酒精行業(yè)產(chǎn)業(yè)生態(tài)化的實(shí)現(xiàn).ppt

酒精行業(yè)產(chǎn)業(yè)生態(tài)化的實(shí)現(xiàn) 黑龍江省肇東市玉米酒精生態(tài)工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 南開大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院南開大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院 2006 2006 博士博士 耿兵耿兵 1. 概述 1.1 酒精行業(yè)發(fā)展概況 酒精工業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)重要的基礎(chǔ)原料產(chǎn)業(yè)。其作為酒基 、浸提劑、洗滌劑、溶劑、表面活性劑等廣泛應(yīng)用于釀酒、 化工、橡膠、油漆涂料、電子、照相膠片、醫(yī)藥、香料、化 妝品等行業(yè)領(lǐng)域。目前，我國(guó)酒精生產(chǎn)企業(yè)(包括車間)己達(dá) 900多個(gè)，遍布全國(guó)各地，酒精年生產(chǎn)能力約3.5106t，僅次 于美國(guó)、俄羅斯和巴西，居世界第四位。隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì) 的發(fā)展，酒精的需求量將會(huì)進(jìn)一步增加。 我國(guó)酒精生產(chǎn)以發(fā)酵法為主，80%左右的酒精都用淀粉 質(zhì)原料生產(chǎn)，其中6570%的工廠采取薯干為原料，但在廣 東、廣西、福建、四川、臺(tái)灣等省主要以甘蔗糖蜜發(fā)酵生產(chǎn) 酒精；華北、東北、西北地區(qū)則以甜菜糖蜜發(fā)酵生產(chǎn)酒精者 較多，采用糖蜜為原料生產(chǎn)酒精約有15%的廠家。其他尚有 以亞硫酸鹽紙漿廢液和木屑酸水解液為原料生產(chǎn)酒精，產(chǎn)量 約占酒精總產(chǎn)量的1.5%；我國(guó)合成酒精的生產(chǎn)才開始起步， 產(chǎn)量還較小，約占酒精總產(chǎn)量的3.5%。近年來(lái)，隨著引進(jìn)設(shè) 備及工藝的應(yīng)用及農(nóng)作物結(jié)構(gòu)的變化，用谷物（主要是玉米 ）原料制酒精的工廠發(fā)展速度較快。 我國(guó)酒精行業(yè)年排放廢水總量超過(guò)3108m3，其中酒精 糟廢液的年排放超過(guò)4107m3，年排BOD5約1.15106t， CODCr約2.2106t，分別占全國(guó)工業(yè)廢水BOB5總量的18和 CODCr排放總量的12.5，是我國(guó)有機(jī)污染物排放量高、造 成環(huán)境污染嚴(yán)重的行業(yè)之一。 1.2 酒精行業(yè)存在的主要問(wèn)題 我國(guó)酒精行業(yè)存在的主要問(wèn)題有： （1）繼石油危機(jī)和美國(guó)大力發(fā)展汽油醇后，發(fā)達(dá)國(guó)家的酒 精生產(chǎn)技術(shù)和設(shè)備發(fā)展很快。因此，我國(guó)的酒精生產(chǎn)在節(jié) 能、自動(dòng)化、綜合利用和廢渣水治理等方面與先進(jìn)國(guó)家尚 有很大的差距。 （2）酒精企業(yè)酒精糟的污染是食品與發(fā)酵工業(yè)最嚴(yán)重的污 染源之一，由于投資、生產(chǎn)規(guī)模、技術(shù)、管理等原因，大 部分企業(yè)的綜合利用率較低。同時(shí)，廢水治理則是剛起步 。特別是有些企業(yè)雖然有廢水治理設(shè)施，但由于運(yùn)行成本 高，不能堅(jiān)持運(yùn)行。 （3）有識(shí)之士認(rèn)為，酒精行業(yè)應(yīng)向規(guī)模型、集團(tuán)化、綜合 型、多元化等方向發(fā)展或開展新的原料資源，從而增強(qiáng)企 業(yè)綜合競(jìng)爭(zhēng)實(shí)力。 （4）需調(diào)整原料結(jié)構(gòu)和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)。酒精生產(chǎn)原料結(jié)構(gòu)應(yīng)由 薯類為主調(diào)整為以玉米為主，以利于實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境 效益的統(tǒng)一。 