果汁加工废水处理技术的研究进展

对果汁加工废水的特点和处理技术进行了综述，并对果汁加工废水处理技术的发展趋势进行了展望. 果汁加工过程中会产生大量的废水，果汁加工厂每加工1 t 原材料，就产生3.8 ～ 10.5 m3 的废水.果汁废水的排放己成为环境污染的突出问题，果汁废水与一般加工废水有着不同的特点，合理处理果汁废水是当前污染处理研究的热点之一.作者对果汁废水处理技术的研究进展进行综述，以期为果汁废水污染控制提供参考. 1.果汁废水来源及其特征 果汁废水主要来自水果冲洗、破碎、榨汁等工序，罐装工序的洗瓶、灭菌和地面冲洗等环节也会产生废水.果汁废水作为食品加工的有机废水，主要有以下特征[1 - 4]： ①有机物浓度高.超滤浊液的化学需氧量(Chemical oxygen demand，COD)超过10 万mg/L，混合废水COD 通常在6 000 mg/L 以上； ②果汁废水中含有大量的碎果屑、果皮、残渣、果胶等固体颗粒.一般情况下，其悬浮固体物的质量浓度都在4 000 mg/ml以上.此外，由于水中含有果胶等物质，导致废水黏度较大； ③水质、水量变化大.果汁加工品种和产量经常变化，造成排放不均匀，水质和水量变化大，COD 变化值高时可达2 000 ～ 3 000 mg/L，悬浮物(Suspendedsolids，SS)值变化大时达1 000 ～ 2 000 mg/L； ④pH 值低.果汁废水中含有大量的果酸，因此造成废水的pH 值低，最低时可达4.0 左右； ⑤营养元素含量不均.废水中含有大量的糖类等碳水化合物，碳源丰富，氮磷缺乏. 鉴于果汁废水自身的特性，如果果汁废水未经过预处理就直接排入水体，会使水体内生态系统受到影响，严重时会使水体酸化、缺氧发臭，水生生物死亡，最终导致周围水体环境质量下降，破坏生态平衡. 2.果汁废水处理技术 果汁废水属于高浓度有机废水，采用常规的废水处理方法较难达到排放标准，因此一般采取两种或两种以上方法结合处理果汁废水.目前多采用以生物化学与物理化学相结合的工艺来处理果汁废水.此外，一些新的处理方法和工艺组合正在试验研究，并取得了理想的成效，例如升流式厌氧污泥床(Upflow anaerobic sludge bed，UASB)接触氧化、水解酸化接触氧化、水解酸化UASB 接触氧化等. 2.1 物化法 果汁废水中含有的杂质主要是高浓度的有机物，这些特点决定了物理法不能作为单独的处理工艺，一般只作为高浓度有机废水的预处理单元和后期处理单元，以去除废水中的SS 和部分难溶解性有机物.常用物化法处理废水的技术主要有过滤法、沉淀法、气浮法、吸附法和絮凝法等. 2.1.1 沉淀过滤法该方法主要用作果汁废水的前处理单元.果汁废水在进入废水处理系统前，先沉淀，再经过滤装置—格栅、滤网，主要是去除果汁废水中的果渣等较大的悬浮物，从而减轻后处理单元的污染负荷.并且在悬浮物沉淀时，可以带走一些色素和胶体物质，使废水的负荷有所降低.该法对SS 的去除率较高，操作简单. 2.1.2 气浮法气浮法则是通过在水中通入大量的微小气泡，并使这些气泡附着于悬浮颗粒上，利用浮力使悬浮物浮于水面上，从而达到分离的目的，气浮法一般用于生化池处理的后处理单元. 2.1.3 吸附法吸附法是利用吸附剂去除废水中微量溶解性杂质的一种处理工艺.在果汁废水处理中，常用到的吸附剂有活性炭、硅藻土、高岭土和炉渣等，主要是吸附水中的SS.