食品加工过程用水和用能管理手册

　　本书分35章从六大方面介绍了：一、提高食品加工中用水和用能管理水平的关键；二、水耗和能耗的评估及降耗的设计策略；三、良好现场管理程序、检测措施和生产控制，以最大限度地节水、节能；四、食品加工、零售和废物处理中的节能方法；五、食品工业中水的再利用和废水处理；六、特殊食品加工行业中用水和用能的最小化。

　　序食品加工业在长期保证人类生存所需能量供给的同时，也需要考虑煤炭、石油、天然气这类天然矿物资源的可持续性。在过去的几十年中，全球人口的稳定增长及其营养需求的不断上升，使食品和饮料行业每年的水耗能耗增长40%，像中国和印度这样的许多国家，人口急剧上升，导致水和能源的需求急剧增加，成本持续增长。水资源不足在世界许多地方已成为当地经济发展和人民生活质量提高的瓶颈。由于CO2、NOx、SOx、尘埃、炭黑和燃烧物排放物剧增，全球人口的增长和能源需求的上升已造成了许多领域不可预测的环境问题。伴随全球经济的高速发展，各国都在增加产量，此时利用新技术以保证生产/加工行业提高能效并使废物排放最小化就显得越发重要。能源及其它环境成本、强制性废水废物排放限制、行政收费和税收从根本上影响着产品的成本。对以上问题的一个潜在解决方案是通过对水耗和能耗的优化，提高加工效率、减少废水和废物的排放。食品加工领域分布非常广泛，生产旺季仅在特定且有限的时间段内，如制糖工业。此外，食品工业行业很多，且十分依赖小规模的生产加工商，因此伴随着能源价格的上序食品加工业在长期保证人类生存所需能量供给的同时，也需要考虑煤炭、石油、天然气这类天然矿物资源的可持续性。在过去的几十年中，全球人口的稳定增长及其营养需求的不断上升，使食品和饮料行业每年的水耗能耗增长40%，像中国和印度这样的许多国家，人口急剧上升，导致水和能源的需求急剧增加，成本持续增长。水资源不足在世界许多地方已成为当地经济发展和人民生活质量提高的瓶颈。由于CO2、NOx、SOx、尘埃、炭黑和燃烧物排放物剧增，全球人口的增长和能源需求的上升已造成了许多领域不可预测的环境问题。伴随全球经济的高速发展，各国都在增加产量，此时利用新技术以保证生产/加工行业提高能效并使废物排放最小化就显得越发重要。能源及其它环境成本、强制性废水废物排放限制、行政收费和税收从根本上影响着产品的成本。对以上问题的一个潜在解决方案是通过对水耗和能耗的优化，提高加工效率、减少废水和废物的排放。食品加工领域分布非常广泛，生产旺季仅在特定且有限的时间段内，如制糖工业。此外，食品工业行业很多，且十分依赖小规模的生产加工商，因此伴随着能源价格的上升和节能减排的呼声渐紧，运用有效工艺提高能效将大有可为。适当地利用可提高能源利用率的方法和技术也可达到综合利用可再生资源的目的，如在加热和冷却循环中综合利用生物能源、太阳能光伏和太阳能加热。业界要求一方面减少水耗，另一方面减少废水排放，二者并不矛盾。本书综述了业界最新的研究开发、良好实际操作，并提供了实际的案例分析，编辑也鼓励作者为每一章节附上“更多的信息与建议”，以便读者能进一步深入研究并获得更多信息。本书分为6个部分：第一部分 提高食品加工中用水和用能管理水平的关键这一部分就本书内容做了总体的介绍，由3章组成，提供了一般问题的相关综述：法规和经济问题 — 第1章，环境保护和经济问题 — 第2章，第3章综述了废弃物处理的综合方法。第1章可使读者对现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，本章以法规和经济标准为基础，围绕工厂现场和公司管理者的可能考量，尤其是与工程相关的问题进行介绍。本章的目的不是给出相关条例章程的列表，也不只是给出基于极少数实际操作中得到的‘平均’基准数据，如果这样，那就显得太过平淡了。本章明确了食品加工操作的多样性，阐述了现代法规的基本趋势及其含义，最重要的是，阐述了在工程和生产操作的关键过程中，执行得越来越多的各种具体操作的要求，这些具体操作的使用频率呈上升趋势。