果蔬汁加工废水处理工艺的研究进展
冯丽娟1，米源1，李建国2
（1. 济宁学院化学、化工与材料学院，山东济宁，273155
2. 金乡金得利食品有限公司，山东金乡，272200）
[摘 要]果蔬汁加工废水属于中高浓度有机废水，具有固体杂质多、有机物浓度高、水质水量变化大等特点。处理果蔬汁加工废水的关键核心技术在于厌氧消化，而厌氧-好氧联合处理工艺是一条经济有效的重要技术途径。目前国内关于果蔬汁废水处理的相关研究和工艺报道较少。本文主要对果蔬汁废水处理技术及工艺案例进行总结。
[关键词]果蔬汁废水；技术；工艺
Research
progress on waste water treatment of fruit and vegetable juice processing
Feng Jijuan, Mi Yuan, Li Jianguo
(School of Chemistry, Chemical Engineering and Materials, Jining
University, Qufu, Shandong, 273155, China)
Abstract: The juice processing wastewater belongs
to the medium and high concentration of organic wastewater with the
characteristics of high content solid impurities, high organic matter concentration,
and vast
changes in water quality and water volume. The core
treatment technology is anaerobic digestion, yet the combined process is an important technical way to solve the
wastewater treatment economically and effectively. At present, there are few
related research and process examples inside China. The author summarized the
fruit and vegetable juice wastewater treatment technologies and process cases.
Keywords: juice wastewater; technology;
process
近年来，人们的生活水平和养生意识不断提高，更加营养健康的果蔬汁饮料已逐步取代碳酸饮料深受人们的欢迎。水果中含有大量维生C，口感风味佳，然而因其含糖量高使得许多人望而却步。20世纪90年代开始，果蔬汁行业在我国持续快速的发展，蔬菜如南瓜、胡萝卜、番茄、冬瓜和芦荟等和水果加工而成的果蔬汁饮料不仅含有丰富的维生素、矿物质和膳食纤维等对人体有益的成分，而且低糖、绿色、健康，符合各类消费群体[1]。随之而来的果蔬汁行业废水带来的环境污染问题也日益突出。因浓缩果蔬汁废水属于中高浓度有机废水，具有固体杂质多、有机物浓度高、水质水量变化大等特点，废水的排出对环境造成了恶劣影响。然而一直以来人们都认为果蔬汁废水来自可食用水果和蔬菜，属低污染易降解的有机废水，对果蔬汁废水污染问题的研究较晚，国内外的报道相对较少。因此，本文主要对果蔬汁废水的处理技术及主要工艺案例进行总结。
1.
果蔬汁的加工过程产废水环节及废水特点
图1.果蔬汁生产工艺产废水环节
果蔬汁加工的废水来源主要为清洗原料废水，清洗设备废水及地面清洗废水等生活污水（图1）。其中含有大量果蔬肉、果蔬皮屑、果胶和果蔬纤维等物质，固体悬浮物(SS)含量较高。较高的有机物浓度使废水中化学需氧量(COD)值较大，果胶的存在使废水的黏性增大，果汁中还含有大量的果酸又使废水pH较低。另外，受水果蔬菜成熟季节的影响，果蔬汁加工一般在每年的7-12月份，因此排水具有间歇性和周期性的特点[2]。总之，该类废水的主要特点为：高SS，高COD，低pH 及水质水量变化大。
2.