但活性炭吸附后清洗困难，成本较高； 采用活性硅藻土、炉渣处理时，运行费用较低，效果较好，缺点是维护费用较高； 而泥渣产生量大，劳动强度大，占地面积大. 2.1.4 絮凝法絮凝法是在果汁废水中加入无机、有机化学絮凝剂，从而将废水中的有机污染物絮凝沉淀，从而达到去除废水中有机污染物的目的.常用的絮凝剂有碱式氯化铝和聚丙烯酸胺等.絮凝法的缺点是果汁生产废水处理后，将产生大量黏稠性污泥，加大后续处理的难度，且加入的化学絮凝剂会对后续处理的微生物造成一定的毒害作用. 2.1.5 湿式氧化法湿式氧化法是指在高温高压的条件下，用氧气或空气作为氧化剂，氧化废水中的水溶态或悬浮态的有机物的一种方法.近年来，该方法被认为是处理高浓度的果汁有机废水行之有效的方法. 2.2 生化法 果汁废水中大量的污染物是溶解性的糖类、果酸，这些物质具有良好的生物可降解性，所以国内外在果汁废水的处理上多采用生物化学法.废水中的有机物在微生物作用下，最终分解为CO2和H2O 以及微生物原生质.常用的生物化学法一般分为好氧生物法和厌氧生物法. 2.2.1 好氧生物技术好氧生物处理技术是在一种好氧条件下，利用微生物将污水中的污染物转化为稳定的、无害物质的处理技术[5 - 7].好氧生物法一般用于处理低浓度有机废水，目前常采用的方法主要有膜生物反应器、活性污泥法. 2.2.1.1 膜生物反应器膜生物反应器是通过高效膜分离技术与活性污泥相结合，增大污泥中的特效菌来加快生化反应速率，提高废水处理效果，目前处理对象已从生活污水扩展到高浓度的有机废和难降解的工业废水.膜生物反应器已成功地应用于含酚废水的处理，水果中含有较多的多酚类活性物质，加工后的废水中残留较多的多酚，采用膜生物反应器能较好地对其进行处理.Barrios-Martinez 等利用膜生物反应器对含酚废水进行了处理，对苯酚和COD 的去除率分别为100% 和99%，达到很好的效果.Blocher 等用工业规模的好氧膜生物反应器处理果汁废水，CODCr去除率达到95%. 但生物反应器膜技术需要专用设备，投资高，且膜易结垢堵塞，使用寿命也不长，尚不能得到广泛应用[11 - 12]. 2.2.1.2 活性污泥法活性污泥法是在人工充氧条件下，对污水和各种微生物群体进行连续混合培养，形成活性污泥，利用活性污泥的生物凝聚、吸附和氧化作用，分解去除污水中的有机污染物，然后分离污泥与水，大部分污泥再回流到曝气池，多余部分则排出活性污泥系统.它本质上与自然界水体自净过程相似，只是经过人工强化，污水净化的效果更好.Ozbas 等采用活性污泥法处理果汁废水，对苹果和草莓果汁废水COD 的平均去除率分别为92%和89%.林晓葱等采用加强水解酸化功能的间歇性活性污泥法工艺，处理果汁灌装产生废水，对CODCr、BOD5和SS 的去除率分别为85%，95%和63%，使出水达到广东省地方标准《水污染物排放限值》二时段一级标准，水质稳定. 循环式活性污泥工艺是一种果汁废水处理的新工艺，在一些有机废水处理系统中得到了成功的应用.该工艺将生物反应过程和泥水分离过程集中在同一池子中进行.循环式活性污泥工艺一个周期包括充水-曝气、充水-沉淀(泥水分离)、上清液滗除和充水-闲置等4 个阶段.魏永等采用循环式活性污泥工艺对果汁废水进行处理，废水经机械格栅去除粗大悬浮物后排入沉砂池去除水中固体砂粒，出水流入集水井，当集水井水位升到高液位时，将废水泵入细筛机去除水中细小悬浮物后流入循环式活性污泥池，经循环式活性污泥池处理后的出水达到《辽宁省沿海地区污水直接排人海域标准》中的一级排放标准. 