食品加工過程用水和用能管理手冊

　　本書分35章從六大方面介紹了：一、提高食品加工中用水和用能管理水平的關(guān)鍵；二、水耗和能耗的評估及降耗的設(shè)計策略；三、良好現(xiàn)場管理程序、檢測措施和生產(chǎn)控制，以最大限度地節(jié)水、節(jié)能；四、食品加工、零售和廢物處理中的節(jié)能方法；五、食品工業(yè)中水的再利用和廢水處理；六、特殊食品加工行業(yè)中用水和用能的最小化。

　　序食品加工業(yè)在長期保證人類生存所需能量供給的同時，也需要考慮煤炭、石油、天然氣這類天然礦物資源的可持續(xù)性。在過去的幾十年中，全球人口的穩(wěn)定增長及其營養(yǎng)需求的不斷上升，使食品和飲料行業(yè)每年的水耗能耗增長40%，像中國和印度這樣的許多國家，人口急劇上升，導(dǎo)致水和能源的需求急劇增加，成本持續(xù)增長。水資源不足在世界許多地方已成為當?shù)亟?jīng)濟發(fā)展和人民生活質(zhì)量提高的瓶頸。由于CO2、NOx、SOx、塵埃、炭黑和燃燒物排放物劇增，全球人口的增長和能源需求的上升已造成了許多領(lǐng)域不可預(yù)測的環(huán)境問題。伴隨全球經(jīng)濟的高速發(fā)展，各國都在增加產(chǎn)量，此時利用新技術(shù)以保證生產(chǎn)/加工行業(yè)提高能效并使廢物排放最小化就顯得越發(fā)重要。能源及其它環(huán)境成本、強制性廢水廢物排放限制、行政收費和稅收從根本上影響著產(chǎn)品的成本。對以上問題的一個潛在解決方案是通過對水耗和能耗的優(yōu)化，提高加工效率、減少廢水和廢物的排放。食品加工領(lǐng)域分布非常廣泛，生產(chǎn)旺季僅在特定且有限的時間段內(nèi)，如制糖工業(yè)。此外，食品工業(yè)行業(yè)很多，且十分依賴小規(guī)模的生產(chǎn)加工商，因此伴隨著能源價格的上序食品加工業(yè)在長期保證人類生存所需能量供給的同時，也需要考慮煤炭、石油、天然氣這類天然礦物資源的可持續(xù)性。在過去的幾十年中，全球人口的穩(wěn)定增長及其營養(yǎng)需求的不斷上升，使食品和飲料行業(yè)每年的水耗能耗增長40%，像中國和印度這樣的許多國家，人口急劇上升，導(dǎo)致水和能源的需求急劇增加，成本持續(xù)增長。水資源不足在世界許多地方已成為當?shù)亟?jīng)濟發(fā)展和人民生活質(zhì)量提高的瓶頸。由于CO2、NOx、SOx、塵埃、炭黑和燃燒物排放物劇增，全球人口的增長和能源需求的上升已造成了許多領(lǐng)域不可預(yù)測的環(huán)境問題。伴隨全球經(jīng)濟的高速發(fā)展，各國都在增加產(chǎn)量，此時利用新技術(shù)以保證生產(chǎn)/加工行業(yè)提高能效并使廢物排放最小化就顯得越發(fā)重要。能源及其它環(huán)境成本、強制性廢水廢物排放限制、行政收費和稅收從根本上影響著產(chǎn)品的成本。對以上問題的一個潛在解決方案是通過對水耗和能耗的優(yōu)化，提高加工效率、減少廢水和廢物的排放。食品加工領(lǐng)域分布非常廣泛，生產(chǎn)旺季僅在特定且有限的時間段內(nèi)，如制糖工業(yè)。此外，食品工業(yè)行業(yè)很多，且十分依賴小規(guī)模的生產(chǎn)加工商，因此伴隨著能源價格的上升和節(jié)能減排的呼聲漸緊，運用有效工藝提高能效將大有可為。適當?shù)乩每商岣吣茉蠢寐实姆椒ê图夹g(shù)也可達到綜合利用可再生資源的目的，如在加熱和冷卻循環(huán)中綜合利用生物能源、太陽能光伏和太陽能加熱。業(yè)界要求一方面減少水耗，另一方面減少廢水排放，二者并不矛盾。本書綜述了業(yè)界最新的研究開發(fā)、良好實際操作，并提供了實際的案例分析，編輯也鼓勵作者為每一章節(jié)附上“更多的信息與建議”，以便讀者能進一步深入研究并獲得更多信息。