基于等標污染負荷法的酒精工業廢水的污染源節點識別及分析

檀勝，蘇儀，杭曉風

(中國科學院過程工程研究所 生化工程國家重點實驗室，北京 100190 )

酒精的生產以發酵法為主，薯類、谷物、糖質等為原料，其中55%以上都是玉米。玉米酒精生產過程為玉米除雜粉碎、糊化、糖化、發酵和精餾，同時產生了玉米輸送洗滌水、玉米浸泡水、蒸煮廢水、糖化廢水、發酵廢水、蒸餾廢水等工藝過程水，設備和地面沖洗水、冷卻水及生活污水等[1-2]。定量地分析玉米酒精各個生產過程的水污染程度，是制定玉米酒精行業的水污染控制技術政策的依據[3-5]。

對工業進行水污染源節點識別和污染負荷的研究方法有排毒系數法、潛在污染能力指數法、環境影響潛在指數法和等標污染負荷法[6-10]。等標污染負荷法適用于多個污染源、多種污染物進行識別評價，可以確定生產工藝中主要污染源和污染物，比較各個因素的環境影響大小，是最常用的方法[11-13]。

本文分析了酒精工業廢水的主要水污染源、主要污染物及其相應的污染貢獻度大小，為玉米酒精行業水污染管理和控制提供決策依據。

1 數據收集與研究方法

1.1 數據收集

中小型酒精企業酒精產量占據中國酒精總產量的70%，其玉米生產酒精的工藝仍是全粒法，工藝流程為玉米整粒粉碎、拌料、蒸煮、糖化、發酵、蒸餾，其產品有酒精、CO2和廢棄酒糟，部分企業能得到副產品DDGS高蛋白飼料、玉米油、玉米粕等[14-15]。

玉米酒精發酵生產系統中排入環境的廢水主要分為3種：一是酒精糟液；二是含CODCr較高的設備清洗水、地面清洗水；三是含CODCr較低的循環排廢水和鍋爐排廢水等[16-17]。 酒精發酵企業主要廢水產生情況見表1。

實際生產中，隨企業生產規模、工藝流程、設備配置、供水水源、資源回收利用方式、水循環利用程度、企業管理水平等因素的變化，實際噸產品廢水量會有所浮動。

選取了典型玉米酒精企業，對酒精生產全過程水污染物情況進行了取樣調查，與文獻報道、實驗室檢測數據結合，整理得到結果見表2[18]。

表1 工藝用水量及廢水的排放原因Table 1 The amount of pure water and reason of wastewater discharge

表2 傳統酒精發酵過程各工序廢水量及污染物濃度Table 2 Amount of wastewater discharge and the pollutants concentration in the traditional processes of alcoholic fermentation of corn

1.2 研究方法

采用等標污染負荷法，對各污染源、污染物進行數據標準化處理，計算得到相應的等標污染負荷值和等標污染負荷比[19]。

1.2.1 某一工序中某一污染物的等標污染負荷

(1)

式中Pij——i污染物在j工序的等標污染負荷,m3/t；

Cij——i污染物在j工序的實測濃度，mg/L；

Coj——i污染物的排放標準，mg/L；

Qij——含i污染物在j工序的排放量，m3/t。

1.2.2 某工序所有污染物的等標污染負荷之和(該工序的等標污染負荷之和Pnj) 按下式計算：

(2)

1.2.3 某污染物在所有工序的等標污染負荷之和(該污染物的等標污染負荷之和Pni) 按下式計算：

(3)

1.2.4 污染物負荷比 ① 某一工序污染物的等標污染負荷之和Pnj占所有工序等標污染負荷總和Pj總的百分比，稱為該工序的等標污染負荷比Kj，按下式計算：

(4)

② 某一污染物的等標污染負荷之和Pni占所有污染物的等標污染負荷總和Pi總的百分比，稱為該污染物的等標污染負荷比Ki，按下式計算：

(5)

依據等標污染負荷比的大小，即可確定主要污染物或主要污染工序。

1.3 評價標準

本研究中等標污染負荷法的評價標準為《發酵酒精和白酒工業水污染排放標準(GB 27631—2011)》中規定的水污染排放極限值，見表3[20]。

表3 發酵酒精企業水污染物排放濃度限值及單位產品基準排水量Table 3 Concentration limit of water pollutant discharge and standard water displacement per unit product of alcoholic fermentation of corn

2 結果與討論

2.1 各工序水污染物等標污染負荷及污染負荷比

玉米酒精各工序廢水中各污染物的等標負荷計算結果見表4。

酒精發酵過程中各個工序所排放的污染物的總等標污染負荷值、負荷比計算結果見表5。

由表5可知，玉米酒精發酵過程中，節點等標污染負荷比最大的是糟液回收，其次是循環冷卻水和粉碎拌漿過程，三個污染負荷比之和達到了94%以上，即這三個節點對水質污染的貢獻度最大，是清潔生產過程中針對“減排”以達到減輕玉米發酵生產酒精廢水污染物排放的主要研究對象。糊化糖化、酒精發酵、精餾工段、鍋爐房等排水單元的等標負荷比較小，這些節點對環境污染的貢獻度較低，是清潔生產污染負荷控制的非重要節點。

