环境管理_食品工业环境管理学课件

食品工业环境管理学 8 1食品工厂环境管理系统及其应用前景8 2食品废弃物处理方法8 3谷物加工的废弃物处理8 4果蔬加工的废弃物处理8 5肉类加工的废弃物处理8 6乳品加工的废弃物处理 8 1食品工厂环境管理系统及其应用前景 8 1 1环境管理系统的推行现状 现今 环境管理问题已成为热点问题之一 人们必须了解环境对于社会的重要意义 并考虑不同的环境管理水平将造成的完全不同的后果 联合国欧洲经济委员会 UnitedNationalEconomicCommissionforEurope UN ECE 环境部长在先前的三次部长会议中多次强调在ECE的范围内树立共同保护环境的理念 环境问题 随着环境问题愈演愈烈 人们对于废气 废水排放过程中的在线检测设备的需求越来越大 人们迫切希望达到诸如核电站的零排放标准 类似于危害分析和关键控制点 HACCP 中的零破坏性 清洁空气法修正案 要求工业企业向社会报告危险品的意外泄漏事件 并制定规则要求企业最大限度地控制源于废水的有害污染物的排放 8 1 2食品工业废弃物 8 1 2 1乳品工业在乳品工业中 大量的化学物质通过乳品工厂的废水排放 对乳品中化学物质的生态学评估表明 化学物质的成分和用量 废水处理方式对环境污染程度有极大的影响 一个冰淇淋工厂的生物需氧量值经过有效的废水处理后可以降低63 人们通过气液色谱检测 发现在许多乳制品中都存在DDT残留 并发现DDT残留与乳腺癌发病之间存在潜在的关联性 乳品厂的生产用水应该达到饮用水标准 对水质的控制应该包括在乳品厂质量管理体系中 并指出控制的周期和指标 8 1 2 2发酵工业发酵工业的废水具有以下特点 排放有季节性有机污染物含量高生物需氧量 biologicaloxygendemand BOD 和化学需氧量 chemicaloxygendemand COD 高PH低碳氮比高 人们不仅研究实验室规模的葡萄酒酿造厂废弃物的处理方式 而且扩展到工业化的生产规模 通过采用多级活化污泥处理葡萄糖酿造废水 当COD的初始量为2000 9000mg L时 其COD平均下降98 这套系统能够灵活适应温度 压力和COD初始量的巨大变化 且运转费用很低 通过添加含氮磷的营养物能够提高其生物量的堆积速率 并稳定反应设备以达到高废水排除效率 人们在悬浮液中加入Fe2 Cu2 Zn2 Co2 以及金属氧化催化剂 研究了在葡萄酒蒸馏中催化氧化生成的典型多酚化合物 香豆醛酸 结果表明催化剂提高了香豆醛酸的分解率 其溶液pH会影响反应中间化合物产物的扩散 酒糟是废水处理中的难点 根据测定至少需要4 8天 才能使酒糟中嗜温需氧 厌氧或嗜热厌氧处理后的COD下降90 白藜芦醇存在于葡萄和其他食品中 可从废弃的葡萄皮中提取获得 它在三个主要的致癌阶段都表现出癌症的化学预防活性 这一发现表明它作为一种人类膳食中的成分 未来能够成为化学抗癌剂造福人类 8 1 2 3饮料工业在一些软饮料灌装设备中利用厌氧性过滤器会遇到一些问题 如气味 反应器的生物特性以及设备运行故障 一种软饮料废水处理法已经被广泛推行 它包括凝结 絮凝以及充分曝气 虽然这两个过程能够有效降低COD 但是液压和有机物负载的多变性限制了这种系统的应用 而且液压油和澄清器所携带的固体颗粒还会污染整个物料体系 8 1 2 4果蔬加工业农业生产废弃物是各种天然原料的巨大来源 