深層曝氣法工藝處理番茄醬生產廢水的效能

王維紅，董星遼

(新疆農業大學水利與土木工程學院，新疆烏魯木齊 830052)

番茄制品是西北地區食品業重點發展行業，新疆是我國乃至亞洲最大的番茄制品生產基地，主要產品為番茄醬。番茄醬生產屬于高耗水行業，生產過程會產生大量的工業廢水。番茄醬生產企業每日產生的廢水量大且有機物含量高，處理不當會造成嚴重的環境污染[1-3]。該廢水的有效達標處理、回用于農業灌溉和綠化，對減少環境污染及節約水資源具有重要意義。

1 番茄醬生產廢水水質特征

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

通過對企業監測數據的調查：耗水量大小視原料保存時間、氣溫變化以及企業循環用水工藝而不同，噸標醬耗水在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；噸標醬CODCr產量為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，由于直接受生產鮮果原料的影響，進水水質及水量波動大，屬于高色度、高濁度、高有機物濃度和弱酸性有機廢水。盡管其污染物指標遠高于城市生活污水，但B/C大于0.45，易于生物降解，適合采用生物處理工藝。

2 廢水處理工藝現狀問題分析

此類廢水具有明顯的季節性，每年生產期在7月—9月，約60～70 d。由于工廠大多分布在原料產地附近的縣市，生產期廢水的污染物和水量負荷往往遠超附近小城鎮生活污水處理廠的設計負荷和接納處理能力，需要在廠內單獨建污水處理站。

這類食品工業的生產廢水[5]，總體上屬無毒、酸性有機廢水，可生化性強，但需要在每年的生產期提前啟動生物處理系統，存在菌群馴化時間長而運行期短的矛盾，原則上要求工藝簡單，操作維護方便，運行費用低，以降低企業生產成本。目前，主流工藝仍是“物化+生化”處理工藝。從在線監測獲知，以新疆中基、天業及中糧屯河等為代表的共166家番茄制品企業的生產廢水基本均采用“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，設施包括粗格柵、平流式沉淀池、轉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。由現有企業的調研資料可知，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曝氣池、UASB和深層曝氣這3種。

隨著近年環保控制要求的提高，有些企業依然被出水不達標的問題所困擾。同樣的工藝因各企業的運維水平差異，出水水質差異較大，處理規模相同的項目，其出水達標及運行費用參差不齊。調研中發現，企業出水水質較差的主要原因是工藝設計存在先天不足、實際設施設計參數選取不合理；或是有些企業的運行維護技術薄弱、運行參數的綜合優化與調控能力差、系統負荷變化時出水水質不穩定、處理系統各級處理單元的效能未能充分發揮等非工藝本身的問題。以下是對深層曝氣法工藝工程應用實例的考察。

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、番茄制品聯建污水治理項目，在對番茄醬生產企業的污水處理站進行工藝運行調試和工藝運行參數的優化之后，在出水水質穩定的情況下，對其進出水水質進行連續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期典型工藝的污染物去除效能進行分析論證。

3.1 工藝及設計參數

(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

番茄醬生產廠的廢水由廠區內的地下管網匯入污水處理系統。廢水經轉鼓過濾器及格柵初步去除廢水中皮渣，接著經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行生物處理，隨后經配水池、二沉池進行泥水分離。清水經過消毒后排出，污泥經脫水干化外運。

(2)廢水設計處理規模為2.5萬t/d，日廢水量為900 m3/h，進水CODCr為1 000 mg/L。

(3)處理后廢水設計濃度為《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918 —2002)規定的一級B標準，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 主要功能單元的構筑物及工藝運行參數

(1)轉鼓過濾器

規格型號為G10/1.85，過濾面積為10 m2，轉鼓直徑為1 850 mm，轉鼓寬度為1 780 mm，轉鼓轉速為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，機器重量為4 240 kg。設計水量為900 m3/h，設計進水SS為600 mg/L，去除率為80%，設計出水SS為120 mg/L。

(2)粗、細格柵

采用平面格柵，半地下鋼砼結構。直臂格柵渠道2條，粗細格柵各1套，回轉式格柵除污機2套，螺旋輸送機2套。粗格柵柵條間距為6 mm，細格柵柵條間距為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構，尺寸(L×W×H)為4 m×6 m×8 m，分3格，為污水進入沉砂池消能整流。設計初沉池采用平流式沉砂池，地下鋼砼結構，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、風機房

水泵房與風機房在沉砂池上部。水泵規格為300-235 A離心泵，流量為438 m3/h，揚程為16.5 m，功率為45 kW，3臺，2用1備。

風機房與水泵間合建，采用羅茨鼓風機3臺，2用1備。

(5)深層曝氣濾池

設計污泥負荷為1.0 kg BOD5/(kg·MLSS)，水力停留時間HRT為12.0 h；設計出水CODCr為100 mg/L。采用鋼制防腐設備1座，尺寸：內徑為30 m，外徑為40 m，高為15 m。