读完第1章后，读者应对单个或多厂址工厂密切相关的标准和管理流程的确定程序有一个基本的了解。本章提供的许多有关建议都是依据简单原理提出的，没有进行深入讨论。但人们总认为复杂的问题应该有复杂的解决方案，所以这些简单原理往往就被忽视了。第2章阐述了食品行业的水耗、能耗都很大，因此，有责任提高二者的使用效率，并减少浪费。一般来说，在食品行业中操作流程的改进都有非常大的空间，但不一定能很容易地达到节水、节能的目标，并保持已有的节水、节能水平。在行业内部，必须对从车间操作人员到高级管理者进行教育和培训，且这些教育和培训需要与政府和国际导向具有一致性，并保证执行。有多少食品公司能够做到像保证产品质量和满足客户货期要求那样积极地减少水耗和能耗呢？第3章通过食品加工中废水处理复杂方法的综述补充了环境问题，较好地认识了能耗和水耗、废弃物最小化是包括食品工业在内的所有工业的主要环境问题。食品工业的废物流包括废水和固体废弃物，也会产生相对少量的废气。虽然食品工业并不会被视为污染和环境危害的主要来源，但对环境的影响常常是十分严重的，废水中典型的问题包括化学需氧量（COD）及生化需氧量（BOD）高，常常还带有很多的悬浮物（SS），在很多情况下，还含有高浓度的脂肪、油和脂质（FOG），食品工业产生的大部分废弃物都是可生物降解的，但也需要用综合方法来优化选择废弃物处理工艺，选择时应从技术、经济和环境的各个方面综合考虑，并采用最合适的解决方案。这一章的任务是概述在优化和选择食品废弃物处理技术中的决策支持工具和工艺优化工具的可应用技术，本章给出了几个具体实例，描述了具体情况，并给出结论。这些问题作为后续章节的引言综述了食品加工中用水和用能管理的主要特征。第二部分 水耗和能耗的评估及降耗的设计策略这一部分共有7章，介绍了应用于降低水耗和能耗的主要方法学，第4章介绍了如何进行水耗能耗审计，以及如何理解水耗能耗审计的主要问题，阐述了如何利用使这些审计来降耗。基于各类食品饮料加工中的水耗和能耗，如果利用合理，可成功地回收15%~30%的投资成本，这是非常吸引人的。总的来讲，食品加工的利润比较低，在减少对环境影响的情况下，水耗和能耗的有效管理将有助于增加净利润。接下来的几章介绍了食品工业中水耗和能耗最小化的可行方法，供水系统的设计在过去的20年中有了巨大的发展，其中包括水耗及废水排放最小化系统设计概念和方法，第5章描述的工艺集成方法是有长期的成功经验做基础的，从工艺集成的角度来看，在供水网络的设计中有三个主要的设计选择可以考虑：水的再利用、再生水循环和再生水再利用。在各个工业部门都可以看到大量使用这些节水技术的成功案例，其中也包括食品饮料工业。第6章与第5章结构相似，但所论及的是能源使用的最小化问题，主要讨论热集成技术（众所周知的夹点技术），其方法对所有类型的食品工业通用，且易于操作，这两章都提供了实际案例研究。第7章主要介绍了建模和优化工具，本章先讨论了用水和再利用水的建模原理和技术，其中也包含了操作的复杂度和时效性，如何来确保模型的适用性和足够的精确性，展示了优化的本质和原理，以及其背后的计算工具，介绍了构建这些优化的供水系统的主要技术，构建和优化模型的方法包括数学编程、优化与随机搜索和供水网络设计P-图。第8章论及了能源管理方法，能源管理程序的目标之一是对能源情况进行监测、记录、分析、重点检查、改变和控制能源流动，从而保证了能源的可持续性，并使得加工过程中的能效最大化。第9章讨论了食品饮料行业间歇式和半连续化的工艺用水和用能最小化的问题。近年来，人们从多角度研究了连续加工过程，结果非常令人满意。相反，采用间歇式加工工艺的行业很少进行用水量最小化的研究工作，虽然间歇加工过程的能源集成方法已有所发展，也考虑了将环境方面的因素整合到非连续化加工过程的设计和优化中，但用水最小化策略的文献报道还是不多，大多数的研究工作仅针对有关问题的局部和特定的情况，间歇加工过程在特定的操作条件下达到其基本工艺要求，但其资源的消耗量则随时间变化，从而使得对过程的研究更加复杂。