果汁废水处理技术的研究进展

果汁加工废水属于高浓度有机废水，具有固体杂质多、有机物浓度高、水质水量变化大等特点。相对于酒精废水、淀粉废水、印染废水、造纸废水等其他高浓度有机废水，对果汁废水的处理技术的研究有些滞后。目前国内外关于果汁废水处理的相关研究和工程实例报道较少。作者主要对果汁废水处理工艺进行系统的总结。
[中图分类号]X703.1[文献标识码]A[文章编号]1005-829X(2010)11-0005-04
近年来，随着人们健康意识的增强，世界饮料市场中碳酸饮料的增长开始减缓，果汁类饮料则以其天然、健康的特性而逐步受到人们的青睐〔1〕。在果汁生产过程中需使用大量新鲜水，同时也产生了大量的生产废水，其使用的新鲜水量与产品量之比约为6∶1，而每加工1 t原材料，还会产生3.8～10.5 m3的废水〔2-3〕。浓缩果汁废水属于高浓度有机废水，具有固体杂质多、有机物浓度高、水质水量变化大等特点，果汁废水的排放对环境造成的污染已成为突出问题。果汁加工是近10年来发展起来的新兴产业，一直以来人们普遍认为果汁废水来自可食用水果，属低污染易降解的有机废水，因而对果汁废水污染问题的研究较晚，国内外对其处理技术报道相对较少。因此，笔者主要对果汁废水的处理现状及所用处理工艺进行系统总结。
1.果汁废水的特点及污染问题
1.1果汁废水的特点
果汁废水属于高浓度有机废水，水质水量变化大，其特点〔4-6〕：
(1)有机物浓度高，CODCr>6 000 mg/L，BOD5>4 000 mg/L。
(2)含有果胶等胶体，废水黏性大。
(3)含有大量的果渣、果肉、果屑等物质，一般情况下SS>4 000 mg/L。
(4)由于加工品种及产量经常变化，导致废水排放不均匀、水质水量变化大，其中COD变化可达2 000～3 000 mg/L，SS变化可达1 000～2 000 mg/L。
(5)B/C为0.5～0.6，可生化性强。
(6)果汁废水中含有大量果酸，因此pH较低，最低时可达4.0左右。
(7)营养成分单一，C/N较高，缺乏氮、磷元素。
(8)水温为20～25℃。
(9)受苹果收购季节的影响，果汁加工一般在7～12月份，其余阶段处于停产或深加工状态，这段时间果汁废水量很小，几乎不排放废水。
1.2果汁废水的污染问题
浓缩果汁生产企业在为国民经济做出巨大贡献的同时，也带来了严重的环境污染，特别是废水污染问题尤为突出，浓缩果汁生产工艺主要包括：水果清洗、榨汁、灭菌、脱胶、超滤、浓缩、灭菌、无菌罐装等。果汁废水一部分来源于冲洗水果、粉碎、榨汁等工序，大部分来自罐装工段的洗瓶、灭菌、破瓶损耗、地面冲洗、树脂再生及漂洗水等环节。不同工艺阶段的废水具有不同的特点，即使在同一阶段，废水水质也因产品不同而差异较大。由于果汁生产废水的高有机负荷及酸碱浓度变化使水体内生态系统结构受损，使鱼虾的摄食、生长受到严重影响，甚至使鱼虾中毒、发生疾病或死亡的事件频频发生，对周边的作物产量和品质都造成严重的影响〔2〕。
2.果汁废水处理现状
果汁废水属于高浓度有机废水，用常规的废水处理方法难以使其达标排放或超出经济承受能力。目前多采用以生化为主、生化与物化相结合的工艺处理果汁废水，另外还有新的处理方法和工艺优化组合正在试验研究，并取得了理想的成效，不久将应用于实际中〔7〕。由于果汁废水中污染物浓度较高，常采用厌氧和好氧的组合工艺，如水解酸化—接触氧化、UASB—接触氧化、水解酸化—UASB—接触氧化等。
2.1常用果汁废水处理技术
为解决果汁废水的污染问题，国内外己将许多先进的生物处理技术应用于果汁废水的处理中，如升流式厌氧污泥反应器(UASB)，升流式厌氧生物滤池，中温、高温厌氧过滤器，生物转盘反应器(RBC)等先进的生化处理系统，并取得了显著的成果〔8-9〕。
2.1.1 UASB工艺
UASB主要由反应器、三相分离器和配水系统组成，其工作原理是污水尽可能被均匀地引入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。
U.A.Hauan等〔10〕采用厌氧消化系统处理果汁废水，整个处理流程由1个粗滤系统(去除果皮、砂子等沉淀物)、2个缓冲池(调节pH、氮、磷等营养物)、1个升流式污泥床反应器及1个好氧池组成。在UASB中，梭状芽胞杆菌、芽胞杆菌、葡萄球菌等微生物能将废水中的有机污染物降解为甲烷及二氧化碳气体，使废水得到净化。经厌氧消化处理后，果汁废水的COD降低到一定浓度，再经好氧池进一步降解后可以达标。系统中UASB的COD有机负荷为10～17 kg/(m.3d)，COD去除率达到80%～90%。
E.E.Ozbas等〔11〕采用UASB+SBR工艺对果汁废水进行试验研究，结果表明：UASB的COD容积负荷为5 kg/(m.3d)，COD去除率>90%；SBR的HTR为12 h，COD去除率>90%。
周焕祥等〔12〕采用UASB—接触氧化工艺对果汁废水进行处理，研究结果表明，该工艺对CODCr、BOD5、SS、NH3-N均有较高的去除率，出水水质达到《污水综合排放标准》(GB 8978—1996)一级标准。刘子俊〔13〕采用UASB和EIC+接触氧化工艺处理果汁废水，处理后出水COD、SS、NH3-N、BOD5、TP分别达到58、16、2.65、13.5、0.20 mg/L，均低于《污水综合排放标准》(GB 8978—1996)中的一级标准。
