HCF工藝在番茄廢水處理中的應用

一、番茄廢水概況

番茄深加工企業(yè)以西北地區居多，本文探討的廢水也是以該地區為例。西北地區氣候特點(diǎn)屬典型的大陸型干燥氣候，冬季寒冷，晝夜溫差大，年降雨量極少，尤其是夏季雨量最少、白天燥熱，紫外線(xiàn)強度大、日照時(shí)間長(cháng)；生產(chǎn)期集中在蕃茄上市期的7月末至10月初總共不到100天，因此污水發(fā)生期短而集中，濃度由低到高呈線(xiàn)性上升；過(guò)了蕃茄收獲期后，便進(jìn)入漫長(cháng)的閑置期，即一年四年季度中僅有一個(gè)季度有污水發(fā)生，而其余三個(gè)季度則是閑置期。

鑒于上述特殊條件和情況，使得污水處理的方法和工藝的選擇面較窄，其核心處理工藝不僅要啟動(dòng)快而且要適應水質(zhì)濃度由低到高的變化。同時(shí)對材料的選擇也有苛刻要求，應能在漫長(cháng)的閑置期間必須能抗風(fēng)沙氣蝕、抗氧化、抗強紫外線(xiàn)輻射、抗嚴寒低溫，而不變質(zhì)、不老化、不脆裂，因此在設備和部件的材質(zhì)選擇中，首先要排除塑料制品。

二、番茄廢水一般處理工藝概述

2.1 生物濾池

作為上世紀三十年代用于生活污水處理的污水生物處理方法，適用于低濃度小規模的污水處理，由多孔網(wǎng)板、塑料濾頭、塑料曝氣頭、塑料或陶質(zhì)、濾料、集水器、大流量的反沖洗泵、鼓風(fēng)機等和池體組成。

生物濾池不適用于中高濃度的污水處理，因為它的濾料間隙小，很容易被脫落的生物膜堵塞；再者它所需要的反沖洗水量特別大；其三，濾料層占據了70～80%的池容積，翻堆、更換等維護作業(yè)量很大、依賴(lài)人工操作、勞動(dòng)強度高；其四，塑料部件的老化快、易脆裂、不耐低溫、使用壽命最多兩年必須更換，維護費用相當大；其五，國內外至今尚未見(jiàn)到用于5000m3/d（200m3/h）以上規模的報道。該方法不適用。

2.2 接觸氧化法

接觸氧化法是在池中串掛絲狀、片狀、管狀或投放球狀高空隙率的塑料填料用作生物膜附著(zhù)物，在池底設置塑料曝氣頭等，是一種出現于上世紀七十年代的新型高效的生物反應器，其處理規�？纱罂尚�，適應水質(zhì)濃度范圍較寬，用于低濃度污水處理時(shí)具有較強優(yōu)勢，而用于高濃度污水處理時(shí)則不及活性污泥法。其最大弱點(diǎn)是主要材料只能采用塑料做成，這在長(cháng)年連續運行淹沒(méi)在污水中的場(chǎng)合對其使用壽命不必懷疑，而對蕃茄醬污水處理這強季節性，運行期短而閑置期長(cháng)，以及特殊的環(huán)境與氣候條件，則同樣存在著(zhù)不耐低溫、老化快、易脆裂、使用壽命最多兩年的弊病，且同樣存在維護作業(yè)量大、費用高的問(wèn)題。再者，如填料在運行期間出現斷裂破碎，這些斷絲、碎片將隨污水排走，漂入河溝灌入農田，將會(huì )造成大面積的“白色污染”，后果將比污水直排更嚴重。該方法亦不可��！

2.3 活性污泥法

活性污泥是微生物菌落的聚合體，活性污泥法是指在盛滿(mǎn)污水的容器或池體中，通過(guò)曝氣充氧自然培養馴化微生物群體——活性污泥，由活性污泥來(lái)降解和去除污水中的有機物，使之得到凈化的方法�；钚晕勰喾ㄓ挚筛鶕�曝氣深度分為兩大體系：常規（淺層）曝氣和深層曝氣；淺層曝氣中又演化SBR法、氧化溝法等多種形式，深層曝氣又分為深層和深井曝氣兩種方式。