该资源需求决定于产品生产的顺序及生产计划表，本章介绍了一个成功的应用方法，该方法可用于研究多重污染的情况，代价是计算机的运作费用增加了。但是，有关处理多重污染的简单、真实的方法首先要有一个参照物或者主要的污染物（限制成分），接着在第二步利用感官分析来考虑其它污染物。第10章介绍了集成设计的概念，展示了食品加工工业中可用于评估车间用水、能源实施情况的系统方法。虽然食品行业的用水用能管理已有现场管理规则和良好实践指南，但应采用在最低的经济成本和环境成本下，对用水和用能系统可以同步设计和/或优化的一个系统化和集成化的方法，以充分考虑主要资源及其能源效率之间的相互作用。为达到用水用能最小化的目的，讨论了可用的概念性设计工具及设计准则。本章也描述了部分加工用水需求和与之相关的能源需求的水网络系统的复杂性，需要特别指出的是，运用全局性视角，对全厂用水用能情况进行综合的调查研究是必要的，而不是针对区域性的、局部的、非集成的方法。第三部分：良好现场管理程序、检测措施和生产控制，以最大限度地节水、节能这一部分对许多工业读者非常有益，前2章论述了良好现场管理措施。第11章介绍了提高工业用水效率的方法，良好的现场管理实践中的花费通常很少，但它对工厂满足食品安全要求和整体的运行效率将产生巨大的影响。在食品加工过程中，对食品产品本身来讲，水通常是作为原料来使用的，设备的清洗，锅炉、冷却塔和泵这类设备的运行以及像厕所和浴室这类辅助设施，水也是必不可少的，像冷却、蒸煮、洗涤、冲洗、漂烫和输送这类食品加工操作，水的使用量通常也是很大的。你若在食品工厂巡视过程中发现脏乱的物品、泄漏、溢漏、长流水、原料废弃物、不必要的返工产品、下水道堵塞、空气泄漏、操作马虎以及无激情或懒散的工作状态等现象，就会意识到到良好现场管理的重要性。本章展示了良好现场管理在维护和优化清洗程序以及提高水利用效率方面所起的关键作用，职业健康和安全（OHAS）相关操作，如溢漏和泄漏管理、采用化学品自动定量及和（CIP定位清洗）系统，从而减少员工直接接触化学药品的可能性，都有助于降低水耗。第12章主要专注于能源使用的相关问题，该章比较清楚地论证了不通过有效的现场管理（如：旨在降低水耗、职业健康和安全、工厂整洁或清洗的相关现场管理），而分门别类地监测降低能耗是很难的，因为能量流是互连互通，联系复杂，且相互影响的。该章概述的许多良好现场管理措施将有助于食品工厂降低能耗。由于许多现场管理措施很少涉及到复杂的管理系统或技术的实施，所以往往被忽视。本章总体概述了如何强化现场管理制度和关注细节，从而达到帮助食品工厂达到能耗最小化的目标。第13章论述了食品工业中用水和用能的检测和过程控制问题，这一点非常重要，可以将食品工业的用水和用能管理看作一个集成控制的问题，总体的目标可定义为，在保证成本合理并具有竞争力，且产品质量得到严格保障的前提下，使得水耗能耗最小化。在食品工业中水的用途十分复杂（可作为，例如：产品组分、清洗剂、用于锅炉和冷却目的的传热介质、原料的输送介质和调节剂等等），使得水的检测和过程控制更具挑战性。一般来讲，食品工业规范要求水，甚至是清洗用水，也必须要达到饮用水的质量标准。水系统平行操作之间的相互作用和废水处理工厂使得找出综合并有效的解决方案更加复杂。影响食品工业水耗和能耗的最重要的因素是工艺的总体设计，如果食品工艺设计较差，在节水和节能方面，任何一个控制系统功效都会受到严格限制。经验显示，改进方案及合理控制是减少食品工业中水耗的最重要的途径之一。并且，有经验表明，用很少的资本投入，通过简单的培训和操作改进，就可以获得用水量减少30%的成果。工艺设计和控制的整合是影响着直接控制系统的设计决策，也影响着公用工程控制系统投资和操作成本。在工艺流程、传热和传质的集成以及有效的控制系统中，通过改进设计可有效提高能效及水

作者详细介绍
前言
第一部分：食品加工中提高水和能源管理水平的关键驱动力