因此,采取一切行之有效的節(jié)能措施，合理利用酒精生產(chǎn) 過(guò)程中一切可以利用的廢熱能源，搞好酒精生產(chǎn)過(guò)程中能源的 綜合利用，對(duì)降低酒精生產(chǎn)能源消耗水平，降低酒精生產(chǎn)成本 ，提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益具有積極的現(xiàn)實(shí)意義。這些目標(biāo)單靠傳 統(tǒng)思路和方法已經(jīng)無(wú)法解決，必須尋求新的突破。生態(tài)工程和 產(chǎn)業(yè)生態(tài)學(xué)理論為這一問(wèn)題的解決提供了良好的理論基礎(chǔ)和方 法論指導(dǎo)。 2. 傳統(tǒng)的酒精生產(chǎn)工藝 這個(gè)系統(tǒng)（圖1）在產(chǎn)出酒精的同時(shí)，又伴生了如 CO2、酒糟廢渣、酒糟廢液和廢水等多種副產(chǎn)品。這些產(chǎn) 品都具有一定利用價(jià)值，但直接排放會(huì)給環(huán)境帶來(lái)很大危 害。 原 料 粉 碎 拌 料 酒 精 酒 母 酒精糟和廢液 發(fā) 酵 蒸 煮 糖 化糖化劑或糖化酶 冷 卻 CO2 雜醇油蒸 餾 冷 卻 耐高溫-淀粉酶高溫或中溫 30 60 圖圖1 1 傳統(tǒng)的酒精生產(chǎn)工藝傳統(tǒng)的酒精生產(chǎn)工藝 3. 酒精生態(tài)工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 酒精的生產(chǎn)工藝是一種人工生態(tài)系統(tǒng)。人工生態(tài)系統(tǒng)是 由多種結(jié)構(gòu)單元組成，各結(jié)構(gòu)單元通過(guò)不同的組合方式，形 成了長(zhǎng)短不一、功能各異的結(jié)構(gòu)鏈，結(jié)構(gòu)鏈又通過(guò)相互組合 形成了結(jié)構(gòu)網(wǎng)。目前許多系統(tǒng)發(fā)展不可持續(xù)的關(guān)鍵就是因?yàn)?系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不合理。這種不合理性一方面表現(xiàn)為結(jié)構(gòu)單元的選 擇不當(dāng)，另一方面表現(xiàn)為單元之間構(gòu)成的結(jié)構(gòu)鏈及由此組成 的結(jié)構(gòu)網(wǎng)關(guān)系不協(xié)調(diào)。不僅導(dǎo)致系統(tǒng)生態(tài)平衡的失調(diào)，而且 ，還有可能造成系統(tǒng)能流受阻，物質(zhì)循環(huán)中斷，影響系統(tǒng)功 能正常發(fā)揮。解決問(wèn)題的關(guān)鍵是針對(duì)不同系統(tǒng)的不同情況， 對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。 以黑龍江省肇東市玉米酒精生態(tài)工程為例。黑龍江省肇 東市是我國(guó)玉米主產(chǎn)區(qū)，玉米常年播種面積占全市耕地總面 積的68%，總產(chǎn)100多萬(wàn)t，占糧食總產(chǎn)量的80%以上。為實(shí) 現(xiàn)玉米資源利用的規(guī)?；彤a(chǎn)業(yè)化，提高生產(chǎn)效率，肇東市 建立了以金玉公司為龍頭的玉米加工企業(yè)，加工生產(chǎn)食用酒 精，年加工能力45萬(wàn)t。 結(jié)構(gòu)元是組成系統(tǒng)的基本單元或元素，是系統(tǒng)組分的結(jié) 構(gòu)化概念。結(jié)構(gòu)鏈?zhǔn)墙Y(jié)構(gòu)單元通過(guò)一定聯(lián)系形成完成一定功 能的基本結(jié)構(gòu)關(guān)系。結(jié)構(gòu)網(wǎng)是不同結(jié)構(gòu)鏈以一定方式聯(lián)合形 成的網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)關(guān)系。所以可以從結(jié)構(gòu)元、鏈和網(wǎng)3個(gè)層次對(duì) 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的效果進(jìn)行了研究。 3.1 結(jié)構(gòu)元的設(shè)計(jì) 按照原有的運(yùn)行規(guī)模，肇東市年加工45萬(wàn)t玉米粒可 以產(chǎn)生酒精13萬(wàn)t，CO211.3萬(wàn)t，干酒糟7萬(wàn)t，玉米胚7萬(wàn)t ，酒糟廢液180萬(wàn)t。