/某啤酒廢水處理工藝設(shè)計(jì)摘要啤酒生產(chǎn)過程中常常會(huì)產(chǎn)生大量的固體廢棄物和廢水,為了達(dá)到政府規(guī)定的排放標(biāo)準(zhǔn),這些固體廢棄物和廢水要經(jīng)過處理后才能排放。初步估計(jì),每生產(chǎn)1L啤酒需要3~10L水,這些水主要用于浸泡、釀造、水洗和冷卻過程。啤酒廢水富含有機(jī)物和固體懸浮物,若直接排入自然水體會(huì)對(duì)自然環(huán)境造成潛在且嚴(yán)峻的環(huán)境危害。在環(huán)境問題越來越重視的今天,治理好啤酒廢水使其達(dá)標(biāo)排放對(duì)啤酒行業(yè)健康、可持續(xù)發(fā)展至關(guān)重要。啤酒廢水BOD/CODcr約為0.5,可生化性較好。國內(nèi)外對(duì)中高濃度啤酒廢水處理工藝做了大量研究和實(shí)踐應(yīng)用,每種工藝都有可取之處。本設(shè)計(jì)是對(duì)一個(gè)水量為3800m3/d的啤酒廢水進(jìn)行處理。通過對(duì)某啤酒廠產(chǎn)生的廢水水質(zhì)、水量和場(chǎng)地研究分析以與從技術(shù)角度和經(jīng)濟(jì)角度分析比較,本論文采用上流式厭氧污泥(UASB)和循環(huán)式活性污泥系統(tǒng)(CASS)聯(lián)合工藝來處理該啤酒廠廢水。此外,本論文對(duì)該工程項(xiàng)目概預(yù)算進(jìn)行了分析討論。關(guān)鍵詞:啤酒廢水,上流式厭氧污泥床,循環(huán)式活性污泥系統(tǒng),概預(yù)算啤酒廠廢水的再利用技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀摘要啤酒釀造過程常常會(huì)產(chǎn)生大量的廢水和固體廢棄物,為了達(dá)到政府規(guī)定的排放標(biāo)準(zhǔn),這些廢水和固體廢料需要用最經(jīng)濟(jì)和最安全的法處理后才能排放。初步估計(jì),釀造1升啤酒需用10升水,這些水主要用于釀造、水洗和冷卻過程。如此大量的水須安全處理后進(jìn)行循環(huán)利用,但循環(huán)利用廢水對(duì)于大多數(shù)啤酒企業(yè)來說費(fèi)用昂貴,大多數(shù)啤酒廠都面臨問題。因此,許多啤酒現(xiàn)在在尋找:(1)可以減少水在啤酒釀造過程中使用的法,(2)意味著成本效益和安全處置的啤酒廢水回用?；诳捎玫奈墨I(xiàn),本文提供了一個(gè)檢視與評(píng)估當(dāng)前啤酒廢水處理流程包括潛在的可回用的程序。啤酒廠污水處理和回用的主要挑戰(zhàn)也會(huì)在本文討論,包括對(duì)未來發(fā)展的建議。2011ElsevierB.V.版權(quán)所有.背景介紹釀造工業(yè)每年要排放大量高污染廢水[1.2],但它是每個(gè)國家經(jīng)濟(jì)部門的重要組成部分[3.4]。啤酒是繼茶、碳酸飲料、牛奶、咖啡之后世界上第五大消費(fèi)飲料[3]。啤酒釀造包括兩個(gè)主要步驟即釀造和產(chǎn)品包裝[5]。這些步驟產(chǎn)生的副產(chǎn)品(混合谷物,剩余酵母等)與廢水混合后造成了污染[5]。此外,清潔大容器、瓶子、機(jī)器和地板也會(huì)產(chǎn)生大量的污水[5]。據(jù)估計(jì),每生產(chǎn)1升啤酒,生成3-10L廢水,根據(jù)生產(chǎn)和具體用水量而不同[1.3.6]。換句話說,啤酒釀造過程中會(huì)消耗大量的水。因?yàn)榇罅康挠盟?啤酒行業(yè)每年排放大量高污染廢水[1,2]。廢水在單個(gè)流程步驟中是可變的,例如,洗瓶會(huì)產(chǎn)生大量廢水,但在釀酒過程中它只包含有機(jī)物排放總量的一小部分。發(fā)酵和過濾廢水富含有機(jī)物/生化需氧量(BOD),但產(chǎn)量普遍偏低,約占廢水總量的3%,生化需氧量(BOD)占總量的97%[7]。啤酒污水會(huì)通過以下幾種方式排放[8、9]:(1)直接排入水道(海洋、河流、溪流或者湖泊),(2)直接排入市政污水管道系統(tǒng),(3)經(jīng)過一些預(yù)處理排入水道或市政污水管道系統(tǒng),(4)排入啤酒廠的廢水處理廠。未經(jīng)處理(或部分治理)的啤酒廢水進(jìn)入水體會(huì)對(duì)水體造成潛在且嚴(yán)峻的污染問題,因?yàn)檫@些廢水含有好氧降解的有機(jī)化合物[10]。如果有機(jī)物含量高的水流入河流,就會(huì)使河里的細(xì)菌氧化有機(jī)物消耗氧的速度超過空氣中氧溶解在水里的速度。隨著法規(guī)越來越嚴(yán)格和水成本增加,目前循環(huán)用水的呼聲獲得了越來越多的支持。關(guān)于啤酒廢水處理有很多論文做過研究,如Fillaudeau等[3]。查閱文獻(xiàn)表明,只有在最近幾年里的文獻(xiàn)研究可用在水處理方面。必須指出的是,由于公眾的認(rèn)知不深和可能使啤酒質(zhì)量惡化,廢水回用并不是常見選擇[11]。然而,水資源短缺已經(jīng)成為一個(gè)嚴(yán)重的全球問題和環(huán)境問題,未來不可避免要回用啤酒廢水,在大多數(shù)永久干旱的非洲撒哈拉沙漠以南地區(qū)水資源尤其珍貴,因此必須認(rèn)真地保護(hù)每一滴水。