食品工業(yè)廢水的膜法處理與回用技術(shù)

食品工業(yè)中產(chǎn)生的廢水量大,水質(zhì)惡劣,對環(huán)境的污染嚴重。味精和酒精生產(chǎn)中的廢水以及大豆、谷物、果蔬、肉類、牛乳和飲料加工中的廢水,是食品工業(yè)廢水的主要來源。文中在對大量文獻資料的調(diào)研以及總結(jié)膜技術(shù)處理廢水工程經(jīng)驗的基礎(chǔ)上,重點討論了用微孔過濾(MF) 、超濾(UF) 、納濾(NF) 、反滲透(RO) 、電滲析( ED) 、滲透汽化(PV) 、膜生物反應(yīng)器(MBR) 技術(shù)處理食品工業(yè)廢水的現(xiàn)狀,概要分析了膜技術(shù)處理與回用食品工業(yè)廢水的工藝參數(shù)、工程運行及其產(chǎn)生的社會效益和經(jīng)濟效益。

關(guān)鍵詞　食品工業(yè),廢水,膜技術(shù),處理,回用

我國特別是在中小城鎮(zhèn)中分布著大量的食品加工企業(yè),這些企業(yè)的現(xiàn)代化程度和生產(chǎn)規(guī)模日益提高,但是產(chǎn)生的廢水水質(zhì)惡劣,廢水量不斷增加,對環(huán)境危害十分嚴重。

食品工業(yè)包括飲料工業(yè)是耗水大戶,這些耗用的水僅少部分用于食品生產(chǎn)本身,大部分是用于食品生產(chǎn)過程洗滌和清潔的,因此*可以將這些廢水加以回收利用?；旧弦约Z食為主要原料的發(fā)酵工業(yè)所產(chǎn)生的污染物主要是由于糧食未被充分利用造成的,因此,排入水環(huán)境的污染物絕大部分是具有回收價值的產(chǎn)品和副產(chǎn)品。

早在1990 年代,食品工業(yè)中就開始大規(guī)模地采用膜技術(shù)處理廢水[1 ] 。用膜技術(shù)分離發(fā)酵液中菌體、濃縮產(chǎn)品、開發(fā)新產(chǎn)品、改革生產(chǎn)工藝、提高工藝用水的回用率,具有十分廣闊的前景[2 ] 。

在積累了有關(guān)膜技術(shù)處理廢水工程經(jīng)驗以及研究了大量文獻資料的基礎(chǔ)上,本文針對產(chǎn)生廢水量大、污染嚴重的食品工業(yè)中的酒精和味精生產(chǎn)廢水、大豆、谷物、果蔬、肉類、牛乳和飲料加工廢水,以開發(fā)應(yīng)用的實例為重點,討論微孔過濾(MF) 、超濾(UF) 、納濾(NF) 、反滲透( RO) 、電滲析( ED) 、滲透汽化(PV) 、膜生物反應(yīng)器(MBR) 以及組合不同膜法的集精生產(chǎn)的主要工藝。采用連續(xù)發(fā)酵- PV 膜分離的組合工藝,進行燃料乙醇生產(chǎn)[4 ] ,大大減少了酒精廢水產(chǎn)生的量。1988 年法國Betheniville 的甜菜糖廠運用了一套可連續(xù)生產(chǎn)4 種純度乙醇,使用膜面積達2400m2 ,日處理乙醇水溶液為150 000 L 的PV 裝置[5 ] 。該甜菜糖廠通過蒸餾- PV 與脫硫相結(jié)合的集成工藝處理后,乙醇的純度和濃度以及排放的廢水水質(zhì)是常規(guī)工藝所*的,生產(chǎn)效益和環(huán)境效益
都十分顯著。

食品工業(yè)廢水的膜法處理與回用技術(shù)

