王維紅，董星遼

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，新疆烏魯木齊 830052)

番茄制品是西北地區(qū)食品業(yè)重點(diǎn)發(fā)展行業(yè)，新疆是我國乃至亞洲最大的番茄制品生產(chǎn)基地，主要產(chǎn)品為番茄醬。番茄醬生產(chǎn)屬于高耗水行業(yè)，生產(chǎn)過程會產(chǎn)生大量的工業(yè)廢水。番茄醬生產(chǎn)企業(yè)每日產(chǎn)生的廢水量大且有機(jī)物含量高，處理不當(dāng)會造成嚴(yán)重的環(huán)境污染[1-3]。該廢水的有效達(dá)標(biāo)處理、回用于農(nóng)業(yè)灌溉和綠化，對減少環(huán)境污染及節(jié)約水資源具有重要意義。

1 番茄醬生產(chǎn)廢水水質(zhì)特征

番茄醬生產(chǎn)廢水來源于生產(chǎn)過程中前段的原料沖洗和流送過程產(chǎn)生的廢水，約占總用水量的70%，污染物含量占99%。后段的蒸汽冷凝水、設(shè)備清洗水、循環(huán)冷卻水、機(jī)械冷卻水、鍋爐排水及廠區(qū)生活污水等水量占總廢水排放量的30%，污染物含量只占1%。番茄醬生產(chǎn)中不添加任何化學(xué)添加劑，生產(chǎn)廢水無有毒有害成分，廢水中的有機(jī)污染物主要來自破損的番茄鮮果的果肉和果汁，屬于工業(yè)廢水Ι類，主要污染物指標(biāo)為COD、BOD、pH、SS、色度、氨氮、TN和TP等[4]。

通過對企業(yè)監(jiān)測數(shù)據(jù)的調(diào)查：耗水量大小視原料保存時(shí)間、氣溫變化以及企業(yè)循環(huán)用水工藝而不同，噸標(biāo)醬耗水在19～60 m3/m3，平均約為30 m3/ m3；CODCr為450～2 400 mg/L，平均值為1 200 mg/L；噸標(biāo)醬CODCr產(chǎn)量為17～40 kg，平均值為25 kg/m3。BOD5為270～1 280 mg/L；SS為200～1 000 mg/L；氨氮為4.5～26.5 mg/L；TN為9.6～28 mg/L；TP為0.5～5.5 mg/L；色度為200～300倍，pH值為4.1～6.3。廢水COD和SS含量較高，氮、磷含量低，由于直接受生產(chǎn)鮮果原料的影響，進(jìn)水水質(zhì)及水量波動大，屬于高色度、高濁度、高有機(jī)物濃度和弱酸性有機(jī)廢水。盡管其污染物指標(biāo)遠(yuǎn)高于城市生活污水，但B/C大于0.45，易于生物降解，適合采用生物處理工藝。

2 廢水處理工藝現(xiàn)狀問題分析

此類廢水具有明顯的季節(jié)性，每年生產(chǎn)期在7月—9月，約60～70 d。由于工廠大多分布在原料產(chǎn)地附近的縣市，生產(chǎn)期廢水的污染物和水量負(fù)荷往往遠(yuǎn)超附近小城鎮(zhèn)生活污水處理廠的設(shè)計(jì)負(fù)荷和接納處理能力，需要在廠內(nèi)單獨(dú)建污水處理站。

這類食品工業(yè)的生產(chǎn)廢水[5]，總體上屬無毒、酸性有機(jī)廢水，可生化性強(qiáng)，但需要在每年的生產(chǎn)期提前啟動生物處理系統(tǒng)，存在菌群馴化時(shí)間長而運(yùn)行期短的矛盾，原則上要求工藝簡單，操作維護(hù)方便，運(yùn)行費(fèi)用低，以降低企業(yè)生產(chǎn)成本。目前，主流工藝仍是“物化+生化”處理工藝。從在線監(jiān)測獲知，以新疆中基、天業(yè)及中糧屯河等為代表的共166家番茄制品企業(yè)的生產(chǎn)廢水基本均采用“物化+生化”處理工藝。

工藝中采用的物化處理方法為沉淀、氣浮、過濾，設(shè)施包括粗格柵、平流式沉淀池、轉(zhuǎn)鼓過濾器過濾和氣浮池等。單純的物理處理只能有效降低SS，對COD等有機(jī)物的降解仍需依靠生物處理單元。

采用的好氧生化工藝是以降低COD為核心的活性污泥法及變形工藝。由現(xiàn)有企業(yè)的調(diào)研資料可知，普通活性污泥法、AAO、CASS、SBR、深井曝氣法、UASB等工藝均有使用，主流工藝是普通活性污泥法中的推流式延時(shí)曝氣池、UASB和深層曝氣這3種。