循环式活性污泥工艺具有流程简单、对水量水质变化适应性强、处理效果稳定、占地面积小、投资及运行费用低、耐冲击负荷和脱氮除磷能力强等优点，有广阔的发展前景. 2.2.2 厌氧生物技术废水厌氧生物处理是指在无分子氧条件下通过厌氧微生物(包括兼性厌氧微生物)的作用，将废水中的各种复杂有机物分解转化成甲烷和二氧化碳等物质的过程.厌氧生物处理是一个复杂的生物化学过程，主要依靠水解产酸细菌、产氢产乙酸细菌和产甲烷细菌等3 类细菌联合作用完成.有机物在厌氧条件下的消化降解过程可分为酸性消化(酸性发酵)阶段和碱性消化(碱性发酵或甲烷消化)两个阶段.近些年来厌氧生物处理工艺发展迅速，主要有UASB、厌氧折流板反应器等. 2.2.2.1 UASB UASB 结构可分为进水配水系统、反应区、三相分离器、出水系统、气室、浮渣清除系统和排泥系统.其工作原理是污水被均匀地引人UASB 底部，污水向上流动时通过絮状或颗粒污泥组成的污泥床，随着污水与污泥接触而发生厌氧反应，有机物分解产生的CH4和CO2引起污泥床紊动，部分颗粒污泥附着在气泡表面，随之上升到反应器底部，然后气体释放，颗粒污泥返回污泥层表面，气体在反应器顶部被收集. 吝吉芳等采用UASB + 生物接触氧化工艺处理果冻废水，可使UASB 和生物接触氧化阶段的COD 去除率分别达到75%和90%，系统总的COD去除率达到95%，运行稳定，耐冲击负荷能力强.刘林等采用斜板三相分离器UASB 处理果汁生产废水，CODCr去除率85%以上，同时反应器可以根据果汁生产的季节性停止运行，而恢复运行相对容易.李国秀等研究了UASB-活性污泥法工艺处理高浓度有机废水(其主要污染物为葡萄糖、山梨醇等有机物)，当每吨污水处理成本为0.85元时，废水SS、CODCr及BOD5 UASB 阶段和总的去除率分别为38% 和62.0%、86.2% 和94.5%、90.0%和97.5%，取得了良好的效果.UASB 工艺具有运转简单、适应高或低浓度的废水和可能有极高的COD 容积负荷等优点； 但也存在解决运转问题需要技巧，不适于废水具有高SS 的情况等缺点. 2.2.2.2 厌氧折流板反应器厌氧折流式反应器是一种新型的高效污水厌氧生物处理工艺，具有以下特点： ①上下多次折流，水力条效果良好，反应器死区少，使得废水中有机氧生物充分接触，有利于有机物的分解； ②对微生物固体具有良好而稳定的截留能力，同时对进水中高浓度的SS 具有很强的适应性和处理效能； ③易于形成颗粒污泥；④具有较强的抗冲击负荷能力，厌氧折流板反应器较强的抗冲击负荷能力来源于对废水中固体较强的截留能力和微生物种群的合理分布. 王晓玉等对厌氧折流板反应器-生物接触氧化法处理果汁废水进行了实验分析，结果表明该反应器具有结构简单、截留污泥能力强、系统处理效果稳定和运行管理方便等优点.韩锋等采用厌氧折流板厌氧反应器处理苹果汁废水，发现厌氧折流板反应器处理苹果汁废水切实可行，COD 去除率可稳定在85% 以上，且能将大分子有机物有效分解，有利于后续的好氧处理. 厌氧折流板反应器具有结构简单、投资少、运行稳定、抗冲击负荷能力强和处理效率高等一系列优点，是一种很有发展前途的高效厌氧反应器. 