1、淺層曝氣法中的SBR(序批式)法和氧化溝法對于三坪污水處理工程來(lái)說(shuō)，其生物反應的停留時(shí)間必須在十幾或三十多個(gè)小時(shí)，都要建造大規模的鋼砼池體，還要配套一系列的大型昂貴的機械設備，其單位投資額都在1000～1500元/m3．d．污水，按24000m3/d的投資額高達2400～3600萬(wàn)元，這對于每年運轉期僅不到100天的污水處理項目是一種燒錢(qián)行為，并且其大型昂貴機械的維護不僅費用高，專(zhuān)業(yè)性也很強，還必須為此組建一支高學(xué)歷高技能的操作管理隊伍和組織結構，這又是一筆不小的開(kāi)支，這顯然是不現實(shí)的。

2、深層曝氣法中的深井曝氣法，是一種快速高效，投資適中的好方法，動(dòng)消耗也低，系統也較簡(jiǎn)單，對操作從員的專(zhuān)業(yè)性和技能要求不高。但由于井深必須大于50m，在這么深的井里，污水處理必須無(wú)休止地連年連續運轉，一旦停機，則必須把井內的污水和污泥清掏干凈，否則等到污泥沉積后造成淤塞再去清掏，其費用相當大；再者深井的防滲要求也非常之高，只要有滲漏現象，不僅直接影響到處理效果，還會(huì )導致井內污泥無(wú)法清掏干凈最終導致深井淤塞而報廢。因此，建深井將冒極高的技術(shù)風(fēng)險，且對年年停機年年要清掏的情況更不適用。

3、深層曝氣法——HCF曝氣塔

1）基于深井曝氣原理的深層曝氣法，是將原來(lái)建于地下的深井挪到地面上變成塔式結構，并且把高度降到十幾至二十多米，采用全鋼結構，便利管理維護變得十分簡(jiǎn)單，也無(wú)需擔心滲漏問(wèn)題；要開(kāi)就開(kāi)、要停就停，也沒(méi)有了污泥淤塞的后顧之憂(yōu)。塔內所有設施和部件均為碳鋼、鍍鋅鋼管或不銹鋼，不使用任何塑料部件，不存在老化、脆裂的問(wèn)題，能抗高溫也耐低溫。碳鋼塔體和結構部件均采用環(huán)氧煤瀝青防腐涂層，正常防腐期至少為三年。其投資額最低，性?xún)r(jià)比最高，無(wú)論閑置或是運轉，無(wú)論在任何惡劣的氣候環(huán)境中，使用壽命至少達二十年以上，其中不銹鋼部件可達百年不變質(zhì)。

國內外已建成很多大流量中高濃度污（廢）水處理的深層曝氣塔，被成功地應用于印染廢水、屠宰污水、制藥、染料、化纖、化工等多種行業(yè)中，用來(lái)降解有機、有毒、難降解高分子合成物的去除和脫色處理，都取得了良好的效果和顯現出上佳的性?xún)r(jià)比。有理由相信，選擇深層曝氣塔用來(lái)處理蕃茄醬污水的處理，同樣能獲得成功和優(yōu)越的性?xún)r(jià)比。

2）HCF特點(diǎn)

A、啟動(dòng)時(shí)間快

針對蕃茄醬生產(chǎn)的強季節性和水質(zhì)濃度由低到高呈線(xiàn)性上升等種種特征，采用物理——生物——物理化學(xué)的優(yōu)化核心工藝,采用HCF使整個(gè)系統一旦啟動(dòng)至達標時(shí)間短，這是其它任何工藝所做不到的。

B、精選設備材質(zhì)、少維護長(cháng)壽命

根據污水工程所處的特定的地理位置、氣候環(huán)境等特殊條件，對所有設備、部件等的材料全部為碳鋼、鍍鋅鋼或不銹鋼，不使用易氧化老化脆裂的塑料材質(zhì)。對碳鋼塔體和管道有著(zhù)完善的防腐措施，使系統的維護量最少而壽命很長(cháng)，碳鋼防腐涂層的壽命為三年，不銹鋼部件的使用壽命更可長(cháng)達百年。

