活性污泥法處理番茄醬生產(chǎn)廢水的應用與研究

張小衛(wèi)，王維紅，彭　維，王　潤，葛光毅

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學 水利與土木工程學院，新疆 烏魯木齊 830052；2.新疆大學 建筑工程學院，新疆 烏魯木齊 830047)

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活性污泥法處理番茄醬生產(chǎn)廢水的應用與研究

張小衛(wèi)1，王維紅1，彭維2，王潤1，葛光毅1

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學 水利與土木工程學院，新疆 烏魯木齊 830052；2.新疆大學 建筑工程學院，新疆 烏魯木齊 830047)

摘要：番茄是世界范圍內(nèi)廣泛需求的作物，番茄制品生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生大量的高濃度有機廢水。通過分析番茄醬生產(chǎn)廢水污染物特性，廢水COD濃度大多在800 mg/L～1 300 mg/L之間，氮磷含量較低，且可生化性強，適合采用活性污泥法處理。結(jié)合工程實例說明，采用活性污泥法為核心的改進工藝——逐減曝氣法處理番茄醬生產(chǎn)廢水能有效去除污染物，COD去除率達91.50%，SS去除率達82.92%，且系統(tǒng)出水水質(zhì)穩(wěn)定，運行費用低，運行管理簡單，是番茄制品(及相似)生產(chǎn)廢水處理的有效工藝。

關鍵詞：番茄醬；生產(chǎn)廢水；活性污泥法；去除率；工藝改進

番茄是世界范圍內(nèi)廣泛需求的作物，它的營養(yǎng)價值很高。隨著世界經(jīng)濟全球化進程的加快，世界番茄貿(mào)易規(guī)模呈不斷擴大趨勢。我國已經(jīng)成為全球第二大番茄制品生產(chǎn)國和第一大出口國[1]。全國有生產(chǎn)企業(yè)200多家，主要分布在新疆、內(nèi)蒙和甘肅張掖地區(qū)[2]。

番茄制品主要產(chǎn)品形式為番茄醬。番茄醬生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的廢水屬于高濃度有機廢水，CODcr濃度大多在800 mg/L～1 300 mg/L之間；粗略估計，僅新疆COD排放量達3萬t/a。番茄醬生產(chǎn)會產(chǎn)生大量的工業(yè)廢水，據(jù)調(diào)查，目前我國絕大部分企業(yè)的番茄醬廢水排放量處于15 m3/t～40 m3/t之間。如果按番茄醬排水量30 m3/t計算，2013年僅新疆番茄醬生產(chǎn)廢水排放量約3 000萬m3/a。所以番茄醬生產(chǎn)廢水的處理利用對COD排放總量消減、節(jié)約水資源有著重要的貢獻。我國的工業(yè)廢水產(chǎn)量大，但是處理效果不佳，大量的廢水不能得到有效處理[3-7]。

杜新憲等[8]應用DAT-IAT生化法處理番茄污水，實現(xiàn)了番茄廢水治理低成本、高標準的要求。王郁[9]采用電滲析—活性污泥法組合工藝對高鹽廢水進行處理，利用電滲析裝置及含鹽量較低的汲取液，將高鹽廢水中的鹽分脫除，脫鹽后的廢水采用活性污泥法生化處理。孫世陽等[10]廢水中基質(zhì)降解動力學的研究可作為處理番茄加工廢水處理系統(tǒng)設計提供依據(jù)，并且通過實測值可以很好地預測出水的水質(zhì)，不僅能有效處理番茄加工廢水，而且通過動力學參數(shù)的確定以及處理效果得到了驗證。孫世陽等[11]通過研究番茄加工廠廢水處理系統(tǒng)好氧活性污泥生物活性指標，對系統(tǒng)的穩(wěn)定運行有顯著的實用意義，活性污泥中的微生物的生理生化指標可以視為對傳統(tǒng)的活性污泥系統(tǒng)理化指標的補充和優(yōu)化，在處理番茄加工廢水的實踐中具有良好的應用前景。生物方法處理有機廢水方便快捷，具有條件溫和、能耗低、投資少、無催化劑添加和操作安全等優(yōu)點，得到研究者們的普遍關注[12-16]。

