《威士忌生产工艺与营销策略（第二版）》第十六章

第16章：水——威士忌生产的基本原料

Tom Bringhurst

James Brosnan

Inge Russell

Graham Stewart

摘要

  充足的水供应对蒸馏过程至关重要。水管理是蒸馏的主要方面，涉及明确的添加和去除阶段。水源和水质取决于工艺要求。蒸馏用水主要分为三类：工艺用水、冷却用水和辅助用水。主要水源包括钻孔井水、地表水、泉水和市政供水。蒸馏过程完成后，必须对水进行处理以去除不需要的成分。除铜外，大多数废物都是可生物降解的，而铜处理是蒸馏行业特有的问题。蒸馏厂要么拥有自己的废水处理系统，要么将废水交由市政工厂处理。处理系统分为厌氧或好氧，主要产物分别为甲烷/二氧化碳和生物质。水管理对蒸馏厂的长期可持续发展至关重要，其未来的重要性将进一步提升。

关键词

好氧/厌氧消化 可生物降解 生物质 钻孔井 二氧化碳 铜 甲烷 市政供水 工艺 泉水 地表水 水

工艺用水

  充足、健康的水源是任何蒸馏厂工艺的基本要求（Dolan，2003），而水在工艺各环节的分配是蒸馏生产的主要方面，涉及反复的加水和除水阶段。水在麦芽制造和糖化过程中添加，在蒸馏和副产品处理过程中去除。陈酿后作为降度用水、装瓶时以及最终由消费者使用后，水又会回到环境中！Dolan（2003）提出了一个重要观点：向工艺中添加（冷）水成本相对较低，但去除水的成本却很高。

  在蒸馏和酿造的生产过程中，各个阶段都需要水（Palmer和Kaminski，2013）。水源和水质通常取决于工艺要求。蒸馏厂通常需要使用不止一种水源。概括地说，蒸馏厂的用水主要分为三类：（1）工艺本身使用的水；（2）发酵罐和蒸馏过程中冷凝器使用的冷却水；（3）辅助和服务用水，用于锅炉房和热回收系统以及满足其他厂区需求。实际上，这些类别的界限并非固定，根据可用性和蒸馏厂的个别要求，它们之间可能存在相当大的重叠。糖化过程中的工艺用水供应、苏格兰威士忌生产和清洁用水受《2006年私人供水（苏格兰）条例》（SSI，2006）管辖。只要这些水清洁卫生，不直接或间接影响成品烈酒的适合人类消费性，它们不必满足理事会指令98/83/EC（欧洲理事会，1998）中定义的饮用水质量的严格要求。根据欧盟指令（欧洲理事会，1998），向烈酒中添加的任何降度用水必须符合饮用水质量标准。

  蒸馏厂的主要水源是钻孔井、地表水或泉水以及公共城镇供水。溪流、河流、湖泊和运河等地表水的成分可能受到泥炭和植被等有机物质的影响，而泉水或钻孔井的地下水则更多受到底层地质的影响。城镇（ mains）供水通常更为稳定，但成本可能更高（Wilson等人，2010）。蒸馏商通常独家使用自己的私人供水，这使他们能够更好地控制供水，并有助于最大限度地减少外部污染问题，尽管当然不能始终保证这一点。在某些情况下，蒸馏厂的水源可能距离蒸馏厂有一定距离，可能需要用管道输送到蒸馏厂（例如从水坝）。在某些情况下，特别是在偏远地区，夏季的干旱条件可能导致水资源短缺，从而限制生产。这就是一些蒸馏厂传统上在夏季有停产期的原因之一。

  通常，苏格兰的麦芽蒸馏厂使用软水，其较低的pH值有利于酵母。在其他地区，根据当地可用性和地质情况，使用硬水。例如，美国波旁威士忌蒸馏商和一些加拿大蒸馏商赞扬他们的硬石灰石水的优点及其对某些同系物生产的积极影响。为了克服石灰石水的碱性，通常采用酸糖化工艺，并且可以向糖化醪中添加“稀酒糟”使其更酸性。Palmer和Kaminski（2013）编写了一本非常全面且易于理解的啤酒生产用水处理指南，其中有从理解水的化学性质到废水处理等优秀章节，这些主题也适用于广泛的烈酒生产。

