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第三章 食品工业的废水处理：生物系统
摘要: 本章对食品工业的生物水处理系统进行了总体概述。中水回用技术越来越受到人们的关注和重视，污染物的定量估算、理化特性和特性的变异性，已经成为中水回用技术发展的一个重要方向。不同种类的水处理过程都可以用于食品工业。这些水处理系统又可以根据独特的去除操作分为四类，其中就包含了生物处理系统。采用生物技术目的就是利用好氧菌、厌氧菌与水形成混合液，减少废水中的有机物和悬浮物浓度。含氮或磷的可溶性和非可溶性的污染物和营养物质则被生物性降解，转化为有害性更小的化合物。
关键词：有氧代谢，厌氧代谢，BOD，COD，氧化，分离，废水
缩写：BOD 生化需氧量
COD 化学需氧量
3.1简单介绍食品工业中的废水生物处理：目标和条件
水资源是许多经济领域的主要问题。当然，在谈到食品/饮料生产线和包装线的供水时，可以看到这一问题的真实性。至少由于这个原因，中水回用技术正变得越来越受重视和有前途：一般来说，从加工厂排出的水可以通过创新和先进的处理方法进行回用。
然而，最终的目标可以通过不同策略的手段，取决于污染物的定量估算、理化特性和特性的变异性。在这些基础上，现在可以为食品工业提供不同的系统。无论如何，正确的策略必须在对初始废水进行化学和生物试验的基础上决定；水的最终使用也是至关重要的。此外，当谈到来自食品工业的废水以供随后的非食品再利用时，可以使用不同的化学系统。由于存在不同种类的抗药性污染物，许多处理往往需要一个初步吸附阶段。
第二章简要地提到了为减少废水而设计的技术与能够降低现有废水污染水平的方法/程序之间的初步区别。这一区别必须作为废水相关处理的初步概念或操作定义加以考虑[1]。第一类涉及防止现有废水增加的预防措施。有趣的是，这些处理方法可以很容易地在几乎所有可能的食品/饮料工厂进行，而不受尺寸限制[1]。第二类“废水修复”系统可根据处理液和废水最终目的地进一步细分为两个不同的类别。废水的目的地决定了最佳的处理方法，这也取决于处理前液体的特殊化学-物理和生物特性。
从总体上看，食品废水可以按化学需氧量（COD）和生化需氧量（BOD）两个不同的指标进行分类。因此，废水的输入数据通常表示为BOD和COD值，而输出生成的数据（处理前“修复”水的BOD和COD值）也是如此。最佳修复处理方法的选择应考虑进入废水的COD和BOD值、期望的去除水平、工厂成本和期望的BOD水平以及流出水的COD值[1]。
此外，还有一个简单的分类，根据所需的总清除量，将所有过程细分为三个基本类别（第2节）：
（1）主要过程。这些系统基本上是从废水中分离悬浮固体。目标应是具有显著有机物和显著BOD值的废水。
（2）二级处理。这些程序旨在减少初级工艺废水中的有机负荷和剩余悬浮物。因此，废水的平均BOD值应相对较低（不超过30 mg/l），在谈到悬浮固体时，应获得类似的性能。一般来说，二级处理是基于污染物的生物活性和降解。
（3）三级或高级处理（针对高标准废水）。
生物修复系统实质上是二次过程[2，3]：生物系统和其他策略的主要区别在于第一种情况下微生物对污染物的降解。以氮和/或磷为基础的可溶性和非可溶性污染物和营养物质被生物降解并转化为不同的、危害较小的化合物。本章仅对生物基废水修复系统进行简要说明。因此，此处不考虑物理-化学和机械技术
本章仅对生物基废水修复系统进行简要说明。因此，这里不考虑物理-化学和机械技术。
3.2初步清除油和固体
基本上，废水的生物修复包括使用含有一组特定活性生命形式的生物反应器。这些活性微生物可以悬浮在培养基中或附着在物理载体上[1]。总之，进入生物反应器的废水生物活性的结果是通过好氧或厌氧代谢从污染物生物转化产生二氧化碳和其他分解物。
然而，这样一个（或多个）过程的正确性取决于进入废水的“质量”。因此，进入生物反应器的液体越轻，废水质量越好（就BOD值、pH值、无特定污染物而言，不包括应在后续步骤中消除的活微生物）。因此，需要一个初步或“初级”步骤以便与水相比，去除粘性太大或流变不相容的物质：这些材料确实会干扰过程[4]。一般来说，这些物质是油和油脂[5]：例如，良好的技术处理是通过沉淀或过滤系统来实现的（第5节）（2.2.1和2.2.4），但也可以进行其他分离处理。其目的是消除总悬浮固体的50%或更多，以及超过60%的油和油脂，从而在五个测试日后降低BOD值。这种处理不能去除胶体和溶解的化合物，而氮磷相关的有机分子和重金属可以显著减少。
经过一级处理后，进入的废水必须经过生物修复后变成一个水质良好的水体。在这一步骤中基本上使用了好氧和厌氧微生物，相关过程也以同样的方式命名，尽管也可以使用“混合”过程，并且在某些情况下效果显著。
3.3有氧处理
这些系统因其效率和相关结果而广为人知：需氧活性的最终产物对应于无机分子，基本上是二氧化碳和水，同时伴随着活微生物的增加[5]。
这种简单的描述并不能表达一般有氧治疗的所有可能变化。必须考虑几个变量，包括：
（a）不同的供氧技术。
（b）有氧代谢的不同速度（换句话说，微生物扩散到生物反应器的速度）。
（c）生物反应器的尺寸和伴随的（反比）活性好氧微生物的数量。在“小”反应堆中进行高速处理，但有大量的活性生命形式。
在此基础上，目前已知并使用了三种不同的需氧处理方法[5]：
（1）活性污泥技术。这种不连续的系统基本上是通过一个容器（生物反应器）来完成的，容器中的废水和微生物处于悬浮状态，并持续供应气态氧（存在曝气装置）。因此，废水的质量是可以接受的，而微生物则通过沉淀去除并部分循环用于另一个过程。
（2）生物过滤系统。这种方法是基于使用特殊的表面（石头，塑料材料，木材）浸渍活的微生物。由此产生的活性生物膜可以“作用”于连续或不连续供应的废水（也需要空气）。现有的水被澄清两次，第二次澄清应提供一个良好的水质（该废水的一部分也在工艺中循环使用）。
（3）旋转生物接触器。这项技术基于相同的生物滤池概念，但生物膜的支撑物是低速旋转的圆盘。