2.1.2水解酸化—接触氧化工艺
水解酸化—接触氧化工艺是利用厌氧微生物及好氧微生物对有机污染物的不同氧化代谢机理，先将厌氧微生物控制在水解酸化的条件下，使难生物降解的高分子复杂有机底物转化为易生物降解的低分子简单有机物，从而改善和提高废水可生化性的功能，再经好氧工艺进一步处理，达到彻底降解有机废水的目的。该工艺在果汁废水处理中得到广泛的应用，是一种经济合理且适合我国国情的有效处理工艺。
张安龙等〔14〕采用水解酸化—生物接触氧化—砂滤工艺对陕西伊天果汁有限公司的排放废水进行处理，处理后的出水COD、BOD5、SS分别为115、22、58mg/L，pH为6～8，达到《污水综合排放标准》(GB8978—1996)中的二级标准。潘安济等〔15〕采用水解酸化—接触氧化工艺处理苹果汁加工废水，废水水量1 000 m3/d，进水CODCr 8 000 mg/L，BOD5 4 800 mg/L，SS 6 000 mg/L，pH为4～8，处理后出水达到《污水综合排放标准》(GB 8978—1996)中的二级标准。
2.1.3厌氧折流板反应器—接触氧化工艺
厌氧折流板反应器(ABR)在构造上类似于多个无三相分离器的UASB反应器的简单串联，其每一个反应室中的污泥可以颗粒化形式或絮状形式存在，废水进入反应室后沿导流板上下折流前进，依次通过每个反应室的污泥床，废水中有机物通过与微生物充分接触而得到去除。生物接触氧化池作为生物膜反应器的一种类型，是一种高效的生化处理构筑物。它是兼具了活性污泥法特点的生物膜法，综合了曝气池和生物滤池的优点，又避免了两者的缺点，并具有填料比表面积大、池内充氧条件良好、容积负荷较高、不需要污泥回流(也就不存在污泥膨胀问题)、运行管理简便等特点。
杨学朝等〔19〕采用ABR—接触氧化工艺处理某果业有限公司果汁废水，该公司果汁废水水量为1 500 m3/d，COD为4 500 mg/L，BOD为2 500 mg/L，SS为2 500 mg/L，pH为6～7。处理后出水COD为70 mg/L，BOD 10 mg/L，SS 55 mg/L，pH=8，达到《污水综合排放标准》(GB 8978—1996)一级排放标准。
运行结果表明，该工艺不仅能有效去除果汁废水中的有机物、悬浮物等，而且运行可靠，处理效果好。韩锋〔20〕采用ABR—接触氧化工艺对果汁废水进行处理，试验结果表明：在ABR温度为25～41℃、DO为0～0.1 mg/L、pH为6.5～7.5、HRT=24 h和生物接触氧化COD容积负荷为2 kg/(m3.d)、HRT=12 h条件下，该系统运行稳定，出水达到《污水综合排放标准》(GB 8978—1996)中一级排放标准。
2.2其他果汁废水处理工艺
2.2.1循环式活性污泥工艺
循环式活性污泥(CAST)工艺是一种废水处理的新工艺，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1个池子中进行。废水按一定周期和阶段进行处理，每一个循环都由充水/曝气、无进水/沉淀、滗水、闲置等阶段组成。
魏永等〔18〕采用CAST工艺对大连海升果业有限责任公司的果汁废水进行处理。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CAST池，经CAST池处理后的出水达到《辽宁省沿海地区污水直接排入海域标准》(DB 21—59—1989)中一级排放标准。
2.2.2水解酸化—SBR工艺
将水解酸化和SBR技术串联起来，既发挥了水解酸化对高浓度有机废水处理效果较好、抗冲击负荷的优点，又结合了SBR技术操作灵活的特点，对高浓度有机废水的处理具有良好的应用前景〔16〕。
郑志伟等〔17〕采用水解酸化—SBR工艺对浓缩果汁生产废水进行了处理，试验结果表明：当进水COD为3 500～5 000 mg/L，pH为6.5～7.5时，在水解酸化池HRT=8 h，SBR反应池MLSS质量浓度为3 500～4 000 mg/L，进水15 min，曝气7 h，沉淀1 h，出水15 min的条件下，出水COD去除率达到97%以上，SS去除率达93%以上。
3.结论
目前国内大部分果汁生产企业的果汁废水经处理后未能做到长期稳定达标。一些企业采用UASB技术和水解酸化技术处理生产废水，但UASB工艺运行时由于需要严格的管理技术，因此其操作难度大，并且废水中较高的SS容易造成布水系统堵塞，且堵塞后不易找到堵塞位置。水解酸化技术的预酸化作用虽然能很快降低进水的pH，但若调控不当，易造成后续反应器酸化，影响污泥沉降性能，并出现翻泥、跑泥现象，导致出水不达标。此外水解酸化工艺去除高浓度有机物的效果差，不能适应水质的急剧变化，且出水COD较高、pH低，需要进行调节后才能进好氧系统。HRT控制不当，容易影响后续处理工艺。
果汁废水中COD、SS浓度是确定生化法处理构筑物的关键因素。目前高浓度有机废水的最经济有效的处理方法是“厌氧+好氧"法，而厌氧的关键在于厌氧反应器的选择。