  水源应尽可能可靠且随时可用。Dolan（2003）总结了苏格兰麦芽威士忌蒸馏厂供水所需的主要质量特征。一般来说，供水应清洁卫生，外观清澈，无异味。这些标准的例外情况是某些岛屿或泥炭地区，那里的水在某些时候可能具有独特的颜色和风味特征。工艺用水不一定需要达到饮用水质量，只要它不含污染物，并且在其他方面满足糖化的矿物质和盐分要求。来自不同水源的蒸馏厂糖化用水的有机和矿物质含量可能有很大差异（Wilson等人，2010）。

  尽管传统上苏格兰威士忌生产在工艺使用前不进行水处理，但并非所有国家都是如此。水处理的目的是在使用前去除水中不需要的成分，并添加水中缺失的理想成分（Eumann和Schildbach，2012）。处理程序将不详细讨论，但可总结如下：

• 活性炭过滤通常用于净化含有中等浓度溶解有机物的地下水和地表水。活性炭改善水的味道、颜色和气味，还能过滤残留的悬浮固体和氯。此外，碳过滤去除有机污染物，如农药、酚类和含氯化合物，包括三卤甲烷（THMs）。浊度过高的水在碳处理前需要澄清。活性炭在去除市政供水中的过量氯残留方面非常有效。定期用蒸汽或热水处理对碳进行消毒至关重要，这种处理通常先进行水反洗。

• 过去几十年，水的微生物控制取得了进展。第8章讨论了可能引起问题的主要污染微生物的鉴定方法。蒸馏中用于消除污染微生物的技术如下：

  • 紫外线（UV）光
  • 加热
  • 化学物质
  • 无菌过滤

• 在某些情况下，碳过滤前需要水澄清，采用的技术如下：

  • 砂滤
  • 重力沉降
  • 混凝剂
  • 絮凝聚合物
  • 氧化加过滤

• 当代用于去除离子和有机分子的方法包括：

  • 离子交换树脂（IER）
  • 反渗透（RO）
  • 纳滤（NF）膜
  • 错流过滤

  工艺用水通常被认为对烈酒质量有重要贡献，传统上，麦芽蒸馏商通常不会使用任何水处理，因为这样做可能会影响麦芽汁和烈酒的风味特征。然而，如果可用水源存在问题，工艺用水可能需要通过过滤或紫外线等方式进行消毒，以去除任何可能对生产产生负面影响的微生物，无论是通过感染影响糖化和发酵性能，还是通过引入不愉快或不良的风味特征导致变质。

  除了影响风味外，工艺用水中存在的盐还会影响工艺pH值，这会影响麦芽酶的效率，并为酵母提供维持良好发酵性能所需的必需微量元素。Dolan（2003）对水源中常见的最重要成分的影响总结是选择工艺用水源的有用指南。钙、镁和锌都是酵母必需的离子。钙也是淀粉降解酶（α-淀粉酶）活性的重要辅助因子。过量的硫酸盐会降低糖化pH值，这也会对糖化和后续发酵性能产生负面影响。高水平的碳酸盐会增加pH值，并会增加加热表面结垢的风险。大量硝酸盐和/或亚硝酸盐的存在表明地表水或污水污染，应避免。苏格兰威士忌蒸馏厂使用的软水的典型分析如表16.1所示。

成分	浓度（mg/L）
溶解固体	46
钙	5
镁	6
碳酸氢盐	5
硫酸盐	14
硝酸盐	—
氯化物	27

  用于蒸汽产生和其他辅助目的的服务用水可能需要更广泛的处理，以避免锅炉问题，并确保加热表面、热交换器和相关管道保持无沉积物和水垢。来自普通标准水源的清洁水用于一般卫生和清洁目的。

  当没有足够的冷水可有效回收工艺中的热量或遵守当地环境排放许可条件时，一些蒸馏厂需要使用冷却塔。然而，必须定期监测和仔细维护这些冷却塔，以避免军团菌的存在，这种细菌可能对人类造成严重的致病影响。系统必须保持清洁状态，任何细菌感染都需要通过定期去污和消毒来控制。