本書分為6個部分：第一部分 提高食品加工中用水和用能管理水平的關(guān)鍵這一部分就本書內(nèi)容做了總體的介紹，由3章組成，提供了一般問題的相關(guān)綜述：法規(guī)和經(jīng)濟問題 — 第1章，環(huán)境保護和經(jīng)濟問題 — 第2章，第3章綜述了廢棄物處理的綜合方法。第1章可使讀者對現(xiàn)代食品加工操作中成功的用水管理的基本方法有一定的了解，本章以法規(guī)和經(jīng)濟標準為基礎(chǔ)，圍繞工廠現(xiàn)場和公司管理者的可能考量，尤其是與工程相關(guān)的問題進行介紹。本章的目的不是給出相關(guān)條例章程的列表，也不只是給出基于極少數(shù)實際操作中得到的‘平均’基準數(shù)據(jù)，如果這樣，那就顯得太過平淡了。本章明確了食品加工操作的多樣性，闡述了現(xiàn)代法規(guī)的基本趨勢及其含義，最重要的是，闡述了在工程和生產(chǎn)操作的關(guān)鍵過程中，執(zhí)行得越來越多的各種具體操作的要求，這些具體操作的使用頻率呈上升趨勢。讀完第1章后，讀者應(yīng)對單個或多廠址工廠密切相關(guān)的標準和管理流程的確定程序有一個基本的了解。本章提供的許多有關(guān)建議都是依據(jù)簡單原理提出的，沒有進行深入討論。但人們總認為復(fù)雜的問題應(yīng)該有復(fù)雜的解決方案，所以這些簡單原理往往就被忽視了。第2章闡述了食品行業(yè)的水耗、能耗都很大，因此，有責任提高二者的使用效率，并減少浪費。一般來說，在食品行業(yè)中操作流程的改進都有非常大的空間，但不一定能很容易地達到節(jié)水、節(jié)能的目標，并保持已有的節(jié)水、節(jié)能水平。在行業(yè)內(nèi)部，必須對從車間操作人員到高級管理者進行教育和培訓(xùn)，且這些教育和培訓(xùn)需要與政府和國際導(dǎo)向具有一致性，并保證執(zhí)行。有多少食品公司能夠做到像保證產(chǎn)品質(zhì)量和滿足客戶貨期要求那樣積極地減少水耗和能耗呢？第3章通過食品加工中廢水處理復(fù)雜方法的綜述補充了環(huán)境問題，較好地認識了能耗和水耗、廢棄物最小化是包括食品工業(yè)在內(nèi)的所有工業(yè)的主要環(huán)境問題。食品工業(yè)的廢物流包括廢水和固體廢棄物，也會產(chǎn)生相對少量的廢氣。雖然食品工業(yè)并不會被視為污染和環(huán)境危害的主要來源，但對環(huán)境的影響常常是十分嚴重的，廢水中典型的問題包括化學(xué)需氧量（COD）及生化需氧量（BOD）高，常常還帶有很多的懸浮物（SS），在很多情況下，還含有高濃度的脂肪、油和脂質(zhì)（FOG），食品工業(yè)產(chǎn)生的大部分廢棄物都是可生物降解的，但也需要用綜合方法來優(yōu)化選擇廢棄物處理工藝，選擇時應(yīng)從技術(shù)、經(jīng)濟和環(huán)境的各個方面綜合考慮，并采用最合適的解決方案。這一章的任務(wù)是概述在優(yōu)化和選擇食品廢棄物處理技術(shù)中的決策支持工具和工藝優(yōu)化工具的可應(yīng)用技術(shù)，本章給出了幾個具體實例，描述了具體情況，并給出結(jié)論。這些問題作為后續(xù)章節(jié)的引言綜述了食品加工中用水和用能管理的主要特征。第二部分 水耗和能耗的評估及降耗的設(shè)計策略這一部分共有7章，介紹了應(yīng)用于降低水耗和能耗的主要方法學(xué)，第4章介紹了如何進行水耗能耗審計，以及如何理解水耗能耗審計的主要問題，闡述了如何利用使這些審計來降耗。基于各類食品飲料加工中的水耗和能耗，如果利用合理，可成功地回收15%~30%的投資成本，這是非常吸引人的?？