在這篇論文中,對(duì)可以用于處理啤酒廢水回用的兩個(gè)潛在應(yīng)用進(jìn)行了綜述:(a)原生水用于生產(chǎn)啤酒,(b)不接觸啤酒的二級(jí)水,如公用冷卻水、包裝過程中使用的水和一般的清潔水。一旦技術(shù)提高和關(guān)于使用再生水的觀念改變,啤酒與水的比率可能會(huì)減少到1/2的比例。與啤酒廢水回用(或循環(huán))相關(guān)的難題在論文中也進(jìn)行了討論。其他文獻(xiàn)中已研究很多處理、恢復(fù)各種啤酒副產(chǎn)品(如谷物,啤酒花,盈余酵母,硅藻土污泥,殘?jiān)蛷U標(biāo)簽)的應(yīng)用[3、6、8、12-14],因此本文不予以討論。本文的組織結(jié)構(gòu)如下：首先提出了立法的背景和環(huán)境管理系統(tǒng),之后連續(xù)的提出了啤酒廢水預(yù)處理和處理法。然后討論難題和未來前景,最后提供一個(gè)概要總結(jié)全文。立法和環(huán)境管理系統(tǒng)釀酒行業(yè)同其他行業(yè)一樣,要遵守許多政府法規(guī)。在生產(chǎn)、分配、標(biāo)簽、廣告、交易和定價(jià)行為、信貸、容器特點(diǎn)、酒精含量等方面有相關(guān)規(guī)章制度[9]。政府征收法定費(fèi)用和其他類似的費(fèi)用等各種稅,可能需要債券以確保企業(yè)遵守法律和法規(guī)?，F(xiàn)在民眾對(duì)管理環(huán)境問題越來越感興趣。民眾有了解社會(huì)上重要環(huán)境影響的需要,然后將各級(jí)環(huán)境管理聯(lián)系起來考慮相關(guān)的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)[15]。這意味著釀酒行業(yè)也必須遵守許多環(huán)境保護(hù)法律。對(duì)釀酒行業(yè)高要求顯示了環(huán)境保護(hù)意識(shí)的提高和可持續(xù)生產(chǎn)流程的需要[16]。大多數(shù)國家政府簽署并批準(zhǔn)了《京都議定書》,旨在減少溫室氣體排放[17]。通過環(huán)境管理體系(EMS),比如：（1）ISO14001,(2)生態(tài)管理和審計(jì)計(jì)劃(復(fù)合),(3)國際安全評(píng)級(jí)系統(tǒng)(ISRS),啤酒廠應(yīng)該積極主動(dòng)的治理它們對(duì)環(huán)境的影響。環(huán)境管理體系(EMS)應(yīng)該幫助啤酒廠有效且高效的管理當(dāng)前和未來的環(huán)境影響。國際金融公司(IFC)也有啤酒廠環(huán)境、健康和安全(EHS)指南[18]。傳統(tǒng)的啤酒廢水預(yù)處理方法啤酒廢水中含有很多高化學(xué)需氧量(COD)的有機(jī)組分(糖、可溶性淀粉、乙醇、揮發(fā)性脂肪酸等)[9]。由于清洗和消毒過程中使用的化學(xué)品數(shù)量和類型(氫氧化鈉、磷酸、硝酸等等)的影響,廢水中的ph一般在2~12[9.16.19]。氯化物具有消毒的化學(xué)性質(zhì),保證釀造行業(yè)和公共消費(fèi)啤酒表層不受到有害微生物的侵害。氮、磷含量主要取決于原料的處理和廢水中酵母的數(shù)量[9.16.19]。表1是印度聯(lián)合啤酒廠啤酒廢水的物理化學(xué)特征[20]。表1是印度聯(lián)合啤酒廠啤酒廢水的物理化學(xué)特征啤酒廢水的特點(diǎn)取決于以表1中提與的數(shù)值大的參數(shù)[21]。大多數(shù)大型啤酒廠需要某種程度的廢水預(yù)處理。在啤酒廢水不排放到市政下水道的情況下,需要對(duì)污水進(jìn)行初級(jí)和二級(jí)處理。如果污水經(jīng)過預(yù)處理后滿足市政排放規(guī)定或降低了市政污水處理廠的負(fù)荷,啤酒廢水則允許排入市政下水道。污水排放費(fèi)用由廢水體積、懸浮物和有機(jī)負(fù)荷等決定,由此政府鼓勵(lì)啤酒廠安裝自己的污水處理設(shè)備。預(yù)處理是為了改變給水的物理、化學(xué)以與生物的性質(zhì)[22],從而提高上游操作的性能。預(yù)處理有物理、化學(xué)、生物法或這些方法的組合。表2列出每個(gè)類別包括的單元操作,在斯佩爾曼標(biāo)準(zhǔn)指南(為廢水運(yùn)營商設(shè)置)查詢到的傳統(tǒng)廢水處理過程的詳細(xì)概要[23]。表3概括了各種廢水處理流程一般的優(yōu)缺點(diǎn)[24]。這些特征(表3)通常與建筑成本和簡(jiǎn)化操作有關(guān)。一般廢水越多污水處理技術(shù)就越復(fù)雜,成本越高。水資源管理和廢水處置在啤酒行業(yè)被認(rèn)為是重要的成本因素和啤酒工廠操作的重要方面[25.26]。3.1.物理法表2污水處理各單元工藝過程預(yù)處理法中常用的是物理法去除污染物。物理法能去除難溶的固體物質(zhì),而不能去除溶解性污染物。它可能是一個(gè)被動(dòng)的過程,如沉淀可以讓懸浮污染物自然沉淀或浮在水面上。