充分利用这些废弃物 可以获得许多廉价的物质 如抗氧化剂 典型类黄酮化合物橘皮苷和柚皮苷被证实具有药理学特性 它们可从柑橘 柚子和柠檬皮中用热水和氢氧化钙提取获得 蘑菇类废弃物的堆肥可以作为吸收介质或微生物生长介质 以弥补氨基甲酸盐类杀虫剂所造成的伤害 8 1 2 5畜禽加工业许多研究报道都认为 处理在畜禽加工过程中所产生的生物废弃物是一个重大的难题 人们对活性污泥处理过程中的气泡问题进行了深入研究 并对处理方式 废弃物与微生物的比例 操作温度 溶解氧含量和需氧池进出口设计等指标进行了研究 8 1 3农业废弃物 自1970年以来 杀虫剂和除草剂造成的水污染成为非常严峻的问题 在大部分实验人群中检测到工业来源化合物和产品污染物的残留 如多氯化联二苯 polychlorinatedbiphenyl PCB 多氯二联苯戴奥辛 polychlorinateddibenzo p dioxins PCDD 多氯二苯并呋喃 polychlorinateddibenzofurans PCDF 这些亲脂化合物 通常被认为是致癌因子 大量存在于高脂类食品中 当它们在农业耕作环境中含量丰富时 很容易在人体内富集 8 1 3农业废弃物 因为杀虫剂对水生生物和人类饮用水的影响 其污染河流和湖泊的程度受到了极大关注 饮用水标准规定在可饮用水中各种杀虫剂最大含量为1 g L 然而各种杀虫剂对人类健康的毒性各异 由于研究趋势多变和不可预测性 仍然普遍缺乏杀虫剂对人体健康的病理学数据 对农业氮肥的应用研究发现其对环境可能产生三方面的潜在影响 水污染 大气污染和对人类的影响 研究者比较了两种氯酚降解菌在氯酚污染土壤的作用 采用了稻草堆积土和生物降解土 含固有土壤微生物 结果显示生物降解土效率高 且不依赖于接种菌种类 8 1 4污染物对生物体的影响 许多真菌被用来检测对金属Cd2 Pb2 Zn2 和Sb3 的敏感度 有机污染物对陆生生物中的鸟类产生最为严重的致命作用 人们已经发现氯化烃类化合物会对蛋壳的厚度产生影响 继而影响鸟类的繁殖 对污染性油脂处理不当 会导致牛 马对PCB和多氯二苯并对二噁英产生急性中毒 8 1 5玻璃 化学品及其他产品 在玻璃生产中使用的新型技术能够降低对氮氧化合物气体和微粒的排放 并降低BOD 但仍然存在提升空间 必须严格限制有害金属的使用量 以减少其对环境的影响 保证车间的健康与安全 将工人日均摄入量降到最低 采用生物处理法可以去除回收废水中的可溶性有机物 8 1 6环境意识和相关政策 80 现代工业社会的经济增长是基于石油燃料的能源利用 虽然人们不断学习更高效地利用石油燃料 但是这些燃料在消耗过程中 因为排放 泄露 开采所形成的二氧化碳积累 会导致使全球变暖的温室效应 海平面下降和地震灾害等环境压力 人们可采用四种方法捕获二氧化碳 吸收 吸附 低温冷冻和膜系统 人们针对气候的变化 必须深思并做出科学的回应 认真考虑减少温室效应的方法 以提高人类的生活质量 8 1 7替代能源的进展 太阳能太阳能是世界万物必不可少的能源 绿色植物利用其将水和二氧化碳转变为复杂的高能量分子 虽然太阳能发电仍是一种相对昂贵的技术 但是其生产成本在不断降低 市场在不断扩大 随着气候劣变和环境恶化问题的日益突出 开发这项能源具有广阔的前景 太阳能电池 风能全世界有超过700MW的风能得以利用 从而使它成为增长最快的能源技术 风能被认为是获得电能的有效途径 