偟膩碇v，食品加工的利潤比較低，在減少對環(huán)境影響的情況下，水耗和能耗的有效管理將有助于增加凈利潤。接下來的幾章介紹了食品工業(yè)中水耗和能耗最小化的可行方法，供水系統(tǒng)的設(shè)計在過去的20年中有了巨大的發(fā)展，其中包括水耗及廢水排放最小化系統(tǒng)設(shè)計概念和方法，第5章描述的工藝集成方法是有長期的成功經(jīng)驗做基礎(chǔ)的，從工藝集成的角度來看，在供水網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計中有三個主要的設(shè)計選擇可以考慮：水的再利用、再生水循環(huán)和再生水再利用。在各個工業(yè)部門都可以看到大量使用這些節(jié)水技術(shù)的成功案例，其中也包括食品飲料工業(yè)。第6章與第5章結(jié)構(gòu)相似，但所論及的是能源使用的最小化問題，主要討論熱集成技術(shù)（眾所周知的夾點技術(shù)），其方法對所有類型的食品工業(yè)通用，且易于操作，這兩章都提供了實際案例研究。第7章主要介紹了建模和優(yōu)化工具，本章先討論了用水和再利用水的建模原理和技術(shù)，其中也包含了操作的復(fù)雜度和時效性，如何來確保模型的適用性和足夠的精確性，展示了優(yōu)化的本質(zhì)和原理，以及其背后的計算工具，介紹了構(gòu)建這些優(yōu)化的供水系統(tǒng)的主要技術(shù)，構(gòu)建和優(yōu)化模型的方法包括數(shù)學(xué)編程、優(yōu)化與隨機搜索和供水網(wǎng)絡(luò)設(shè)計P-圖。第8章論及了能源管理方法，能源管理程序的目標之一是對能源情況進行監(jiān)測、記錄、分析、重點檢查、改變和控制能源流動，從而保證了能源的可持續(xù)性，并使得加工過程中的能效最大化。第9章討論了食品飲料行業(yè)間歇式和半連續(xù)化的工藝用水和用能最小化的問題。近年來，人們從多角度研究了連續(xù)加工過程，結(jié)果非常令人滿意。相反，采用間歇式加工工藝的行業(yè)很少進行用水量最小化的研究工作，雖然間歇加工過程的能源集成方法已有所發(fā)展，也考慮了將環(huán)境方面的因素整合到非連續(xù)化加工過程的設(shè)計和優(yōu)化中，但用水最小化策略的文獻報道還是不多，大多數(shù)的研究工作僅針對有關(guān)問題的局部和特定的情況，間歇加工過程在特定的操作條件下達到其基本工藝要求，但其資源的消耗量則隨時間變化，從而使得對過程的研究更加復(fù)雜。該資源需求決定于產(chǎn)品生產(chǎn)的順序及生產(chǎn)計劃表，本章介紹了一個成功的應(yīng)用方法，該方法可用于研究多重污染的情況，代價是計算機的運作費用增加了。但是，有關(guān)處理多重污染的簡單、真實的方法首先要有一個參照物或者主要的污染物（限制成分），接著在第二步利用感官分析來考慮其它污染物。第10章介紹了集成設(shè)計的概念，展示了食品加工工業(yè)中可用于評估車間用水、能源實施情況的系統(tǒng)方法。雖然食品行業(yè)的用水用能管理已有現(xiàn)場管理規(guī)則和良好實踐指南，但應(yīng)采用在最低的經(jīng)濟成本和環(huán)境成本下，對用水和用能系統(tǒng)可以同步設(shè)計和/或優(yōu)化的一個系統(tǒng)化和集成化的方法，以充分考慮主要資源及其能源效率之間的相互作用。為達到用水用能最小化的目的，討論了可用的概念性設(shè)計工具及設(shè)計準則。本章也描述了部分加工用水需求和與之相關(guān)的能源需求的水網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的復(fù)雜性，需要特別指出的是，運用全局性視角，對全廠用水用能情況進行綜合的調(diào)查研究是必要的，而不是針對區(qū)域性的、局部的、非集成的方法。