食品廢水處理技術研究進展

李姣洋，任相浩

(北京建筑大學 環境與能源工程學院，北京 100044)

1 引言

我國作為糧食生產大國，食品產業的規模十分龐大，市場中占有重大比例，隨著經濟技術的發展，我國的食品加工行業也高速發展。食品產業原材生產涉及到原材洗滌、浸泡、釀造、消毒、生產設備清洗等過程，大多數食品加工設施出水都具有高濃度的COD 、BOD5、NH3-N、SS等物質，直接排放廢水會對環境造成嚴重影響。例如有機物、氨氮等排入水中會造成水體富營養化及水透光度的降低，影響水中動植物生長。依據資料統計，食品工業廢水在輕工業行業中污染濃度排名量位于第二，COD排放量占我國總排放量的11%[1]。隨著水體污染日益加劇、國家對于環境問題越發重視，水體排放標準不斷提升，因此研究針對高濃度有機物、高濃度氨氮食品生產廢水處理研究有著重要的意義。

2 食品廢水特性

2.1 食品廢水來源

我國食品行業產品種類繁多，如酒精釀造、水果生鮮、乳制品等，因此廢水來源十分廣泛。通常食品廢水來源可歸為三部分。首先是食品生產中原材料的清洗，原材料表面污染物通過清洗而進入水體，此環節對廢水中懸浮顆粒濃度有較大影響。其次是食品加工生產過程中所產生的廢水，因生產原材料含有脂肪、鹽類、糖類、蛋白質等，加工過程中未完全利用的物質排入水體，導致水體COD、BOD5、NH3-N等濃度的升高[1,2]。最后是食品行業中所使用的防腐劑、添加劑等化學物質進入水體。這些人工合成物質難以降解，使廢水中污染物濃度升高、增加降解難度[3]。

2.2 食品廢水性質

在食品生產行業中常見的廢水有淀粉生產廢水(COD=35000 mg/L；BOD5=16000 mg/L；TSS=13300 mg/L)、奶制品行業廢水(COD=3500 mg/L；BOD5=2200 mg/L；NH3-N=120 mg/L)、棕櫚油制造廢水(COD=67000 mg/L；BOD5=34000 mg/L；NH3-N=50 mg/L；TSS=24000 mg/L)[4]。食品廢水中通常有機物、氨氮、懸浮顆粒物等濃度較高，食品廢水B/C一般大于0.3，可生化性較強。

3 食品廢水處理技術

3.1 物理化學處理工藝

物理化學處理工藝是采用物理或化學的方法對食品廢水中的污染物進行降解，以達到一定標準的出水濃度。物理方法是通過物理作用對廢水中不溶性污染物進行分離；化學方法是通過化學反應，對廢水中污染物進行分離、降解等步驟。物理化學處理方法有活性炭吸附法、殼聚糖法、膜分離法、化學絮凝法等，其中四種工藝主要優缺點見表1[5]。

3.1.1 活性炭吸附法

活性炭吸附法，是通過活性炭對污染物進行吸附作用，以去除食品廢水中的污染物。活性炭因其有較大的比表面積，對污染物有較好的處理效果，工藝過程中也不需要過多繁瑣的操作流程。但活性炭的吸附量有一定的局限性，隨著吸附的增加逐漸飽和，吸附效果逐步下降。

李琛等[6]采用超聲波輔助活性炭工藝對食品廢水原處理工藝進行改造，研究在不同超聲波功率下活性炭對有機物及氨氮的去除效果，結果表明在最優處理條件下，活性炭對于COD、BOD5、NH3-N、SS去除效果分別可達到86.3%、57.3%、63.6%、93.8%，在超聲波輔助活性炭工藝階段出水B/C為0.724具有較好可生化性，保證了食品廢水后續處理工藝的正常運行。

