食品加工過(guò)程用水和用能管理手冊(cè)

　　本書(shū)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(píng)估及降耗的設(shè)計(jì)策略；三、良好現(xiàn)場(chǎng)管理程序、檢測(cè)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(zhǎng)期保證人類(lèi)生存所需能量供給的同時(shí)，也需要考慮煤炭、石油、天然氣這類(lèi)天然礦物資源的可持續(xù)性。在過(guò)去的幾十年中，全球人口的穩(wěn)定增長(zhǎng)及其營(yíng)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(zhǎng)40%，像中國(guó)和印度這樣的許多國(guó)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(zhǎng)。水資源不足在世界許多地方已成為當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)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(zhǎng)和能源需求的上升已造成了許多領(lǐng)域不可預(yù)測(cè)的環(huán)境問(wèn)題。伴隨全球經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，各國(guó)都在增加產(chǎn)量，此時(shí)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(qiáng)制性廢水廢物排放限制、行政收費(fèi)和稅收從根本上影響著產(chǎn)品的成本。對(duì)以上問(wèn)題的一個(gè)潛在解決方案是通過(guò)對(duì)水耗和能耗的優(yōu)化，提高加工效率、減少?gòu)U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(shí)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(lài)小規(guī)模的生產(chǎn)加工商，因此伴隨著能源價(jià)格的上序食品加工業(yè)在長(zhǎng)期保證人類(lèi)生存所需能量供給的同時(shí)，也需要考慮煤炭、石油、天然氣這類(lèi)天然礦物資源的可持續(xù)性。在過(guò)去的幾十年中，全球人口的穩(wěn)定增長(zhǎng)及其營(yíng)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(zhǎng)40%，像中國(guó)和印度這樣的許多國(guó)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(zhǎng)。水資源不足在世界許多地方已成為當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)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(zhǎng)和能源需求的上升已造成了許多領(lǐng)域不可預(yù)測(cè)的環(huán)境問(wèn)題。伴隨全球經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，各國(guó)都在增加產(chǎn)量，此時(shí)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(qiáng)制性廢水廢物排放限制、行政收費(fèi)和稅收從根本上影響著產(chǎn)品的成本。對(duì)以上問(wèn)題的一個(gè)潛在解決方案是通過(guò)對(duì)水耗和能耗的優(yōu)化，提高加工效率、減少?gòu)U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(shí)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(lài)小規(guī)模的生產(chǎn)加工商，因此伴隨著能源價(jià)格的上升和節(jié)能減排的呼聲漸緊，運(yùn)用有效工藝提高能效將大有可為。適當(dāng)?shù)乩每商岣吣茉蠢寐实姆椒ê图夹g(shù)也可達(dá)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(yáng)能光伏和太陽(yáng)能加熱。業(yè)界要求一方面減少水耗，另一方面減少?gòu)U水排放，二者并不矛盾。本書(shū)綜述了業(yè)界最新的研究開(kāi)發(fā)、良好實(shí)際操作，并提供了實(shí)際的案例分析，編輯也鼓勵(lì)作者為每一章節(jié)附上“更多的信息與建議”，以便讀者能進(jìn)一步深入研究并獲得更多信息。本書(shū)分為6個(gè)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(shū)內(nèi)容做了總體的介紹，由3章組成，提供了一般問(wèn)題的相關(guān)綜述：法規(guī)和經(jīng)濟(jì)問(wèn)題 — 第1章，環(huán)境保護(hù)和經(jīng)濟(jì)問(wèn)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(duì)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(jì)標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，圍繞工廠(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)和公司管理者的可能考量，尤其是與工程相關(guān)的問(wèn)題進(jìn)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(shí)際操作中得到的‘平均’基準(zhǔn)數(shù)據(jù)，如果這樣，那就顯得太過(guò)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(shì)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(guò)程中，執(zhí)行得越來(lái)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(shì)。