CN109626624A - 用于处理源自乳品加工的废水的方法 - Google Patents

用于处理源自乳品加工的废水的方法 Download PDF

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Abstract

一种处理源自乳品加工的废水的方法，包括或由以下步骤组成：(a)提供乳品加工业废水，其有机负荷主要由乳酸和脲构成；(b)将废水调节至碱性pH值，乳酸以乳酸盐沉淀；(c)将由此处理的废水进行第一次反渗透步骤，得到含有乳酸盐的第一截留物和不含乳酸盐的第一渗滤液；(d)将由此得到的第一渗滤液调节至酸性pH值；(e)将已经调节至酸性的渗滤液冷却至2至10℃的温度；(f)使冷却的第一渗滤液进行第二次反渗透，得到含有脲的第二截留物和实际上完全不含有机负荷的第二渗滤液；以及任选地，(g)将第二渗滤液循环回乳品加工过程。

Description

用于处理源自乳品加工的废水的方法
技术领域
本发明属于乳品工业领域并且涉及一种用于处理有机负荷污染的废水的方法。
背景技术
在许多工艺过程中，特别是在乳品工业中，由例如蒸发和膜处理产生工业废水，其具备500至1500COD的COD(化学需氧量)负荷，并因此必须排放至污水处理厂。
在技术方面分为机械(过滤)处理和微生物处理。为了提供全面现有技术的一个示例，参考WO 2015 181270 A1(WITT)和WO 2017 136296 A1(STIOPKIN)。
含有乳酸(通常：0.03至0.1重量％)和脲(通常：0.5至2.0mg/kg)的这类废水特别有问题，例如酸乳清生产的蒸汽冷凝物，因为在常规处理条件下，膜不能按需分离小分子如脲而使以这种方式处理的水可以再次使用。
考虑到水处理的成本超过2欧元/m3以及每天乳品工业会产生几千吨需要处理的工艺用水，非常明显的是存在巨大的经济压力寻找替代方法。
因此本发明的任务是尽可能简单并连续的清洁负载乳酸和脲并且COD大于等于500的废水至COD小于50，特别是小于10，使废水不被排放或工业处理，而是可以直接在乳品工业的工艺步骤中循环使用。
发明内容
本发明涉及一种处理源自乳品加工的废水的方法，包括或由以下步骤组成：
(a)提供乳品加工业废水，其有机负荷主要由乳酸和脲构成；
(b)将废水调节至碱性pH值，乳酸以乳酸盐沉淀；
(c)将由此处理的废水进行第一次反渗透步骤，得到含有乳酸盐的第一截留物和不含乳酸盐的第一渗滤液；
(d)将由此得到的第一渗滤液调节至酸性pH值；
(e)将已经调节至酸性的渗滤液冷却至2至10℃的温度；
(f)使冷却的第一渗滤液进行第二次反渗透，得到含有脲的第二截留物和实际上完全不含有机负荷的第二渗滤液；以及任选地，
(g)将第二渗滤液循环回乳品加工过程。
令人惊讶地发现上述方法完全解决了这一任务。为此，使用碱液将相应负荷的废水调节至碱性pH值，在该过程中乳酸盐沉淀。在第一次反渗透步骤中所述乳酸盐作为沉淀物分离，由此COD值已经降低至初始值的约一半。通过加入无机酸将仍然含有脲的渗滤液调节至酸性pH值，冷却至2至10℃并提供给具备相同孔径的第二反渗透膜。这两种措施—酸性pH值和低温—的效果使膜孔径变窄至大量分离脲得到COD通常小于5的第二渗滤液。
在这种情况下，乳酸盐分离和脲分离两步的顺序可以逆转。
关键特征是pH值变化，因为乳酸盐沉淀仅在碱性环境进行；在酸性环境，乳酸盐将会转变为可溶乳酸，而渗透膜孔径变窄需要酸性环境。
附图说明
图1提供了本公开的方法的一个示意性实施方式。
具体实施方式
废水
本发明特别涉及加工奶和生产乳制品过程中产生的废水。特别是来自浓缩和膜处理，具体来说是来自奶成分蒸发和喷雾干燥以及过滤步骤如反渗透的废水，因为它们含有乳酸和脲作为其主要有机负荷，当这两种物质在一起时非常难以完全分离。这类废水通常含有约500以及更大的COD值，其中乳酸和脲部分一起占总有机负荷的至少90重量％，并且通常为约92至98重量％。
下文解释的根据本发明的方法被分为两步，即乳酸分离和脲分离，其中两步可以任意顺序进行。
乳酸(LA)分离
将待处理的废水首先调节至碱性pH值，优选在约9至约11的范围内，并且更优选约10，从而分离乳酸。无机碱，特别是浓缩氢氧化钠溶液或氢氧化钾溶液，以及任选氢氧化钙适用于此。通过这种措施乳酸以乳酸钠、乳酸钾或乳酸钙沉淀。
通过反渗透进行乳酸盐分离。反渗透(“RO“)是用于浓缩溶解于液体中物质的物理膜方法，其中天然渗透过程的压力反转。
过程原理是所含特定物质浓度待降低的介质通过半透膜由浓度待提高的介质分离。向后者施加必须高于渗透需求产生压力的压力，以建立浓度平衡。为此，溶剂分子可以与“天然”渗透扩散相反的方向运动。通过这种方法它们被压入溶解物质浓度更低的一侧。反渗透的典型压力在3至30bar范围内(淡化饮用水)或高至80bar(海水脱盐)。