第三部分：良好現(xiàn)場管理程序、檢測措施和生產(chǎn)控制，以最大限度地節(jié)水、節(jié)能這一部分對許多工業(yè)讀者非常有益，前2章論述了良好現(xiàn)場管理措施。第11章介紹了提高工業(yè)用水效率的方法，良好的現(xiàn)場管理實踐中的花費通常很少，但它對工廠滿足食品安全要求和整體的運行效率將產(chǎn)生巨大的影響。在食品加工過程中，對食品產(chǎn)品本身來講，水通常是作為原料來使用的，設(shè)備的清洗，鍋爐、冷卻塔和泵這類設(shè)備的運行以及像廁所和浴室這類輔助設(shè)施，水也是必不可少的，像冷卻、蒸煮、洗滌、沖洗、漂燙和輸送這類食品加工操作，水的使用量通常也是很大的。你若在食品工廠巡視過程中發(fā)現(xiàn)臟亂的物品、泄漏、溢漏、長流水、原料廢棄物、不必要的返工產(chǎn)品、下水道堵塞、空氣泄漏、操作馬虎以及無激情或懶散的工作狀態(tài)等現(xiàn)象，就會意識到到良好現(xiàn)場管理的重要性。本章展示了良好現(xiàn)場管理在維護和優(yōu)化清洗程序以及提高水利用效率方面所起的關(guān)鍵作用，職業(yè)健康和安全（OHAS）相關(guān)操作，如溢漏和泄漏管理、采用化學(xué)品自動定量及和（CIP定位清洗）系統(tǒng)，從而減少員工直接接觸化學(xué)藥品的可能性，都有助于降低水耗。第12章主要專注于能源使用的相關(guān)問題，該章比較清楚地論證了不通過有效的現(xiàn)場管理（如：旨在降低水耗、職業(yè)健康和安全、工廠整潔或清洗的相關(guān)現(xiàn)場管理），而分門別類地監(jiān)測降低能耗是很難的，因為能量流是互連互通，聯(lián)系復(fù)雜，且相互影響的。該章概述的許多良好現(xiàn)場管理措施將有助于食品工廠降低能耗。由于許多現(xiàn)場管理措施很少涉及到復(fù)雜的管理系統(tǒng)或技術(shù)的實施，所以往往被忽視。本章總體概述了如何強化現(xiàn)場管理制度和關(guān)注細節(jié)，從而達到幫助食品工廠達到能耗最小化的目標。第13章論述了食品工業(yè)中用水和用能的檢測和過程控制問題，這一點非常重要，可以將食品工業(yè)的用水和用能管理看作一個集成控制的問題，總體的目標可定義為，在保證成本合理并具有競爭力，且產(chǎn)品質(zhì)量得到嚴格保障的前提下，使得水耗能耗最小化。在食品工業(yè)中水的用途十分復(fù)雜（可作為，例如：產(chǎn)品組分、清洗劑、用于鍋爐和冷卻目的的傳熱介質(zhì)、原料的輸送介質(zhì)和調(diào)節(jié)劑等等），使得水的檢測和過程控制更具挑戰(zhàn)性。一般來講，食品工業(yè)規(guī)范要求水，甚至是清洗用水，也必須要達到飲用水的質(zhì)量標準。水系統(tǒng)平行操作之間的相互作用和廢水處理工廠使得找出綜合并有效的解決方案更加復(fù)雜。影響食品工業(yè)水耗和能耗的最重要的因素是工藝的總體設(shè)計，如果食品工藝設(shè)計較差，在節(jié)水和節(jié)能方面，任何一個控制系統(tǒng)功效都會受到嚴格限制。經(jīng)驗顯示，改進方案及合理控制是減少食品工業(yè)中水耗的最重要的途徑之一。并且，有經(jīng)驗表明，用很少的資本投入，通過簡單的培訓(xùn)和操作改進，就可以獲得用水量減少30%的成果。工藝設(shè)計和控制的整合是影響著直接控制系統(tǒng)的設(shè)計決策，也影響著公用工程控制系統(tǒng)投資和操作成本。在工藝流程、傳熱和傳質(zhì)的集成以及有效的控制系統(tǒng)中，通過改進設(shè)計可有效提高能效及水