CO2、干酒糟、玉米胚和酒糟廢液等 都屬于構(gòu)成玉米加工系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)單元，需要進(jìn)行設(shè)計(jì)。 3.1.1 玉米胚綜合利用 酒精生產(chǎn)過(guò)程中年可產(chǎn)玉米胚7萬(wàn)t，根據(jù)玉米的出油率， 設(shè)計(jì)利用7萬(wàn)t玉米胚可以生產(chǎn)食用玉米油，設(shè)計(jì)產(chǎn)量為 1.34萬(wàn)t。 3.1.2 CO2綜合利用 根據(jù)全國(guó)醋酸供需形勢(shì)和肇東市具有豐富的天然氣資源的 優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)利用CO2生產(chǎn)甲醇或醋酸。按CO2年產(chǎn)量11.5 萬(wàn)t計(jì)，設(shè)計(jì)到期可以生產(chǎn)醋酸1520t，剩余部分CO2生產(chǎn) 干冰。 3.1.3 酒糟廢渣綜合利用 由于酒糟廢渣產(chǎn)量高，難貯存。因此,，設(shè)計(jì)將其與玉米粕 聯(lián)合生產(chǎn)便于貯存運(yùn)輸?shù)念w粒飼科，設(shè)計(jì)規(guī)模為12萬(wàn)t。產(chǎn) 品分別供給周圍農(nóng)民和本公司的飼養(yǎng)場(chǎng)。其中飼養(yǎng)場(chǎng)的生 豬設(shè)計(jì)規(guī)模為年出欄20萬(wàn)頭。根據(jù)公司電廠粉煤灰處理難 ，公司豬糞含水量大，氣味濃，運(yùn)輸和使用不方便，農(nóng)民 使用的積極性不高的狀況，通過(guò)對(duì)復(fù)合肥生產(chǎn)市場(chǎng)的調(diào)查 研究，設(shè)計(jì)將豬糞、無(wú)機(jī)肥和粉煤灰配合生產(chǎn)一種新型有 機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合肥，以進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的增值和物質(zhì)的充分合 理利用。 3.1.4 酒糟廢液利用設(shè)計(jì) (1)生產(chǎn)單細(xì)胞蛋白 根據(jù)化驗(yàn)，酒糟廢水中含COD35000mg/L，含氮112mg/L， 含磷30mg/L，總固形物2.5%3.0%，其中懸浮的不溶固體 物約占2.0%2.5%，可溶性固體物0.5%左右。由于其中含 有大量有機(jī)物質(zhì)，可以作為單細(xì)胞蛋白的培養(yǎng)基。該菌菌絲 體含粗蛋白55%56%,是一種優(yōu)質(zhì)蛋白，與一般酵母相當(dāng)， 可作為飼料添加劑，并且僅需過(guò)濾就可收獲產(chǎn)品。對(duì)酒糟廢 液進(jìn)行的單細(xì)胞蛋白培養(yǎng)試驗(yàn)表明，酒糟廢液的單細(xì)胞蛋白 回收率一般可達(dá)1.5%2%以上。這一方法對(duì)COD為 3000040000mg/L左右廢水的去除率達(dá)83%，處理后廢水 的COD和BOD均有大幅度降低。 (2)廢液貯存暴氣 經(jīng)過(guò)上述處理后廢水的COD濃度仍在6000mg/L左右，根據(jù) 肇東土地豐富，且鹽堿地比重比較大的現(xiàn)狀，為實(shí)現(xiàn)廢水的 綜合治理，并獲得相應(yīng)效益，按照實(shí)際地形，設(shè)計(jì)了總?cè)莘e 為78.66萬(wàn)m3的8個(gè)4級(jí)廢水貯水池。貯水能力近80萬(wàn)m3，貯 水量占公司廢水年總排放量的44.44%，相當(dāng)于接納并處理 全公司近半年的生產(chǎn)廢水。貯存的目的是高溫季節(jié)通過(guò)生物 化學(xué)過(guò)程，降低其中有機(jī)物質(zhì)的含量和濃度。低溫季節(jié)貯存 待溫度適宜后再進(jìn)行生物處理，從而達(dá)到回用和減少環(huán)境負(fù) 荷的目的。吉林省果樹廠利用同樣的方法取得了比較理想的 效果。 (3)養(yǎng)魚 金玉公司以北的土地全部為鹽堿地，地勢(shì)平坦，土質(zhì)細(xì)密， 抗?jié)B漏性能好，極易改造成魚池。結(jié)合公司發(fā)展規(guī)劃，設(shè)計(jì) 籌建了面積約1.3萬(wàn)hm2，池深23m的4個(gè)養(yǎng)魚池，總?cè)莘e 為26萬(wàn)m3。 3.2 結(jié)構(gòu)鏈設(shè)計(jì) 根據(jù)結(jié)構(gòu)元之間的相互關(guān)系，并按市場(chǎng)發(fā)展和實(shí)際生產(chǎn)的 可能，將結(jié)構(gòu)元按一定比例組合，構(gòu)成結(jié)構(gòu)鏈。