这是因为其技术可靠 获得公众支持 来源丰富 与其他发电方式相比具有成本优势 风力发电 水力发电水能是一种清洁 无污染 可靠 长效可持续应用的能量来源 它提供了全世界电能的1 5 使其成为最丰富的再生能源 基于水力发电的潜力和减少排放的优势 水力发电将成为构建未来经济持续增长的主要因素之一 水力发电 地热发电地热能源来自于地壳 在世界很多地方都可获得 只被部分利用以替代传统能源 虽然它不是解决世界清洁能源需求的最终方案 但是它对环境保护具有重大贡献 且在未来具有极大的潜力 地热发电 能源电池系统能源电池是一种电化学设备 可以持续地将电极和电解质之间化学反应产生的能量转变为电能 能源电池的最突出特色包括 高能量转换 高负荷特性 节约原油 低污染 低噪音 低维护费用 能够在高温系统中使用低成本能源 并提高效率 缺点 催化剂 膜和附件的初装成本很高 质量较大 电极的分解等 其他方式回收废弃物利用植物吸收土壤中的有害重金属 8 2食品废弃物处理方法 8 2 1食品废弃物处理的目标 由于食品工业产生大量污染物 使得污染物处理问题变得很紧迫 自1991年 欧盟成员国都制定了各自国家废弃物处理和回收的相关政策 制定这些政府策略是为了达到以下目标 8 2 1食品废弃物处理的目标 确保废弃物被回收或被处理 不会危害人类健康 不使用可能污染环境的处理操作和方法 建立一个完整而全面的废弃物处理网络平台 选用最恰当的技术 但不会造成过于高昂的使用成本 确保足够的废弃物处理能力 鼓励采用洁净生产技术 尽可能阻止或减少废弃物的产生和危害 鼓励使用再循环 再利用 或改造等方法回收废弃物 鼓励将废弃物作为能源来利用 本节将介绍如下一些生化处理方法 焚化或燃烧 高温裂解 堆肥处理 厌氧消化 需氧消化 嗜热厌氧消化 批处理反应器 电渗析 湿法氧化 固态发酵 臭氧处理和有氧生物降解 这些方法能够很好的降解高浓度和难以处理的一些物质 如植物残留物 动物废弃物 食品工业废水 等等 表8 1总结了这些方法的优点 缺点 速度 经济成本 处理周期和效率 废弃物处理方法的比较 8 2 2焚化或燃烧 对于可燃性的废弃物可以采用焚化或燃烧的处理方法 焚化是指废弃物中可燃物质的氧化 产生热量 水蒸气 氮 二氧化碳和氧气 根据废弃物成分的不同 还可能有其他排放物 包括NO NO2 HCl HF SO2 易挥发有机碳 二氧化物和灰分 多氯联苯 重金属等 8 2 2焚化或燃烧 焚化是一种可以用于多种废弃物的处理方式 比之垃圾填埋 废弃物焚化有如下一些优势 焚化可以在废弃物集中地就近进行 焚化后 废弃物被分解为无菌的灰 与原先燃烧前的固体废弃物相比 体积将为10 质量降为33 不像垃圾填埋法那样 焚化后不会产生甲烷 废弃物焚化后可以作为低成本的能源资源 燃烧后的灰烬可用作建筑原料进行回收再利用 焚化是处理有害废弃物最合适可行的方案 缺点 成本较高和资金回收期较长 缺少灵活性 焚化时散发出的物质可能仍然对健康有副作用 8 2 3高温裂解 高温裂解是有机废弃物的无氧热降解 产生焦炭 焦油和可燃性气体 裂解产物的产生量取决于操作条件 尤其是温度和加热速率 与焚化相比 最主要的区别在于反应器中供氧量的显著差异 8 2 4污泥消化 污泥消化的目的是去除污泥中的难闻气味 图8 1给出了传统活性污泥工厂的典型操作流程 图8 1传统活性污泥工厂的典型操作流程 8 2 5堆肥处理 