第12卷第6期 2 0 1 4年1 2月 水利与建筑工程学报 Journal of Water Resources and Architectural Engineering Vo1.12 No.6 Dec..2014 DOI:10.3969/j.issn.1672—1144.2014.06.009 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2,王 润 ,葛光毅 (1.农业大学水利与土木工程学院,乌鲁木齐830052; 2.大学建筑工程学院,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 中图分类号:X703 文献标识码:A 文章编号:1672—1144(2014)06—0o5O— Application and Research on the Treatment for Wastewater from the Production of Tomato Paste by Using Activated Sludge ZHANG Xiao—wei ,WANG Wei—hong ,PENG Wei ,WANG Run ,GE Guang.yi (1.College ofHydraulic and Civil Engineering,Xinjiang Agriclutural University,Urumqi,Xinj ̄ng 830052,China; 2.Architectural and Civil Engieenirg nCollege,Xinjiang University,Urumqi, 830347,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 pollutnta 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, nd the removal rate of COD reached 91.50%,SS removaal rate up to 82.92%,it was found that this process Was effec. tive to treat wastewater of tomato products with stable efluent quaflity,low operating cost and simple management. Keywords:tomato paste;wastewater of production;activated sludge process;removal rate;improvement of processing 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、内蒙和甘肃张 掖地区[ 。 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 收稿日期:2014.08 21 修稿日期:2014—09—17 度大多在800 mg/L~1 300 mg/L之间;粗略估计,仅 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~4o m3/t之间。如果 按番茄酱排水量3O m3/t计算,2013年仅番茄 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 基金项目:国家科技支撑计划项目(2013BAJ12BO5);水利水电重点学科基金资助 作者简介:张小卫(1988一),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(1967一),女,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。 第6期 张小卫,等:活性污泥法处理番茄酱生产废水的应用与研究 51 处理效果不佳,大量的废水不能得到有效处理_3。]。 杜新宪等l8 J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E9J采用电渗析一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llo3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 J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_l 。 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l” 。 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月一 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l20 J。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、COD 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,COD 800 mg/L一2 400 mg/L,BOD5 400 mg/L一1 000 mg/L,氨 氮9.0 mg/L~15.0 mg/L,色度200倍~300倍,总氮 6 mg/L一40 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》_2l_ (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》_2 (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。 52 水利与建筑工程学报 第12卷 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。 逐渐送入的空气 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 O00t,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COD 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COD =1 200 mg/L,有效容积:2 4OO mz, 停留时间3.0 h,出水COD =64O mg/L,去除率 20%: (3)推流式完全混合曝气反应池 进水COD。 =640 mg/L,停留时间12 h,出水 COD =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:COD ≤150 mg/L;BOD5≤60 mg/L,TN≤10 mg/L, rP≤2 mg/L, NI-I3一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COD 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。 