本文分析了番茄醬企業(yè)生產(chǎn)廢水的特點，通過對企業(yè)廢水工藝及運行狀況的考察，探討用活性污泥法處理番茄醬生產(chǎn)廢水的有效處理方法、工藝及效能。以期有利于新疆的環(huán)境保護和廢水資源的循環(huán)利用。試驗過程中需要測定的生活污水的各項指標及檢測方法均按國家環(huán)保局頒布《水和廢水監(jiān)測分析方法》進行測定[17-19]。

1　番茄醬生產(chǎn)廢水的來源及廢水污染物特性

1.1番茄醬生產(chǎn)廢水的來源

番茄醬全年生產(chǎn)期集中在番茄上市期的7月—9月，年正常生產(chǎn)天數(shù)一般在60 d～90 d左右，在較短的生產(chǎn)期內(nèi)廢水大量集中排放。

番茄醬生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的廢水包括原料輸送用水，原料的去雜、除污等沖洗過程產(chǎn)生的廢水，管道及設備的每周一次化學清洗過程產(chǎn)生的設備清洗水。原料輸送用水和原料沖洗廢水占總廢水產(chǎn)生量的99%以上[20]。其中，原料輸送用水占總廢水產(chǎn)生量的28%以上。番茄沖洗水產(chǎn)生量最大，占總廢水量的70%以上，污染物占到總排放量的99%。

1.2番茄醬生產(chǎn)廢水中主要污染物

番茄醬生產(chǎn)廢水屬于無毒有害的高色度酸性有機廢水。廢水中主要污染物為pH、色度、SS、CODcr、BOD5和氨氮、總氮、總磷等，污染物組成比較單一。

番茄醬廠處理前的番茄醬生產(chǎn)廢水：pH為5.6～6.5，懸浮物SS 200 mg/L～1 000 mg/L，CODcr800 mg/L～2 400 mg/L，BOD5400 mg/L～1 000 mg/L，氨氮9.0 mg/L～15.0 mg/L，色度200倍～300倍，總氮6 mg/L～40 mg/L，總磷1.5 mg/L～5.5 mg/L。

1.3目前執(zhí)行的排放標準

我國目前頒布現(xiàn)行的《污水綜合排放標準》[21](GB8978-1996)。由于番茄制品生產(chǎn)廢水有流量大、歷時短、有機物濃度高的特點，排入污水管網(wǎng)或城市污水處理廠，污水廠一般難以承受巨大的負荷沖擊，處理廢水達到《污水綜合排放標準》二級標準要求后，用于農(nóng)灌是最好的去處，可節(jié)約大量的水資源。

2　廢水處理主要技術(shù)

番茄醬生產(chǎn)廢水具有排放水量大、季節(jié)性強、處理設施運行期極短而閑置期較長，廢水中所含成分主要是有機酸、番茄汁等有機物，無有毒有害成分，是較為典型的易生降解有機廢水。目前，生產(chǎn)企業(yè)常用的廢水處理方法主要有物理和生物處理法。

2.1物理處理法及廢水達標情況

物化處理方法有：沉淀、氣浮、過濾。其工藝為：粗格柵、平流式沉淀池沉淀、轉(zhuǎn)鼓過濾器過濾(氣浮)。采用物理處理技術(shù)的企業(yè)出水水質(zhì)(如表1)與現(xiàn)行《污水綜合排放標準》[21](GB8978-1996)中污染物濃度限值比較：可見，番茄醬生產(chǎn)廢水只經(jīng)過物理處理，出水水質(zhì)根本無法達標。

表1　物化處理后出水水質(zhì)與綜排標準限制的比較

2.2番茄制品生產(chǎn)廢水活性污泥法處理適宜工藝

該有機廢水，COD濃度遠大于城市生活污水，營養(yǎng)物充足，需要的耗氧量也高，氮磷含量低，以有機物的去除為主，適合采用物化預處理加生物處理是其最有效的方法。

活性污泥法為核心的改進工藝(與本文的工程實例相同)為逐減曝氣法，這種方式是針對普通曝氣法有機物濃度和需氧量沿池長減小的特點而改進的。通過合理布置曝氣器，使供氣量沿池長逐漸減小，與底物濃度變化相對應(見圖1)。這種曝氣方式比均勻供氣的曝氣方式更為經(jīng)濟。