堆肥处理是一种需氧而非厌氧的过程 可对果园或食品工厂的可降解有机废弃物进行生物降解 城市固体废弃物的堆肥处理包括许多阶段 如图8 2所示 图8 2堆肥处理流程示意图 8 3谷物加工的废弃物处理 8 3 1简介 谷类农作物主要是指禾本科植物可食用的种子 它包括稻米 小麦 玉米及其他杂粮 如小米 黑米 荞麦 燕麦 薏仁米 高粱等 谷类植物与其他种类农作物相比 食用时能提供更多能量 因此在世界范围内种植面积非常大 稻米和小麦是世界上最重要的农作物 占世界谷物产量的50 谷物所提供的淀粉类碳水化合物为人体必需的营养物质 尽管谷物缺乏某些必需营养素 如赖氨酸 甲硫氨酸和苏氨酸等 但谷物是人类和动物食品中重要的组成部分 全世界最主要的七种谷物包括 小麦 玉米 稻米 大麦 燕麦 黑麦和高粱 8 3 2常用处理方法 废弃物处理技术主要指改进废弃物的物理 化学或生物性质 减少它的体积和降低毒性 使废弃物的排放或丢弃变得更安全 需要处理的废弃物包含具有放射性 危害性的废弃物以及能源使用过程中产生的其他废弃物 处理方法主要根据废弃物材料的成分 质量和形式来选择 目前使用的废弃物处理方法如下 1 固化处理2 焚化3 生物处理法4 物化方法5 蒸汽提取法表8 2罗列了处理谷物废弃物的各种方法的优点和缺点 8 3 3堆肥处理 堆肥是将废弃物的有机成分 生物降解片段进行分解 产生稳定产物的过程 堆肥是有氧过程 需要连续充足的氧气供应 堆肥过程如图8 3所示 图8 3堆肥过程流程图 8 3 3堆肥处理 堆肥常用于改进肥料的性质以使其适合有机农场的使用 原始肥料中可利用的氮在最优化堆肥时被固定 从而可以稳定缓慢地为农作物释放出更多的氮 堆肥过程中营养的丢失可以通过进一步优化堆肥过程和加入适量的硫磺试剂等方法得以最小化 以增加肥料的营养价值 因此 在废弃物堆肥和堆肥后肥料的应用中 如氨的挥发和氮 磷的泄露等环境危害都比较小 堆肥广泛应用于农业 城市垃圾堆肥可以作为有机补充或改善土壤的有机性质 在种植过程中作为耕地的营养供给物 城市固体垃圾废弃物中有机物含量高达40 因此从生态学和经济学角度看 都应该对这些有机废弃物进行回收利用 8 3 4高温分解 高温分解是将废弃物转化为沼气或液体燃料的热化学过程 是最重要也是最基本的步骤 高温分解方式具有传统燃烧没有的优点 由于没有空气进入燃烧室 产生废气少 因此气体清洗系统可以更加简化 成本可以更低 废弃物在高温处理前要经过预处理 使其变得更均匀 并除去大量有害物质 理论上 固体 液体和气体流可以进一步加工成有用的产品 因此需要舍弃并处理的物质就更少 8 3 5气化 气化 gasification 是在反应中添加一定量的氧气 使碳水化合物分解为合成气体的过程 气化和高温分解一样 针对的是以碳为基础的废弃物 如纸张 以石油为基础的废弃物 如塑料 和有机材料废弃物 如食物残渣 气化过程需有少量氧参与 而高温分解则无需氧气参加 8 3 6燃烧 生物质的燃烧有两个步骤 焦炭和挥发物质的液化及焦炭和挥发物质的燃烧 燃烧所产生的气体通过一个锅炉以回收能量 从热气体中回收能量的最灵活方式是直接用于生产或发电 过热蒸汽可通过锅炉用于发电 图8 4表示了燃烧对环境的影响 图8 4燃烧对环境的影响 8 3 7沼气 沼气 biogas 比空气轻约20 点火温度为650 750 沼气无色无味 燃烧时的火焰为蓝色 它的热量值是20MJ m3 