活性污泥法处理番茄酱生产废水的应用与研究

张小卫，王维红，彭　维，王　润，葛光毅

(1.新疆农业大学 水利与土木工程学院，新疆 乌鲁木齐 830052；2.新疆大学 建筑工程学院，新疆 乌鲁木齐 830047)



活性污泥法处理番茄酱生产废水的应用与研究

张小卫1，王维红1，彭维2，王润1，葛光毅1

(1.新疆农业大学 水利与土木工程学院，新疆 乌鲁木齐 830052；2.新疆大学 建筑工程学院，新疆 乌鲁木齐 830047)

摘要：番茄是世界范围内广泛需求的作物，番茄制品生产过程中会产生大量的高浓度有机废水。通过分析番茄酱生产废水污染物特性，废水COD浓度大多在800 mg/L～1 300 mg/L之间，氮磷含量较低，且可生化性强，适合采用活性污泥法处理。结合工程实例说明，采用活性污泥法为核心的改进工艺——逐减曝气法处理番茄酱生产废水能有效去除污染物，COD去除率达91.50%，SS去除率达82.92%，且系统出水水质稳定，运行费用低，运行管理简单，是番茄制品(及相似)生产废水处理的有效工艺。

关键词：番茄酱；生产废水；活性污泥法；去除率；工艺改进

番茄是世界范围内广泛需求的作物，它的营养价值很高。随着世界经济全球化进程的加快，世界番茄贸易规模呈不断扩大趋势。我国已经成为全球第二大番茄制品生产国和第一大出口国[1]。全国有生产企业200多家，主要分布在新疆、内蒙和甘肃张掖地区[2]。

番茄制品主要产品形式为番茄酱。番茄酱生产过程中产生的废水属于高浓度有机废水，CODcr浓度大多在800 mg/L～1 300 mg/L之间；粗略估计，仅新疆COD排放量达3万t/a。番茄酱生产会产生大量的工业废水，据调查，目前我国绝大部分企业的番茄酱废水排放量处于15 m3/t～40 m3/t之间。如果按番茄酱排水量30 m3/t计算，2013年仅新疆番茄酱生产废水排放量约3 000万m3/a。所以番茄酱生产废水的处理利用对COD排放总量消减、节约水资源有着重要的贡献。我国的工业废水产量大，但是处理效果不佳，大量的废水不能得到有效处理[3-7]。

杜新宪等[8]应用DAT-IAT生化法处理番茄污水，实现了番茄废水治理低成本、高标准的要求。王郁[9]采用电渗析—活性污泥法组合工艺对高盐废水进行处理，利用电渗析装置及含盐量较低的汲取液，将高盐废水中的盐分脱除，脱盐后的废水采用活性污泥法生化处理。孙世阳等[10]废水中基质降解动力学的研究可作为处理番茄加工废水处理系统设计提供依据，并且通过实测值可以很好地预测出水的水质，不仅能有效处理番茄加工废水，而且通过动力学参数的确定以及处理效果得到了验证。孙世阳等[11]通过研究番茄加工厂废水处理系统好氧活性污泥生物活性指标，对系统的稳定运行有显著的实用意义，活性污泥中的微生物的生理生化指标可以视为对传统的活性污泥系统理化指标的补充和优化，在处理番茄加工废水的实践中具有良好的应用前景。生物方法处理有机废水方便快捷，具有条件温和、能耗低、投资少、无催化剂添加和操作安全等优点，得到研究者们的普遍关注[12-16]。

本文分析了番茄酱企业生产废水的特点，通过对企业废水工艺及运行状况的考察，探讨用活性污泥法处理番茄酱生产废水的有效处理方法、工艺及效能。以期有利于新疆的环境保护和废水资源的循环利用。试验过程中需要测定的生活污水的各项指标及检测方法均按国家环保局颁布《水和废水监测分析方法》进行测定[17-19]。