讀完第1章后，讀者應(yīng)對(duì)單個(gè)或多廠(chǎng)址工廠(chǎng)密切相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)和管理流程的確定程序有一個(gè)基本的了解。本章提供的許多有關(guān)建議都是依據(jù)簡(jiǎn)單原理提出的，沒(méi)有進(jìn)行深入討論。但人們總認(rèn)為復(fù)雜的問(wèn)題應(yīng)該有復(fù)雜的解決方案，所以這些簡(jiǎn)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(zé)任提高二者的使用效率，并減少浪費(fèi)。一般來(lái)說(shuō)，在食品行業(yè)中操作流程的改進(jìn)都有非常大的空間，但不一定能很容易地達(dá)到節(jié)水、節(jié)能的目標(biāo)，并保持已有的節(jié)水、節(jié)能水平。在行業(yè)內(nèi)部，必須對(duì)從車(chē)間操作人員到高級(jí)管理者進(jìn)行教育和培訓(xùn)，且這些教育和培訓(xùn)需要與政府和國(guó)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(mǎn)足客戶(hù)貨期要求那樣積極地減少水耗和能耗呢？第3章通過(guò)食品加工中廢水處理復(fù)雜方法的綜述補(bǔ)充了環(huán)境問(wèn)題，較好地認(rèn)識(shí)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(wèn)題。食品工業(yè)的廢物流包括廢水和固體廢棄物，也會(huì)產(chǎn)生相對(duì)少量的廢氣。雖然食品工業(yè)并不會(huì)被視為污染和環(huán)境危害的主要來(lái)源，但對(duì)環(huán)境的影響常常是十分嚴(yán)重的，廢水中典型的問(wèn)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(lái)優(yōu)化選擇廢棄物處理工藝，選擇時(shí)應(yīng)從技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境的各個(gè)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(gè)具體實(shí)例，描述了具體情況，并給出結(jié)論。這些問(wèn)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(píng)估及降耗的設(shè)計(jì)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(jìn)行水耗能耗審計(jì)，以及如何理解水耗能耗審計(jì)的主要問(wèn)題，闡述了如何利用使這些審計(jì)來(lái)降耗?；诟黝?lèi)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?lái)講，食品加工的利潤(rùn)比較低，在減少對(duì)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(rùn)。接下來(lái)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(jì)在過(guò)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(jì)概念和方法，第5章描述的工藝集成方法是有長(zhǎng)期的成功經(jīng)驗(yàn)做基礎(chǔ)的，從工藝集成的角度來(lái)看，在供水網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)中有三個(gè)主要的設(shè)計(jì)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(gè)工業(yè)部門(mén)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(wèn)題，主要討論熱集成技術(shù)（眾所周知的夾點(diǎn)技術(shù)），其方法對(duì)所有類(lèi)型的食品工業(yè)通用，且易于操作，這兩章都提供了實(shí)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(shí)效性，如何來(lái)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(jì)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(jī)搜索和供水網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)P-圖。第8章論及了能源管理方法，能源管理程序的目標(biāo)之一是對(duì)能源情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)、記錄、分析、重點(diǎn)檢查、改變和控制能源流動(dòng)，從而保證了能源的可持續(xù)性，并使得加工過(guò)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(wèn)題。近年來(lái)，人們從多角度研究了連續(xù)加工過(guò)程，結(jié)果非常令人滿(mǎn)意。