果蔬汁废水处理技术
根据果蔬汁废水的特点，目前国内外的主要技术方法是物化法和生化法。
2.1 物化法
2.1.1 过滤
使用格栅和滤网等过滤装置，将果蔬汁废水中较大的悬浮物，如蔬菜残渣、果蔬皮及果壳渣等过滤去除，大大降低了SS值，减少后续单元的处理负荷。通常作为废水处理工艺的预处理单元。
2.1.2沉淀法
主要为自然沉淀法，利用固体悬浮物自身的重力进行沉淀，一部分的色素和胶体物质会附着在上面一起被去除。另外，废水在沉淀过程中也可以使用混凝法更有效地去除污染物。加入化学药剂如碱式PAC（聚合氯化铝）和PAM（聚丙烯酰胺），将一些粒径较小的悬浮物和部分有机物凝聚沉淀下来[3]。通过实验优选的混凝剂种类和最佳投加量下还可以进一步去除有机物，为下一步的生物处理法提供更好的条件[4]。沉淀法通常作为处理工艺的一级处理。
在沉淀过程中，会出现浮渣和气泡，可以使用气浮法将其去除。在水底部通入大量空气，使用气浮设备转化为细微气泡，附着在悬浮物上，携带颗粒物上浮至水面，达到固液分离。通常用作生化处理的后处理单元。
过滤出的蔬果残渣具有生物吸附性能，经烘干研磨加工或添加磁性物质进行改性，可以用作生物吸附剂来处理染料废水或重金属废水，实现废物再利用[5]。
2.1.3水解酸化法
水解酸化是厌氧生物法的前期阶段，通常情况下，果蔬汁废水水解的目的是将废水中不溶性大分子有机物转变为易溶性小分子有机物，从而提高废水的可生化性[6]。酸化是在有机化合物的生物降解过程中，可溶性有机物转化为脂肪酸为主的有机物。
2.2 生化法
只使用物化法处理果蔬汁废水无法达到排放标准。根据果蔬汁废水的可生化性较好的特点（BOD5/COD=0.4~0.6），国内外普遍采用生化法来进一步处理。果蔬汁废水生化法处理是指利用微生物的生命活动过程对废水中的有机物进行消耗转化和转移，从而使废水得到净化的方法[7]。与物化法等技术相比，生化法具有成本低、效率高以及无二次污染等优点。因此，生化法成为去除果蔬汁废水有机污染物的主要方法。生化法分为好氧生物法和厌氧生物法。其中，关键技术为厌氧法。通常经厌氧工艺消化后的废水的COD降解到一定程度，再经好氧生物进一步降解，就可以使废水达到排放标准。
2.2.1 厌氧生物法
厌氧生物法技术有升流式厌氧污泥床、厌氧折流板反应法、序列间歇式活性污泥法、循环性活性污泥法及内循环厌氧反应法等。
① 升流式厌氧污泥床
简称UASB反应器，底部进水，废水通过布水系统向上通过含有颗粒污泥和絮状污泥的污泥床，在废水和污泥接触的过程中发生厌氧反应，反应生成的二氧化碳和甲烷气体携带着部分污泥向反应器顶部上升，经三相分离器分离，气体进入集气室，污泥经过分离器缝隙进入沉淀区。向下沉淀的污泥和废水中的有机物继续反应形成内部循环[6]。
②厌氧折流板反应器
简称ABR反应器，该反应器由多个垂直折流板将反应器分割成多个隔室，隔室之间串联运行[7]。根据使用的情况，可以对ABR反应器的结构进行改造，以此提高处理效率。
③序列间歇式活性污泥法
简称SBR，是按间歇曝气方式运行的活性污泥处理废水技术。其核心是SBR反应池，该池集均化、初沉、生物降解、二沉等功能于一池，不设置沉淀池，无污泥回流系统。此法适用于建设面积小、间歇排放和水流量变化较大的情况[8]。近年来SBR处理废水具有技术简单、造价低等特点越来越受到关注，其原理为在反应池中，按时间顺序由进水、曝气、沉淀、排水四个基本步骤组成的活性污泥污水处理方法。
④循环性活性污泥法
又称CASS，亦称CAST。基本结构是将SBR的反应池沿长度方向分成两部分，第一部分为预反应区，能有效控制污泥膨胀；第二部分为主反应区。其后部安装可升降的SBR关键技术的滗水装置，通过计算机控制系统实现连续进水、间歇排水的周期循环运行，废水以推流方式运行，具有集曝气、沉淀、排水等功能，其投资运行费用低，还具有脱氮除磷的功能[4]。
⑤内循环厌氧反应法
又称IC，可看作由两层UASB反应器串联而成[6]。废水在IC反应器底部进入，自下而上流动，污染物被细菌吸附并降解，净化过的水从上部流出。相比较于单个USAB反应器，IC反应器实现了内循环，需要外部动力较低，给微生物提供良好的生长环境，有较强的耐冲击负荷能力，系统较稳定。
2.2.2 好氧生物法
好氧生化法主要有活性污泥法、曝气氧化法和生物膜法等。
① 活性污泥法
主要是将废水与活性污泥混合搅拌并曝气，活性污泥中含有大量的好氧微生物，可以分解在废水中捕食废水中的有机污染物进行消耗转化，并完成自身的新陈代谢，以降低COD值，携带者微生物的活性污泥随后从处理完成的废水中沉淀分离[9]。
②曝气氧化法
利用机械式或扩散式曝气器提供氧气的一种新型氧化法。分为好氧性曝气氧化池和兼性曝气氧化池。和普通的氧化池相比，微生物所处的环境氧气含量高，更有利于新陈代谢，进而可以提高处理废水的效率。
③生物膜法
生物膜是通过负载在载体（滤料）表面的高度密集的微生物（厌氧菌、好氧菌、兼性菌、真菌、原生动物以及藻类等组成的生态系统）代谢繁殖形成的一层固定膜，自载体向外可分为厌氧层、好氧层、附着水层、水层。膜中的微生物吸附废水中的有机物维持自身的生长繁殖的同时，达到降解有机物的目的，使废水达标[10]。
④PVA生物法
PVA是指直径约为5mm，组成为聚乙烯醇酯，密度略大于水，具有多孔微结构的凝胶球。PVA凝胶球可以承担较高的容积负荷，有利于果蔬汁的高效降解。废水中的有机物被附着在PVA结构中的微生物所捕获并消耗，达到降低COD值的目的。
3.