C、經(jīng)濟技術(shù)優(yōu)勢

五低：投資、占地、運行成本、維修作業(yè)量（勞動(dòng)強度）、維護量都很低；

三高：動(dòng)力效率、系統可靠性、自動(dòng)化程度都較高；

一保障：一旦啟動(dòng)即時(shí)達標有保障，達標率持續穩定。

三、污水處理工藝流程

3.1工藝流程說(shuō)明

預處理階段：廢水懸浮物濃度較高，廢水首先要經(jīng)過(guò)物理處理階段。廢水流經(jīng)細隔柵池，有效去除細小纖維素等不容性懸浮物，減輕后續生化處理的負荷；同時(shí)，考慮生產(chǎn)廢水排放的不連續和水質(zhì)變化大的特點(diǎn)，在細隔柵池的后面設置了一個(gè)調節池，在調節池內設置攪拌功能，以均衡水質(zhì)水量。

生化處理階段：由于可生化性較好，因此本工程決定采用好氧生化處理工藝；為降低成本，提高處理效果，縮短啟動(dòng)周期，采用HCF深層曝氣工藝。

混凝沉淀：HCF生化出水經(jīng)過(guò)混凝沉淀后進(jìn)一步去除殘留的污染物，保證廢水達標排放。

3.2 工藝系統介紹

3.2.1  高負荷HCF系統

高負荷HCF系統是一種好氧處理系統， HCF反應器采用射流曝氣加鼓風(fēng)曝氣形式供氧，具有容積負荷高，處理效果好的優(yōu)點(diǎn)，能大幅提高處理效率。系統主要包括：集成反應器、兩相噴頭、氣浮池以及配套的管路和水泵等。集成反應器為圓形容器，其外筒兩端被封閉，連接著(zhù)各種管道；內筒兩端開(kāi)口，兩相噴頭安裝在反應器上部的正中央。循環(huán)水泵提升高壓水流經(jīng)噴頭射入反應器，由于負壓作用同時(shí)吸入大量空氣。水流和氣流的共同作用又使噴頭下方形成高速紊流剪切區，把吸入的氣體分散成細小的氣泡。富含溶解氧的混合污水經(jīng)導流筒達到反應器底部后，又向上返流形成環(huán)流，再經(jīng)剪切向下射流，如此循環(huán)往復運行。于是，污水被反復充氧，氣泡和微生物菌團被不斷剪切細化，并形成致密細小的絮凝體。

 系統的工藝特點(diǎn)有：

(1)系統占地少，基建費用低。HCF系統占地一般很少，其原因主要有三：一是系統設計緊湊，結構合理，減少了占地；二是反應器較高，部分被埋在地下，有效地利用了垂向空間，減少了平面上的占地；三是所需水力停留時(shí)間很短，容積負荷和污泥負荷都很高，減少了反應器的體積。合理集成設計、少占地是減少基建投資的主要因素，反應器的容積小，節省了土建投資或設備制造費用。根據工程預算結果對比表明，采用HCF工藝處理同樣數量的污水，其基建費用比活性污泥法工藝要減少30%以上。

(2)空氣氧轉化利用率高，容積負荷和污泥負荷高。HCF工藝的曝氣方式采用射流擴散式，并通過(guò)垂向循環(huán)混合，使溶解氧達到最大值，這一過(guò)程實(shí)際上吸取了深井曝氣依靠壓頭溶氧的優(yōu)點(diǎn)。高速?lài)娚湫纬晌闪魉�力剪切，使氣泡高度細化并均勻分散，決定了該方法對空氣氧的轉化利用率高。據試驗測定，其空氣氧的轉化利用率可高達50%，溶解氧含量易保持在5mg/L以上。

足夠的溶解氧是保證好氧生物處理系統高負荷運行的條件，這也是HCF工藝的優(yōu)勢所在。一般情況下，HCF系統的污泥濃度在7-10g/L左右，最高可超過(guò)20g/L。反應器中生物量之大，決定了其負荷值必然高。試驗和已有工程的運行結果顯示，HCF的容積負荷最大可達70kgBOD5/(m3•d)，小試可達100 kg BOD5/(m3•d)；其污泥負荷值可以超過(guò)6 kg BOD5/(kgSS•d)。