1.1 　處理酵母廢水

(1) UF 膜法。首先用離心法去除廢水中90 %的懸浮物,再用卷式UF 膜組件,在一定壓力和流速下,色度去除率可> 97 % ,濃縮達10 倍,膜壽命預(yù)計為5 年。采用8 英寸卷式UF 膜,總膜面積1 176m2 ,在上述操作條件下,處理廢水量為200 m3/ d ,與蒸發(fā)法相比,每噸廢水的處理費用節(jié)約了1516 %[6 ] 。去除酒精廠酵母分離產(chǎn)生的廢水,即對酒精廢液→離心分離→濾渣→干燥→酵母飼料生產(chǎn)過程中離心分離出來的濾液,用熱交換器降溫至65 ℃(適合UF 膜的運行溫度) ,經(jīng)過濾器預(yù)處理后,將清液泵入UF 膜裝置處理。UF 膜法回收50 %蛋白質(zhì),其投資費用為蒸發(fā)系統(tǒng)的25 % ,運行費用僅為蒸發(fā)濃縮法的20 %。

(2) UF/ NF 組合膜法。采用卷式UF 組件以及復(fù)合膜卷式NF 組件,以循環(huán)濃縮方式,處理以蔗糖廢糖蜜為原料、生產(chǎn)酒精酵母的酵母生產(chǎn)廢水[7 ] 。工程運行結(jié)果表明,UF 對殘?zhí)呛桶薄⒌姆蛛x率一般在15 %～35 %。由于殘?zhí)呛桶钡墙湍赴l(fā)酵過程中的營養(yǎng)成分,因此UF 透過液可被重新回用于發(fā)酵工序。NF 膜對廢水的COD 去除率> 90 % ,并接近或達到廢水排放標準。采用天然的、正電荷的殼聚糖絮凝劑對酵母生產(chǎn)廢水有較好的預(yù)處理效果,脫色率>60 % ,COD 去除率約20 %。

1.2 　釀酒廢水

甘蔗糖廠的副產(chǎn)品———糖蜜生產(chǎn)酒精的企業(yè)排放的廢水中由焦糖色素產(chǎn)生的COD、BOD 及色度是生物法難以去除的。用MBR 與NF 膜集成工藝處理糖蜜制酒精廠排放廢水,出水的COD、色度都達到*排放標準,廢水回收率> 80 %[8 ] 。表1 列出了采用復(fù)合的中空纖維大孔(MF/ UF) 膜裝置(zui大膜面積為由55 支元件組裝成的385 m2) 處理釀酒工業(yè)廢水的效果。該復(fù)合膜表面涂覆了具有強親水性和強抗蛋白質(zhì)粘附性能的PVA ,因此該復(fù)合膜對于富含蛋白質(zhì)的食品工業(yè)廢水有很好的去除效果。經(jīng)該大孔復(fù)合膜處理后,廢水中的BOD、SS 的含量都遠低于廢水排放標準。

味精生產(chǎn)過程產(chǎn)生的廢水中殘留等電點提取后的*發(fā)酵廢液為含高濃度COD cr 、BOD5 和高濃度NH32N、SO42 - ,難以用生化法處理的廢水。2 　味精廢水

(1) UF 膜法。采用截留分子量為1 萬的UF 膜對味精廠排放的廢水進行除菌體和大分子蛋白等成分的處理,在操作溫度、運行壓力、濃縮倍數(shù)等較佳操作條件時,廢水中SS、CODcr 的去除率分別為99 %、30 % ,為后序的生物法減輕了處理負荷,可將回收的蛋白進行綜合利用[9 ] 。用膜材料分別為聚砜( PS) 、聚丙烯腈(PAN) 的UF 處理后,COD 降低34 % ,味精廢水中菌體去除率達99 % ,濃縮倍數(shù)達5 倍[10 ] 。用稀HCl 水溶液反壓清洗可恢復(fù)膜的水通量。PAN 膜由于親水性好,對菌體吸附性小,因而水通量高于PS膜。