在传统沼气炉中燃烧时的能量转化率为60 压缩天然气 CNG 最初来自石油提取物 尽管沼气和压缩天然气性质相近 但是它属于可再生能源 8 4果蔬加工的废弃物处理 8 4 1简介 在市场上 每天都会有大量的果蔬废弃物产生 因为这些废弃物具有高度的生物可降解性 故给地方性的垃圾填埋工作带来了很多的麻烦 本节的主要的目的就是为了对所有的果蔬废弃物处理方法做一个比较和评述 同时指出各种方法的优缺点 8 4 2常用的处理方法 热处理法 thermalprocess 蒸发浓缩 evaparation 膜处理法 membraneprocess 厌氧消化 anaerabicdigestion 厌氧辅助消化 anaerobicco digestion 生物柴油制造 biodieselproduction 燃烧 combustion 超临界和亚临界流体萃取 supercriticalandsubcriticalfluidextraction 凝结 coagulation 和堆肥 8 4 3厌氧消化 有机物质被厌氧菌在厌氧条件下分解产生甲烷和二氧化碳的过程 因氧是在空气缺乏的条件下从有机物中移出而生成CO2的 无论是酸性发酵 还是沼气发酵 参与生化反应的氧都是来自于水 有机物 硝酸盐或被分解的亚硝酸盐 8 4 4生物柴油产品 生物柴油 Biodiesel 是指以油料作物 野生油料植物和工程微藻等水生植物油脂以及动物油脂 餐饮垃圾油等为原料油通过酯交换工艺制成的可代替石化柴油的再生性柴油燃料 生物柴油是一种优质清洁柴油 可从各种生物质提炼 因此可以说是取之不尽 用之不竭的能源 在资源日益枯竭的今天 有望取代石油成为替代燃料 中国生物柴油的研究与开发虽起步较晚 但发展速度很快 一部分科研成果已达到国际先进水平 8 4 5堆肥处理 堆肥处理可以起到表面覆盖的作用 增加土壤有机质的浓度 增加耕作深度和土壤持水力 抑制杂草生长 而且其分解的有机质可以长期提供营养物质 堆肥处理主要可以从废弃物处理的效率和最终产品的质量两方面进行优化 废弃物 8 4 6流化床燃烧法 优点 设计更简单紧凑 利用各种燃料的效率更高 温度分布相对均匀 SO2和NOx的排放量很小 果汁加工行业的废弃物非常适合于燃烧 因为这些废弃物里面含的主要是水果残渣 水分含量少且不含有危险物质如氯化物等 而且因为其含有大量的木质素 这种废弃物的热值可以与木材相媲美 8 4 7青贮 定义 把青饲料埋起来发酵 青贮的饲料与空气隔绝 产生有机酸 经久不坏 并可减少养分的损失 青贮原料除大量的玉米 甘薯外 还有牧草 蔬菜 树叶及一些农副产品等 如向日葵头盘 菊芋茎秆等 经过青贮后 可以除去异味和毒素 如马铃薯鲜喂有毒素 木薯也不宜大量鲜食 青贮后可安全食用 8 4 8植物油脂生产废弃物的处理 在植物油脂生产中 污染排放主要来自于提炼过程中的脱胶 脱氧和除臭过程 锅炉的清洗和地面的去油冲洗也会产生一定的污染排放 污水排放是根据COD 油脂含量 硫酸盐含量 氮含量 磷酸盐的含量来分类的 8 4 9果蔬残渣的再利用 利用最为广泛的废弃果蔬原材料是胡萝卜渣 胡萝卜残渣中的有效成分包括粗纤维 丰富的维生素前体 色素 天然酸性物质 酵母代替物 抗氧化物质等 胡萝卜残渣可以作为面包和烘焙食品中的稳定剂 也可以应用于糕点 谷物和乳制品中 在饮料工业中 胡萝卜残渣和柑橘残渣能够稳定食品本身的颜色 提高维生素和纤维含量 