渗透膜，其仅使载体液体(溶剂)通过而截留溶解物质(溶质)，必须能够承受这些高压。如果压力差高于补偿渗透梯度，溶剂分子将像通过过滤膜一样通过膜，而“污染分子”被截留。与常规膜过滤相反，渗透膜不具备贯穿孔。离子和分子通过扩散通过膜材料穿过膜，如通过溶液-扩散模型所描述的：渗透压随浓度差的增大而提高。如果渗透压等于施加的压力，过程停止。出现渗透平衡。连续排除浓缩物可以防止渗透平衡。在排出浓缩物的情况下，通过压力调节计控制压力或通过压力转换器施加压力从而产生系统进料所需的压力。
第一次反渗透步骤可以在冷条件和热条件下进行，即在约8至25℃，优选10至12℃的温度下，或约25至55℃，并且更优选30至40℃。已经证明约25℃的温度特别有利，因为该温度能够实现一方面足够强流量和另一方面低微生物负荷和较少膜堵塞之间的良好平衡。
膜，优选由合成材料制得的膜，具备约50至约500道尔顿，更特别是约100至约200道尔顿的平均孔径。
该过程旨在形成尽可能少的截留物，因此，第一次反渗透步骤优选以约10至约100，更特别是约40至60的浓度因子进行。
在这些工艺条件下，乳酸盐作为截留物被大量截留，而渗滤液已经失去其约一半的COD负荷，即有机负荷，通常具备约250—初始为500—的COD值。
脲(UR)分离
为了分离脲，将由此得到的第一截留物调节至酸性pH值，优选在约2至3的范围内。为此，特别适合的是无机酸如盐酸或硝酸。同时或随后将酸性截留物冷却至2至10℃，优选约3至5℃。这可以通过例如相应地冷却反渗透膜，即通过热交换步骤的工艺水进行。
膜，优选由合成材料制得的膜，具备约50至约500道尔顿，更特别是约100至约200道尔顿的平均孔径，并因此过大而无法截留较小分子如脲。令人惊异地是发现渗透膜，特别是那些由合成材料制得的，在酸性条件和同时低温下收缩，从而实现了脲的大量分离。
该过程如上所述旨在形成尽可能少的截留物，因此，第二次反渗透步骤优选以约10至约100，更特别是约40至60的浓度因子进行。
这些工艺条件使脲作为截留物被大量截留，得到COD值低于50，即通常为1至10的第二渗滤液。为此，两个反渗透步骤可以逆转，先分离脲，随后是乳酸，而不会不利的影响得到的COD最终值。
此外，该过程可以分批或连续进行。在下图1示意性的解释该过程而不限于此。
工业应用性
如此处理的废水通常具备典型的新鲜水质量，COD值为5，因此可以在乳品加工业的工艺中再次使用，例如作为过滤步骤的渗滤水或排放至地表水体。
实施例
实施例1
将1000L酸乳清生产得到的蒸汽冷凝物置于搅拌釜反应器，其具备约500的COD值和约0.08重量％的乳酸和约1mg/kg的脲含量，使用氢氧化钠溶液将其pH值调节至11。在约20℃的温度下将溶液搅拌约10分钟并随后置于平均孔径为100道尔顿的第一反渗透膜(材料：聚二甲基硅烷)；浓缩因数为40。得到25L含有乳酸的截留物，和975LCOD仅为250的渗滤液。
在第二个搅拌釜反应器中使用盐酸将渗滤液调节至pH为3，并在约20℃的温度下下搅拌约10分钟。随后将酸溶液置于第二反渗透膜(材料：PES)，其平均孔径也为100道尔顿并通过热交换步骤的工艺水被冷却至3℃。得到25L含脲的截留物和950L渗滤液，其COD值仅为5。
实施例2
将根据实施例1的COD值为约500的蒸汽冷凝物通过流量管引导并使用第一转子-定子混合器与50重量％的氢氧化钠水溶液连续混合，从而得到pH值为11。将碱性流置于平均孔径为100道尔顿的第一反渗透膜(材料：聚二甲基硅烷)；浓缩因数为40。保留截留物，渗滤液通过并使用盐酸通过第二转子-定子混合器将pH值调节至3。将酸性溶液连续置于第二渗透膜(材料：聚二甲基硅烷)；其平均孔径也为100道尔顿并通过热交换步骤的工艺水被冷却至3℃。再次保留截留物，被处理的仍具备COD值为5的废水作为渗滤液被连续移除。
实施例3
将1000L酸乳清生产得到的具备约500的COD值的蒸汽冷凝物置于搅拌釜反应器，使用盐酸溶液将其pH值调节至3，并在约20℃的温度下将搅拌约10分钟。将酸溶液置于第一反渗透膜(材料：聚二甲基硅烷)，其平均孔径也为100道尔顿并通过热交换步骤的工艺水被冷却至3℃。得到100L含脲的截留物和900L渗滤液，其COD值仍为约250。
在第二个搅拌釜反应器中使用氢氧化钠溶液将渗滤液的pH值调节至11。在约20℃的温度下将溶液搅拌约10分钟并随后置于平均孔径为100道尔顿的第二反渗透膜(材料：PES)；浓缩因数为40。得到25L含有乳酸的截留物，和875LCOD仅为5的渗滤液。