這些物理法都取得了一定的效果,但常常導(dǎo)致污染物去除或分離不徹底,即使加入混凝劑或其他添加劑沉降效果也不好[27]。3.2化學(xué)法不同化合物加入到廢水中以改變啤酒廢水的性質(zhì)[22]?；瘜W(xué)預(yù)處理包括調(diào)節(jié)ph、混凝、絮凝。廢水的酸堿度會(huì)對(duì)污水處理和環(huán)境造成影響。為了確保生物量,廢水ph需要保持在6到9之間。廢二氧化碳可用于中和來自CIP系統(tǒng)和洗瓶器的堿性廢水[28]。廢二氧化碳也可以作為一種廉價(jià)的酸化劑降低厭氧反應(yīng)器內(nèi)堿性廢水pH值,從而取代傳統(tǒng)使用酸[20]。不推薦用硫酸和鹽酸來進(jìn)行中和反應(yīng),因?yàn)樗鼈冇懈g作用,硫酸鹽和氯化物也有排放限制[29],這會(huì)增加廢水處理的運(yùn)行成本[20]。混凝和絮凝常用于去除廢水中膠體物質(zhì)和顏色。在廢水處理中,混凝是通過絮結(jié)劑使顆粒不穩(wěn)定,因布朗運(yùn)動(dòng)使顆粒形成了小團(tuán)聚體。在隨后的絮凝過程中,小的團(tuán)聚體形成了更大的聚集體[30]。在小顆粒形成大的聚集體后,膠體物質(zhì)通過物理分離的法（沉降、浮選、過濾）便可更輕易的去除。3.3.生物法在廢水處理過程中,生物處理過程發(fā)揮了重要作用。生物處理是基于活性微生物把廢水中可生物降解的有機(jī)污染物進(jìn)行轉(zhuǎn)換。啤酒廠常常使用生物處理法來處理含有高有機(jī)物廢水的化學(xué)污染物和微生物污染物。啤酒廢水需要經(jīng)過物理和化學(xué)預(yù)處理后才能再進(jìn)行生物處理。相比于物理和化學(xué)法,生物法有三個(gè)優(yōu)點(diǎn)[32]:(1)處理技術(shù)成熟,(2)COD和BOD去除效率高,去除率在80%到90%,(3)投資成本低。盡管生物處理是一種有效的處理技術(shù),但它具有高能耗的缺點(diǎn)[33]。廢水的生物處理可以是好氧(有空氣、氧氣供應(yīng))或厭氧(沒有氧氣)[9]。好氧和厭氧過程如圖1所示[34]。這些過程會(huì)在后續(xù)章節(jié)中討論更多細(xì)節(jié)。一般處理啤酒廢水選擇好氧處理,但厭氧處理也越來越受到關(guān)注[9]。表4給出了厭氧與好氧生物處理系統(tǒng)的一般比較,如活性污泥。3.3.1.好氧處理廢水中降解有機(jī)物質(zhì)的好氧微生物(主要是細(xì)菌)在氧氣的參與下完成好氧生物處理過程,從而生產(chǎn)更多的微生物和無機(jī)產(chǎn)物(主要是二氧化碳、氨和水)。好氧處理利用微生物將非沉降性固體顆粒轉(zhuǎn)化為沉降性固體的生物處理過程。沉降包含沉降性固體沉淀和分離。包括三種選擇:表3各種廢水處理流程的優(yōu)缺點(diǎn)(1)活性污泥法:在活性污泥法中污水流入一個(gè)有曝氣和攪拌功能的污水池,池內(nèi)有準(zhǔn)備好的活性污泥。復(fù)雜的混合物中含有細(xì)菌、真菌、原生動(dòng)物和其他微生物統(tǒng)稱為生物質(zhì)能。在這個(gè)過程中,曝氣池內(nèi)的懸浮好氧微生物被曝氣設(shè)備充分?jǐn)嚢杌旌?同時(shí)為生物懸浮物提供氧氣。(2)附著生長(zhǎng)(生物膜)法:第二種類型的好氧生物處理系統(tǒng)稱為"附著生長(zhǎng)(生物膜)法",微生物固定在固體表面上。這種"附著生長(zhǎng)"好氧生物處理過程創(chuàng)造了一個(gè)支持微生物的生長(zhǎng)環(huán)境,微生物通常附著在固體材料上。（3）滴濾池：在滴濾池中,廢水噴灑在鋪滿粗糙固體（如沙礫、碎石或者塑料）的滴濾床上,并以“滲透”的方式通過布滿了微生物的填料。圖1好氧和厭氧過程表4厭氧與好氧生物處理系統(tǒng)的比較(4)生物過濾塔:生物過濾塔是滴濾過程的一種改進(jìn)工藝,也稱為稱為生物塔。生物塔內(nèi)充滿了塑料或紅木填料,微生物在填料上增長(zhǎng)繁殖。

(5)生物轉(zhuǎn)盤:生物轉(zhuǎn)盤是由一連串的塑料圓盤連接到一個(gè)共同的軸上構(gòu)成的。

(6)氧化塘:這些都是緩慢、便宜、相對(duì)效率低,但可處理各種類型的廢水。這些塘依靠陽光、藻類、微生物和氧(有時(shí)充氣)的相互作用來處理廢水。

(7)污泥處理和處置:好氧處理系統(tǒng)如活性污泥系統(tǒng)產(chǎn)生相對(duì)大量的需要處理的污泥。污泥可以通過離心分離、真空過濾、或壓力過濾器等法進(jìn)行脫水處理。3.3.2厭氧處理厭氧廢水處理是廢水在沒有空氣或氧元素的情況下進(jìn)行生物處理。厭氧處理的特點(diǎn)是厭氧微生物將有機(jī)物轉(zhuǎn)化為沼氣,它可以用作燃料,其主要成分是55%-75%的甲烷,25%-40%的二氧化碳還有微量的硫化氫[35]。在啤酒廠,鍋爐直接利用沼氣是首選的解決方案。其原因是沼氣處理的綜合供電供熱單位(CHP)需要更高的投資成本[36]。在化石燃料儲(chǔ)備減少的背景下,厭氧廢水處理使得啤酒更加獨(dú)立于外部燃料供應(yīng)。此外,它還會(huì)有助于釀酒工藝可持續(xù)發(fā)展。