制糖行业废水污染物产排特征及影响因素分析

李婵媛 侯峥

*1 常胜2 孙泽萍1 杨国权3 华素兰3 徐美娟4

（1. 国家级昆明经济技术开发区管理委员会 昆明市生态环境局经开分局，云南昆明 650501；
2. 安徽省交通勘察设计院有限公司，安徽合肥 230011；
3. 宜兴市禄源项目管理有限公司，江苏无锡 214200；
4. 浙大宁波理工学院，浙江宁波 315100）

食糖不仅在人们的日常生活中必不可少，还是重要的轻工业原料，在国民经济中占有重要地位［1］。在国际市场上，我国既是食糖生产和消费大国，也是主要的食糖进口国家［2］，在GB/T 4754—2017《国民经济行业分类》中，制糖属于“13 农副食品”加工业中的“1340 制糖业”［3］。据统计，我国在2020 年累计产糖1 031.04 万t，位居世界第四，仅次于巴西、欧盟和印度［4］。制糖业废水中通常含有碳水化合物、营养物质、油脂、氯化物、硫酸盐、重金属等污染物，这些污染物一部分属于生产过后残余的原料，另一部分则来自用于杂质的凝聚和最终产品的提炼所添加的化学药品［5］。受生产工艺和管理水平影响，制糖废水中的化学需氧量、氨氮、总氮、总磷等常规性污染物浓度较高，排入水体后会影响水生态环境质量，其中，对如何有效去除化学需氧量面临严峻考验［6］。近年来，我国环境污染防治力度加大，各类环保政策及要求相继出台。《中华人民共和国环境保护法》要求企业采用资源利用率高、污染物排放量少的工艺和设备，采用废物综合利用技术和污染物无害化处理技术，以减少污染物的产生［7］；
废水方面，《水污染防治行动计划》中要求专项整治包括农副食品加工等十大重点行业，实施清洁化改造［8］；
此外，水污染防治已被纳入我国污染防治攻坚战的三大领域之一［9-10］。我国的制糖废水处理工艺、相关政策制定起步较晚，缺乏对制糖工业的废水排放标准及相关参数的研究［11］，废水污染已成为制约我国制糖行业发展的关键因素。因此，研究我国制糖行业废水的产排特征及主要影响因素具有重要意义。

本研究对全国主要产糖区140 余家制糖企业的产品、原料、规模、工艺及污染物产生、排放和污染治理技术等相关信息开展了调研与监测，基于我国制糖废水的基本情况和相关排放标准，从地理分布、制糖原材料、企业规模、治理技术等层面分析了我国制糖废水排放水平和主要影响因素，以期为未来制糖行业的水污染防治和相关部门的管理提供技术支持。

我国的糖产量呈现明显的区域性分布，其中，以甘蔗糖为原料的南方糖产区（广西、云南、广东等）的产糖量远高于以甜菜糖为原料的北方糖产区（新疆、内蒙古等）。2019/2020 榨季，甘蔗制糖的产糖比例占全国的86%以上，其中广西产糖量最大，占全国产糖量的58.44%；
其次为云南，产糖量占比为20.06%。同期，甜菜制糖产糖量占全国产糖量的9.91%，新疆和内蒙古甜菜制糖产糖量占比分别为5.25%和4.66%。

我国制糖行业废水排放主要执行GB 21909—2008《制糖工业水污染物排放标准》，在此基础上，广西率先制定和执行了DB 451893—2013《甘蔗制糖工业水污染物排放标准》。国家和地方两级标准中，典型废水污染物排放限值对比见表1。广西制糖原料为甘蔗，作为全国最大的产糖基地，广西的地方标准相对于国家标准更加严格，除总磷外，其他指标值均低于国家标准，废水污染控制在行业内处于领先水平。

