承受较大的冲击负荷。Ansiha等[28]设计构建了两段式序批式活性污泥反应器处理豆腐废水，使每个反应器对BOD、COD和TSS的去除率都可以分别达到80%,85%,85%。Chinh等[29]利用序批式好氧污泥颗粒处理越南某面条生产村的废水，经过两个月的运行，对化学需氧量、总氮和总磷的去除效率分别达到92%,83%,75%。

(2)曝气生物滤池

巩膜扣带术包括巩膜加压术、环扎术，其通过在眼球壁上加压，造成巩膜向内压陷顶压裂孔，促使脱离的视网膜神经上皮与色素上皮接触复位。巩膜扣带术常用于局限性视网膜脱离或周边裂孔引起的视网膜脱离，尤其适用于有晶状体眼的年轻患者。巩膜扣带或巩膜环扎术后常见的并发症包括屈光度改变、感染、眼前段缺血、青光眼、巩膜扣带/环扎带脱出或腐蚀、浆液性脉络膜脱离、黄斑囊样水肿、黄斑前膜、黄斑皱褶及复视[1，2]。巩膜全层腐蚀熔解是其中较为罕见的并发症，常见于病理性近视等巩膜较薄的患者，可致持续性的低眼压与眼球萎缩[3]。

曝气生物滤池又称颗粒填料生物滤池，最初起源于欧洲。与传统的活性污泥法相比，曝气生物滤池中的微生物浓度高，不需要二沉池，占地面积小。该工艺通过填装不同的填料，使微生物附着其上，在填料的截留和污染物代谢共同作用下实现对污染物的降解，可分为上向流式和下向流式。Chen等[30]的中试结果表明，曝气生物滤池系统对猪场废水污染物BOD5、COD、TN和NH3-N的去除率均在82%以上。

(3)膜生物反应器

传统活性污泥处理需要构建二沉池使出水澄清，而膜生物反应器则引入了膜过滤技术，更加快捷高效的分离固液相，具有更高的出水水质、更小的占地面积以及更容易操作和管理等优点[31]，可用于食品废水处理，如乳品废水、肉类废水等。AL-Saadi[32]构建了两段膜生物反应器系统处理罗马尼亚某肉类加工厂的食品工业废水，并在反冲洗的过程中投加NaClO，该系统对浊度、TSS、BOD和COD的去除率分别为99.96%,89.52%,93.56%,99.36%。

2.3.2 厌氧生物法 厌氧生物法是利用兼性细菌和厌氧细菌在没有分子氧及化合态氧存在的情况下降解有机物，适宜处理高浓度有机污水。在食品工业废水处理中，升流式厌氧污泥床、膨胀颗粒污泥床和厌氧折流板反应器等较为常见。

(1)升流式厌氧污泥床

升流式厌氧污泥床利用反应器底部高活性厌氧污泥层实现对污染物的降解，反应器上部设置三相分离器将气、液、固三相分开，处理效率高，可以承受更大的有机负荷。Artsupho等[33]采用升流式厌氧污泥床工艺对制糖废水进行处理，通过将电厂冷凝水和废水混合，分析了系统运行中温度对处理效率的影响，通过调控温度为29～40 ℃时，可以使挥发性酸和化学需氧量的去除率达到92%左右。

(2)颗粒污泥膨胀床

颗粒污泥膨胀床是升流式厌氧污泥床和厌氧流化床的结合体，开始运行时选择将厌氧颗粒污泥直接接种，缩短了启动时间，具有高效性、高有机负荷、更短停留时间和抗冲击负荷等特定。将颗粒污泥膨胀床用于咖啡加工废水[34]和奶酪乳清废水[35]，均可以去除90%以上的COD。Mortezaei等[36]利用颗粒污泥膨胀床-固定床复合反应器对酸奶废水进行处理，采用响应面法确定最适条件，可以在27 h内使进水COD的去除率达到90%。

(3)厌氧折流板反应器

厌氧折流板反应器设置了一系列垂直隔板，废水进入反应器后以升流形式进入每一个折板反应区，使废水与活性生物质接触，可视为一种串联安装的升流式厌氧污泥床反应器，其中有机化合物浓度沿反应器变化，可导致不同格室的微生物增长数量不同[37]。Putra等[38]利用厌氧折流板反应器处理有机物含量为140 g/L的鱼粉废水，运行200 d后，反应器的总化学需氧量平均去除率为98%。

3 结语

上述三种方法中，化学法对难生物降解的污染物具有较好的处理效果但因化学试剂的投加和副反应的发生容易造成二次污染；物化法处理效果好但成本较高；生物法可以对大多数污染物实现降解，成本较低，处理量大，还能对能源回收利用但占地面积也大。为实现食品工业废水的快速高效、低成本处理，应将今后的发展方向定位在物化、化学和生物法的联合应用上，使得食品工业废水得到快速高效的处理，同时降低能耗，减少二次污染。