圖1逐減曝氣法

污泥曝氣池有若干個狹長的流槽，廢水從一端進入，另一端流出，為水流轉(zhuǎn)折串聯(lián)式流程。溶解氧沿程劇烈攪拌活性污泥混合液，廢水進入曝氣池后可得到良好的稀釋，充分混合，以最大限度地承受廢水水質(zhì)變化的沖擊。由于池內(nèi)各點水質(zhì)均勻、F/M(有機負荷率)一定。廢物降解，微生物增長，F(xiàn)/M沿程變化。同時，采用逐減曝氣法，使供氣量沿池長逐漸減小，節(jié)約動力費。

3　逐減曝氣法典型工藝應用實例

以下是番茄醬生產(chǎn)廠實地調(diào)研的逐減曝氣法工藝實例，該工藝在番茄醬廢水處理中應用較為普遍，具有一定代表性，據(jù)調(diào)查，中糧集團內(nèi)蒙古區(qū)域6家和新疆中糧屯河8家番茄制品公司采用了上述工藝，目前運行正常，當?shù)貦z測部門驗收完畢，均實現(xiàn)了達標排放，本文通過此例可考證該法對番茄醬生產(chǎn)廢水處理的效能。

中糧屯河某番茄制品分公司：設計日處理番茄4 000t，有日處理500 t、1 500 t、2 000 t番茄生產(chǎn)線各一條。廢水處理量19 200 t/d，廢水進水CODcr為800 mg/L～1 300 mg/L；污水處理工藝：采用物理處理加活性污泥法為核心的生物處理方法。

3.1工藝及特點

以傳統(tǒng)活性污泥法的曝氣池為核心反應器，經(jīng)初沉池、酸化調(diào)節(jié)池處理后的污水和來自二沉池回流污泥一起從曝氣池首端注入，來自鼓風機的壓縮空氣通過管道輸送系統(tǒng)和敷設在曝氣池底部的空氣擴散裝置，以細小氣泡的形式進入曝氣池污水中，在充氧的同時使池中污水、活性污泥劇烈攪動，充分混合。曝氣池混合液沿著曝氣池池長推流式前行，空氣沿著混合液推流方向分散注入，曝氣池沿流程分為四格，每格有單獨的空氣管網(wǎng)和供氧系統(tǒng)，混合液處于完全混合曝氣，隨著沿程混合液中有機物污染物含量不斷降解而降低，需氧量也隨之降低，所以采用供氣量逐漸減小的方式降低動力消耗。

3.2主要處理構(gòu)筑物及設計運行參數(shù)

(1)初沉池

水量800.0 m3/h，表面負荷2.6 m3/h，出水SS：200 mg/L，去除率75%；

(2)酸化調(diào)節(jié)池

進水CODcr=1 200 mg/L，有效容積：2 400 m3，停留時間3.0 h，出水CODcr=640 mg/L，去除率20%；

(3)推流式完全混合曝氣反應池

進水CODcr=640 mg/L，停留時間12 h，出水CODcr=128 mg/L，去除效率80%；

(4)二沉池

表面負荷1.5 m3/h，沉淀池表面積533.3 m2，停留時間3.0 h，處理后廢水濃度為：CODcr≤150 mg/L；BOD5≤60 mg/L，TN≤10 mg/L，TP≤2 mg/L，NH3-N≤1.0 mg/L，色度≤10倍。

3.3污水處理進、出水水質(zhì)監(jiān)測及達標情況

污水處理進、出口水質(zhì)檢測平均值、去除率及標準見表2，污水處理進、出口水質(zhì)檢測對比見圖2(取典型的COD、SS、氨氮、BOD)。

表2　污水處理進、出口水質(zhì)檢測平均值、去除率及標準　單位：mg/L(pH除外)

該工藝處理后的CODcr平均去除率為91.50%，SS平均去除率為82.92%，氨氮平均去除率為90.43%，BOD5平均去除率為89.06%，處理后出水水質(zhì)監(jiān)測值都能達到《污水綜合排放標準》二級標準。