1食品加工中水和能源管理的立法和经济问题
简介
立法的趋势和概况
提高管理水平的经济驱动力
对立法及经济动力的影响因素
锅炉管理
评估污水处理及水资源再利用项目经济效益的一般程序
总结
更多的信息和建议
参考文献
2 食品加工中水和能源管理的环境和消费者问题
2.1 简介
2.2 食品加工过程中水耗和能耗的范围
2.3 食品公司的财务成本
2.4 环境影响及成本
2.5 未来的发展趋势
2.6 更多的信息和建议
2.7 参考文献
3 食品加工废物处理的一项复杂方法
3.1 简介
3.2 食品加工过程中的废弃物
3.3 食品加工过程中废弃物的处理方法
3.4 废物处理工艺的选取
3.5 有效处理方法举例
3.6 生命周期分析
3.7 未来趋势
3.8 结论
3.9 更多的信息和建议
3.10 参考文献

第二部分 水耗和能耗的审核及降耗的设计目标
4 审计水资源及能源的消耗量并制定策略来减少消耗
4.1能源与水资源审核简介
4.2 加工步骤及能源和水资源使用明细
4.3 确定能够节约水资源和能源的操作单元
4.4 成本效益分析
4.5 结论
4.6更多的信息和建议
4.7 参考文献
5 食品加工中减少用水量的方法
5.1 简介
5.2 减少用水量
5.3 水资源的重复利用及循环利用
5.4 工艺改良以最大限度减少水资源使用量
5.5 在食品工程中的应用
5.6 总结
5.7更多的信息和建议
5.8 参考文献
6食品加工中减少能源用量的方法
6.1 简介：食品加工过程中能源消耗
6.2 食品加工能源的最小用量
6.3 能源节约及消耗最低化：加工一体化/缩减工艺，热能、动力、能量水资源最小化
6.4 对选定个案的分析研究
6.5 使用缩减工艺和热集成技术以减少能源消耗的个案及实例研究
6.6 未来趋势
6.7更多的信息和建议
6.8 参考文献
7 制作并优化工具来尽最大可能减少水在食品加工过程中的使用量
7.1 简介
7.2 建立优化模型框架
7.3 优化：含义及其数学表达式
7.4 建立模型
7.5 实例：工程案例研究概况
7.6更多的信息和建议
7.7 参考文献
8 食品工业能源管理方法
8.1 简介
8.2 “自上而下”的方法：从生产方案到产品
8.3 “自下而上”的方法：从高效生产到生产方案
8.4 评估节能选项
8.5 结论
8.6 未来趋势
8.7详尽的资料及建议来源
8.8 致谢
8.9 参考文献
9 减少食品和饮料工业间歇或半连续加工工艺中水和能源用量
9.1 简介
9.2 减少用水量的方法
9.3 一般建模框架
9.4 数学模型
9.5 能源一体化的可能性
9.6 解决模型
9.7 模型优化
9.8 软件原型
9.9 工业应用
9.10 最后的考虑因素以及未来趋势
9.11 命名法
9.12更多的信息和建议
9.13 鸣谢
9.14参考文献
10 在食品工业中能源和水资源消耗最小化相结合的新方法
10.1 简介
10.2 有关能源、水资源消耗量同时最小化的文献综述
10.3 概念上的理解和物质上的观察
10.4 设计方案
10.5 摘要
10.6更多的信息和建议
10.7 参考文献

第三部分：良好的管理程序、检测措施和生产控制来最大限度减少能源与水资源的消耗
11 在食品加工厂中制定良好的管理程序来有效提高水资源的利用效率
11.1 简介
11.2 较好的管理
11.3 监控水用量
11.4 清洗
11.5 效用
11.6 辅助
11.7 单元操作
11.8 在食品加工业的趋势
11.9更多的信息和建议
11.10 参考文献
12在食品工厂中制定良好的测量体制来有效减少能耗
12.1 简介
12.2 降低清洗需求来节约能源
12.3 减少废弃物来节约能源
12.4 监控单元操作以减少能源
12.5 未来趋势
12.6更多的信息和建议
12.7 参考文献
13 食品工业中水和能源利用的测量和过程控制
13.1 简介
13.2 食品工厂中的测量和传感器
