深层曝气法工艺处理番茄酱生产废水的效能

王维红，董星辽

(新疆农业大学水利与土木工程学院，新疆乌鲁木齐 830052)

番茄制品是西北地区食品业重点发展行业，新疆是我国乃至亚洲最大的番茄制品生产基地，主要产品为番茄酱。番茄酱生产属于高耗水行业，生产过程会产生大量的工业废水。番茄酱生产企业每日产生的废水量大且有机物含量高，处理不当会造成严重的环境污染[1-3]。该废水的有效达标处理、回用于农业灌溉和绿化，对减少环境污染及节约水资源具有重要意义。

1 番茄酱生产废水水质特征

番茄酱生产废水来源于生产过程中前段的原料冲洗和流送过程产生的废水，约占总用水量的70%，污染物含量占99%。后段的蒸汽冷凝水、设备清洗水、循环冷却水、机械冷却水、锅炉排水及厂区生活污水等水量占总废水排放量的30%，污染物含量只占1%。番茄酱生产中不添加任何化学添加剂，生产废水无有毒有害成分，废水中的有机污染物主要来自破损的番茄鲜果的果肉和果汁，属于工业废水Ι类，主要污染物指标为COD、BOD、pH、SS、色度、氨氮、TN和TP等[4]。

通过对企业监测数据的调查：耗水量大小视原料保存时间、气温变化以及企业循环用水工艺而不同，吨标酱耗水在19～60 m3/m3，平均约为30 m3/ m3；CODCr为450～2 400 mg/L，平均值为1 200 mg/L；吨标酱CODCr产量为17～40 kg，平均值为25 kg/m3。BOD5为270～1 280 mg/L；SS为200～1 000 mg/L；氨氮为4.5～26.5 mg/L；TN为9.6～28 mg/L；TP为0.5～5.5 mg/L；色度为200～300倍，pH值为4.1～6.3。废水COD和SS含量较高，氮、磷含量低，由于直接受生产鲜果原料的影响，进水水质及水量波动大，属于高色度、高浊度、高有机物浓度和弱酸性有机废水。尽管其污染物指标远高于城市生活污水，但B/C大于0.45，易于生物降解，适合采用生物处理工艺。

2 废水处理工艺现状问题分析

此类废水具有明显的季节性，每年生产期在7月—9月，约60～70 d。由于工厂大多分布在原料产地附近的县市，生产期废水的污染物和水量负荷往往远超附近小城镇生活污水处理厂的设计负荷和接纳处理能力，需要在厂内单独建污水处理站。

这类食品工业的生产废水[5]，总体上属无毒、酸性有机废水，可生化性强，但需要在每年的生产期提前启动生物处理系统，存在菌群驯化时间长而运行期短的矛盾，原则上要求工艺简单，操作维护方便，运行费用低，以降低企业生产成本。目前，主流工艺仍是“物化+生化”处理工艺。从在线监测获知，以新疆中基、天业及中粮屯河等为代表的共166家番茄制品企业的生产废水基本均采用“物化+生化”处理工艺。

工艺中采用的物化处理方法为沉淀、气浮、过滤，设施包括粗格栅、平流式沉淀池、转鼓过滤器过滤和气浮池等。单纯的物理处理只能有效降低SS，对COD等有机物的降解仍需依靠生物处理单元。

采用的好氧生化工艺是以降低COD为核心的活性污泥法及变形工艺。由现有企业的调研资料可知，普通活性污泥法、AAO、CASS、SBR、深井曝气法、UASB等工艺均有使用，主流工艺是普通活性污泥法中的推流式延时曝气池、UASB和深层曝气这3种。

随着近年环保控制要求的提高，有些企业依然被出水不达标的问题所困扰。同样的工艺因各企业的运维水平差异，出水水质差异较大，处理规模相同的项目，其出水达标及运行费用参差不齐。调研中发现，企业出水水质较差的主要原因是工艺设计存在先天不足、实际设施设计参数选取不合理；或是有些企业的运行维护技术薄弱、运行参数的综合优化与调控能力差、系统负荷变化时出水水质不稳定、处理系统各级处理单元的效能未能充分发挥等非工艺本身的问题。以下是对深层曝气法工艺工程应用实例的考察。