（1）上流式厭氧污泥床（UASB）：上流式厭氧污泥床是最受歡迎的厭氧工藝之一。在UASB反應(yīng)器中,廢水從底部進(jìn)入垂直罐。廢水向上通過密集的厭氧污泥床,污泥中的微生物與廢水底物接觸[34]。污泥是顆粒狀(1-4毫米)擁有良好的沉降性(沉降速度超過50m/h)。溶液中的有機(jī)物質(zhì)被微生物吸收,釋放沼氣。隨著沼氣的上升,它會(huì)帶走微生物層的一些顆粒。UASB反應(yīng)器的頂部是三相分離器,在這里沼氣和廢水中生物量分離[16]。三相分離器是也被稱為氣-液-固分離器[34]。Fig.2顯示了UASB過程的圖解說明[34]。圖2UASB反應(yīng)過程圖解(2)流化床反應(yīng)器(FBR):在流化床反應(yīng)器中,廢水反應(yīng)器的底部流入,并留經(jīng)填料(通常是沙子或活性炭),填料表面繁殖了大量活躍的細(xì)菌。填料提供了生物膜的增長(zhǎng)空間。向上流動(dòng)的廢水流進(jìn)容器使得這些填料呈"流體狀",密度最低的粒子(含生物量最高)移動(dòng)到頂部。4.啤酒廢水的回用處理生物預(yù)處理后排放的廢水可以進(jìn)一步處理。本節(jié)中研究了多種可以用于啤酒廢水回用處理的方法?；厥赵偕勗焖徽J(rèn)為是不合適的,回用水必須符合飲用水標(biāo)準(zhǔn)[1]。表5顯示了沖洗,冷卻和飲用水最高標(biāo)準(zhǔn)[1]。在表5的參數(shù)中,回收水最重要、最需要測(cè)量的參數(shù)是化學(xué)需氧量(COD)[1.37]。COD是被測(cè)樣品中被強(qiáng)氧化劑氧化的有機(jī)物的氧當(dāng)量的測(cè)量值[38]。COD是指示水中有機(jī)物含量參數(shù)[39]。廢水COD值表示了廢水中可生物降解和不可降解的有機(jī)成分(圖3),雖然在某些情況下無機(jī)化合物可能會(huì)產(chǎn)生干擾[37]。其BOD/COD比值在0.6-0.7范圍的啤酒廢水易于生物降解[19.20、36]。啤酒廢水中的有機(jī)成分(用COD表示)由糖、可溶性淀粉、乙醇、揮發(fā)性脂肪酸等組成[1,36]。表5沖洗水,冷卻水和飲用水標(biāo)準(zhǔn)圖3廢水中可生物降解和不可降解的有機(jī)成分4.1膜過濾滲透膜的分離作用在環(huán)境和化工工藝中引起了廣泛的關(guān)注[40,42]。過濾技術(shù)被認(rèn)為是飲用水和廢水處理應(yīng)用中不可分割的一部分[43]。,根據(jù)膜的有效孔隙大小即去除雜質(zhì)的大小膜過濾可分為四類。按照孔徑由大到小,它們是:微濾、超濾、納濾、反滲透。表6總結(jié)了這些過程的基本特性,如孔徑大小和操作壓力[30]。表6中列出的特征并不詳盡,不同的范圍可能是在別的地方引用過來。表6各種膜工藝的基本特性圖4展示了膜過濾兩種形式,即終端過濾和錯(cuò)流過濾。在終端過濾過程中,所有的水流經(jīng)膜(滲透作用),太大的雜質(zhì)不能通過膜孔積聚在過濾模塊。錯(cuò)流過濾,水平行于膜表面流動(dòng),只有一部分能通過膜,殘留的雜質(zhì)留在正常循環(huán)的滯留物中。圖4膜過濾兩種形式:終端過濾和錯(cuò)流過濾膜也可根據(jù)它們的構(gòu)造材料分類[34]。用于制造薄膜過濾器的材料有很多種,例如,陶瓷和聚合物[30,44]。很多高分子材料可用于制造膜,如醋酸纖維素、聚酰胺、聚丙烯、聚砜[34]。陶瓷膜通常是由金屬氧化物制造的,如氧化鋁使用某種形式的溶膠-凝膠過程。在廢水處理中,使用納濾、反滲透工藝去除有機(jī)物、鹽的技術(shù)已經(jīng)成熟[45]。納濾(NF)是一個(gè)相對(duì)較新的膜過濾工藝,通常處理總?cè)芙夤腆w含量低的水如地表水和淡水,目的是軟化(除多價(jià)陽離子)和去除消毒副產(chǎn)物,如天然有機(jī)物質(zhì)和合成有機(jī)物質(zhì)[46],膜的孔隙大小約1納米。納米過濾膜(就像其他膜)由截留分子量(MWCO)來規(guī)定的,而不是一般意義上的孔隙大小。MWCO是膜對(duì)已知微粒大小的截留特性的表達(dá)[44]。膜的MWCO可以定義為阻止90%以上的物質(zhì)的相對(duì)分子質(zhì)量[47]。換句話說,MWCO是孔隙大小的一種屬性,并與攔截一定質(zhì)量的球形溶解物有關(guān)(48)。"名義上"這個(gè)詞使用的原因是微粒的形狀和電荷將影響其通過膜的遷移率[44]。MWCO通常少于1000單位原子質(zhì)量(道爾頓)。納濾(NF)是一種錯(cuò)流過濾技術(shù),是介于超濾(UF)和反滲透(RO)之間(表6)。這些膜能夠去除粒徑低于100納米的粒子。此外,橫跨膜的壓力(穿過膜的壓力)要求(3MPa)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于反滲透,大大降低了運(yùn)行成本。Braeken[1]嘗試使用納濾處理啤酒廢水。這項(xiàng)研究表明,用納濾去除COD、Na+和Cl?平均去除率分別為100%、55%和70%。廢水處理在生物學(xué)意義上是可行的,而其他三種廢水(洗瓶水,洗庫水,和沖洗釀造室的水)是不適合使用納濾工藝進(jìn)行回收。