1　番茄酱生产废水的来源及废水污染物特性

1.1番茄酱生产废水的来源

番茄酱全年生产期集中在番茄上市期的7月—9月，年正常生产天数一般在60 d～90 d左右，在较短的生产期内废水大量集中排放。

番茄酱生产过程中产生的废水包括原料输送用水，原料的去杂、除污等冲洗过程产生的废水，管道及设备的每周一次化学清洗过程产生的设备清洗水。原料输送用水和原料冲洗废水占总废水产生量的99%以上[20]。其中，原料输送用水占总废水产生量的28%以上。番茄冲洗水产生量最大，占总废水量的70%以上，污染物占到总排放量的99%。

1.2番茄酱生产废水中主要污染物

番茄酱生产废水属于无毒有害的高色度酸性有机废水。废水中主要污染物为pH、色度、SS、CODcr、BOD5和氨氮、总氮、总磷等，污染物组成比较单一。

番茄酱厂处理前的番茄酱生产废水：pH为5.6～6.5，悬浮物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，总氮6 mg/L～40 mg/L，总磷1.5 mg/L～5.5 mg/L。

1.3目前执行的排放标准

我国目前颁布现行的《污水综合排放标准》[21](GB8978-1996)。由于番茄制品生产废水有流量大、历时短、有机物浓度高的特点，排入污水管网或城市污水处理厂，污水厂一般难以承受巨大的负荷冲击，处理废水达到《污水综合排放标准》二级标准要求后，用于农灌是最好的去处，可节约大量的水资源。

2　废水处理主要技术

番茄酱生产废水具有排放水量大、季节性强、处理设施运行期极短而闲置期较长，废水中所含成分主要是有机酸、番茄汁等有机物，无有毒有害成分，是较为典型的易生降解有机废水。目前，生产企业常用的废水处理方法主要有物理和生物处理法。

2.1物理处理法及废水达标情况

物化处理方法有：沉淀、气浮、过滤。其工艺为：粗格栅、平流式沉淀池沉淀、转鼓过滤器过滤(气浮)。采用物理处理技术的企业出水水质(如表1)与现行《污水综合排放标准》[21](GB8978-1996)中污染物浓度限值比较：可见，番茄酱生产废水只经过物理处理，出水水质根本无法达标。

表1　物化处理后出水水质与综排标准限制的比较

2.2番茄制品生产废水活性污泥法处理适宜工艺

该有机废水，COD浓度远大于城市生活污水，营养物充足，需要的耗氧量也高，氮磷含量低，以有机物的去除为主，适合采用物化预处理加生物处理是其最有效的方法。

活性污泥法为核心的改进工艺(与本文的工程实例相同)为逐减曝气法，这种方式是针对普通曝气法有机物浓度和需氧量沿池长减小的特点而改进的。通过合理布置曝气器，使供气量沿池长逐渐减小，与底物浓度变化相对应(见图1)。这种曝气方式比均匀供气的曝气方式更为经济。

图1逐减曝气法

污泥曝气池有若干个狭长的流槽，废水从一端进入，另一端流出，为水流转折串联式流程。溶解氧沿程剧烈搅拌活性污泥混合液，废水进入曝气池后可得到良好的稀释，充分混合，以最大限度地承受废水水质变化的冲击。由于池内各点水质均匀、F/M(有机负荷率)一定。废物降解，微生物增长，F/M沿程变化。同时，采用逐减曝气法，使供气量沿池长逐渐减小，节约动力费。

3　逐减曝气法典型工艺应用实例

以下是番茄酱生产厂实地调研的逐减曝气法工艺实例，该工艺在番茄酱废水处理中应用较为普遍，具有一定代表性，据调查，中粮集团内蒙古区域6家和新疆中粮屯河8家番茄制品公司采用了上述工艺，目前运行正常，当地检测部门验收完毕，均实现了达标排放，本文通过此例可考证该法对番茄酱生产废水处理的效能。

中粮屯河某番茄制品分公司：设计日处理番茄4 000t，有日处理500 t、1 500 t、2 000 t番茄生产线各一条。废水处理量19 200 t/d，废水进水CODcr为800 mg/L～1 300 mg/L；污水处理工艺：采用物理处理加活性污泥法为核心的生物处理方法。