*發(fā)酵廢水經(jīng)甲殼素和堿式氯化鋁混合絮凝、低速離心機分離后,上清液進入UF 系統(tǒng)處理。經(jīng)UF 膜處理后,透過液中COD、BOD 去除率都>96 %[11 ] 。經(jīng)混凝2離心2UF 的組合工藝處理的*廢水,接近或達到國家水污染物綜合排放標準的二級排放標準。

(2) ED 膜法。L2*( L 2GA) 濃度為01001～0102 mol/ L 的水溶液,經(jīng)ED 處理后,淡室、濃室中的L 2GA 濃度分別為5 ×10 - 5 mol/ L 、0105 mol/ L ,淡室的水可以排放或回用,濃室回收了L 2GA[12 ] 。

(3)MBR 法。用聚乙烯( PE) 中空纖維型MBR法處理味精廢水,*。在容積為6189 m3 的玻璃鋼槽內(nèi),放置6 支橫置式<2 000 ×L 3 000 mm 中空纖維膜組件,24 h 連續(xù)曝氣運行,廢水中的BOD、SS、總氮,從1 900～5 500 mg/ L 、467～2 800 mg/ L 、68～410 mg/ L 下降到1～511 mg/ L 、1 mg/ L 以下、018～2918 mg/ L[13 ] 。

食品工業(yè)廢水的膜法處理與回用技術(shù)

3 　大豆乳清廢水

大豆分離蛋白(SPI) 經(jīng)酸沉后產(chǎn)生的乳清廢水,通過絮凝離心處理,可以去除乳清中65 %左右的脂肪、90 %左右的懸浮固體。在絮凝離心處理后的乳清廢水進入MF 膜裝置,在蛋白質(zhì)損失只有10 %左右的情況下,脂肪去除率高達90 %以上,懸浮固體可被全部去除[14 ] 。

3.1 　回收蛋白、低聚糖

(1) UF/ (NF) RO 組合膜法。根據(jù)回收廢水的成分及回用水的要求,如圖1 所示[15 ] ,在合適的膜過程,可以回收到不同的高價值產(chǎn)品,如可溶性蛋白、低聚糖和純水。由于乳清蛋白分子量為2 000～20 000u、大豆低聚糖分子量為300～700 u ,因此采用UF 膜和NF 膜技術(shù),可以將這2 種物質(zhì)分離。研究表明,用UF 膜可回收乳清廢水中幾乎所有的蛋白質(zhì); 用NF 膜濃縮UF 透過液,對大豆低聚糖功能性成分水蘇糖和棉子糖的回收率超過90 %。UF 濃縮液經(jīng)雙效蒸發(fā)濃縮和噴霧干燥即可得到成品乳清蛋粉。大豆乳清廢水經(jīng)過粗過濾、脫色除鹽后,用PS的UF膜去除廢水中的雜蛋白,再用NF 或RO 濃縮提取低聚糖[16 ] 。結(jié)果表明,UF 有效地脫除了乳清廢水中的蛋白;選用的NF 膜和RO 膜都能把乳清液中的低聚糖100 %回收,低聚糖的濃度從起始的1 %提高到12 %。

用卷式PS 的UF 膜、卷式聚酰胺( PA) 復(fù)合的RO 膜處理大豆蛋白廢水的研究表明, UF 膜對乳清廢水中蛋白回收率為90 %～99 % ,RO 膜濃縮回收廢水中低聚糖[17 ] 。將大豆加工廢水進行調(diào)pH 值、離心、預(yù)過濾、微濾和調(diào)溫等預(yù)處理;然后將預(yù)處理后的大豆加工廢水在一定壓力下通過UF 膜系統(tǒng),以提取大豆乳清蛋白;再將UF 膜透過液送入NF 膜系統(tǒng),以提取大豆低聚糖并將其進行脫色處理;zui后對NF膜透過液進行后處理以得到可回用于生產(chǎn)的水或符合排放標準的水