這些結(jié)果清楚地表明預(yù)處理過程的重要性。納濾對(duì)污水處理至關(guān)重要,但污染物是其主要的限制?；炷⑿跄梢杂脕硖岣呒{濾性能朝著有助于廢水的回用和污染最小化的方向進(jìn)行[49]。因?yàn)榛炷?、絮凝降低了雜質(zhì)的濃度,從而提高沉降后的滲透量。如前面提到的,反滲透(RO)通常用于去除廢水中有機(jī)物、鹽[45]。RO是液液分離最有效的膜工藝,與任何其他形式壓力驅(qū)動(dòng)的膜工藝相比RO產(chǎn)水的水質(zhì)最高[34]。通過NaCl的攔截率對(duì)反滲透膜進(jìn)行分類,范圍從95%到99.5%[34]。RO在大型海水淡化與市政污水處理上的成功使用使許多行業(yè)將這個(gè)技術(shù)視為可以降低污染和節(jié)約成本的一種手段[50]。使用RO工藝處理廢水已用于化工,紡織,石化,電化學(xué),紙漿和造紙,食品等行業(yè)以與市政污水[51]。Madaeni和Mansourpanah[39]評(píng)估了反滲透一些應(yīng)用,發(fā)現(xiàn)RO工藝可以去除90%以上甚至完全去除出水中的COD。檢測(cè)廢水化學(xué)需氧量(COD)表明,RO是從水中去除有機(jī)物的最佳工藝。反滲透通常還結(jié)合其他物理分離技術(shù)以與生物和物理化學(xué)處理方法,以生產(chǎn)適合于再利用的廢水。超濾(UF)和反滲透的組合可以生產(chǎn)高品質(zhì)的水[52,53]。在Madaeni和Mansourpanah[39]的研究中,生物法處理過的酒精廠廢水COD(900至1200mg/L）在用不同聚合物RO和NF膜處理。聚對(duì)苯二甲酸乙二酯RO膜通量大(33kgm?2h?1）和COD去除率高(100％）,效果顯著。在另一項(xiàng)研究中,使用一個(gè)內(nèi)部有好氧膜生物反應(yīng)器處理啤酒廢水[54]。在這項(xiàng)研究中,啤酒廢水COD在1500到3500mg/L之間變化,但不管進(jìn)水的COD如何波動(dòng),廢水在流過內(nèi)部好氧膜生物反應(yīng)器后COD大約為30mg/L。懸浮固體完全被平板膜截留。通過反滲透工藝處理的流出物完全適合作為回用水,省略了昂貴的預(yù)處理工段。綜上所述,通過對(duì)幾個(gè)文獻(xiàn)的回顧顯示,RO因?yàn)樗沫h(huán)保應(yīng)用、簡(jiǎn)單的自動(dòng)化、容易操作以與占地空間小等原因成為釀造工業(yè)優(yōu)先選擇的方法。此外,它不再生化學(xué)物質(zhì),這意味著不需要為中和廢水而添加額外的鹽。4.2非熱淬火等離子體等離子體是高溫下高度離子化的氣體。通過離子吸引和排斥作用產(chǎn)生的分子間作用力給予這些組合物不同的特性,為此,等離子體被描述成物質(zhì)的第四種狀態(tài)[55]。等離子像氣體不具有一定的形狀或一定的體積,除非封閉在一個(gè)容器內(nèi)。不同于氣體,在磁場(chǎng)的影響下,它可能形成不同的結(jié)構(gòu),例如單絲,橫梁和雙層。星星和霓虹燈是一些常見的等離子體。等離子體產(chǎn)生于氣體能量增加,這些能量來源有電、磁、機(jī)械(沖擊波和超聲波)、熱、甚至光(激光)等[56]。氣態(tài)物質(zhì)的一部分從起始分子或原子變成離子(陰離子和陽離子)和電子的電中性的混合物,包括其他重形態(tài)和光子[56]。Doubla等[5]報(bào)道了在潮濕空氣中釋放滑動(dòng)電弧產(chǎn)生等離子體,以降低啤酒廢水中的有機(jī)物。在潮濕空氣中釋放滑動(dòng)電弧產(chǎn)生·NO和·OH自由基,它們具有強(qiáng)氧化性?！H自由基是一種強(qiáng)氧化劑[E0（·OH/H2O）=2.85V/NHE],負(fù)責(zé)氧化目標(biāo)有機(jī)物,既由于其自身的特性也由于其衍生物或母體分子過氧化氫,如式（1）[5]：一氧化氮導(dǎo)致中性介質(zhì)中亞硝酸鹽的形成,亞硝酸鹽又進(jìn)一步氧化為穩(wěn)定的硝酸根離子。HNO2/NO(1.00V)和NO3-/HNO2(1.04V)系統(tǒng)的高氧化還原電位反映了硝酸根離子的氧化能力[5]。換句話說,在硝酸根離子參與了潮濕空氣等離子體的氧化特性。在Doubla等人的這項(xiàng)研究中[5],啤酒工業(yè)廢水BOD值是385和1018mg/L時(shí)對(duì)應(yīng)的BOD去除率分別為74%和98%。由于生產(chǎn)硝酸根離子所傳出的等離子體使廢水pH降低,堿性廢水迅速被中和[56]。這個(gè)過程可以與生物法處理結(jié)合,以便更容易和快速地降低污染物的濃度達(dá)到可回用的水平[5]。4.3膜生物反應(yīng)器水資源的消耗、水價(jià)格的提高、以與嚴(yán)格的規(guī)章導(dǎo)致了膜與其它常規(guī)的處理工藝相組合的發(fā)展[45]。膜生物反應(yīng)器(MBR)正成為純水和廢水處理等領(lǐng)域蓬勃發(fā)展的技術(shù)[45]。膜生物反應(yīng)器(MBR)結(jié)合了膜過濾和活性污泥生物處理法兩種成熟技術(shù)。