3 深层曝气典型工艺除污效能分析

新疆中粮屯河某分公司采用了糖业、番茄制品联建污水治理项目，在对番茄酱生产企业的污水处理站进行工艺运行调试和工艺运行参数的优化之后，在出水水质稳定的情况下，对其进出水水质进行连续6 d的检测。通过出水主要污染物的去除情况，对该番茄酱制品公司生产期典型工艺的污染物去除效能进行分析论证。

3.1 工艺及设计参数

(1)采用活性污泥法深层曝气工艺，工艺流程如图1所示。

图1 工艺流程图Fig.1 Flow Diagram of the Process

番茄酱生产厂的废水由厂区内的地下管网汇入污水处理系统。废水经转鼓过滤器及格栅初步去除废水中皮渣，接着经过配水井均匀分配至沉淀池，再由水泵加压输送至深层曝气滤池进行生物处理，随后经配水池、二沉池进行泥水分离。清水经过消毒后排出，污泥经脱水干化外运。

(2)废水设计处理规模为2.5万t/d，日废水量为900 m3/h，进水CODCr为1 000 mg/L。

(3)处理后废水设计浓度为《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918 —2002)规定的一级B标准，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 主要功能单元的构筑物及工艺运行参数

(1)转鼓过滤器

规格型号为G10/1.85，过滤面积为10 m2，转鼓直径为1 850 mm，转鼓宽度为1 780 mm，转鼓转速为0.1～1.8 r/min，传动功率为2.2 kW，外型尺寸(L×W×H)为2.76 m×2.65 m×2.15 m，机器重量为4 240 kg。设计水量为900 m3/h，设计进水SS为600 mg/L，去除率为80%，设计出水SS为120 mg/L。

(2)粗、细格栅

采用平面格栅，半地下钢砼结构。直臂格栅渠道2条，粗细格栅各1套，回转式格栅除污机2套，螺旋输送机2套。粗格栅栅条间距为6 mm，细格栅栅条间距为2 mm。主要去除污水中相对较大的悬浮物。

(3)配水井与沉砂池

配水井采用半地下式钢砼结构，尺寸(L×W×H)为4 m×6 m×8 m，分3格，为污水进入沉砂池消能整流。设计初沉池采用平流式沉砂池，地下钢砼结构，外观尺寸(L×W×H)为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、风机房

水泵房与风机房在沉砂池上部。水泵规格为300-235 A离心泵，流量为438 m3/h，扬程为16.5 m，功率为45 kW，3台，2用1备。

风机房与水泵间合建，采用罗茨鼓风机3台，2用1备。

(5)深层曝气滤池

设计污泥负荷为1.0 kg BOD5/(kg·MLSS)，水力停留时间HRT为12.0 h；设计出水CODCr为100 mg/L。采用钢制防腐设备1座，尺寸：内径为30 m，外径为40 m，高为15 m。

(6)配水池与二沉池

配水井2座，采用半地下钢砼结构。尺寸为10 m(直径)×6 m(高)。底部设置桨翼搅拌装置，电机功率为0.75 kW。深层曝气生物滤池为地上式，出水能量较大，添加减速机起到消能的作用。

设计二沉池为半地下式钢砼结构，外观尺寸(L×W×H)为20 m×50 m×8 m。停留时间为3.0 h，表面负荷为1.6 m3/h。经2座配水井与各配水管将泥水均匀配制到二沉池中实现泥水分离。

(7)清水池与二泵站

清水池位于二沉池尾部，半地下式钢砼结构，尺寸(L×W×H)为8 m×5 m×6 m。清水池中的水经次氯酸钠消毒后，由二次加压水泵加压，送入排水管。水泵规格Q=617 m3/h，功率为 45 kW，扬程为15 m，2用1备。

(8)集泥池与污泥脱水池

集泥池与清水池规格相同。污泥脱水池采用地下式钢砼结构，外观尺寸(L×W×H)为8 m×5 m×7.5 m。贮泥能力强，动力消耗低，操作简便。

3.2.2 系统主要运行参数

(1)系统运行的活性污泥浓度为8 g/mL。常规的曝气池在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)在降流管中的流速为1.2 m/s，充氧能力可达0.8 kg/(m3·g)。