13.3 食品工业中水和能源的过程控制
13.4 系统一体化
13.5 结论、未来趋势、更多的信息和建议
13.6 参考文献
14 监控及智能支持来优化水和能源的利用
14.1 简介
14.2 用于加工操作的智能体系
14.3 诊断
14.4 监控以更好控制
14.5 基于代理的监控
14.6 链接到供应链管理
14.7 链接到生命周期管理
14.8 监控与分析
14.9 监控与预报——为了提高能源利用效率
14.10 趋势
14.11 监控及智力支持的应用对决策的帮助
14.12 监控——为了优化能源和水消耗
14.13 引进资源和财政的综合管理
14.14 结束语
14.15更多的信息和建议
14.16 参考文献

第四部分：在食品加工、零售和废物处理方面极大限度减少能源消耗的方法
15 食品工业中有关速冻、冷藏和冷却系统中能源消耗的极小值
15.1 简介
15.2 食品在速冻/冻结和冷藏时所需能源
15.3 冷却系统的效率
15.4 冷却系统的单元效率
15.5 从食品中提取热能的效率及维持贮存过程中的温度
15.6 冷藏领域的构建及用途
15.7 生命周期的成本及分析
15.8 能源目标和监控
15.9 通过集成加热和冷却系统使能源消耗最小化
15.10 未来趋势
15.11更多的信息和建议
15.12 参考文献
16 有关干燥、焙烤以及蒸发过程中能源消耗最小化
16.1 简介
16.2 能量计算的一般方法
16.3 干燥
16.4 焙烤
16.5 蒸发
16.6 最后备注——更多的信息和建议
16.7 参考文献
17 有关干馏过程中能源消耗最小化
17.1 简介
17.2 干馏操作
17.3 能源消耗模型的建立与优化
17.4 在同一蒸器中同时处理不同产品
17.5新型包装系统以及他们对能源消耗的影响
17.6未来趋势
17.7 命名法
17.8更多的信息和建议
17.9 参考文献
18 食品工业中的余热回收
18.1 简介
18.2 本章主题
18.3 从源头上回收余热
18.4 余热利用——水槽
18.5 标准化测量——量化余热
18.6 余热回收仪器的类型
18.7 热/冷储存（热能源储存——TES）
18.8 工艺单元一体化
18.9 案例研究
18.10 总结
18.11更多的信息和建议
18.12 参考文献
19 食品工业中传热器械结垢问题
19.1 简介
19.2 结垢的机理
19.3 水相面结垢
19.4 操作面结垢
19.5 结论
19.6 命名法
19.7更多的信息和建议
19.8 参考文献
20 食品零售中减少冷冻能耗以及对环境的影响
20.1 简介
20.2 食品零售过程中的制冷系统
20.3降低超市制冷系统对环境影响的最新研究和发展
20.4 二氧化碳制冷系统在超市中的应
20.5 有关超市制冷系统节能的几种可能性
20.6更多的信息和建议
20.7 结论
20.8 鸣谢
20.9 参考文献
21 食品废料脱水
21.1 简介
21.2 废料修整
21.3 增厚
21.4 脱水方法
21.5 综合脱水方法
21.6 一个既环保又经济的选择
21.7 结论和未来趋势
21.8 更多的信息和建议
21.9 参考文献

第五部分 食品工业中的水资源再利用及废水处理
22 食品工厂的给水要求
22.1 简介
22.2 未来趋势
22.3 供水
22.4 给水预处理
22.5 总结
22.6更多的信息和建议
22.7 参考文献
23 食品工厂水资源循环再利用
23.1 简介
23.2 食品加工工业
23.3 食品工厂中的水
23.4 水资源循环利用技术
23.5 水净化标准
23.6 水资源循环利用的几点可能性
23.7 保护水资源的几项措施
23.8 设计水资源循环利用的方案
23.9 水资源循环利用的几项优缺点
23.10 案例研究
23.11 结论以及未来趋势
23.12更多的信息和建议
23.13 参考文献
24 膜技术应用于食品加工废水的处理及再利用的优势