膜過濾示意圖如Fig.5[57]。圖5膜過濾示意圖依據(jù)膜是如何與生物反應(yīng)器整合到一起,可以分為2種MBR工藝結(jié)構(gòu):側(cè)流和淹沒(圖6)。在側(cè)流式膜生物反應(yīng)器工藝中,膜組件被放置在反應(yīng)器外,混合液在反應(yīng)器中循環(huán),其中包含膜的再循環(huán)回路。在淹沒式膜生物反應(yīng)器中,膜置于反應(yīng)器內(nèi),淹沒在混合液中。由于較高的跨膜壓力(TMP)和達(dá)到預(yù)期交叉流速度所需的體積流量[58],側(cè)流式膜生物反應(yīng)器相對(duì)于浸沒式膜生物反應(yīng)器消耗更多能量[34,58]。然而,淹沒式膜生物反應(yīng)器膜面積較大,并在低通量水平下運(yùn)行[34]。圖6MBR工藝結(jié)構(gòu)研究膜生物反應(yīng)器可以處理廢水也為了處理飲用水[59,60],也完全可以應(yīng)用到市政污水處理中[61]。Li和Chu研究發(fā)現(xiàn)[59],MBR可以去除進(jìn)水中約60％的總有機(jī)碳(TOC),減少75％以上三鹵甲烷生成(THMFP)。膜生物反應(yīng)器技術(shù)也應(yīng)用到了啤酒廢水的回用中[32]。根據(jù)Dai等人的記錄,MBR中進(jìn)水(即UASB反應(yīng)器出水,從500到1000mgO2L-1)COD的降低至平均值96%[32]。其他研究人員也分析啤酒廢水[62-64]。在大部分研究中,COD去除率(>90%)作為一個(gè)重要參數(shù)被記錄。有了這些可喜的成果,可以得出結(jié)論,在工業(yè)和市政廢水的處理和回用方面,MBR工藝是一種有吸引力的選擇。表7顯示了操作參數(shù)和某些厭氧消化超濾過程的結(jié)果[45]。表7操作參數(shù)和某些厭氧消化超濾過程的結(jié)果就像其它膜分離過程,膜污染是影響膜生物反應(yīng)器系統(tǒng)性能最嚴(yán)重的問題,因此需要經(jīng)常清潔[34]。膜污染可分為可逆的和不可逆的[65]。這是由膜材料和活性污泥液相互作用的結(jié)果,活性污泥液是由大量活的或死的微生物和可溶性或膠體性的化合物組成的生物絮凝體。結(jié)垢導(dǎo)致的液壓阻力顯著增加,表現(xiàn)為當(dāng)分別在恒定的TMP或恒定的流量下運(yùn)行時(shí),滲透通量下降或TMP增加。膜的有機(jī)污染主要是由于以下幾個(gè)因素[65]:(1)有機(jī)物質(zhì)部分,如膠體部分和溶解部分,(2)有機(jī)特性,例如疏水性和分子大小和構(gòu)型,(3)溶液的化學(xué)方面,如pH值,二價(jià)離子的濃度和離子強(qiáng)度,(4)膜的性質(zhì),如孔隙尺寸和表面粗糙度。在實(shí)踐中,膜污染可以通過兩種類型的法進(jìn)行控制:(1)定期空氣沖刷,反沖洗和化學(xué)清洗[67],(2)加入吸附劑以與在預(yù)處理中進(jìn)行絮凝操作[68,69]。最近研究已表明,直接加入生物反應(yīng)器中的凝結(jié)劑能夠減輕膜污染[66]。將混凝工藝加入到MBR工藝中稱為膜混凝反應(yīng)器(MCBR)。在膜過濾水處理的發(fā)展中最重要的趨勢(shì)是將不同的預(yù)處理策略整合,以提高低壓膜的性能[22]。4.4好氧厭氧聯(lián)合處理啤酒廢水處理常是厭氧和好氧聯(lián)合處理[16,70,71]。如Fig.7所示,有四種類型的綜合性厭氧—好氧生物反應(yīng)器[72]。綜合性厭氧—好氧生物反應(yīng)器有以下幾種屬性[36]:在厭氧反應(yīng)器內(nèi)70%—85%的COD被轉(zhuǎn)化成沼氣,聚集在一個(gè)小的表面區(qū)域;其次,在需氧、厭氧后處理工序中,高達(dá)98％的COD和營養(yǎng)物質(zhì)被除去。聯(lián)合好氧、厭氧處理啤酒廢水比完全好氧有很大優(yōu)勢(shì),包括積極的能量平衡,減少(生物)污泥產(chǎn)量和顯著低空間需求[16]。修長(zhǎng)的厭氧(如內(nèi)部循環(huán)反應(yīng)器)和好氧(如氣升反應(yīng)器)反應(yīng)器的最新發(fā)展使得設(shè)計(jì)極端緊湊的污水處理廠出水仍然滿足地表水環(huán)境質(zhì)量的嚴(yán)格要求[16]。圖7四種綜合性厭氧—好氧生物反應(yīng)器4.5碳納米管的應(yīng)用1991年飯島對(duì)碳納米管(CNT)的"重新發(fā)現(xiàn)"[74],為了能利用這些納米材料的無數(shù)獨(dú)特性能,世界范圍內(nèi)許多不同專業(yè)的研究者著手于這項(xiàng)令人興奮的研究。碳納米管由石墨烯片的蜂窩結(jié)構(gòu)體卷成直徑為幾納米的圓筒,但是許多達(dá)到微米甚至厘米的厚度[75,76]。在過去的幾年中已積極進(jìn)行很多碳納米管的形成方式和碳源的探討,并且這些已經(jīng)在幾個(gè)綜述文章中概述[77-82]。根據(jù)管中卷起的石墨烯層數(shù),碳納米管通常有兩種,即單壁碳納米管（SWCNT）和多壁碳納米管（MWCNT）。