HCF工藝在番茄廢水處理中的應(yīng)用
一、番茄廢水概況
番茄深加工企業(yè)以西北地區(qū)居多，本文探討的廢水也是以該地區(qū)為例。西北地區(qū)氣候特點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，紫外線強度大、日照時間長；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，濃度由低到高呈線性上升；過了蕃茄收獲期后，便進入漫長的閑置期，即一年四年季度中僅有一個季度有污水發(fā)生，而其余三個季度則是閑置期。
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快而且要適應(yīng)水質(zhì)濃度由低到高的變化。同時對材料的選擇也有苛刻要求，應(yīng)能在漫長的閑置期間必須能抗風(fēng)沙氣蝕、抗氧化、抗強紫外線輻射、抗嚴寒低溫，而不變質(zhì)、不老化、不脆裂，因此在設(shè)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(guī)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(jù)了70～80%的池容積，翻堆、更換等維護作業(yè)量很大、依賴人工操作、勞動強度高；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(dāng)大；其五，國內(nèi)外至今尚未見到用于5000m3/d（200m3/h）以上規(guī)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物，在池底設(shè)置塑料曝氣頭等，是一種出現(xiàn)于上世紀七十年代的新型高效的生物反應(yīng)器，其處理規(guī)？纱罂尚，適應(yīng)水質(zhì)濃度范圍較寬，用于低濃度污水處理時具有較強優(yōu)勢，而用于高濃度污水處理時則不及活性污泥法。其最大弱點是主要材料只能采用塑料做成，這在長年連續(xù)運行淹沒在污水中的場合對其使用壽命不必懷疑，而對蕃茄醬污水處理這強季節(jié)性，運行期短而閑置期長，以及特殊的環(huán)境與氣候條件，則同樣存在著不耐低溫、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、費用高的問題。再者，如填料在運行期間出現(xiàn)斷裂破碎，這些斷絲、碎片將隨污水排走，漂入河溝灌入農(nóng)田，將會造成大面積的“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污水的容器或池體中，通過曝氣充氧自然培養(yǎng)馴化微生物群體——活性污泥，由活性污泥來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(jù)曝氣深度分為兩大體系：常規(guī)（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說，其生物反應(yīng)的停留時間必須在十幾或三十多個小時，都要建造大規(guī)模的鋼砼池體，還要配套一系列的大型昂貴的機械設(shè)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2400～3600萬元，這對于每年運轉(zhuǎn)期僅不到100天的污水處理項目是一種燒錢行為，并且其大型昂貴機械的維護不僅費用高，專業(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(jié)構(gòu)，這又是一筆不小的開支，這顯然是不現(xiàn)實的。
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，動消耗也低，系統(tǒng)也較簡單，對操作從員的專業(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，污水處理必須無休止地連年連續(xù)運轉(zhuǎn)，一旦停機，則必須把井內(nèi)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(dāng)大；再者深井的防滲要求也非常之高，只要有滲漏現(xiàn)象，不僅直接影響到處理效果，還會導(dǎo)致井內(nèi)污泥無法清掏干凈最終導(dǎo)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，是將原來建于地下的深井挪到地面上變成塔式結(jié)構(gòu)，并且把高度降到十幾至二十多米，采用全鋼結(jié)構(gòu)，便利管理維護變得十分簡單，也無需擔(dān)心滲漏問題；要開就開、要停就停，也沒有了污泥淤塞的后顧之憂。塔內(nèi)所有設(shè)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、脆裂的問題，能抗高溫也耐低溫。碳鋼塔體和結(jié)構(gòu)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，性價比最高，無論閑置或是運轉(zhuǎn)，無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(nèi)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(yīng)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(xiàn)出上佳的性價比。有理由相信，選擇深層曝氣塔用來處理蕃茄醬污水的處理，同樣能獲得成功和優(yōu)越的性價比。
2）HCF特點
A、啟動時間快
針對蕃茄醬生產(chǎn)的強季節(jié)性和水質(zhì)濃度由低到高呈線性上升等種種特征，采用物理——生物——物理化學(xué)的優(yōu)化核心工藝,采用HCF使整個系統(tǒng)一旦啟動至達標(biāo)時間短，這是其它任何工藝所做不到的。
B、精選設(shè)備材質(zhì)、少維護長壽命
根據(jù)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(shè)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完善的防腐措施，使系統(tǒng)的維護量最少而壽命很長，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（勞動強度）、維護量都很低；
三高：動力效率、系統(tǒng)可靠性、自動化程度都較高；
一保障：一旦啟動即時達標(biāo)有保障，達標(biāo)率持續(xù)穩(wěn)定。
三、污水處理工藝流程
3.1工藝流程說明
預(yù)處理階段：廢水懸浮物濃度較高，廢水首先要經(jīng)過物理處理階段。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(xù)生化處理的負荷；同時，考慮生產(chǎn)廢水排放的不連續(xù)和水質(zhì)變化大的特點，在細隔柵池的后面設(shè)置了一個調(diào)節(jié)池，在調(diào)節(jié)池內(nèi)設(shè)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，縮短啟動周期，采用HCF深層曝氣工藝。
混凝沉淀：HCF生化出水經(jīng)過混凝沉淀后進一步去除殘留的污染物，保證廢水達標(biāo)排放。
3.2 工藝系統(tǒng)介紹
3.2.1 高負荷HCF系統(tǒng)
高負荷HCF系統(tǒng)是一種好氧處理系統(tǒng)， HCF反應(yīng)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，能大幅提高處理效率。系統(tǒng)主要包括：集成反應(yīng)器、兩相噴頭、氣浮池以及配套的管路和水泵等。集成反應(yīng)器為圓形容器，其外筒兩端被封閉，連接著各種管道；內(nèi)筒兩端開口，兩相噴頭安裝在反應(yīng)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(yīng)器，由于負壓作用同時吸入大量空氣。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(qū)，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(dǎo)流筒達到反應(yīng)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(fù)運行。于是，污水被反復(fù)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(tǒng)的工藝特點有：