24.1 简介
24.2 膜分离处理
24.3 膜生物反应器
24.4 生物膜反应器
24.5 在食品工厂废水处理中的应用
24.6 结论及未来趋势
24.7更多的信息和建议
24.8 鸣谢
24.9 附录
24.10 参考文献
25 消毒技术应用于废水回收利用的优势
25.1 简介
25.2 连续的消毒处理
25.3 化学和物理消毒
25.4 未来趋势
25.5更多的信息和建议
25.6 参考文献
26 需氧处理技术应用于食品加工废水处理的优势
26.1 简介
26.2 食品加工废水的特性
26.3 需氧处理
26.4 未来趋势
26.5更多的信息和建议
26.6 参考文献
27厌氧处理技术应用于去除食品加工废水中有机物处理的优势
27.1 简介
27.2 食品加工废水特性
27.3 食品加工废水的厌氧处理
27.4 废水厌氧处理的类型
27.5 对厌氧消化的控制
27.6 食品加工废水厌氧处理的模式
27.7 未来趋势：通过对食品加工废水进行厌氧处理生产天然气和氢气
27.8更多的信息和建议
27.9 参考文献
28 海产食品废水处理
28.1 简介
28.2 海产食品废水的特性
28.3 预处理
28.4 生物处理
28.5 物理化学处理
28.6 海产食品废水在陆地上的应用
28.7 未来趋势
28.8更多的信息和建议
28.9 参考文献

第六部分：特殊食品加工行业中水和能源使用的最小量
29 屠宰场水资源和能源的管理
29.1 简介
29.2 屠宰场水资源和能源的应用
29.3 水和能源的节约项目
29.4更多的信息和建议
29.5 参考文献
30 家禽处理中水和能源的管理
30.1 工业中水和能源的使用现状
30.2 水和能源的使用现状：究竟使用了多少水和能源?为什么？
30.3 检测、监控、分析和策略
30.4 在每一个操作单元中减少能源消耗
30.5 废料管理及再生能源
30.6减少每一个操作单元中水资源消耗
30.7 水资源循环再利用
30.8 结论
30.9更多的信息和建议
30.10 参考文献
31谷物加工中水和能源的管理
31.1 简介
31.2 在谷物加工厂中水和能源的使用概况
31.3 面粉的混合、烘焙、干燥和冷却
31.4 玉米湿磨法和淀粉加工
31.5 未来趋势
31.6 更多的信息和建议
31.7 参考文献
32 制糖工业中水和能源的管理
32.1 简介
32.2 以甜菜和甘蔗为原料的糖制品
32.3 糖制品加工中确定节约能源与水资源的几点可能性
32.4 能量和水的最低值及其他优化工艺
32.5 建立能源分配制度以减少能源消耗
32.6建立水资源分配制度以减少水资源消耗
32.7 未来趋势
32.8更多的信息和建议
32.9 参考文献
33 提高糖制品生产能源利用率
33.1 简介
33.2 制糖工业
33.3 能源需求的理由是什么
33.4 热源与电源相结合
33.5 热损失
33.6 加热
33.7 蒸发
33.8 干燥
33.9 界限
33.10 产出/收入比
33.11 未来趋势
33.12更多的信息和建议
33.13 参考文献
34 软饮料工业中水资源消耗最小化
34.1 简介
34.2 在连续化生产工业废水最小化的当代动向
34.3 在非连续化生产工业废水最小化的当代动向
34.4 饮料工业中水资源的应用背景
34.5 案例研究1：关于一体化的案例研究
34.6案例研究2：日本软饮料厂通过漂浮介质过滤和纳滤实现水资源循环再利用
34.7 结论
34.8更多的信息和建议
34.9致谢
34.10 参考文献
35 酿造、制酒和蒸馏：废水处理及利用方案
35.1 简介
35.2 水资源利用：酿造、制酒和蒸馏工业废水的源头和本质
35.3 最广泛应用的处理方法：饲养家畜、排放、需氧或厌氧处理、焚烧
35.4 另一种方法、通过最佳可行技术（BAT）重整处理方法：工业现实并可替代的方法
35.5 致谢
35.6 命名法
35.7 参考文献
索引