隨著近年環(huán)?？刂埔蟮奶岣?，有些企業(yè)依然被出水不達(dá)標(biāo)的問題所困擾。同樣的工藝因各企業(yè)的運(yùn)維水平差異，出水水質(zhì)差異較大，處理規(guī)模相同的項(xiàng)目，其出水達(dá)標(biāo)及運(yùn)行費(fèi)用參差不齊。調(diào)研中發(fā)現(xiàn)，企業(yè)出水水質(zhì)較差的主要原因是工藝設(shè)計(jì)存在先天不足、實(shí)際設(shè)施設(shè)計(jì)參數(shù)選取不合理；或是有些企業(yè)的運(yùn)行維護(hù)技術(shù)薄弱、運(yùn)行參數(shù)的綜合優(yōu)化與調(diào)控能力差、系統(tǒng)負(fù)荷變化時(shí)出水水質(zhì)不穩(wěn)定、處理系統(tǒng)各級處理單元的效能未能充分發(fā)揮等非工藝本身的問題。以下是對深層曝氣法工藝工程應(yīng)用實(shí)例的考察。

3 深層曝氣典型工藝除污效能分析

新疆中糧屯河某分公司采用了糖業(yè)、番茄制品聯(lián)建污水治理項(xiàng)目，在對番茄醬生產(chǎn)企業(yè)的污水處理站進(jìn)行工藝運(yùn)行調(diào)試和工藝運(yùn)行參數(shù)的優(yōu)化之后，在出水水質(zhì)穩(wěn)定的情況下，對其進(jìn)出水水質(zhì)進(jìn)行連續(xù)6 d的檢測。通過出水主要污染物的去除情況，對該番茄醬制品公司生產(chǎn)期典型工藝的污染物去除效能進(jìn)行分析論證。

3.1 工藝及設(shè)計(jì)參數(shù)

(1)采用活性污泥法深層曝氣工藝，工藝流程如圖1所示。

圖1 工藝流程圖Fig.1 Flow Diagram of the Process

番茄醬生產(chǎn)廠的廢水由廠區(qū)內(nèi)的地下管網(wǎng)匯入污水處理系統(tǒng)。廢水經(jīng)轉(zhuǎn)鼓過濾器及格柵初步去除廢水中皮渣，接著經(jīng)過配水井均勻分配至沉淀池，再由水泵加壓輸送至深層曝氣濾池進(jìn)行生物處理，隨后經(jīng)配水池、二沉池進(jìn)行泥水分離。清水經(jīng)過消毒后排出，污泥經(jīng)脫水干化外運(yùn)。

(2)廢水設(shè)計(jì)處理規(guī)模為2.5萬t/d，日廢水量為900 m3/h，進(jìn)水CODCr為1 000 mg/L。

(3)處理后廢水設(shè)計(jì)濃度為《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918 —2002)規(guī)定的一級B標(biāo)準(zhǔn)，即SS≤20 mg/L，CODCr≤60 mg/L，BOD5≤ 20 mg/L，TN≤20 mg/L，TP≤1.5 mg/L，氨氮≤8 mg/L。

3.2 主要功能單元的構(gòu)筑物及工藝運(yùn)行參數(shù)

(1)轉(zhuǎn)鼓過濾器

規(guī)格型號為G10/1.85，過濾面積為10 m2，轉(zhuǎn)鼓直徑為1 850 mm，轉(zhuǎn)鼓寬度為1 780 mm，轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速為0.1～1.8 r/min，傳動功率為2.2 kW，外型尺寸(L×W×H)為2.76 m×2.65 m×2.15 m，機(jī)器重量為4 240 kg。設(shè)計(jì)水量為900 m3/h，設(shè)計(jì)進(jìn)水SS為600 mg/L，去除率為80%，設(shè)計(jì)出水SS為120 mg/L。

(2)粗、細(xì)格柵

采用平面格柵，半地下鋼砼結(jié)構(gòu)。直臂格柵渠道2條，粗細(xì)格柵各1套，回轉(zhuǎn)式格柵除污機(jī)2套，螺旋輸送機(jī)2套。粗格柵柵條間距為6 mm，細(xì)格柵柵條間距為2 mm。主要去除污水中相對較大的懸浮物。