改善口感 增强浑浊度 其次是柑橘 葡萄和苹果的果渣 橙子 芒果和苹果的果皮 甜菜根 马铃薯皮 甘蔗渣 还有豌豆荚等 它们可以应用于馅饼的馅心 饼干 面包 曲奇 饮料 果酱 蛋糕 调味品和泡菜等 一些果蔬残渣可以作为饲料 可是并不是所有的这些物质都适于做动物饲料 例如 马铃薯加工废水中钾含量非常高 只能用来喂牛 橄榄粕饼由于消化率低 不能用作饲料 甘蔗渣的木质素含量高达22 这会影响纤维素的消化 导致动物饲养的消化率低 果蔬残渣的另外一个用处是可以作为植物化学反应的潜在物质来源 橄榄油渣可用于控制番茄种植中寄生虫的生长 柑橘废水可用于园艺 因为柑橘中的类黄酮能抑制真菌的活性 故可防止果蔬长霉 柑橘皮和种子中含有的柠檬精油成分具有一定的药理学作用 可以抑制农业种植中的昆虫采食 人们正尝试利用其中的膳食纤维进行抗氧化剂和风味物质的微胶囊包埋 实现这些物质的可控释放 人们可以从果蔬废弃物中获得天然香料 可以利用内源酶将苹果残渣中的脂肪酸生物转化为风味物质 8 5肉类加工的废弃物处理 8 5 1简介 动物废弃物是指动物尸体或者动物尸体的一部分 包括来自动物体但不直接为人类所利用的一些产品 在肉制品工业中 屠宰过程还会产生大量的废水 图8 5说明了典型的肉类加工流程 图8 5肉类加工的主要流程图 8 5 2一级处理 为了降低处理费用 在生物化学净化处理之前 人们逐渐开始采用物理化学的方法对废水进行初步处理 这是因为法律规定了废水净化的程度和在排放污水之前要去除所有的有机物 在废水处理中 主要使用凝结剂 絮凝剂来去除造成呈色和浑浊的胶体物质 絮凝处理的速率和效率取决于污水的组成 温度 混合速率以及凝结剂和絮凝剂加入的顺序 8 5 3二级处理 厌氧消化在肉类加工过程中产生的废弃物可以通过厌氧消化产生沼气 大量降低BOD 因而是解决能源转化 控制污染问题的好方法 有氧消化处理堆肥处理 8 6乳品加工的废弃物处理 8 6 1简介 近年来 人们对于乳与乳制品的需求稳步上升 世界大多数国家的乳品工业迅猛发展 奶牛单产量也随畜禽科学的发展而提高 乳品工业废液是欧洲工业废液最大的来源之一 一个典型的欧洲乳品制造厂每日产生大约500m3废液 乳品废水通常包含蛋白质 盐 脂质 乳糖 还有加工过程中使用化学物质的残留 乳品工业废水的特点是BOD和COD高 含大量可溶或悬浮固体 包括脂肪 及营养物质 比如氨 矿物质和磷 因此就要求人们给予适当的重视 而不是任意丢弃 在处理乳制品废液中 常用的方法就是有氧处理和厌氧处理 目的是使乳制品废弃物排放达到废水排放的规定 另外 一些物理 化学方法也具有很好的处理效果 如凝结 絮凝 纳滤 反渗透膜 膜生物反应系统 8 6 2有氧处理 有氧处理是传统乳品废水处理的方法 因为脂肪 乳糖和蛋白质都很容易被细菌群降解 有氧处理也是一种去除气味的有效方法 只是这种方法需要消耗大量的能量 且需要更高的操作技术和维护成本 8 6 3厌氧处理 在过去的25年里 厌氧消化得以兴起与发展 使之被广泛用于工业和农业的多种废弃物的处理 厌氧消化已经成为将生活垃圾处理后转化为沼气的一种选择 8 6 4膜处理 膜技术的发展及在效率和成本 效应上的改进 使之更多运用于乳品废液循环利用中 部分膜操作被建议用于处理乳品废液 单步操作如超滤 UF 纳滤 NF 反渗透 RO 或者两步操作如UF RO NF NF RO RO 8 6 5自建