与预测结果相比，生物膜系统比活性污泥具有更好的性能。不过，这些系统不能去除氮，磷基分子和不可生物降解的化合物。一般来说，每升残留的化学物质（可以是杀虫剂、人工化学品、正常的生物分解物等）仍有70plusmn;30毫克[3]。出于这些原因，人们总是建议与非生物技术协同作用[5]。另外，还需要更剧烈的化学处理：氧化系统是这一领域中最著名的例子之一[3]。
在工艺结束时，必须通过简单的沉淀技术从废水中大致除去大量的活微生物。这种通常被称为生物污泥的物质可以通过添加在二级处理（在初级阶段）和后续处理（如果需要）之前获得的物质来重复利用[5]。
3.4厌氧处理
与好氧消化相比，厌氧处理基本上是基于有机污染物在缺氧情况下的生物分解，产生所谓的沼气（甲烷和二氧化碳）。在这个范围内，当谈到废水的厌氧消化时，有三种特殊的细菌类型被认为是有用的[6]：
（a） 发酵微生物。所涉及的发酵途径产生简单的有机分子，如醇类、二氧化碳和氨。
（b）乙酸细菌。这些革兰氏阴性生命形式可以将碳水化合物或乙醇转化为乙酸（副产品是分子氢和二氧化碳）。
（c）产甲烷微生物。这些极其重要的细菌将分子氢和二氧化碳转化为甲烷。或者，醋酸盐离子可以被代谢而不是二氧化碳。
因此，厌氧处理应被视为一个三阶段的过程：第三阶段产生大量的最终还原产物（甲烷），而第一阶段由于明显缺乏二氧化碳（或乙酸盐）和分子氢而需要进行。由于相关工艺的复杂性，目前存在不同的解决方案，包括采用以下技术的高速反应器：流化床、厌氧滤池和上流式厌氧污泥床工艺[6]。
厌氧处理与好氧处理相比，其成功的原因显然与不溶性污染物在高温、高浓度下的显著转化性能有关。在谈到可溶性污染物时，通常建议采用好氧系统。另一方面，当谈到转化速度时，厌氧生命形式比好氧微生物需要更多的时间（低生长速度与低速度相关）。因此，厌氧处理需要在目标污染物和相关微生物之间留出较长的接触时间。此外，当谈到厌氧生命形式时，附着的生物活性微生物似乎比其他溶液更有效[6]。
3.5混合解决方案
由于好氧和厌氧系统的不同结果以及辅助处理的必要性，“纯”生物处理作为一个完整的修复过程并不存在。由于这些原因，不同的化学体系可能与生物策略相结合。
作为一个例子，这些解决“困难”废水的方法之一是将传统的生物消化与高级氧化技术和其他化学系统（如氯化）耦合起来[7，8]。有趣的是，在生物系统（作为预处理）之前，可以使用产生或更可生物降解的污染物的复杂化合物的氧化，并取得良好的效果。另一方面，先进的化学氧化工艺-臭氧氧化、芬顿辅助或光辅助膜工艺等可在生物处理后进行，目的是破坏不同环境中的持久性化合物（第三工艺），包括食品工业。然而，由于耦合策略中缺乏足够的毒理学和生物降解性方面的信息，目前还需要更多的研究；此外，还应仔细评估经济效率[7]。否则，至少在谈到食品工业的再利用时，废水的管理可能是一个真正的问题。事实上，根据Parisi的食品降解定律[9]，食品已经被迫发生不可逆转的变化，在加工周期中引入可能受到污染的水可能会使安全持久的食品生产复杂化。
参考文献
[1]. Anonymous (1997) Wastewater reduction and recycling in food processing operations. State of the art report—Food manufacturing coalition for innovation and technology transfer.
R. J. Philips amp; Associates, Inc., Great Falls
[2]. Henze M, van Loosdrecht MCM, Ekama GA, Brdjanovic D (eds) (2008) Biological
wastewater treatment. Principles, modelling and design. The International Water Association
(IWA) Publishing, London
[3]. Munter R (2000) Industrial wastewater treatment. In: Lundin LC (ed) Water use and
management. Uppsala University, Uppsala
[4]. Hogetsu A, Ogino Y, Takemika T (2003) Technology transfer manual of industrial wastewater treatment, p. 107–110. Overseas Environmental Cooperation Center, Japan, Ministry of theEnvironment, Tokyo. Available https://www.env.go.jp/earth/coop/coop/document/male2_e/007.pdf. Accessed 29 Mar 2017
[5]. Pescod MD (1992) Wastewater treatment and use in agriculture—FAO Irrigation and DrainagePaper 95. Food and agriculture organization of the United Nations (FAO), Rome. Available
http://www.fao.org/docrep/t0551e/t0551e00.htm. Accessed 29 Mar 2017
[6]. Marchaim U (1992) Biogas processes for sustainable development—FAO Irrigation and
Drainage Paper 47. Food and agriculture organization of the United Nations (FA
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