相反，采用間歇式加工工藝的行業(yè)很少進(jìn)行用水量最小化的研究工作，雖然間歇加工過(guò)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(guò)程的設(shè)計(jì)和優(yōu)化中，但用水最小化策略的文獻(xiàn)報(bào)道還是不多，大多數(shù)的研究工作僅針對(duì)有關(guān)問(wèn)題的局部和特定的情況，間歇加工過(guò)程在特定的操作條件下達(dá)到其基本工藝要求，但其資源的消耗量則隨時(shí)間變化，從而使得對(duì)過(guò)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(jì)劃表，本章介紹了一個(gè)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(jià)是計(jì)算機(jī)的運(yùn)作費(fèi)用增加了。但是，有關(guān)處理多重污染的簡(jiǎn)單、真實(shí)的方法首先要有一個(gè)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(lái)考慮其它污染物。第10章介紹了集成設(shè)計(jì)的概念，展示了食品加工工業(yè)中可用于評(píng)估車(chē)間用水、能源實(shí)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(chǎng)管理規(guī)則和良好實(shí)踐指南，但應(yīng)采用在最低的經(jīng)濟(jì)成本和環(huán)境成本下，對(duì)用水和用能系統(tǒng)可以同步設(shè)計(jì)和/或優(yōu)化的一個(gè)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(dá)到用水用能最小化的目的，討論了可用的概念性設(shè)計(jì)工具及設(shè)計(jì)準(zhǔn)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(yùn)用全局性視角，對(duì)全廠(chǎng)用水用能情況進(jìn)行綜合的調(diào)查研究是必要的，而不是針對(duì)區(qū)域性的、局部的、非集成的方法。第三部分：良好現(xiàn)場(chǎng)管理程序、檢測(cè)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(duì)許多工業(yè)讀者非常有益，前2章論述了良好現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)管理實(shí)踐中的花費(fèi)通常很少，但它對(duì)工廠(chǎng)滿(mǎn)足食品安全要求和整體的運(yùn)行效率將產(chǎn)生巨大的影響。在食品加工過(guò)程中，對(duì)食品產(chǎn)品本身來(lái)講，水通常是作為原料來(lái)使用的，設(shè)備的清洗，鍋爐、冷卻塔和泵這類(lèi)設(shè)備的運(yùn)行以及像廁所和浴室這類(lèi)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(lèi)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(chǎng)巡視過(guò)程中發(fā)現(xiàn)臟亂的物品、泄漏、溢漏、長(zhǎng)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(wú)激情或懶散的工作狀態(tài)等現(xiàn)象，就會(huì)意識(shí)到到良好現(xiàn)場(chǎng)管理的重要性。本章展示了良好現(xiàn)場(chǎng)管理在維護(hù)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(dòng)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(zhuān)注于能源使用的相關(guān)問(wèn)題，該章比較清楚地論證了不通過(guò)有效的現(xiàn)場(chǎng)管理（如：旨在降低水耗、職業(yè)健康和安全、工廠(chǎng)整潔或清洗的相關(guān)現(xiàn)場(chǎng)管理），而分門(mén)別類(lèi)地監(jiān)測(cè)降低能耗是很難的，因?yàn)槟芰苛魇腔ミB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(chǎng)管理措施將有助于食品工廠(chǎng)降低能耗。由于許多現(xiàn)場(chǎng)管理措施很少涉及到復(fù)雜的管理系統(tǒng)或技術(shù)的實(shí)施，所以往往被忽視。本章總體概述了如何強(qiáng)化現(xiàn)場(chǎng)管理制度和關(guān)注細(xì)節(jié)，從而達(dá)到幫助食品工廠(chǎng)達(dá)到能耗最小化的目標(biāo)。第13章論述了食品工業(yè)中用水和用能的檢測(cè)和過(guò)程控制問(wèn)題，這一點(diǎn)非常重要，可以將食品工業(yè)的用水和用能管理看作一個(gè)集成控制的問(wèn)題，總體的目標(biāo)可定義為，在保證成本合理并具有競(jìng)爭(zhēng)力，且產(chǎn)品質(zhì)量得到嚴(yán)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(cè)和過(guò)程控制更具挑戰(zhàn)性。一般來(lái)講，食品工業(yè)規(guī)范要求水，甚至是清洗用水，也必須要達(dá)到飲用水的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。水系統(tǒng)平行操作之間的相互作用和廢水處理工廠(chǎng)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(jì)，如果食品工藝設(shè)計(jì)較差，在節(jié)水和節(jié)能方面，任何一個(gè)控制系統(tǒng)功效都會(huì)受到嚴(yán)格限制。經(jīng)驗(yàn)顯示，改進(jìn)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(yàn)表明，用很少的資本投入，通過(guò)簡(jiǎn)單的培訓(xùn)和操作改進(jìn)，就可以獲得用水量減少30%的成果。工藝設(shè)計(jì)和控制的整合是影響著直接控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(guò)改進(jìn)設(shè)計(jì)可有效提高能效及水