3.1工艺及特点

以传统活性污泥法的曝气池为核心反应器，经初沉池、酸化调节池处理后的污水和来自二沉池回流污泥一起从曝气池首端注入，来自鼓风机的压缩空气通过管道输送系统和敷设在曝气池底部的空气扩散装置，以细小气泡的形式进入曝气池污水中，在充氧的同时使池中污水、活性污泥剧烈搅动，充分混合。曝气池混合液沿着曝气池池长推流式前行，空气沿着混合液推流方向分散注入，曝气池沿流程分为四格，每格有单独的空气管网和供氧系统，混合液处于完全混合曝气，随着沿程混合液中有机物污染物含量不断降解而降低，需氧量也随之降低，所以采用供气量逐渐减小的方式降低动力消耗。

3.2主要处理构筑物及设计运行参数

(1)初沉池

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

(2)酸化调节池

进水CODcr=1 200 mg/L，有效容积：2 400 m3，停留时间3.0 h，出水CODcr=640 mg/L，去除率20%；

(3)推流式完全混合曝气反应池

进水CODcr=640 mg/L，停留时间12 h，出水CODcr=128 mg/L，去除效率80%；

(4)二沉池

表面负荷1.5 m3/h，沉淀池表面积533.3 m2，停留时间3.0 h，处理后废水浓度为：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污水处理进、出水水质监测及达标情况

污水处理进、出口水质检测平均值、去除率及标准见表2，污水处理进、出口水质检测对比见图2(取典型的COD、SS、氨氮、BOD)。

表2　污水处理进、出口水质检测平均值、去除率及标准　单位：mg/L(pH除外)

该工艺处理后的CODcr平均去除率为91.50%，SS平均去除率为82.92%，氨氮平均去除率为90.43%，BOD5平均去除率为89.06%，处理后出水水质监测值都能达到《污水综合排放标准》二级标准。

图2污水处理进、出口水质检测对比

3.4经济性评价

该企业采用生物处理工艺，处理每吨废水运行费用0.30元，其中电费为0.21元/(t废水)；培菌费0.05元/(t废水)；人工费用为0.02元/(t废水)；污泥处置费用为0.02元/(t废水)。工程总投资668万元，废水综合处理费用低于0.75元/(t废水)。

按生产废水排放量100万吨/年，该工艺处理废水的运行费用30万元/年，比废水综合处理费用75万元/年要节约45万元/年。

4　结果及讨论

(1)番茄制品生产废水必须经过物理法预处理后，再经生物处理才能达标排放。番茄制品废水的有机物浓度高，氮磷含量低，最适宜的方法是生物曝气为核心的活性污泥法技术。

(2)本文介绍的工艺采用传统的活性污泥法中的核心处理器曝气池，并对其工艺进行了优化改良，采用了传统活性污泥法的优点，又避免了传统活性污泥法等量供氧带来的动力费高的缺点，在推流方向上随着有机物浓度的下降而分散减量供氧，并且保证沿程有足够的溶解氧，在空间上采用了延时曝气的优点，而混合液又处于完全混合曝气状态，处理效果好，有机物去除率高达90%以上。在系统正常运行条件下，处理后的废水各项污染指标完全能达到标准规定的限值，环保投资占建设项目总投资的比例小于8%，企业可以承受。

(3)通过对企业污水治理设施运行情况，处理废水的投资成本和运行费用的调研，表明采用此改良工艺，相比其他工艺，具有对进水水量、水质负荷变化适应性强，系统出水水质稳定；投资少、处理效果好、运行成本低等技术经济优势。且与SBR工艺相比，这种连续运行的方式，操作管理简单易行。

(4)实践证明以活性污泥曝气法为核心的优化改良工艺——渐减曝气法对番茄酱生产(和类似)污(废)水处理十分有效。

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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

中图分类号：X703

文献标识码：A

文章编号：1672—1144(2014)06—0050—04

作者简介：张小卫(1988—)，男，陕西吴起人，硕士研究生，研究方向为水处理理论与技术。通讯作者：王维红(1967—)，女，新疆奇台人，博士，副教授，主要从事水处理理论与技术的教学和科研工作。

基金项目：国家科技支撑计划项目(2013BAJ12BO5)；新疆水利水电重点学科基金资助

收稿日期：2014-08-21修稿日期：2014-09-17