(3)配水井與沉砂池

配水井采用半地下式鋼砼結(jié)構(gòu)，尺寸(L×W×H)為4 m×6 m×8 m，分3格，為污水進(jìn)入沉砂池消能整流。設(shè)計(jì)初沉池采用平流式沉砂池，地下鋼砼結(jié)構(gòu)，外觀尺寸(L×W×H)為8 m×1.8 m×2 m，分3格，主要去除0.2 mm以上的砂粒。

(4)水泵房、風(fēng)機(jī)房

水泵房與風(fēng)機(jī)房在沉砂池上部。水泵規(guī)格為300-235 A離心泵，流量為438 m3/h，揚(yáng)程為16.5 m，功率為45 kW，3臺，2用1備。

風(fēng)機(jī)房與水泵間合建，采用羅茨鼓風(fēng)機(jī)3臺，2用1備。

(5)深層曝氣濾池

設(shè)計(jì)污泥負(fù)荷為1.0 kg BOD5/(kg·MLSS)，水力停留時(shí)間HRT為12.0 h；設(shè)計(jì)出水CODCr為100 mg/L。采用鋼制防腐設(shè)備1座，尺寸：內(nèi)徑為30 m，外徑為40 m，高為15 m。

(6)配水池與二沉池

配水井2座，采用半地下鋼砼結(jié)構(gòu)。尺寸為10 m(直徑)×6 m(高)。底部設(shè)置槳翼攪拌裝置，電機(jī)功率為0.75 kW。深層曝氣生物濾池為地上式，出水能量較大，添加減速機(jī)起到消能的作用。

設(shè)計(jì)二沉池為半地下式鋼砼結(jié)構(gòu)，外觀尺寸(L×W×H)為20 m×50 m×8 m。停留時(shí)間為3.0 h，表面負(fù)荷為1.6 m3/h。經(jīng)2座配水井與各配水管將泥水均勻配制到二沉池中實(shí)現(xiàn)泥水分離。

(7)清水池與二泵站

清水池位于二沉池尾部，半地下式鋼砼結(jié)構(gòu)，尺寸(L×W×H)為8 m×5 m×6 m。清水池中的水經(jīng)次氯酸鈉消毒后，由二次加壓水泵加壓，送入排水管。水泵規(guī)格Q=617 m3/h，功率為 45 kW，揚(yáng)程為15 m，2用1備。

(8)集泥池與污泥脫水池

集泥池與清水池規(guī)格相同。污泥脫水池采用地下式鋼砼結(jié)構(gòu)，外觀尺寸(L×W×H)為8 m×5 m×7.5 m。貯泥能力強(qiáng)，動力消耗低，操作簡便。

3.2.2 系統(tǒng)主要運(yùn)行參數(shù)

(1)系統(tǒng)運(yùn)行的活性污泥濃度為8 g/mL。常規(guī)的曝氣池在1.5～4.5 g/mL，加之匹配高效的充氧能力，溶解氧含量保持在3.0 g/mL左右。

(2)在降流管中的流速為1.2 m/s，充氧能力可達(dá)0.8 kg/(m3·g)。

3.3 主要污染物出水水質(zhì)及去除率

現(xiàn)場試驗(yàn)進(jìn)水取樣點(diǎn)為沉砂池進(jìn)水，出水取樣點(diǎn)設(shè)在處理工藝二沉池后的廢水總排放口。在生產(chǎn)期的正常生產(chǎn)工況下，連續(xù)測試廢水進(jìn)、出水水質(zhì)指標(biāo)，每4 h采樣1次，每日采樣總數(shù)為6次，連續(xù)采樣監(jiān)測6 d，監(jiān)測指標(biāo)均為常規(guī)性污染物的監(jiān)測指標(biāo)，按《地表水和污水監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》(HJ/T 91—2002)技術(shù)要求執(zhí)行。

(1)pH

加工番茄醬時(shí)，pH主要來源于番茄自身，生產(chǎn)過程中無高強(qiáng)酸產(chǎn)生。進(jìn)水pH值在4.0～6.5，加堿液進(jìn)行調(diào)節(jié)，出水pH值為6.72～7.38，均值為7.26，接近中性，達(dá)到允許排放要求，監(jiān)測數(shù)據(jù)如圖2所示。

(2)固體懸浮物SS

番茄醬生產(chǎn)過程中，固體污染物主要來源有兩類。一類是加工期間分離出的果皮、籽粒以及分揀出的生、爛番茄等，產(chǎn)生量約占番茄原料的3%～5%，分離收集后大部分用作牲畜色料，極少數(shù)企業(yè)用作提取番茄紅素的原料；另一類是原料送水、原料