表1 国家制糖工业水污染物排放标准与广西地方制糖标准对比 mg/L

基于对GB 21909—2008《制糖工业水污染物排放标准》和DB 451893—2013《甘蔗制糖工业水污染物排放标准》的比较与分析，选取6 种典型污染物指标（SS，BOD，COD，NH3-N，TN，TP）对我国不同地区制糖企业废水污染物产生及排放浓度进行梳理。结果表明，分别有60%和54%企业的NH3-N 及TN 的污染物产生浓度已经达到GB 21909—2008《制糖工业水污染物排放标准》的要求，处理后排放浓度远低于该标准。因此，本文以产生浓度高于排放标准的SS，BOD，COD 和TP 作为判断制糖废水排放水平的主要指标。另外，我国制糖行业的主要差异可以归纳为分布区域、原料以及产业规模，而废水处理技术也对最终废水排放是否达标起到至关重要的作用。因此，将上述4 个因素作为制糖废水排放水平的主要影响因素进一步进行分析。

3.1 地理位置影响

2019/2020 榨季主要产糖区制糖企业的SS，BOD，COD 和TP 4 种污染物的浓度均值与去除率如图1 所示。

图1 2019/2020 榨季我国主要地区制糖企业水污染物浓度均值和去除率

总体来看，虽然广西、云南、广东、新疆和内蒙古的主要4 种废水污染物排放浓度均值均低于GB 21909—2008《制糖工业水污染物排放标准》，然而，分布区域对污染物排放水平影响依然十分明显，南方地区污染物产生浓度远低于北方，除TP 以外，SS，BOD 和COD 的排放浓度均值由低到高依次为广西、云南、广东、新疆、内蒙古，由此可见，南方较北方的制糖废水中污染物排放浓度更低，其中，广西排放的废水污染水平最低。产生这一现象的原因一方面是制糖业具有较为明显的规模效应，制糖产业在南方地区的规模化和产业聚集效应使得其生产技术更为先进，污染物产生量较少；
另一方面则是由于地理位置所引起的自然条件差异，南方水资源充足，水循环次数少，污染物产排浓度较低。除此之外，政策的导向也起到重要作用，2015 年，广西发布了DB 45/T 1188—2015《甘蔗制糖行业清洁生产评价指标体系》及针对制糖行业的“三不允许和两不予”等标准、政策，严格的标准和政策的执行对制糖行业废水污染物减排形成倒逼作用。

对于TP 而言，排放浓度最低的是云南，其次是广西、新疆、广东和内蒙古，从总量上来看，区域差异对于TP 的排放影响并不明显，这主要是因为TP 的进水浓度不高，相较于其他污染物，受天气、原料品质等不确定因素影响更大。从污染物去除率的角度来看，虽然在进水侧新疆、内蒙古的污染物浓度远高于广西、云南、广东，但是最终的去除率却呈现相反的结果。这在一定程度上说明进水中的大部分污染物可以通过企业内部污水处理单元去除，地理位置的差异并不是影响制糖业废水排放的唯一因素。

3.2 原料和工艺影响

目前，我国甘蔗制糖的主要工艺为亚硫酸法，而甜菜制糖的工艺为碳酸法。因此，把原料和工艺一并分析，探讨其对单位产品污染物浓度的影响，结果如图2 所示。

图2 不同原料与对应生产工艺对污染物排放水平影响

不同原料对废水中单位产品污染物排放浓度有明显影响（见图2a）。甘蔗制糖的SS，BOD，COD 的单位产品污染物排放浓度分别为甜菜制糖的单位产品污染物排放浓度的1/6，1/11，1/10。从原料本身特点来讲，造成这一现象的主要原因有两点：（1）北方的甜菜生长在地下，需用水清洗其表面附带的泥土，此时土壤中大量污染物会随之进入废水中，而南方的甘蔗生长在地面上，没有太多泥土等杂物，无需清洗，无清洗废水产生；
（2）甜菜长时间储存导致部分腐烂，在极端的天气下还会造成生产期较长的企业出现甜菜烂垛的现象，在清洗时部分糖分进入水中导致废水中有机污染物浓度升高。制糖的生产过程（见图2b）为提汁、清净、蒸发、结晶、分蜜、干燥、成品，其中在压榨装备、热力方案、煮炼方案、分蜜等工段的自动化程度不高，我国节能减排措施虽然在制糖生产过程中逐年加大力度，但效果并不明显，而巴西和墨西哥等国已经在自动化制糖工艺方面显著提高效率，同时有效降碳［12］。不同原料对应的生产工艺为石灰法和亚硫酸法，两种工艺的主要差异在杂质沉淀工艺环节，石灰法是通过多次在CO2气氛下循环的方式完成沉淀，而亚硫酸法则主要依靠分步添加SO2［13］。在以甜菜为原料制糖的过程中，随着时间的推移，甜菜制糖的流送水多次循环后，COD 的浓度也逐渐累积升高，这导致了甜菜制糖废水污染物浓度高于甘蔗制糖。但相比于亚硫酸法，石灰法具有产品品质高、无毒副产物等特点，是优质的生产工艺［14］，因此，降低废水排放水平仍应着力于对现有工艺的改进和创新，协调工艺技术特性与废水减排的需求。