根據(jù)設(shè)計(jì)， 可以將多種結(jié)構(gòu)元組合成5條相互聯(lián)系的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)鏈，多條結(jié) 構(gòu)鏈分別實(shí)現(xiàn)多種生產(chǎn)目的。5條結(jié)構(gòu)鏈包括酒精生產(chǎn)主導(dǎo)鏈 、玉米胚綜合利用鏈、CO2綜合利用鏈、酒糟綜合利用鏈和酒 精廢水綜合利用鏈。各結(jié)構(gòu)鏈的結(jié)構(gòu)關(guān)系和數(shù)量關(guān)系如下： ()玉米粒(45萬(wàn)t)玉米粉(38萬(wàn)t)食用酒精(13萬(wàn)t) ()玉米粒(45萬(wàn)t)胚(7萬(wàn)t)玉米油(1.34萬(wàn)t)+玉米粕(5萬(wàn)t)玉 米粕(5萬(wàn)t)顆粒飼料(12萬(wàn)t)豬(7萬(wàn)頭)糞便復(fù)合肥(2萬(wàn) t) ()玉米粒(45萬(wàn)t)玉米粉(38萬(wàn)t)CO2(11.5萬(wàn)t)甲醇醋酸 (20萬(wàn)t) ()玉米粉(38萬(wàn)t)干酒糟(7萬(wàn)t)+玉米粕(5萬(wàn)t)顆粒飼料(12萬(wàn) t)豬(7萬(wàn)t)糞便+化肥+粉煤灰復(fù)合肥(2萬(wàn)t) ()玉米粉(38萬(wàn)t)酒糟廢液(180萬(wàn)t)分離廢液(150萬(wàn)t)飼料 蛋白(0.77萬(wàn)t)+廢水(51萬(wàn)t)廢水(51萬(wàn)t)土地處理系統(tǒng)+4級(jí) 氧化塘魚池 設(shè)計(jì)后的酒精生產(chǎn)主導(dǎo)鏈，玉米1次轉(zhuǎn)化利用率達(dá)到3.46 % ，高于全國(guó)平均水平。食用玉米油生產(chǎn)鏈的出油率為19.14%， 實(shí)現(xiàn)了玉米胚的2次利用。實(shí)施的醋酸生產(chǎn)鏈，成為該公司的第 二大支柱產(chǎn)業(yè)，對(duì)進(jìn)一步開拓玉米資源的利用途徑具有重要意 義。復(fù)合肥生產(chǎn)鏈利用糞便和電廠生產(chǎn)的粉煤灰作原料，生產(chǎn) 有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合肥，其產(chǎn)品的轉(zhuǎn)化利用率達(dá)到100%。由于酒糟廢 液所含的污染物濃度大，單個(gè)組分或少數(shù)組分無(wú)法起到對(duì)廢液 的良好處理作用。因此,需要通過(guò)組分多樣性開發(fā)，將這一過(guò)程 分為幾個(gè)連續(xù)的步驟和環(huán)節(jié)，每個(gè)步驟或環(huán)節(jié)又包含幾種結(jié)構(gòu) 單元，每種單元完成特定的功能，最后實(shí)現(xiàn)對(duì)廢液較為完全的 處理和利用。第一步是通過(guò)分離蒸發(fā)掉30萬(wàn)t，再通過(guò)工藝措施 回用掉99萬(wàn)t，剩余廢液的含量只有51萬(wàn)t，到此酒糟廢液的利用 率已達(dá)72.22%。再通過(guò)工程、土地、氧化塘及生物處理，廢水 處理率將達(dá)到設(shè)計(jì)要求。 3.3 結(jié)構(gòu)網(wǎng)的設(shè)計(jì) 結(jié)構(gòu)元和結(jié)構(gòu)鏈的設(shè)計(jì)是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，將耦合關(guān)系合 理的結(jié)構(gòu)鏈通過(guò)適當(dāng)連接，就可以組合成一個(gè)比較完整的結(jié) 構(gòu)網(wǎng)(圖2)。結(jié)構(gòu)網(wǎng)的形成使系統(tǒng)構(gòu)成了一個(gè)完整的整體，對(duì) 于從系統(tǒng)水平上提高物質(zhì)的循環(huán)利用效率，實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)增效， 具有良好作用。其設(shè)計(jì)效果可以從系統(tǒng)的運(yùn)行情況得到反映 。 