圖2 進(jìn)出口廢水pHFig.2 Influent and Effluent pH Value of Wastewater

沖洗廢水、設(shè)備清洗廢水。原料送水及原料沖洗廢水中含有一定量從泥土中帶來的泥沙，設(shè)備沖洗廢水中則含有果皮和籽粒等。由圖3可知：進(jìn)水SS在144～335 mg/L，均值為202.9 mg/L；二沉池出水SS在6～19 mg/L，均值為12.5 mg/L，平均去除率為93.8%。

圖3 進(jìn)出口廢水懸浮物Fig.3 Influent and Effluent SS of Wastewater

(3)COD

水體中還原性物質(zhì)在降解過程中可降低水中的溶解氧，導(dǎo)致水生生物窒息死亡，進(jìn)而水質(zhì)惡化腐敗變臭?；瘜W(xué)需氧量的高低反映水中還原性物質(zhì)的多寡，在番茄醬生產(chǎn)廢水中以有機(jī)污染物為主。COD是水質(zhì)監(jiān)測的重要指標(biāo)，連續(xù)監(jiān)測數(shù)據(jù)如圖4所示。由圖4可知：進(jìn)水CODCr為732～1 234 mg/L，均值為998.6 mg/L；出水CODCr為21～47 mg/L，均值為32.1 mg/L，平均去除率為96.8%。

(4)BOD5

生化需氧量反映水中還原性有機(jī)物質(zhì)的多少，是微生物可利用有機(jī)物生長繁殖所消耗的氧量。BOD和COD的差值可以反映廢水中微生物難以降解的有機(jī)物的多少，此類有機(jī)物對水體的危害更大。番茄醬生產(chǎn)廢水的BOD含量高，易于生物降解。由圖5可知：進(jìn)口廢水BOD5為296～540 mg/L，均值為391.5 mg/L；出水BOD5為7.3～14.4 mg/L，均值為11.1 mg/L，平均去除率為97.2%。

(5)TN和氨氮

眾所周知，水體中氮磷含量高于微生物生長需求時(shí)，水體易富營養(yǎng)化。TN包括有機(jī)氮和無機(jī)氮，有機(jī)氮主要包括水中的尿素、蛋白質(zhì)等大分子含氮有機(jī)物，無機(jī)氮是水中含有的銨態(tài)氮和硝態(tài)氮。有機(jī)氮在水中微生物作用下，通過氨化反應(yīng)轉(zhuǎn)化為銨態(tài)氮，然后經(jīng)硝化和反硝化作用生成氮?dú)馀懦?。番茄醬生產(chǎn)廢水處理站的水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示：進(jìn)水口

圖4 進(jìn)出口廢水CODFig.4 Influent and Effluent COD of Wastewater

圖5 進(jìn)出口廢水BOD5Fig.5 Influent and Effluent BOD5 of Wastewater

TN為13.2～32.1 mg/L，均值為20.6 mg/L；出水口TN為5.2～7.4 mg/L，均值為6.1 mg/L，平均去除率為70.4%。進(jìn)水氨氮為9.6～18.2 mg/L，均值為14.6 mg/L；出水氨氮為1.6～4.1 mg/L，均值為2.8 mg/L，平均去除率為79.3%，如圖6所示。深層曝氣工藝對氮的去除效果顯著，出水可以達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》一級A標(biāo)準(zhǔn)。

圖6 進(jìn)出口廢水氨氮和TNFig.6 Influent and Effluent Ammonia Nitrogen and TN of Wastewater

(6)TP

磷與氮是導(dǎo)致水體富營養(yǎng)化的主要元素，雖然含量很低，但大量的排放依然對水體造成嚴(yán)重的污染[6]。氮磷的排放使水中藻類植物瘋長，溶解氧降低，影響魚蝦和其他水中生物的生長，水體透明度下降，甚至形成水華、赤潮等水質(zhì)惡化現(xiàn)象[7]。番茄醬生產(chǎn)廢水與其他廢水相比，磷含量低，通過深層曝氣法工藝處理后，極易達(dá)到水質(zhì)排放標(biāo)準(zhǔn)。監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示：進(jìn)水口TP為1.3～4.8 mg/L，均值為2.54 mg/L；出水口TP 在0.21～0.58 mg/L，均值為0.37 mg/L，平均去除率為85.4%，如圖7所示。

圖7 進(jìn)出口廢水TPFig.7 Influent and Effluent TP of Wastewater

3.4 討論

與普通活性污泥法相比，深層曝氣法有以下優(yōu)勢。

(1)充氧能力

深層曝氣法的充氧能力遠(yuǎn)高于其他曝氣法。氧在水中的傳質(zhì)：dC/dt=KLa(Cs-C)。深層塔水深造成的靜水壓力提高了傳氧分壓和傳氧動力(Cs-C)。升流管釋放的微氣泡起揚(yáng)升水流的作用，可補(bǔ)充降流管內(nèi)空氣泡下降所需的能量，因此，在不需要高能耗的情況下就能獲得高的氣相分壓，塔內(nèi)氣水混合充分，溶解氧含量高，KLa成倍增加。充氧動力Eo不高即能滿足供氧，供氧效率高。