(3)固液分離效果好，剩余污泥量較少。該工藝每降解1kg BOD所產(chǎn)生的剩余污泥量，比其他好氧方法平均減少40%左右，從而大大減少了污泥處理量。剩余污泥量較少的原因主要有兩個(gè)：其一，強烈曝氣使微生物代謝速度快，由此引起的生化反應可能加大內源消耗，剩余污泥量相對少；其二，由于反應器中混合污水被高速循環(huán)液流剪切，微生物的團粒被不斷分割細化，團粒內部的氣孔減少，使其密度相對增加，總的體積減少。

(4)抗沖擊負荷的能力強。HCF為完全混合型運行方式，原水先與回流污水合流，然后再進(jìn)入反應器，并立即被快速循環(huán)混合。高濃度COD或有毒廢水沖擊系統時(shí)，它們在進(jìn)入反應器之前實(shí)際上已經(jīng)被稀釋?zhuān)�進(jìn)入反應器后又被迅速均勻混合，使沖擊液流的濃度大大降低，從而有效地提高了HCF系統抗沖擊負荷的能力。此外，強烈曝氣使微生物的新陳代謝加快后，也可能減少沖擊所造成的部分影響。

工程實(shí)踐表明，HCF工藝對發(fā)酵、制藥、印染、食品等行業(yè)廢水都能進(jìn)行有效處理。

(5)系統操作簡(jiǎn)便靈活，處理效果有保障。HCF系統的反應器循環(huán)水量、補充曝氣量、污泥回流量等都可以根據需要進(jìn)行調節，便于選擇最佳的組合效果。正因為如此，采用HCF工藝容易保證較高的COD去除率。

3.2.2  充氧設備的選擇

充氧系統是好氧生化系統的關(guān)鍵設備。目前充氧系統的形式繁多，大致可分為三大類(lèi)：

a)  孔隙散氣。其形式有穿孔管式，齒形散氣罩式及微孔布氣管（盤(pán)、板）式等，其缺點(diǎn)是孔大則傳質(zhì)效率低，而孔小則阻力損耗大，孔隙易堵塞，檢修困難；

b)  機械夾氣。其形式有表面葉輪、轉刷及水下葉輪機等，其缺點(diǎn)是表面葉輪、轉刷的復氧量有限，氣液接觸傳質(zhì)的時(shí)間過(guò)短，影響動(dòng)力效率的提高；水下葉輪機的吸氣量有限，供氣式則能耗較高，且易產(chǎn)生機械故障；

c)  水氣混合式，其形式有空氣提升液體的螺旋筒以及水流夾帶氣體的射流器等。其缺點(diǎn)是前者因空氣質(zhì)量小，提升水流作循環(huán)對流的范圍小，混合攪動(dòng)條件差；后者則受水深的影響嚴重，同時(shí)射流器也不能做得過(guò)大，以影響夾氣量。

在充氧設備的選擇上必須滿(mǎn)足以下幾點(diǎn)要求：

1)  在某一特定曝氣的條件下，既能滿(mǎn)足曝氣池廢水需氧要求，又能達到混合攪拌、池內無(wú)沉淀的要求；

2)  曝氣器既要有較高的充氧性能，又能較強的混合攪拌能力，還應有不易堵塞、耐腐蝕、堅固、補氣均勻、操作管理及維修檢修的簡(jiǎn)便、成本低、阻力小和壽命長(cháng)等性能。

3)  選擇曝氣所組成的曝氣供氧系統，從整體上應具有節約能量、組成簡(jiǎn)單、安裝及維修管理方便，易于故障的排除。

4)  從運行角度上必須滿(mǎn)足充氧負荷的可調性高，在不同的負荷下都能正常運行，同時(shí)也能滿(mǎn)足反應器的需求。

3.2.3  混凝沉淀處理

末端物化處理主要包括混凝沉淀池，該段物化處理是為進(jìn)一步降低COD、SS，進(jìn)一步保障出水水質(zhì)。根據常規的混凝劑，聚合氯化鋁，聚合硫酸鐵，氫氧化鈣，碳酸鈣以及輔助沉淀的陰離子聚丙烯酰胺，合適的藥劑種類(lèi)和投加量。在處理效果方面，初沉池能達到40%的去除率，生化末端也能實(shí)現30%以上的處理效果。