玉米粉 38104t 玉米粒 45104t 發(fā)酵 雜醇油 6000t 回用 粉碎 150104t 99104t 食用酒精 13104t 酒糟廢液 180104t 分離廢液 51104t 玉米粕5104t 胚 7104t 食用玉米油 1.34104t 機(jī)械脫胚 浸油 顆粒飼料 復(fù)合肥 豬糞 豬 出售30104t 玉米農(nóng)田 堆肥脫臭 6萬(wàn)head 無(wú)機(jī)肥 粉煤灰 CO2 11.5104t CO甲醇 30104t 還原 天然氣 醋酸 酒糟干酒糟 7104t 干燥 分離 四級(jí)氧化池 魚池魚 微生物飼料蛋白 圖2 肇東玉米生態(tài)工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案 通過(guò)對(duì)工程的重新設(shè)計(jì)，該公司生產(chǎn)玉米油1.34萬(wàn)t， 生產(chǎn)顆粒飼料22萬(wàn)t，生產(chǎn)干冰200t，生產(chǎn)雜醇油6000t開 發(fā)利用養(yǎng)魚水面近1.3萬(wàn)hm2，出欄生豬6萬(wàn)多頭，實(shí)現(xiàn)總 產(chǎn)值近10億元，利稅1.5億元，利稅占全市總額的56%， 成為肇東市第一支柱企業(yè)。廢水基本實(shí)現(xiàn)內(nèi)部大循環(huán)，廢 渣資源得到綜合利用，系統(tǒng)對(duì)外部環(huán)境的壓力大大減輕。 同時(shí),企業(yè)的發(fā)展還為11個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)的1.5萬(wàn)農(nóng)戶的1.3萬(wàn)hm2農(nóng) 田找到了穩(wěn)定的銷售途徑，并為社會(huì)新增就業(yè)機(jī)會(huì)近4000 個(gè)，系統(tǒng)運(yùn)行的生態(tài)、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益明顯。 4.幾點(diǎn)思考 4.1 生態(tài)工程是應(yīng)用生態(tài)系統(tǒng)中物種共生與循環(huán)再生的原理， 結(jié)合系統(tǒng)工程的最優(yōu)化方法，設(shè)計(jì)分層多級(jí)利用物質(zhì)的生產(chǎn)工 藝系統(tǒng)。在技術(shù)層次上，它不同于傳統(tǒng)的“資源消費(fèi)產(chǎn)品 廢物排放”線性物質(zhì)流動(dòng)的產(chǎn)業(yè)模式。其技術(shù)特征表現(xiàn)為廢物 減量化、物質(zhì)的循環(huán)利用、回收利用。它的實(shí)施具有高度的綜 合性，它涵蓋社會(huì)各方面的生產(chǎn)、消費(fèi)活動(dòng)，需要各種技術(shù)作 為支撐，要求法律、法規(guī)的保障。黑龍江省肇東市玉米酒精生 態(tài)工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)很好地體現(xiàn)了這種思想，在一定程度上實(shí)現(xiàn)了 社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)三大效益的統(tǒng)一。 4.2 金玉公司充分利用法律法規(guī)作為企業(yè)發(fā)展的法律保障體 系。近年來(lái)我國(guó)政府頒布實(shí)施了一系列環(huán)保法律法規(guī)，這對(duì) 企業(yè)當(dāng)然是壓力，沒(méi)有這些法律法規(guī)，有的企業(yè)會(huì)一如既往 地邊生產(chǎn)邊污染；但環(huán)保法規(guī)還是動(dòng)力，它迫使這些污染企 業(yè)關(guān)門，為環(huán)保型企業(yè)創(chuàng)造更有利的市場(chǎng)環(huán)境：一方面競(jìng)爭(zhēng) 對(duì)手減少了，另一方面又得到政府減免稅收等政策支持，而 且企業(yè)因環(huán)保行為而受到社會(huì)的鼓勵(lì)、贊賞，提高了自身影 響力，在全球綠色采購(gòu)鏈中處于有利地位，促進(jìn)了市場(chǎng)的開 拓，創(chuàng)造了環(huán)境與發(fā)展的雙贏局面。 4.3 要設(shè)計(jì)出科學(xué)合理的生態(tài)工程主要靠進(jìn)步的技術(shù)。充 分利用適宜技術(shù)是金玉公司建立適于酒精行業(yè)生態(tài)工程模 式的重要組成之一。離開技術(shù)保障，再?gòu)?qiáng)大的政策法律也 無(wú)法推動(dòng)生態(tài)工程的實(shí)現(xiàn)，只能迫使企業(yè)倒閉關(guān)門。這種” 魚死網(wǎng)破”的敗局當(dāng)然不是環(huán)境保護(hù)的初衷。因?yàn)樯鐣?huì)需要 產(chǎn)品，工人