(2)脫氣池設(shè)計(jì)利于泥水分離

深層曝氣法與常規(guī)的曝氣工藝相比，在數(shù)倍于其他曝氣法的靜水壓力下充氧，混合液中溶有過飽和空氣以及生物氧化反應(yīng)過程中產(chǎn)生的廢氣(N2、CO2等)，出水中帶有較多微氣泡，影響后續(xù)二沉池的沉淀效果和出水SS。曝氣塔頂部設(shè)計(jì)的脫氣區(qū)能有效去除微氣泡，使混合液出水有利于后續(xù)的泥水分離。

(3)中間配水池的設(shè)計(jì)有利于二沉池功能的發(fā)揮

生化池出水進(jìn)入二沉池前，進(jìn)入到加裝了減速機(jī)的配水井中，一則消減高塔出水的能量，降低水流流速，平穩(wěn)沉淀池水流；二則讓水中產(chǎn)生的氣泡和廢氣進(jìn)一步溢出，防止細(xì)小的膠體微粒等隨氣泡帶入二沉池。在進(jìn)入二沉池前設(shè)有消能、穩(wěn)流及脫氣功能的配水池，強(qiáng)化了二沉池的功能。

(4)單氣源動力設(shè)計(jì)系統(tǒng)效能提高

該深層曝氣法工藝設(shè)計(jì)采用氣提循環(huán)法，以單一的壓縮空氣作為循環(huán)動力，使污水在塔筒中上升和下降流動的同時(shí)完成混合攪拌和充氧過程，并完成有機(jī)物的降解。內(nèi)部循環(huán)系統(tǒng)省去了一套水泵及循環(huán)管路系統(tǒng)，投資低，供氧量充足。降流管中的流速為1.2～1.5 m/s，加強(qiáng)了水流紊動，使KLa成倍增加，其氧傳遞速率快，動效率Ep高于其他曝氣方法。

3.5 經(jīng)濟(jì)指標(biāo)分析

運(yùn)行費(fèi)用包括動力費(fèi)、菌配及藥劑費(fèi)、人工費(fèi)、污泥處置費(fèi)等[8]。

該工程每日處理水量為21 600 t，用電設(shè)備總功率為6 363 kW，功率系數(shù)按0.8計(jì)，電費(fèi)按民用電價(jià)0.6元/度計(jì)，廢水處理運(yùn)行費(fèi)用為0.73元/(m3廢水)。其中，電費(fèi)為0.18元/(m3廢水)；培菌及藥劑費(fèi)為0.20元/(m3廢水)；人工費(fèi)用為0.10元/(m3廢水)；污泥處置費(fèi)用為0.25元/(m3廢水)。

4 結(jié)論與建議

(1)出口pH均值為7.26，SS≤20 mg/L，CODCr≤40 mg/L，BOD5≤15 mg/L，TN≤8 mg/L，氨氮≤5 mg/L，TP≤0.6 mg/L，以上指標(biāo)均達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)規(guī)定的一級B標(biāo)準(zhǔn)。

(2)除BOD5和SS外，其余指標(biāo)甚至能達(dá)到一級A標(biāo)準(zhǔn)。SS較高可能是出水中未去除的膠體及菌團(tuán)微粒所致，而較高的SS也間接增加了出水BOD5，建議在工藝出水端增加強(qiáng)化過濾，降低SS的同時(shí)，使出水達(dá)到一級A標(biāo)準(zhǔn)。

(3)進(jìn)水pH值在4.0～6.5，工藝加堿液調(diào)節(jié)，出水pH均值為7.26，建議將出水pH均值保持在6.5左右即可，以節(jié)約堿液用量和生產(chǎn)成本。

(4)采用好氧深層曝氣池工藝處理高濃度番茄醬生產(chǎn)廢水，污染物去除率高，出水水質(zhì)優(yōu)且水質(zhì)穩(wěn)定，沖擊負(fù)荷抗擊能力較強(qiáng)。

深層曝氣法工藝處理番茄醬生產(chǎn)廢水的工程實(shí)例表明：深層曝氣法的除污能效顯著，對有機(jī)物的去除率高，且投資和運(yùn)行成本較低，可作為番茄加工廢水處理的優(yōu)先推薦工藝。