3.3 主要污染物出水水质及去除率

现场试验进水取样点为沉砂池进水，出水取样点设在处理工艺二沉池后的废水总排放口。在生产期的正常生产工况下，连续测试废水进、出水水质指标，每4 h采样1次，每日采样总数为6次，连续采样监测6 d，监测指标均为常规性污染物的监测指标，按《地表水和污水监测技术规范》(HJ/T 91—2002)技术要求执行。

(1)pH

加工番茄酱时，pH主要来源于番茄自身，生产过程中无高强酸产生。进水pH值在4.0～6.5，加碱液进行调节，出水pH值为6.72～7.38，均值为7.26，接近中性，达到允许排放要求，监测数据如图2所示。

(2)固体悬浮物SS

番茄酱生产过程中，固体污染物主要来源有两类。一类是加工期间分离出的果皮、籽粒以及分拣出的生、烂番茄等，产生量约占番茄原料的3%～5%，分离收集后大部分用作牲畜色料，极少数企业用作提取番茄红素的原料；另一类是原料送水、原料

图2 进出口废水pHFig.2 Influent and Effluent pH Value of Wastewater

冲洗废水、设备清洗废水。原料送水及原料冲洗废水中含有一定量从泥土中带来的泥沙，设备冲洗废水中则含有果皮和籽粒等。由图3可知：进水SS在144～335 mg/L，均值为202.9 mg/L；二沉池出水SS在6～19 mg/L，均值为12.5 mg/L，平均去除率为93.8%。

图3 进出口废水悬浮物Fig.3 Influent and Effluent SS of Wastewater

(3)COD

水体中还原性物质在降解过程中可降低水中的溶解氧，导致水生生物窒息死亡，进而水质恶化腐败变臭。化学需氧量的高低反映水中还原性物质的多寡，在番茄酱生产废水中以有机污染物为主。COD是水质监测的重要指标，连续监测数据如图4所示。由图4可知：进水CODCr为732～1 234 mg/L，均值为998.6 mg/L；出水CODCr为21～47 mg/L，均值为32.1 mg/L，平均去除率为96.8%。

(4)BOD5

生化需氧量反映水中还原性有机物质的多少，是微生物可利用有机物生长繁殖所消耗的氧量。BOD和COD的差值可以反映废水中微生物难以降解的有机物的多少，此类有机物对水体的危害更大。番茄酱生产废水的BOD含量高，易于生物降解。由图5可知：进口废水BOD5为296～540 mg/L，均值为391.5 mg/L；出水BOD5为7.3～14.4 mg/L，均值为11.1 mg/L，平均去除率为97.2%。

(5)TN和氨氮

众所周知，水体中氮磷含量高于微生物生长需求时，水体易富营养化。TN包括有机氮和无机氮，有机氮主要包括水中的尿素、蛋白质等大分子含氮有机物，无机氮是水中含有的铵态氮和硝态氮。有机氮在水中微生物作用下，通过氨化反应转化为铵态氮，然后经硝化和反硝化作用生成氮气排出。番茄酱生产废水处理站的水质监测数据显示：进水口

图4 进出口废水CODFig.4 Influent and Effluent COD of Wastewater

图5 进出口废水BOD5Fig.5 Influent and Effluent BOD5 of Wastewater

TN为13.2～32.1 mg/L，均值为20.6 mg/L；出水口TN为5.2～7.4 mg/L，均值为6.1 mg/L，平均去除率为70.4%。进水氨氮为9.6～18.2 mg/L，均值为14.6 mg/L；出水氨氮为1.6～4.1 mg/L，均值为2.8 mg/L，平均去除率为79.3%，如图6所示。深层曝气工艺对氮的去除效果显著，出水可以达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级A标准。