表4 各工序水污染物的等標污染負荷Table 4 Equal-standard pollution load of water pollutants in each process

表5 各工序污染物等標污染負荷總和及負荷比Table 5 Total pollutant load and load ratio of pollutants in each process

對比等標污染負荷比貢獻度最大的三個節點排水，發現各工序所產生的水量和水質都有較大的差異。 酒精蒸餾后廢醪液和粉碎拌料的兩股廢水濃度高、水量較小，但是兩者的有機污染負荷最大，而循環冷卻水站呈現濃度低、水量大，最終的有機負荷也較大。因此，從降低水中有機物負荷的角度來看，酒精廢醪液廢水和粉碎拌漿廢水是污染控制的關鍵，尤其是廢醪液的綜合利用；從節水的角度來看，循環冷卻水是節水的關鍵，提高冷卻水的循環利用率，同時還能降低生產能耗[21-23]。 數據解析結果符合生產工藝的實際情況，通過關鍵節點的技術改造可以降低廢水排放量、減少污染物排放。 蔣煒[24]分析了酒精生產過程中各工段的工藝溫度要求，利用熱能平衡網絡關系，提出了各工段的冷卻的方式，結合必要的設備改造，能顯著地將原每噸酒精耗水量100 t降至31 t，廢水量減排69%。 根據玉米酒精生產的實際情況看，降低酒精廢糟液和粉碎拌料廢水的最經濟的處理方法是清液回配，即將醪塔底部排出的酒糟，先經臥螺離心機將酒糟分離成濾渣和清液兩部分，將清液作為粉碎拌料用水，在不影響發酵的情況下，其清液回配比例可以達到30%～50%[25-26]。 如何能夠在不影響酒精正常發酵的前提下，最大限度地提高回配比例，是擺在酒精生產企業面前的一大難題。姚文娟等[27-28]采用絮凝法二次處理酒精廢糟液后，回配比例可以提高到65%；應用膜過濾技術處理酒精糟液，也取得重大突破，清液可以實現全回配[29]。 如果能夠實現清液的全回配，將可以大大地緩解酒精產業發展帶來的環境壓力，實現玉米酒精的產業可持續發展。 黃志忠等[30]報道了酒精企業對拌料工序、粗塔蒸餾由直接加熱改為間接加熱、提高廢酒精醪液溫度、用蒸發系統冷凝水做粉碎拌料用水等節能減排措施，實現酒精生產過程的零排放，在節約水資源的同時，也節約了酒精生產過程糖化工序調pH時的用酸量，實現了廢水資源的回收利用，降低了新鮮水的耗用，節約水資源，資源效益明顯。

2.2 各污染物總等標污染負荷及負荷比

為了解整個玉米酒精加工過程中的主要污染物，在污染物的等標負荷的基礎上，對某一污染物在整個酒精生產過程中各工序的等標污染負荷累積求和，得出其總等標負荷，并計算污染負荷比，計算結果見表6。

表6 各污染物等標污染負荷總和及負荷比Table 6 Total pollutant load and load ratio of each pollutant

由表6可知，玉米酒精生產過程中，廢水排放量CODCr、BOD5、懸浮物污染負荷在所有的污染節點中最高，氨氮和總氮污染負荷較低。 這表明CODCr、BOD5和懸浮物是玉米酒精生產廢水污染治理重點，應該在源頭治理時關注污染物的產生，以減少廢水以及污染物的產生量，減輕后續處理壓力。數據分析符合實際的酒精企業生產中產生的廢水排放特點[31]：懸浮物含量較高、廢水中化學需氧量高、廢水呈酸性、平均水溫較高。 這些原因導致這些廢水不能直接排放。目前處理的方式大都與其他工段廢水混合集中稀釋后再進行末端治理，基本流程是對懸浮物用板框壓濾、離心分離及清液蒸發濃縮，而高CODCr、BOD5可生化性較好的特色，則采用厭氧生物處理、好氧生物處理及其組合工藝等，可以有效地將廢水中CODCr值由原來的50 000～70 000 mg/L降至約4 000～8 000 mg/L，大大降低了廢水處理負荷[17]。采用常規的處理手段存在著諸多問題，如占地面積大、投資費用高以及操作和管理困難等。 尋求清潔生產的酒精廢水綜合利用技術，做到廢水的資源化利用，是酒精行業節能減排的未來方向[32]。

3 結論

為制定玉米酒精加工全行業的水污染管理和控制策略，采用等標污染負荷法分析了傳統玉米酒精生產過程中的廢水污染源解析工作，可知：在傳統的酒精生產工藝中，污染物排放量最大工序是玉米的酒精廢糟液和粉碎拌料，兩者累積負荷比達到了82.35%～87.00%；廢水排放量最大的工序是循環冷卻水站，約占66.49%～79.87%。為有效地控制酒精廢水污染，從降低水中有機物負荷的角度來看，酒精廢醪液廢水和粉碎拌漿廢水是污染控制的關鍵，尤其是廢醪液的綜合利用；從節水的角度來看，循環冷卻水是節水的關鍵，實現冷卻水的高效利用。