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水質濃度由低到高的變化。同時對材料的選擇也有苛刻要求，應能在漫長的閑置期間必須能抗風沙氣蝕、抗氧化、抗強紫外線輻射、抗嚴寒低溫，而不變質、不老化、不脆裂，因此在設備和部件的材質選擇中，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，由多孔網板、塑料濾頭、塑料曝氣頭、塑料或陶質、濾料、集水器、大流量的反沖洗泵、鼓風機等和池體組成。
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，維護費用相當大；其五，國內外至今尚未見到用于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，其處理規模可大可小，適應水質濃度范圍較寬，用于低濃度污水處理時具有較強優勢，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性，運行期短而閑置期長，以及特殊的環境與氣候條件，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量大、費用高的問題。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。該方法亦不可取！
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。活性污泥法又可根據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說，其生物反應的停留時間必須在十幾或三十多個小時，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行為，并且其大型昂貴機械的維護不僅費用高，專業性也很強，還必須為此組建一支高學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支，這顯然是不現實的。
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，系統也較簡單，對操作從員的專業性和技能要求不高。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，還會導致井內污泥無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風險，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單，也無需擔心滲漏問題；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、脆裂的問題，能抗高溫也耐低溫。碳鋼塔體和結構部件均采用環氧煤瀝青防腐涂層，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，無論在任何惡劣的氣候環境中，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。
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越的性價比。
2）HCF特點
A、啟動時間快
針對蕃茄醬生產的強季節性和水質濃度由低到高呈線性上升等種種特征，采用物理——生物——物理化學的優化核心工藝,采用HCF使整個系統一旦啟動至達標時間短，這是其它任何工藝所做不到的。
B、精選設備材質、少維護長壽命
根據污水工程所處的特定的地理位置、氣候環境等特殊條件，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。對碳鋼塔體和管道有著完善的防腐措施，使系統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、經濟技術優勢
五低：投資、占地、運行成本、維修作業量（勞動強度）、維護量都很低；
三高：動力效率、系統可靠性、自動化程度都較高；
一保障：一旦啟動即時達標有保障，達標率持續穩定。
三、污水處理工藝流程
3.1工藝流程說明
預處理階段：廢水懸浮物濃度較高，廢水首先要經過物理處理階段。廢水流經細隔柵池，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，考慮生產廢水排放的不連續和水質變化大的特點，在細隔柵池的后面設置了一個調節池，在調節池內設置攪拌功能，以均衡水質水量。
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生化出水經過混凝沉淀后進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曝氣形式供氧，具有容積負荷高，處理效果好的優點，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，連接著各種管道；內筒兩端開口，兩相噴頭安裝在反應器上部的正中央。循環水泵提升高壓水流經噴頭射入反應器，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，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導流筒達到反應器底部后，又向上返流形成環流，再經剪切向下射流，如此循環往復運行。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，并通過垂向循環混合，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，然后再進入反應器，并立即被快速循環混合。高濃度COD或有毒廢水沖擊系統時，它們在進入反應器之前實際上已經被稀釋，進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。
工程實踐表明，HCF工藝對發酵、制藥、印染、食品等行業廢水都能進行有效處理。
(5)系統操作簡便靈活，處理效果有保障。HCF系統的反應器循環水量、補充曝氣量、污泥回流量等都可以根據需要進行調節，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鍵設備。目前充氧系統的形式繁多，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，其缺點是表面葉輪、轉刷的復氧量有限，氣液接觸傳質的時間過短，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量小，提升水流作循環對流的范圍小，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，從整體上應具有節約能量、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性高，在不同的負荷下都能正常運行，同時也能滿足反應器的需求。
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一步降低COD、SS，進一步保障出水水質。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30%以上的處理效果。
1. 水化技術簡介
水化技術是利用比面積在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則運動時，水化藥劑具有的高效比表面積能夠將污染物專有吸附在其中，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，形成納米結構的松散絮體。
通過終沉池前設置混凝反應池，投加藥劑，能夠在最小設備改動的情況下實現良好的混凝處理，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，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，若不經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，降低污泥后續處置費用；
c．減少污泥中有毒物質；
d．利用污泥中可用物質，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
二兩種方案的優缺點進行比較，見表所示。
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