图6 进出口废水氨氮和TNFig.6 Influent and Effluent Ammonia Nitrogen and TN of Wastewater

(6)TP

磷与氮是导致水体富营养化的主要元素，虽然含量很低，但大量的排放依然对水体造成严重的污染[6]。氮磷的排放使水中藻类植物疯长，溶解氧降低，影响鱼虾和其他水中生物的生长，水体透明度下降，甚至形成水华、赤潮等水质恶化现象[7]。番茄酱生产废水与其他废水相比，磷含量低，通过深层曝气法工艺处理后，极易达到水质排放标准。监测数据显示：进水口TP为1.3～4.8 mg/L，均值为2.54 mg/L；出水口TP 在0.21～0.58 mg/L，均值为0.37 mg/L，平均去除率为85.4%，如图7所示。

图7 进出口废水TPFig.7 Influent and Effluent TP of Wastewater

3.4 讨论

与普通活性污泥法相比，深层曝气法有以下优势。

(1)充氧能力

深层曝气法的充氧能力远高于其他曝气法。氧在水中的传质：dC/dt=KLa(Cs-C)。深层塔水深造成的静水压力提高了传氧分压和传氧动力(Cs-C)。升流管释放的微气泡起扬升水流的作用，可补充降流管内空气泡下降所需的能量，因此，在不需要高能耗的情况下就能获得高的气相分压，塔内气水混合充分，溶解氧含量高，KLa成倍增加。充氧动力Eo不高即能满足供氧，供氧效率高。

(2)脱气池设计利于泥水分离

深层曝气法与常规的曝气工艺相比，在数倍于其他曝气法的静水压力下充氧，混合液中溶有过饱和空气以及生物氧化反应过程中产生的废气(N2、CO2等)，出水中带有较多微气泡，影响后续二沉池的沉淀效果和出水SS。曝气塔顶部设计的脱气区能有效去除微气泡，使混合液出水有利于后续的泥水分离。

(3)中间配水池的设计有利于二沉池功能的发挥

生化池出水进入二沉池前，进入到加装了减速机的配水井中，一则消减高塔出水的能量，降低水流流速，平稳沉淀池水流；二则让水中产生的气泡和废气进一步溢出，防止细小的胶体微粒等随气泡带入二沉池。在进入二沉池前设有消能、稳流及脱气功能的配水池，强化了二沉池的功能。

(4)单气源动力设计系统效能提高

该深层曝气法工艺设计采用气提循环法，以单一的压缩空气作为循环动力，使污水在塔筒中上升和下降流动的同时完成混合搅拌和充氧过程，并完成有机物的降解。内部循环系统省去了一套水泵及循环管路系统，投资低，供氧量充足。降流管中的流速为1.2～1.5 m/s，加强了水流紊动，使KLa成倍增加，其氧传递速率快，动效率Ep高于其他曝气方法。

3.5 经济指标分析

运行费用包括动力费、菌配及药剂费、人工费、污泥处置费等[8]。

该工程每日处理水量为21 600 t，用电设备总功率为6 363 kW，功率系数按0.8计，电费按民用电价0.6元/度计，废水处理运行费用为0.73元/(m3废水)。其中，电费为0.18元/(m3废水)；培菌及药剂费为0.20元/(m3废水)；人工费用为0.10元/(m3废水)；污泥处置费用为0.25元/(m3废水)。

4 结论与建议

(1)出口pH均值为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，以上指标均达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)规定的一级B标准。

(2)除BOD5和SS外，其余指标甚至能达到一级A标准。SS较高可能是出水中未去除的胶体及菌团微粒所致，而较高的SS也间接增加了出水BOD5，建议在工艺出水端增加强化过滤，降低SS的同时，使出水达到一级A标准。

(3)进水pH值在4.0～6.5，工艺加碱液调节，出水pH均值为7.26，建议将出水pH均值保持在6.5左右即可，以节约碱液用量和生产成本。

(4)采用好氧深层曝气池工艺处理高浓度番茄酱生产废水，污染物去除率高，出水水质优且水质稳定，冲击负荷抗击能力较强。

深层曝气法工艺处理番茄酱生产废水的工程实例表明：深层曝气法的除污能效显著，对有机物的去除率高，且投资和运行成本较低，可作为番茄加工废水处理的优先推荐工艺。