圖2污水處理進、出口水質(zhì)檢測對比

3.4經(jīng)濟性評價

該企業(yè)采用生物處理工藝，處理每噸廢水運行費用0.30元，其中電費為0.21元/(t廢水)；培菌費0.05元/(t廢水)；人工費用為0.02元/(t廢水)；污泥處置費用為0.02元/(t廢水)。工程總投資668萬元，廢水綜合處理費用低于0.75元/(t廢水)。

按生產(chǎn)廢水排放量100萬噸/年，該工藝處理廢水的運行費用30萬元/年，比廢水綜合處理費用75萬元/年要節(jié)約45萬元/年。

4　結(jié)果及討論

(1)番茄制品生產(chǎn)廢水必須經(jīng)過物理法預處理后，再經(jīng)生物處理才能達標排放。番茄制品廢水的有機物濃度高，氮磷含量低，最適宜的方法是生物曝氣為核心的活性污泥法技術(shù)。

(2)本文介紹的工藝采用傳統(tǒng)的活性污泥法中的核心處理器曝氣池，并對其工藝進行了優(yōu)化改良，采用了傳統(tǒng)活性污泥法的優(yōu)點，又避免了傳統(tǒng)活性污泥法等量供氧帶來的動力費高的缺點，在推流方向上隨著有機物濃度的下降而分散減量供氧，并且保證沿程有足夠的溶解氧，在空間上采用了延時曝氣的優(yōu)點，而混合液又處于完全混合曝氣狀態(tài)，處理效果好，有機物去除率高達90%以上。在系統(tǒng)正常運行條件下，處理后的廢水各項污染指標完全能達到標準規(guī)定的限值，環(huán)保投資占建設項目總投資的比例小于8%，企業(yè)可以承受。

(3)通過對企業(yè)污水治理設施運行情況，處理廢水的投資成本和運行費用的調(diào)研，表明采用此改良工藝，相比其他工藝，具有對進水水量、水質(zhì)負荷變化適應性強，系統(tǒng)出水水質(zhì)穩(wěn)定；投資少、處理效果好、運行成本低等技術(shù)經(jīng)濟優(yōu)勢。且與SBR工藝相比，這種連續(xù)運行的方式，操作管理簡單易行。

(4)實踐證明以活性污泥曝氣法為核心的優(yōu)化改良工藝——漸減曝氣法對番茄醬生產(chǎn)(和類似)污(廢)水處理十分有效。

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ApplicationandResearchontheTreatmentforWastewaterfromtheProductionofTomatoPastebyUsingActivatedSludge

ZHANG Xiao-wei1,WANG Wei-hong1,PENG Wei2,WANG Run1,GE Guang-yi1

(1.CollegeofHydraulicandCivilEngineering，XinjiangAgriculturalUniversity,Urumqi,Xinjiang830052,China;2.ArchitecturalandCivilEngineeringCollege,XinjiangUniversity,Urumqi,Xinjiang830047,China)

Abstract：Tomato is a worldwidely planted crop in high demand,however the production process of tomato products will produce a large quantity of high concentration organic wastewater.This paper analyzed the pollutant characteristics of the tomato paste production wastewater,in which the COD concentration was approximately between 800～1 300 mg/L,and there was low content of nitrogen and phosphours.It was suitable for adopting activated sludge process to treat the wastewater due to its high biodegradability.Combined with an engineering example,this study aimed to illustrate that the pollutants could be removed effectively by using aeration decline process,a modified method of activated sludge process,and the removal rate of COD reached 91.50%,SS removal rate up to 82.92%,it was found that this process was effective to treat wastewater of tomato products with stable effluent quality,low operating cost and simple management.

Keywords：tomato paste;wastewater of production;activated sludge process;removal rate;improvement of processing

DOI:10.3969/j.issn.1672-1144.2014.06.009

中圖分類號：X703

文獻標識碼：A

文章編號：1672—1144(2014)06—0050—04

作者簡介：張小衛(wèi)(1988—)，男，陜西吳起人，碩士研究生，研究方向為水處理理論與技術(shù)。通訊作者：王維紅(1967—)，女，新疆奇臺人，博士，副教授，主要從事水處理理論與技術(shù)的教學和科研工作。

基金項目：國家科技支撐計劃項目(2013BAJ12BO5)；新疆水利水電重點學科基金資助

收稿日期：2014-08-21修稿日期：2014-09-17