3.3 产业规模影响

参照相关规定，将甘蔗制糖生产规模分为5 000 t/d 以下和5 000 t/d 以上，甜菜制糖生产规模分为3 000 t/d 以下和3 000 t/d 以上［12］。生产规模与制糖废水单位产品污染物排放浓度的关系如图3所示。

图3 生产规模对制糖废水单位产品污染物排放浓度影响

甘蔗制糖生产规模5 000 t/d 以下企业4 种污染物的单位产品污染物排放浓度均值全部大于规模5 000 t/d 以上的制糖企业，甜菜制糖3 000 t/d 以下企业4 种污染物的单位产品污染物排放浓度均值也全部大于规模3 000 t/d 以上的制糖企业。结果表明，生产规模越大，制糖企业的单位产品污染物排放浓度越低，制糖行业的规模化有助于污水排放浓度降低。从末端治理来看，大型的企业集群往往可以获得更高的利润，相应的污水治理投入也更多；
从生产工艺来看，生产的规模化有助于较为优秀的人才和先进技术的引进，可提高资源利用水平，并有效减少生产工艺环节所产生的污染。除此之外，不同规模的企业TP 排放水平并未出现明显差异，这说明规模化所引起的TP 减排效果存在明显的边际效应，TP 受其影响不大。由上述分析可知，我国制糖行业的潜在减排空间主要在于规模较小的制糖企业，规模化、大型化是行业未来的发展方向。

3.4 废水处理技术影响

制糖工业中一级处理包括过滤、沉淀等步骤，由于制糖工业废水中含有大量易降解的糖类和挥发性脂肪酸，因此适用所有的生物（厌氧和好氧）处理工艺，所以二级处理通常选用生物法［13-14］。数据分析表明，甘蔗制糖废水的末端治理技术主要为水解酸化＋活性污泥法、活性污泥法、周期循环式活性污泥法3种处理工艺。甜菜制糖废水主要采用水解酸化＋活性污泥法、上流式厌氧污泥床＋活性污泥法。

利用各污染物的去除率分析不同的末端治理技术对制糖废水污染物去除率的影响，结果如图4 所示。

图4 不同的末端治理技术对制糖废水污染物去除率的影响

由图4 可以看出，不同的废水处理技术对废水中的污染物去除效果各有优劣。为了消除原料不同带来的影响，分别对甘蔗和甜菜制糖的末端治理技术进行分析。从图4a 可以看出，除TP 外，甘蔗制糖废水处理的3 种主流工艺对SS，BOD，COD 的去除效果最好的是周期循环式活性污泥法，去除率分别为88.86%，97.74%，96.65%，其次是水解酸化＋活性污泥法，去除率分别为87.51%，93.63%，90.69%，最差的是活性污泥法，去除率分别为86.69%，86.73%，87.72%。通过图4b 中甜菜制糖的2 种末端治理技术的对比发现，上流式厌氧污泥床＋活性污泥法比水解酸化＋活性污泥法对废水中污染物的去除效果更好，前者的SS，BOD，COD 的去除率分别为85.88%，98.70%，97.49%。从总体上看，不同种技术均能对制糖行业废水实现达标处理，其中，SS 的处理效果并没有明显差异，这说明上述5 种常用技术均能对废水中的SS 进行有效沉淀；
而对于COD 和BOD，单独使用活性污泥法则无法达到较高的去除率，这可以归因于以好氧作用为主的活性污泥法无法适应制糖废水较高的污染物负荷，而由于周期性循环污泥法和上流式厌氧污泥床等技术具有一定的厌氧处理过程，在降低制糖废水的治理中占有优势；
不同工艺对于TP 的处理效果差别很大，带有水解酸化环节的技术对TP 的去除率更高，而水解酸化的主要作用是对蛋白质、长碳链碳水化合物的分解作用［15］，说明水解酸化对于TP 的促进作用是为后续工艺中的生物除磷提供稳定且可利用的底物。