3.1.2 殼聚糖法

殼聚糖廣泛存在于自然界中，魚蝦和藻類等均可提取殼聚糖，是一種無毒無污染且然界來源廣泛的物質。殼聚糖可以與食品廢水中的淀粉、蛋白質、脂肪類等物質形成氫鍵進行吸附，也可以作為陽離子型絮凝劑對污染物進行絮凝[7]。

表1 物理化學處理工藝優缺點對比

日本在食品廢水處理方面，對蛋制品廢水采用100～200 mg/L殼聚糖，COD去除率達到55%～75%，SS去除率達到70%～90%[8]。

3.1.3 膜分離法

膜分離法是利用天然或合成膜的選擇透過性對水體中的不同組分進行分離、分級、提純等操作，其主要技術包含微濾、超濾、納濾、反滲透、電滲析等。微濾是在靜壓差下對懸濁物、微生物細菌等進行分離；超濾在靜壓差下進行，主要應用于蛋白質及礦物質等物質濃縮；納濾利用對于離子的靜電作用進行不同價態離子分離；反滲透是在溶液滲透壓下進行，主要用于脫鹽等過程；電滲析通過電場驅動，可以去除氨氮[5]。膜分離技術因耗能相對低、處理范圍廣，廣泛應用于乳制業、豆制業、調味品業等。雖然膜分離法操作簡單、無污染，但在應用中出現十分嚴重的膜污染問題。

史志琴等[9]使用超濾-反滲透雙膜分離對味精廢水進行處理，研究結果表明，COD和NH3-N進水濃度分別為70～200 mg/L和80～350 mg/L，COD和NH3-N出水濃度分別小于20 mg/L和50 mg/L，COD和NH3-N的去除率分別大于71%和60%。

膜分離技術同時可以適用于食品廢水回用工程。食品工業生產中通常用水量較大，需考慮水資源再利用，而膜處理方法可以實現較好的水資源回用效果。Vandré Barbosa Bri?o等[10]評估了納濾-反滲透工藝對乳制業漂洗水處理回用效果，從漂洗液中回收了1%～3%的可利用牛奶固體(蛋白質、乳糖等)，而且廢液作為冷卻水使用，實現了水資源回用同時又獲得了較好的經濟效果。

3.1.4 化學絮凝法

化學絮凝法是向廢水中投加絮凝劑，是污染物與絮凝劑進行反應，通過沉淀過程將絮凝體分離去除。徐忠等[11]利用聚合氯化鋁(PAC)、聚合氯化鐵(PFC)、聚丙烯酰胺(PAM)等三種絮凝劑對大豆乳清液的絮凝效果進行了實驗，結果表明三種絮凝劑中PAC效果最好，COD去除率為58.18%。化學絮凝過程中不同絮凝劑及投加量對污染物去除效果的影響也不同。化學絮凝工藝操作簡單、使用范圍廣，但產生的絮凝膠體需要后續處理。

馮可等[12]通過殼聚糖絮凝法處理生產淀粉中產生的紅薯廢水，采用三級絮凝池，在二級絮凝池中加入8‰質量分數的0.6%殼聚糖溶液，研究了pH值、絮凝劑投加量、加藥方式等對廢水處理效果的影響。結果表明最優條件下 COD、氨氮去除率分別為26.45%、26.35%，為后續工藝處理有效降低了污染物濃度負荷。

綜合本章節以上5種的物理化學處理方法，針對不同類型的食品廢水去除效果見表2[6，8，9，10，12]。

表2 物理化學法去除效果

3.2 生物處理工藝

生物處理法是通過微生物生長代謝，將廢水中的污染轉換為無害物質，降解有污染物，已到達到污染物去除的目的。此研究中主要介紹SBR、MBR、接觸氧化、UASB，其中工藝主要優缺點見表3。

表3 生物法優缺點

3.2.1 SBR

序批式活性污泥法(SBR)，是利用活性污泥，通過間接曝氣方式控制不同工藝階段，進行污染物的去除。SBR構筑簡單，將曝氣池、沉淀池集合于一體，投資成本較低，同時根據水質變化對工藝進行靈活的調整，具有較好沉淀性能和脫氮除磷效果，但對工藝的自動化要求高，而且不能連續出水。