2.2.3 厌氧-好氧联用技术厌氧-好氧联用技术是废水生物处理很有效的生化技术组合，厌氧是利用厌氧微生物分解有机污染物，不必向废水中补充氧，而好氧则是利用好氧微生物在有氧条件下分解有机污染物，需要向废水中不断补充氧.厌氧-好氧联用技术已经成为目前国内外研究的热点.厌氧阶段处理的废水在理化性质上发生明显改变，使废水更适宜后续的好氧，最大程度减少了剩余污泥量，进一步节约了污泥处理的成本. 周焕祥等采用UASB-接触氧化工艺处理果汁加工废水，对CODCr、BOD5和SS 的去除率分别为98.3%、93.4% 和93.0%，出水水质达到《污水综合排放标准》(GB8978 - 1996)一级标准.刘子俊等采用UASB -接触氧化工艺处理果汁生产废水，对COD、BOD5和SS 的去除率分别为98.8%、99.2% 和93.0%，处理后出水水质均优于《污水综合排放标准》中的一级标准，系统控制容易，运行稳定且污泥产生量少.董海锋等介绍了陕西某果浆罐头有限公司果浆污水处理工程设计，该公司采用微滤除渣—水解酸化—好氧曝气—高效气浮装置的工艺处理果浆污水，对CODCr、BOD5和SS 的去除率分别为98.0%、98.8% 和93.5%，排出水水质优于《污水综合排放标准》一级标准.潘安济等采用水解酸化-接触氧化工艺处理果汁废水，对CODCr、BOD5和SS 的去除率分别为98.4%、99.4% 和99.9%，出水达到《污水综合排放标准》中的二级标准. 厌氧-好氧联合处理工艺去污效果好，出水水质稳定，符合当今我国选用环境技术可持续发展的要求，但工艺相对复杂，是目前国内外果汁废水处理工艺研究的重点领域之一. 3.果汁废水处理的其他技术 3.1 微生物絮凝剂法 絮凝剂是一类可使在水体中不易沉降的悬浮颗粒凝聚沉淀的物质.一般可分为有机合成高分子絮凝剂、无机絮凝剂和微生物絮凝剂.微生物絮凝剂是通过细菌、放线菌、真菌等微生物的发酵培养、浸取、精制而得到含蛋白质或多糖类生物聚合体等的微生物制剂.微生物絮凝剂对废水中的悬浮颗粒有相当好的去除效果，Kurane 等在含有大量极细微的悬浮固体颗粒的焦化废水悬浮液中，加入其体积2% 的Alcaligenes latus 培养物，并加入钙离子，即形成肉眼可见的絮凝体，SS 去除率达78%，优于聚合铁对SS 的去除(47%)效果. 3.2 酵母菌处理新技术 酵母菌处理技术是近几年来开发出的一种新型高浓度有机废水处理工艺，与传统工艺相比，酵母菌处理技术在处理负荷、污泥生成量、资源回收等方面都具有很大的优势，利用该工艺处理废水都具有很好的效果，不但能有效解决废水污染的问题，还能回收一定量的单细胞蛋白，实现废水资源化利用的目的[ 32 - 34]. 郑志伟等利用酵母菌对高浓度果汁废水进行了好氧生化降解试验，采用微孔曝气处理方式，对果汁废水CODCr去除率可达94%以上，回收酵母干菌2.8 g/ L.该工艺既可去除果汁废水中的CODCr，又能回收一定量的酵母细胞蛋白，是一种经济有效的处理方法. 4.结论 随着果汁加工业的逐渐发展，果汁废水水量和污染物种类不断增加，采用单一的处理技术均存在一定的局限性，往往不能取得满意的效果.因此，选取两种或者两种以上的方法相结合处理是今后果汁废水处理的主要方向.同时，生物处理技术以其成本低、无二次污染等优势在果汁废水处理中具有十分重要的地位，果汁废水处理技术正在向生物强化技术、污水处理工艺创新和开发一体化专用设备方向发展.