  工厂中使用的任何水都必须按照当前的环境法规排放，并可能通过废水处理系统，以确保在返回环境之前满足满意的许可条件。Dolan（2003）概述了管理供水以避免浪费和减少总体用水量的一般良好实践，并强调了使用自动在位清洁（CIP）以减少废水排放和防止清洁剂和消毒剂倾倒到环境中的重要性。冷却水应以最节能的方式回收和再利用。应仔细控制糖化过程，以避免糖化槽过度排放，并减少将产品转移到发酵罐所需的冲洗量。蒸馏厂设备应妥善维护和监督，以避免蒸汽冷凝水和其他材料从冷却系统流失。系统中的任何泄漏（冷凝器、热交换器、阀门、管道）都应认真处理。

  在考虑蒸馏厂的废物流时，除了废水外，酒精和挥发性有机化合物（VOCs）的空气排放也是烈酒行业的环境问题，但本书不涉及。读者可参考其所在国家的当地法规；这些法规目前差异很大，从很少的规定到非常严格的指导方针。美国环境保护署网站上可以找到蒸馏烈酒生产和仓库储存的空气排放法规示例。

水处理

  水处理的目的是在水用于糖化和后续工艺之前去除不需要的成分，并且在法律允许的情况下，添加水中缺失的理想成分。对于废水处理，蒸馏的特点是所使用的原料（如麦芽和未发芽谷物）是有机且可生物降解的。因此，工艺排放物主要是可生物降解的。从废水中去除铜是一个独特的问题，将在本章单独讨论。《NALCO水手册》（2009年）是管理水处理的优秀参考资料。该手册超过1200页，是工业设施用水和废水使用与处理的非常全面的指南。

  欧盟已为城市和工业废水排入开放水域制定了以下排放限值（表16.2）。

化合物	限值
化学需氧量（COD）	125 mg/L
生化需氧量（BOD）	25 mg/L
悬浮固体（SS）	35 mg/L
总氮	10 mg/L（以N计）
总磷	1 mg/L（以P计）

  由于法规和当地要求，蒸馏厂越来越多地拥有自己的废水处理厂，或达成协议支付由市政处理厂进行废水处理的费用。蒸馏厂废水有两种主要处理系统：厌氧处理和好氧处理。在厌氧处理过程中，有机物被转化为甲烷和二氧化碳；而在好氧处理过程中，有机物被转化为二氧化碳和生物质。

  废水的厌氧处理意味着降解过程在缺氧条件下进行。微生物将淀粉、脂质和蛋白质等有机物质降解为较小的分子，如脂肪酸、氨基酸和糖，随后转化为氢气、二氧化碳和甲烷。不同的微生物负责这些过程。结果是有机物质主要转化为沼气，仅产生有限量的生物质。厌氧系统的一个主要优点是沼气可用作燃料，从而节省购买石油、煤炭或天然气的费用（Kormelinck，2008）。

  好氧消化有几种类型。最著名和广泛使用的系统采用活性污泥法。其他类型包括氧化床、转盘反应器和流化床反应器（Kormelinck，2008）。活性污泥系统包括通过筛分去除大颗粒物质的预处理步骤、曝气池、沉淀池，以及最后的污泥处理设施。生物质或污泥吸收有机物质，增加细胞物质的量，因此产生更多的污泥。溶解的有机物质中很大一部分（40%至80%）将转化为固体物质，通常需要填埋处置。其余的BOD为细胞维持提供能量，并以二氧化碳的形式释放到大气中。表16.3提供了厌氧过程和好氧过程的比较。

方面	厌氧过程	好氧过程
BOD去除	70%至85%	95%至99%
空间需求	面积小，为好氧过程需求的20%	占地面积大
投资	低	高
电力消耗	低	高
产生的污泥	为好氧过程的20%	高
沼气	是	无
运行成本	低	高
生物反应过程时间	短，约2小时	24小时
稳健性	差	好

  采用好氧还是厌氧废水处理系统主要取决于地方当局的要求、现场处理成本以及地方当局处理的成本。可能导致采用厌氧-好氧联合废水处理厂的当地情况包括：

• 可用建筑面积有限。
• 蒸馏厂位于居民区，需要进行气味处理。
• 这种联合工艺的第一部分是厌氧处理，产生甲烷。随后进行好氧处理，产生可排入公共下水道系统的废水。
• 由于该处理系统需要的氧气较少，因此能源成本较低。除了需要相对较小的建筑面积和近乎无气味的处理外，整个过程也相对快速。