多壁碳納米管和單壁碳納米管的模型如Fig.8所示[83,84]。碳納米管的獨(dú)特性能來自其特殊的原子結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)[85]。由于其獨(dú)特的結(jié)構(gòu),機(jī)械和電子特性,碳納米管在種類繁多的應(yīng)用中有巨大潛力如化學(xué)傳感器、場(chǎng)發(fā)射材料、催化劑載體[75,78,81,86]。一些碳納米管相對(duì)于水處理的重要應(yīng)用將在下面討論。圖8多壁碳納米管和單壁碳納米管模型4.5.1納米吸附劑碳納米管對(duì)有機(jī)污染物[87-91]和無極污染物例如氟化物[92]吸附效果好、吸附效率高。研究發(fā)現(xiàn)碳納米管對(duì)重金屬也有非常好的吸附作用[89,93,94]。碳納米管作為吸附劑有很大優(yōu)勢(shì),因?yàn)樵谙嗤|(zhì)量下,它們比散裝顆粒有較大的比表面積,并且可以與各種化學(xué)基團(tuán)進(jìn)行官能化,以增加其對(duì)靶化合物的親和力[95]。碳納米管還具有小尺寸、空心和層狀結(jié)構(gòu),這些是吸附能力的重要屬性[96]。官能化的碳納米管從廢水中吸附各種雜質(zhì)的能力可以擴(kuò)展到去除啤酒廢水的COD。查閱文獻(xiàn),碳納米管具有良好的作為吸附劑潛力,以最好的作者所知,沒有一篇發(fā)表的作品說納米管可以像混凝劑或絮凝劑那樣使用?？梢酝茰y(cè)的是如果碳納米管可以吸附單獨(dú)的膠體顆粒,然后將顆粒湊到一起(這種現(xiàn)象稱為架橋絮凝),碳納米管表面可以使附著在其上的顆粒物所帶的電荷中和,從而產(chǎn)生一個(gè)接近零的凈電荷。一旦表面電荷被中和,離子云消散靜電勢(shì)消失,使膠體粒子間的接觸自由地發(fā)生。利用電動(dòng)電勢(shì),電荷很容易監(jiān)測(cè)和控制[97]。從以上兩個(gè)現(xiàn)象(吸附和凝固)可確定,對(duì)于同時(shí)含有溶解和懸浮有機(jī)物廢水(包括啤酒廢水),碳納米管可同時(shí)應(yīng)用于通過吸附去除水中溶解的有機(jī)物和通過異構(gòu)凝固(架橋和中和)去除懸浮固體。在現(xiàn)在的情況下嘗試使用納米管作為混凝劑或絮凝劑出現(xiàn)了很多困難。碳納米管缺乏散布性和溶解性。通過各種技術(shù)制備水溶性碳納米管,有過幾次成功的嘗試[98-100],并通過官能化改善它們的分散性[101]。碳納米管是非常昂貴的,因此,它們需要在使用后再生。如果碳納米管應(yīng)用在懸浮液中,需要在下游進(jìn)行有效的分離如膜過濾,用來保留和回收碳納米管。納米材料的保留至關(guān)重要,因?yàn)榧{米材料成本高,更重要的是納米材料對(duì)人類健康和生態(tài)系統(tǒng)有潛在影響[102-104]。4.5.2納米過濾器據(jù)報(bào)道,已成功制造出碳納米管過濾器[105]。這些過濾膜由中空?qǐng)A筒與徑向定向碳納米管墻壁組成。Srivastava等人[105]進(jìn)行較重的烴物(CmHn(m、n>12))的過濾,效果很好,例如石油CmHn(N=2m+2,m=1到12);在飲用水中去除大腸桿菌和納米級(jí)的脊髓灰質(zhì)炎病毒。啤酒廠污水的有機(jī)物含量就COD而言被歸類為高強(qiáng)度廢水,COD為1000mg/L到4000mg/L,BOD高達(dá)1500mg/L[6]。這使得啤酒廢水很適合用碳納米管過濾器處理。碳納米管膜的孔隙可以在海水淡化和脫鹽中使用。膜上有數(shù)十億的孔。這種膜過濾器同時(shí)具有超疏水和超親油性,在不銹鋼網(wǎng)結(jié)合垂直排列的多壁碳納米管為油和水的分離提供可能[106]。由于雙尺度結(jié)構(gòu),微米級(jí)網(wǎng)狀微孔的針狀納米管的幾何形狀,可同時(shí)獲得超疏水性和超親油性[106]。納米管過濾器可以分離柴油和水層,即使表面活性穩(wěn)定的乳液也可以分離。并且成功進(jìn)行了高粘度潤(rùn)滑油和水乳狀液的成功相分離。該分離原理可以容易地?cái)U(kuò)展到各種疏水性和親油性不同的液體,如啤酒廢水。4.6電化學(xué)法當(dāng)電化學(xué)法被首次用于處理船舶污水時(shí),電化學(xué)法處理廢水技術(shù)也應(yīng)運(yùn)而生[107]。電化學(xué)法廣泛應(yīng)用在富含難降解有機(jī)物和氯化物的工業(yè)廢水處理[108,109]。電化學(xué)法非常適合用于減少難降解有機(jī)污染物,因?yàn)樗梢詫?shí)現(xiàn)有機(jī)物質(zhì)的部分或完全分解。電化學(xué)法處理廢水效果非常好,它們既不受限于廢水強(qiáng)度的變化,也不受限于有毒物質(zhì)的存在,水力停留時(shí)間短。Vijayaraghavan等人[108]以生成次氯酸為基礎(chǔ)開發(fā)了一種新型啤酒廢水處理法。生成的次氯酸擔(dān)任氧化劑,破壞存在于啤酒廢水的有機(jī)物。進(jìn)水COD為2470mg/L的廢水經(jīng)處理降低到64mg/L(減少超過97％)。