Claims (15)

1.一种处理源自乳品加工的废水的方法，包括或由以下步骤组成：
(a)提供乳品加工业废水，其有机负荷主要由乳酸和脲构成；
(b)将废水调节至碱性pH值，乳酸以乳酸盐沉淀；
(c)将由此处理的废水进行第一次反渗透步骤，得到含有乳酸盐的第一截留物和不含乳酸盐的第一渗滤液；
(d)将由此得到的第一渗滤液调节至酸性pH值；
(e)将已经调节至酸性的渗滤液冷却至2至10℃的温度；
(f)使冷却的第一渗滤液进行第二次反渗透，得到含有脲的第二截留物和实际上完全不含有机负荷的第二渗滤液；以及任选地，
(g)将第二渗滤液循环回乳品加工过程。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于使用COD值为约500或更大的废水。
3.根据权利要求1和/或2所述的方法，其特征在于使用的废水中乳酸和脲部分一起占总有机负荷的至少90重量％。
4.根据权利要求1至3至少一项所述的方法，其特征在于在步骤(b)将废水调节至约9至约11的pH值。
5.根据权利要求1至4至少一项所述的方法，其特征在于乳酸作为乳酸钠、乳酸钾或乳酸钙沉淀。
6.根据权利要求1至5至少一项所述的方法，其特征在于第一次反渗透步骤在约8至25，或约25至55℃的范围内进行。
7.根据权利要求1至6至少一项所述的方法，其特征在于第一次反渗透步骤使用孔径为约50至约500道尔顿的膜进行。
8.根据权利要求1至7至少一项所述的方法，其特征在于第一次反渗透步骤在约10至约100的浓缩因子下进行。
9.根据权利要求1至8至少一项所述的方法，其特征在于在步骤(d)将第一截留物调节至约2至约3的pH值。
10.根据权利要求1至9至少一项所述的方法，其特征在于在步骤(e)将第二截留物冷却至约3至5℃的温度。
11.根据权利要求1至10至少一项所述的方法，其特征在于第二次反渗透步骤使用孔径为约50至约500道尔顿的膜进行。
12.根据权利要求1至11至少一项所述的方法，其特征在于第二次反渗透步骤在约10至约100的浓缩因子下进行。
13.根据权利要求1至12至少一项所述的方法，其特征在于产生COD值小于50的第二截留物。
14.根据权利要求1至12至少一项所述的方法，其特征在于产生COD值为约1至约10的第二截留物。
15.根据权利要求1至14至少一项所述的方法，其特征在于逆转反渗透步骤，先分离脲，随后分离乳酸。
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