(1)系統(tǒng)占地少，基建費用低。HCF系統(tǒng)占地一般很少，其原因主要有三：一是系統(tǒng)設(shè)計緊湊，結(jié)構(gòu)合理，減少了占地；二是反應(yīng)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間很短，容積負荷和污泥負荷都很高，減少了反應(yīng)器的體積。合理集成設(shè)計、少占地是減少基建投資的主要因素，反應(yīng)器的容積小，節(jié)省了土建投資或設(shè)備制造費用。根據(jù)工程預(yù)算結(jié)果對比表明，采用HCF工藝處理同樣數(shù)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(zhuǎn)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，并通過垂向循環(huán)混合，使溶解氧達到最大值，這一過程實際上吸取了深井曝氣依靠壓頭溶氧的優(yōu)點。高速噴射形成紊流水力剪切，使氣泡高度細化并均勻分散，決定了該方法對空氣氧的轉(zhuǎn)化利用率高。據(jù)試驗測定，其空氣氧的轉(zhuǎn)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(tǒng)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(tǒng)的污泥濃度在7-10g/L左右，最高可超過20g/L。反應(yīng)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(jié)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：其一，強烈曝氣使微生物代謝速度快，由此引起的生化反應(yīng)可能加大內(nèi)源消耗，剩余污泥量相對少；其二，由于反應(yīng)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(nèi)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，然后再進入反應(yīng)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(tǒng)時，它們在進入反應(yīng)器之前實際上已經(jīng)被稀釋，進入反應(yīng)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(tǒng)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)廢水都能進行有效處理。
(5)系統(tǒng)操作簡便靈活，處理效果有保障。HCF系統(tǒng)的反應(yīng)器循環(huán)水量、補充曝氣量、污泥回流量等都可以根據(jù)需要進行調(diào)節(jié)，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(shè)備的選擇
充氧系統(tǒng)是好氧生化系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備。目前充氧系統(tǒng)的形式繁多，大致可分為三大類：
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、板）式等，其缺點是孔大則傳質(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(zhuǎn)刷及水下葉輪機等，其缺點是表面葉輪、轉(zhuǎn)刷的復(fù)氧量有限，氣液接觸傳質(zhì)的時間過短，影響動力效率的提高；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，混合攪動條件差；后者則受水深的影響嚴重，同時射流器也不能做得過大，以影響夾氣量。
在充氧設(shè)備的選擇上必須滿足以下幾點要求：
1) 在某一特定曝氣的條件下，既能滿足曝氣池廢水需氧要求，又能達到混合攪拌、池內(nèi)無沉淀的要求；
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(yīng)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便、成本低、阻力小和壽命長等性能。
3) 選擇曝氣所組成的曝氣供氧系統(tǒng)，從整體上應(yīng)具有節(jié)約能量、組成簡單、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足充氧負荷的可調(diào)性高，在不同的負荷下都能正常運行，同時也能滿足反應(yīng)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一步降低COD、SS，進一步保障出水水質(zhì)。根據(jù)常規(guī)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，生化末端也能實現(xiàn)30%以上的處理效果。
1. 水化技術(shù)簡介
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(guī)則氫鍵，從而對水體中各種污染物進行包括。如圖所示，水體中的溶解性有機污染物在水體中進行無規(guī)則運動時，水化藥劑具有的高效比表面積能夠?qū)⑽廴疚飳Ｓ形皆谄渲，并通過水化過程中形成的“致密”小顆粒將污染物包裹于其中，隨著包裹過程的進行，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，伴隨著水化顆粒包裹過程的進行，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。實踐表明：水化混凝劑對各種廢水都有強大的適應(yīng)能力，即使是難降解廢水也能夠達到40%以上的預(yù)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(fù)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(wěn)定的絮體，形成的絮體分散，且不容易沉降，而水化藥劑展現(xiàn)了一定的優(yōu)勢，它模擬了硅酸鹽固化過程中對污染物的截留作用，能夠適應(yīng)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所具有的布朗運動，所形成的絮體具有高效吸附的表面，形成納米結(jié)構(gòu)的松散絮體。
通過終沉池前設(shè)置混凝反應(yīng)池，投加藥劑，能夠在最小設(shè)備改動的情況下實現(xiàn)良好的混凝處理，對削減COD負荷以及保障生化系統(tǒng)的穩(wěn)定運行具有很大的作用。
深度處理采用水化復(fù)合藥劑，經(jīng)過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(guī)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
污水處理過程中產(chǎn)生的污泥，有機物含量較高，并且很不穩(wěn)定，易腐化，含有大量病菌及寄生蟲，若不經(jīng)妥善處理和處置將造成二次污染，必須進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(xù)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(gòu)筑物及設(shè)備，使投資增加。因此，建議本工程近期污泥不進行消化處理，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)缺點進行比較，見表所示。
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