值得注意的是，制糖行业废水末端处理技术实际上是针对营养的去除。然而，营养对农业生产至关重要，具有很高的经济价值。我国许多地区正面临着有机碳、氮、磷的巨大失衡，其中，磷一直是我国乃至世界的重要战略型资源［16］。形成氮、磷循环的闭环将成为未来几十年的主要挑战，从严格的末端处理到资源化导向的技术多样化是实现区域内营养平衡的有效手段，而不是以高昂的治理费用通过末端处理工艺消耗和破坏有价值的营养物质。

我国制糖业中，糖类产品原料（如甘蔗）需要消耗大量水资源去种植作物，而在排放末端这些水耗又转化成为难以处理的废水，同时，在不同的预处理和生产配置下，由于化学助剂进入制糖工艺的水循环中，大量的废水和较高的污染负荷是制糖废水处理中无法避免的难题。因此，降低生产水耗和生产工艺升级是我国制糖业废水减排的2 项可行性策略。在节水降耗方面，由于原料本身携带有充足的水分，具备补充生产用水的潜力，例如对废水清污分流后，清水经软化后作为蒸发结晶、浓缩提纯等工艺用水进行循环使用，实现近零取水等措施，提高水资源利用率，从源头削减末端废水排放量［17］；
在生产工艺升级方面，可以借鉴发达国家膜法制糖和生物澄清等先进技术［18-19］，减少化学品的投加，提高原料的转化率，在降低污染物排放的同时增加经济效益。

在节能方面，通过节能提高糖厂经济效益的潜力还很大［20］。欧美国家的甜菜糖厂和精炼糖厂的降碳技术比较先进，其中丹麦DDS 标煤耗对甜菜比约为3%；
德国BMA 公司在20 世纪90 年代的汽耗对甜菜比已降低到25%～32%。在炼糖方面，欧美国家加工1 t 原糖耗能（3.5～4.2）×106kJ，为0.12～0.14吨标煤。因此，我国在制糖的废水处理技术、工艺节能降碳、降低经济成本等方面仍存在较大的提升空间，合理制定深度处理工艺、精细化制定废水排放政策将是未来我国制糖行业需要进一步发展和推广的主要方面。

除此之外，废水资源化也应引起重视。在制糖行业，对于固体废物的再利用技术已经有了广泛应用，如甘蔗渣造纸、压泥制乙醇等［21］。制糖废水完全可以利用其营养物质丰富的特点作为农田的灌溉用水，当然，为了避免废水中的化学药品所造成的土壤盐碱化和重金属沉积带来的环境问题，上述设想必须依托于清污分流和生产工艺的升级。另外，生产废液也可以同废渣一样，作为底物生产的生物能源，以提高经济效益并降低碳排放，如废液生物制氢、制生物柴油等技术在国际领域已经开展过研究［22］。

（1）甘蔗制糖的产糖比例占全国的86%以上，其中广西产糖量最大，占全国产糖量的58.44%；
南方制糖原料为甘蔗，废水污染物产生和排放水平普遍低于以甘蔗为原材料的北方，另外，南方部分地区严于国标的排放标准和管理政策的执行对制糖行业的污水减排产生倒逼作用。

（2）制糖行业废水污染物排放强度随着生产规模的增加而降低，生产的规模化带来较高的污水治理投入和先进的工艺技术，有助于减少污染物排放；
我国制糖行业的潜在减排空间主要在于规模较小的企业，规模化、大型化和全过程减排是未来的发展方向。

（3）不同技术对于SS 的处理效果并没有明显差异，而对于COD 和BOD，单独使用活性污泥法则无法达到较高的去除率，需要增加厌氧过程；
带有水解酸化环节的技术对TP 的去除率更高。相比于末端治理，降低生产水耗和升级生产工艺是我国制糖业废水减排的2 项可行性策略。