使用石墨陽極和不銹鋼片作為陰極的電解反應(yīng)器中生成次氯酸。在電解過程中,陽極產(chǎn)生氯和陰極產(chǎn)生氫氣。由于陽極和陰極被保持在一個(gè)電解反應(yīng)器內(nèi),生成的氯發(fā)生歧化反應(yīng),從而產(chǎn)生次氯酸[108],如等式(2)表示:OCL-到CLO3-在高溫下(75℃)和堿性條件下進(jìn)一步反應(yīng)(公式(3))。4.7生物染料電池在處理啤酒廢水的同時(shí)也可以利用廢水中的有機(jī)物發(fā)電[33,110-112],能同時(shí)處理廢水和發(fā)電的這個(gè)裝置稱為微生物燃料電池(MFC)[113-114]。MFC是一個(gè)具有厭氧和好氧特性組合系統(tǒng)。溶液中的細(xì)菌在陽極附近做厭氧處理,以暴露的氧氣(或另一種化學(xué)電子受體)做陰極。細(xì)菌氧化有機(jī)物釋放的電子通過外電路轉(zhuǎn)移到陰極,在陰極電子與氧結(jié)合形成水[33]。因此,厭氧-好氧過程的組合可以當(dāng)做一個(gè)雙室微生物燃料電池使用,陽極室的流出物可直接用作陰極室的進(jìn)水,從而可以在有氧條件下進(jìn)一步處理,以提高污水處理效率[112]。Feng等人[33]研究發(fā)現(xiàn),啤酒廢水進(jìn)水的COD為2250±418mg/L時(shí),COD去除率在20℃和30℃時(shí)分別為85％和87％。連續(xù)的陽極-陰極微生物燃料電池COD的去除率達(dá)到90％以上（（例如,COD從1250±100mg/L降低到60mg/L）[112]。據(jù)報(bào)道其他研究人員用這種技術(shù)處理,COD去除率也高達(dá)94％[111]。高COD去除率在這些研究中得以實(shí)現(xiàn),可以斷定,微生物燃料電池,特別是連續(xù)的陽極-陰極的類型,可以成為啤酒廢水處理的新法,同時(shí)提供一個(gè)有價(jià)值的替代能源。4.8活性碳水處理裝置的特性對(duì)最終產(chǎn)品的性能有很大的影響。即使處理的水是從市政飲用水源引入,水中也含有殘留的味道、臭氣、消毒副產(chǎn)物以與游離和化合氯。含碳-硫鍵的分子往往氣味和味道不好,但這些往往是優(yōu)先吸附在碳上。上述情況也適用于含芳香環(huán)的分子?；钚蕴棵撀饶芰υ醋杂谒梢宰鳛檫€原劑與強(qiáng)氧化劑(如次氯酸、二氧化氯)反應(yīng)。在釀酒過程中,可以使用活性炭吸附單寧酸散發(fā)的氣味?；钚蕴恳彩怯糜谌コ【坪推渌名溠孔鎏盍系娘嬃现械柠溠可追N粒狀和粉狀產(chǎn)品也可用這種類型的應(yīng)用?；钚蕴渴且环N有效的處理法,以保證水是無污染物,無異味。結(jié)果的討論和綜合本部分提供一些對(duì)本論文回顧結(jié)果的討論與綜合。這些討論包括對(duì)工藝和技術(shù)的比較和整合在一起的可能。簡(jiǎn)而言之,討論主要解決了以下兩個(gè)基本問題:(一)如何在工藝和技術(shù)相互比較(二)它們是否可以相互整合,即便可以,有什么潛在的挑戰(zhàn)和益處?5.1工藝流程和技術(shù)的比較此意見強(qiáng)調(diào)啤酒廢水需要處理,著眼于可以安全、經(jīng)濟(jì)的回用啤酒廢水。也對(duì)與這些法方相關(guān)的一些困難進(jìn)行了討論。應(yīng)當(dāng)指出并強(qiáng)調(diào)的是啤酒廢水出水的處理成本高且相當(dāng)復(fù)雜,特別是需要滿足政府法規(guī)和環(huán)境協(xié)調(diào)性[6,115]。傳統(tǒng)的分離法如混凝、絮凝,離心分離和重力分離有COD去除率不高等缺點(diǎn)。這些方法分離效率低,操作成本高,設(shè)備占地面積大且有二次污染物的產(chǎn)生。有人注意到,生物處理可作為一種預(yù)處理方法廣泛應(yīng)用。好氧處理已用于啤酒廢水的處理,最近厭氧系統(tǒng)成為一個(gè)有吸引力的選擇,除其他優(yōu)點(diǎn)外,COD去除率也高。雖然這些生物法已經(jīng)廣泛應(yīng)用于有機(jī)物含量高的啤酒廢水處理上,但仍需要進(jìn)一步處理才可回用。這些審查已顯示出一些可喜的成果,比如淬火等離子,膜生物反應(yīng)器,電化學(xué)法和微生物燃料電池。這些方法都有很大的潛力用于處理啤酒廢水回用,需要對(duì)不同的挑戰(zhàn)和機(jī)會(huì)進(jìn)一步調(diào)查。例如,啤酒廢水可能是一個(gè)很好的微生物燃料電池的發(fā)電來源,由于高碳水化合物和低氨氮濃度的特征。作者還指出,最近的進(jìn)展表明可以利用碳納米管做吸附劑解決或大大改善許多涉與水質(zhì)的問題?？梢灶A(yù)計(jì)啤酒業(yè)也將從這些發(fā)現(xiàn)中受益。在本文中討論的大型設(shè)計(jì)和工藝應(yīng)用所需要的知識(shí)也許仍然缺乏,建議開展一些研究,以確定這些有前景工藝的估計(jì)成本。在過去十年,膜過濾(例如,NF和RO)在飲用水處理和廢水回用上的應(yīng)用經(jīng)歷了快速發(fā)展,體現(xiàn)為膜質(zhì)量的提高和膜成本下降。膜過濾發(fā)