果汁废水处理组合工艺及案例
3.1 微滤+絮凝+UASB厌氧+生物膜工艺
河南某果汁厂主要以苹果为原料生产浓缩果汁，该果汁生产废水是由酸、碱、消毒剂和高分子有机物组成的高浓度有机废水[6]。果汁废水经机械格栅、转鼓微滤机、初沉池固液分离后向水中加入絮凝剂和石灰，去除悬浮物的同时调节pH，经二级提升泵脉冲布水器进入UASB厌氧反应器，反应的出水流入生物接触氧化池。接触氧化池装填填料形成生物膜，对废水进行氧化分解后，在二沉池分离澄清后达标。
3.2 采用气浮+ABR膜法厌氧+接触氧化工艺
青岛某饮料公司首先采用格栅气浮除去大的漂浮物和悬浮物等杂质,调节完水质、水量后进入中和池进行中和，接着进入ABR膜法厌氧池废水将难降解的物质降解为易降解的物质,分解大分子物质, 后进入接触氧化池进一步分解,最后进入清水池进行回用或达标排放[11]。
三门峡缘份果业有限公司则将微滤初沉作为预处理，气浮设备安装在二沉池的后面，主要是为了进一步去除污水中的有机物、悬浮物以及脱落的生物膜[12]。此法可去除98%以上的有机物。
3.3采用IC+UASB+接触氧化工艺
某浓缩果汁加工有限公司废水采用内循环 (IC)反应器，一级厌氧出水利用高度差，直接流入二级厌氧反应器-UASB进行深度处理，二级出水溢流到接触氧化池[13]。采取二沉池污泥回流回收，起到了菌胶团形成生物膜所需凝结核作用，有利于挂膜。
3.4 采用微滤+酸化+厌氧+好氧生化工艺
宜昌某公司主要以桔子为原料加工生产浓缩果汁，采用微滤除渣+酸化沉淀+厌氧+好氧生化+二沉处理工艺,增加的酸化沉淀池将废水中难生物降解物质转变为易生物降解物质，提高了后续厌、好氧过程对有机物的去除率，也保证了后续系统稳定的运行[14]。
某芦荟果汁饮料厂生产废水采用格栅拦截后调节水质水量，进入水解酸化池提高可生化性后流入生物接触氧化池，以生物膜法工艺处理SS、COD、BOD5的去除率分别达到83.4%、93.1%、92.7%[15]。
3.5 酵母菌+好氧处理工艺
利用酵母菌工艺不但能处理废水，还可以回收一定量的单细胞蛋白，实现废水资源化利用。西北农林科技大学利用酵母菌对陕西省某果汁厂浓缩苹果汁废水进行好氧生化降解，先对废水进行调节pH，增加N、P营养元素等预处理过程，产朊假丝酵母废水经酵母反应器处理后，接好氧废水处理工艺，最终废水COD去除率达94%。励飞等[16]通过富集培养了一株热带假丝酵母，经试验对比，在一些条件下比产朊假丝的COD去除效果更佳。
3.6 PVA生物处理工艺
张亦鸣等通过对泾阳某果汁厂的果汁废水进行试验，采取凝胶槽+污泥减容槽+沉淀槽的处理工艺，其中凝胶槽设有防止PVA凝胶球流失的格栅，实验证明PVA凝胶槽的表面及内部可以富集大量微生物，有效增加了对高浓度果汁废水的处理效果。PVA生物处理工艺对果汁废水的CODCr和BOD5平均去除率分别为89.82%和90.93%，此外总氮和总磷的去除率也均在75%以上[17]。PVA处理工艺明显的优点为剩余污泥产生量少。
4.
结论
目前，对果蔬汁加工废水一般选取两种或者两种以上的、物化与生化相结合的工艺处理，已取得了一定进步，但仍存有一些问题，如能源消耗大、处理效果不稳定等。因此，未来需要在现代科技的基础上，更加深化对果蔬汁加工废水处理的研究，推动更多更有效地处理方法在实际行业中应用。
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