(6)配水池與二沉池

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

設計二沉池為半地下式鋼砼結構，外觀尺寸(L×W×H)為20 m×50 m×8 m。停留時間為3.0 h，表面負荷為1.6 m3/h。經2座配水井與各配水管將泥水均勻配制到二沉池中實現泥水分離。

(7)清水池與二泵站

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

(8)集泥池與污泥脫水池

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

3.2.2 系統主要運行參數

(1)系統運行的活性污泥濃度為8 g/mL。常規的曝氣池在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0.8 kg/(m3·g)。

3.3 主要污染物出水水質及去除率

現場試驗進水取樣點為沉砂池進水，出水取樣點設在處理工藝二沉池后的廢水總排放口。在生產期的正常生產工況下，連續測試廢水進、出水水質指標，每4 h采樣1次，每日采樣總數為6次，連續采樣監測6 d，監測指標均為常規性污染物的監測指標，按《地表水和污水監測技術規范》(HJ/T 91—2002)技術要求執行。

(1)pH

加工番茄醬時，pH主要來源于番茄自身，生產過程中無高強酸產生。進水pH值在4.0～6.5，加堿液進行調節，出水pH值為6.72～7.38，均值為7.26，接近中性，達到允許排放要求，監測數據如圖2所示。

(2)固體懸浮物SS

番茄醬生產過程中，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，極少數企業用作提取番茄紅素的原料；另一類是原料送水、原料

圖2 進出口廢水pHFig.2 Influent and Effluent pH Value of Wastewater

沖洗廢水、設備清洗廢水。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，設備沖洗廢水中則含有果皮和籽粒等。由圖3可知：進水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

水體中還原性物質在降解過程中可降低水中的溶解氧，導致水生生物窒息死亡，進而水質惡化腐敗變臭。化學需氧量的高低反映水中還原性物質的多寡，在番茄醬生產廢水中以有機污染物為主。COD是水質監測的重要指標，連續監測數據如圖4所示。由圖4可知：進水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物質的多少，是微生物可利用有機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物的多少，此類有機物對水體的危害更大。番茄醬生產廢水的BOD含量高，易于生物降解。由圖5可知：進口廢水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，水體易富營養化。TN包括有機氮和無機氮，有機氮主要包括水中的尿素、蛋白質等大分子含氮有機物，無機氮是水中含有的銨態氮和硝態氮。有機氮在水中微生物作用下，通過氨化反應轉化為銨態氮，然后經硝化和反硝化作用生成氮氣排出。番茄醬生產廢水處理站的水質監測數據顯示：進水口

圖4 進出口廢水CODFig.4 Influent and Effluent COD of Wastewater

圖5 進出口廢水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，出水可以達到《城鎮污水處理廠污染物排放標準》一級A標準。

圖6 進出口廢水氨氮和TNFig.6 Influent and Effluent Ammonia Nitrogen and TN of Wastewater

(6)TP

磷與氮是導致水體富營養化的主要元素，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、赤潮等水質惡化現象[7]。番茄醬生產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，極易達到水質排放標準。監測數據顯示：進水口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勢。

(1)充氧能力

深層曝氣法的充氧能力遠高于其他曝氣法。氧在水中的傳質：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升水流的作用，可補充降流管內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)脫氣池設計利于泥水分離

深層曝氣法與常規的曝氣工藝相比，在數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過程中產生的廢氣(N2、CO2等)，出水中帶有較多微氣泡，影響后續二沉池的沉淀效果和出水SS。曝氣塔頂部設計的脫氣區能有效去除微氣泡，使混合液出水有利于后續的泥水分離。

(3)中間配水池的設計有利于二沉池功能的發揮

生化池出水進入二沉池前，進入到加裝了減速機的配水井中，一則消減高塔出水的能量，降低水流流速，平穩沉淀池水流；二則讓水中產生的氣泡和廢氣進一步溢出，防止細小的膠體微粒等隨氣泡帶入二沉池。在進入二沉池前設有消能、穩流及脫氣功能的配水池，強化了二沉池的功能。

(4)單氣源動力設計系統效能提高

該深層曝氣法工藝設計采用氣提循環法，以單一的壓縮空氣作為循環動力，使污水在塔筒中上升和下降流動的同時完成混合攪拌和充氧過程，并完成有機物的降解。內部循環系統省去了一套水泵及循環管路系統，投資低，供氧量充足。降流管中的流速為1.2～1.5 m/s，加強了水流紊動，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 經濟指標分析

運行費用包括動力費、菌配及藥劑費、人工費、污泥處置費等[8]。

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

4 結論與建議

(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，以上指標均達到《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)規定的一級B標準。

(2)除BOD5和SS外，其余指標甚至能達到一級A標準。SS較高可能是出水中未去除的膠體及菌團微粒所致，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化過濾，降低SS的同時，使出水達到一級A標準。

(3)進水pH值在4.0～6.5，工藝加堿液調節，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，以節約堿液用量和生產成本。

(4)采用好氧深層曝氣池工藝處理高濃度番茄醬生產廢水，污染物去除率高，出水水質優且水質穩定，沖擊負荷抗擊能力較強。

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