1.  水化技術(shù)簡(jiǎn)介

水化技術(shù)是利用比面積在10～50 m2/g 低Si聚合度的層狀硅酸鈣具有很強的不飽和表面電位，高密度的不規則氫鍵，從而對水體中各種污染物進(jìn)行包括。如圖所示，水體中的溶解性有機污染物在水體中進(jìn)行無(wú)規則運動(dòng)時(shí)，水化藥劑具有的高效比表面積能夠將污染物專(zhuān)有吸附在其中，并通過(guò)水化過(guò)程中形成的“致密”小顆粒將污染物包裹于其中，隨著(zhù)包裹過(guò)程的進(jìn)行，水化顆粒表面污染物的濃度不斷降低，水體中高濃度的污染物并不斷遷移至水化顆粒表面，伴隨著(zhù)水化顆粒包裹過(guò)程的進(jìn)行，溶液中高濃度的污染物不斷遷移至水化顆粒所具有的納米顆粒中，最終降低水體中的污染物濃度。實(shí)踐表明：水化混凝劑對各種廢水都有強大的適應能力，即使是難降解廢水也能夠達到40%以上的預處理效果。

2.  末端處理

末端保障藥劑選擇了聚鋁、PAM和水化復合藥劑作為混凝處理藥劑。由于普通聚鋁、聚鐵不容易形成穩定的絮體，形成的絮體分散，且不容易沉降，而水化藥劑展現了一定的優(yōu)勢，它模擬了硅酸鹽固化過(guò)程中對污染物的截留作用，能夠適應水體污染物降解的處理。在水體中，水化絮體能夠克服顆粒自由運動(dòng)所具有的布朗運動(dòng)，所形成的絮體具有高效吸附的表面，形成納米結構的松散絮體。

通過(guò)終沉池前設置混凝反應池，投加藥劑，能夠在最小設備改動(dòng)的情況下實(shí)現良好的混凝處理，對削減COD負荷以及保障生化系統的穩定運行具有很大的作用。

深度處理采用水化復合藥劑，經(jīng)過(guò)高效生化水處理之后，焦化廢水工藝末端存在一些難以生化降解的物質(zhì)，包括鈉鹽、殘留的小分子化合物。水體中帶負電荷的膠體含量日益減少，出水基本澄清，因此常規混凝劑對生化工藝出水處理效率并不很理想。

混凝劑集合了陽(yáng)離子的靜電壓縮作用和陰離子的吸附作用，并能夠一定溶液中形成兩性的顆粒，對水體中殘留的溶解性有機物進(jìn)行高效去除。從而保證出水能夠達到排放要求。

3.2.4  污泥處置方法

污水處理過(guò)程中產(chǎn)生的污泥，有機物含量較高，并且很不穩定，易腐化，含有大量病菌及寄生蟲(chóng)，若不經(jīng)妥善處理和處置將造成二次污染，必須進(jìn)行必要的污泥處理和處置，污泥處理的要求是：

a．減少有機物；

b．減少污泥體積，降低污泥后續處置費用；

c．減少污泥中有毒物質(zhì)；

d．利用污泥中可用物質(zhì)，變害為利；

e．因選用生物脫氮降磷工藝，盡量避免磷的二次污染

污泥若采用消化處理，需增加消化池、加熱、攪拌和沼氣處理利用等一系列構筑物及設備，使投資增加。因此，建議本工程近期污泥不進(jìn)行消化處理，直接濃縮、脫水。

濃縮、脫水有兩種方案可供選擇，污泥含水率均能達到80％以下。

方案一：污泥機械濃縮、機械脫水

方案二：污泥重力濃縮、機械脫水

二兩種方案的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行比較，見(jiàn)表所示。

項    目	方案一	方案二
	污泥貯泥池	(1)污泥濃縮池
主要構建造物	濃縮、脫水機房	(2)脫水機房
	污泥堆棚	(3)污泥堆棚
主要設備	(1)污泥濃縮脫水機	(1)濃縮池刮泥機
	(2)加藥設備	(2)脫水機
		(3)加藥設備
占地面積	小	小
絮凝劑總用量	3.5—5.5kg／t·DS	<4.5kg／t·DS
對環(huán)境影響	無(wú)大的污泥敞開(kāi)式構筑物，對周?chē)�環(huán)境影響小	污泥濃縮池露天布置，氣味難聞，對周?chē)�環(huán)境影響大
總土建費用	小	大
總設備費用	一般	稍大
運行費用	一般	小

（來(lái)源：谷騰水網(wǎng)）