废水中铜的处理

  铜制壶式蒸馏器是所有麦芽威士忌蒸馏厂的设备，主要因其高效的热传递特性。连续（Coffey）蒸馏器中也含有铜。此外，铜在烈酒品质中起着非常重要的作用。当烈酒蒸汽与铜制蒸馏器接触时，它会减少蒸汽中不太理想的硫化合物，如二甲基三硫化物（DMTS）。在蒸馏过程的这一阶段所吸收的铜呈可溶形式。尽管在最终的麦芽威士忌中可检测到一些铜（385至480 ng/L），但大部分铜会进入排放的废水中。通常，在此过程阶段发现的铜含量为10 mg/L。

  蒸馏厂的排放物可进入各种水道：城镇污水、河流、湖泊、潮汐。在相应欧洲法规的支持下，苏格兰水务（SW）和苏格兰环境保护局（SEPA）已向蒸馏厂施压，要求其净化废水，这包括收紧铜的排放浓度限值。

  已提出几种去除铜的方法，包括反渗透（RO）和电凝聚。尽管这些方法在去除金属方面效果良好，但它们不擅长应对有机污染，且往往容易结合。

  铜的最大溶解度在pH 8至8.5范围内。对从一家苏格兰蒸馏公司获得的样品进行了测试，以了解在此pH范围内可以去除多少铜（Walker，2012）。使用了许多金属沉淀剂、混凝剂和聚合物来结合铜和其他固体。结果发现铝基混凝剂是有效的；然而，聚合物必须针对特定场地。从长远来看，这种方法不足以完全去除所有铜，有人建议微滤和电凝聚等技术可能是解决该问题的可行方案。

水资源保护与未来

  从提高效率和长期可持续性的角度来看，水资源保护现在是任何蒸馏厂设计和运营中的重要因素。这需要仔细考虑用水情况，以最大限度地减少浪费并降低环境影响。在整个蒸馏厂整合用水的系统（即工艺某一部分的水可在蒸馏厂其他地方有效利用）现已成为现代和新建蒸馏厂设计的重要特征。老旧工厂可能需要改造，以满足减少用水和提高能源效率的新目标。在工艺的所有阶段对水进行精心处理是当今成功蒸馏厂的关键。

参考文献

• Dolan TCS. 麦芽威士忌：原料与加工. 载于: Russell I 编. 《威士忌：技术、生产与营销》. 伦敦: 学术出版社; 2003:27–74.

• Eumann M, Schildbach S. 125 周年回顾：酿造中的水源与处理. 《酿造研究所杂志》. 2012;118:12–21.

• 欧洲理事会., 1998. 1998 年 11 月 3 日关于人类消费用水质量的第 98/83/EC 号理事会指令 (https://www.fsai.ie/uploadedFiles/Legislation/Food_Legisation_Links/Water/EU_Directive_98_83_EC.pdf).

• 欧盟委员会., 1991. 关于城市废水处理的第 91/271/EEC 号理事会指令 (http://ec.europa.eu/environment/water/water-urbanwaste/index_en.html).

• Kormelinck VG. 蒸馏行业中废水处理与能源回收相辅相成. 载于: Bryce JH, Piggott JR, Stewart GG 编. 《蒸馏酒：生产、技术与创新》. 英国诺丁汉: 诺丁汉大学出版社; 2008:257–264.

• 纳尔科化学公司. 《纳尔科水手册》. 第 3 版. 纽约: 麦格劳-希尔; 2009.

• Palmer J, Kaminski C. 《水：酿酒师综合指南》. 科罗拉多州博尔德: 酿酒师出版社; 2013.

• 苏格兰法定文书 (SSI). 《2006 年私人供水（苏格兰）条例》. 伦敦: 英国皇家文书局; 2006: (http://www.legislation.gov.uk/ssi/2006/209/contents/made).

• Walker S. 蒸馏厂废水中铜去除的经济有效解决方案. 载于: Walker GM, Goodall I, Fotheringham R, Murray D 编. 《蒸馏酒：科学与可持续性》. 英国诺丁汉: 诺丁汉大学出版社; 2012:289–294.

• Wilson, C.A., Jack, F.R., 和 Priest, F.G., 2010. 水成分对麦芽烈酒品质的作用. 载于: 《蒸馏酒》. 第 3 卷. 《新视野：能源、环境与启示》(G.M. Walker, 和 P.S. Hughes 编), 第 267-275 页. 英国诺丁汉大学出版社, 诺丁汉, 英国.

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