黃曉菊等[13]采用二級SBR工藝處理醬菜廢水，研究結果表明進水有機物濃度維持在3000 mg/L時，出水水質達到《污水綜合排放標準》(GB 8979-1996)二級標準，其中COD、BOD5、NH4-N去除率分別達到97.5%、98.3%、97.1%。

3.2.2 MBR

膜生物反應器(MBR)是生物處理法與膜分離法相結合的污水處理方法，通過膜分離的方法實現泥水分離，在膜上對微生物進行富集。MBR可替代二沉池、占地面積小、操作簡單、具有較好的脫氮除磷效果，其工藝效果不受沉降性能影響，出水水質穩定。但MBR同時存在膜污染、膜造價高等問題，由于多次進行膜清洗后一定程度上降低膜的固液分離功能，需對膜進行更換，將造成運行成本增加。

C.Acharya等[14]利用厭氧+二級MBR結合工藝處理寵物食品廢水，結果表明在第一階段MBR中有效降解有機物，在第二階段MBR中有效處理氨氮， 廢水經過整個組合工藝后COD、BOD5、NH3-N去除率分別達到95.64%、99.95%、99.47%，最終處理水達標排放。

3.2.3 生物接觸氧化法

接觸氧化法是同時有活性污泥及生物膜法的兩者特點，在氧化池內以生物膜為載體材料，在載體上進行微生物的填充，使微生物在填料表面固著式生長代謝。池底進行充氧曝氣，使微生物在載體填料上對有機物進行降解，同時膜的內部形成厭氧層，部分厭氧污染物可以在厭氧區域內降解。因此，生物接觸氧化法體積負荷較大、廢水處理能力較強。由于以生物膜為載體，膜污染不可避免，生物膜中脫落的微生物大塊對處理水質有嚴重的影響。

3.2.4 UASB

升流式厭氧污泥床法(UASB)的厭氧過程主要是水解酸化、產氫氣及乙酸、產甲烷三階段。UASB從底部到頂部分別為污泥床區和三項分離器，底部進行發酵分解、上部用于分離氣液固。UASB具有較高濃度污泥和良好的經濟效益，但抗沖擊負荷能力較差。

張新婷等[15]利用UASB+二級接觸氧化組合工藝對果凍、布丁廢水進行處理，結果表明當進水COD濃度為3500 mg/L時UASB出水為720 mg/L，二級接觸氧化池出水為84.5 mg/L，去除率分別為72.7%和68%，最終出水滿足《污水綜合排放標準》(GB 8978-1996)二級排放標準。

綜合以上四種生物處理方法，針對不同類型食品廢水去除效果見表4[13～15]。

表4 生物法去除效果

4 結論與展望

國內外對于各類食品廢水處理工藝研究均有一定成果，一定程度上可以有效處理食品廢水。但我國食品行業規模龐大，清潔生產難度較大，隨著國家對于廢水排放標準逐步提升，廢水處理仍需逐步優化提升。因此，基于以上內容提出以下展望。

在目前傳統廢水處理工藝基礎上，優化傳統工藝參數、研發智能化處理工藝、簡化操作流程，同時，探索更多針對不同種類食品廢水的組合工藝，已達到互補的處理效果，使污染物的排放濃度更低更穩定。在食品行業生產過程中，從源頭控制污染物的產生，實現清潔生產。

我國水資源缺乏，隨經濟發展而食品生產迅速發展，對于水量需求日益增加，因此需加強對于廢水回用技術的研究，將提升水資源的重復利用率，同時回收廢水中可再利用成分，給產業帶來一定的經濟效益。同時，加大對于節能型材料及設備的研究，減少能源消耗，更多地投入使用可再生能源，減少環境資源的損耗。