第6期 +张小卫,等:活性污泥法处理番茄酱生产废水的应用与研究 进水+出水+去除率 f ∞ 53 去除率 +进水+出水+旦 ∞ 越 搓 占 0 0 旦 蠢 蔗 周期/d +进水+出水+去除率 +进水+周期,d 出水+去除率 ● ∞ 目 避 0 0 ∞ 图2污水处理进、出口水质检测对比 3.4经济性评价 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 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3O万元/年,比废水综合处理费用75 万元/年要节约45万元/年。 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。 参考文献: [1]侯敬媛,王[2]陈磊.番茄制品出口贸易现状及国际竞 争力研究[J].农垦经济,2012,(12):71.75. 兵.中国番茄产业发展现状分析[J].财 经大学学报,2011,(3):16-20. 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 [3]Kravehenko A V,Zalevskii V S.A technique for normalizing the operation of biological wastewater treatment plants during 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, the bulking of acitvated sludge[J].Joumal of Water Chemistry nd aTechnology,2009,31(5):334—340. [4]张自杰.排水工程(第四版)[M].北京:中国建筑工业 出版社,1999. [5]高俊发.水环境工程学[M].北京:化学工业出版社, 2003. 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 [6]孙慧修,郝以琼,龙腾锐.排水工程上册(第四版)[M]. 北京:中国建筑工业出版社,1999. [7]周振民.城市水务学[M].北京:科学出版社,2013. [8]杜新宪,蒋国胜,孙仙鹤.番茄酱生产废水处理DAT— 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。 IAT工艺的应用与研究[J].环境保护,2003,25(2): 23.26. [9]王郁,解利听,李[10]孙世阳,孙慧,等.电渗析一活性污泥法组合 工艺处理高盐废水[J].工业水处理,2014,34(3):61—64. 萍,生志刚,等.处理番茄加工废水中基 (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 质降解动力学的研究[J].石河子大学学报:自然科学 版,2012,30(1):12—17. 良工艺,相比其他工艺,具有对进水水量、水质负荷 (下转第122页) 122 水利与建筑工程学报 第12卷 成对该帷幕灌浆区的三维渗流场分析,可知帷幕灌 [J].中国水利水电科学研究院学报,2012,10(3):214— 218. … 浆区的存在、灌浆区厚度及渗透系数的选取极大地 影响了大坝的渗透稳定性。分析该有限元计算结 果,得到以下结论: [5]张慧萍,赵迪,梁越.金佛山沥青混凝土心墙坝二 维渗流计算分析[J].地下空间与工程学报,2014,10 (2):449—454. (1)随着覆盖层帷幕灌浆区厚度的增大,坝体 渗透总流量逐步减小。对于覆盖层帷幕灌浆区,灌 [6]许孝臣,盛金昌,何淑媛.防渗帷幕随机缺损的模拟及 对坝基渗流的影响[J].河海大学学报:自然科学版, 2009,37(5):582—585. 浆区厚度与其渗透流量也基本符合该规律。 (2)在相同覆盖层帷幕灌浆区厚度条件下,随 着覆盖层帷幕灌浆区渗透系数增大,其承受的比降 有所下降,降低了坝基渗透破坏率,有利于渗流场稳 定。 [7]李榕,姚颖,胡助秀,等.斜卡水电站面板堆石坝三 维渗流计算分析[J].红水河,2010,29(5):43—46. [8] 李少明.防渗墙质量缺陷对土石坝渗流控制的影响 [J].南水北调与水利科技,2012,10(5):174—177. (3)所研究堆石坝覆盖层帷幕灌浆区厚度达到 8 nl,渗透系数达到15 Lu时,帷幕灌浆区各部位比 降均小于允许比降10,不存在渗透失稳问题;增大 帷幕灌浆区的厚度达8 in以上以及适当增大灌浆区 渗透系数,可以防止坝基渗漏量过大及渗透破坏,有 效提高防渗效果,保证大坝渗流稳定。 参考文献: [1]余宗翔,陈民超.龙滩水电站大坝渗控系统的设计与实 施[J].红水河,2008,27(4):15—19. [9]张慧,赵坚,盛宏.面板砂砾石坝三维渗流敏感 性分析[J].水电能源科学,2012,30(9):73—76. [1O] 宋建庆.面板堆石坝极端工况下渗流稳定性及敏感性 分析[J].水利与建筑工程学报,2011,9(2):77 79. [11]齐悦,卢文喜,李42. 平,等.蒲石河抽水蓄能电站上 水库防渗方案优化研究[J].工程勘察,2007,(12):39— [12]胡冉,毛新莹,张萍.基于变分不等式法的渗流有 限元分析及程序设计[J].水电能源科学,2009,27(4): 54—57. [2]赵永刚.溪洛渡300 m级高拱坝坝基的渗流稳定工程 措施[J].水电站设计,2009,24(4):1-5. [3]宋汉周,王风波,周32(5):69—72. [13]速宝玉,沈振中,赵[14]陈世俊,张俊霞,李[15]华坚.用变分不等式理论求解渗流 莉.工程渗流有限元计算方法 问题的截止负压法[J].水利学报,1996,35(3):22—29. [J].人民黄河,2000,22(9):34—36. 静,杨华舒.土石坝渗流计算中的有限元应用研 究[J].中国水能及电气化,2012,(7):15—18. 乖 乖 乖 尔 尔 尔 乖 乔 乖 尔 尔 希 矫 乖 尔 剑.某水电站大坝6坝段化灌加 强帷幕防渗耐久性分析[J].水文地质工程地质,2005, [4]李维朝,梁铎,蔡红,等.堤坝帷幕灌浆效果评价 坏 乖 ’芾 矫 乖 钸 乖 孙 (上接第53页) 孙世阳,李春,曹鹏,等.番茄加工厂废水处理系 [16] Mazzeo D E C,I 、 C E,De Angelis D F,et a1.BTEX 统好氧活性污泥生物活性指标的评价[J].化工学报, 2012,63(7):2210—2216. Diya’uddeen B H,Daud W M A W,Aziz A R A.Treat— ment technologies for petroleum refinery efluents:A revifew biodegradation by bacteria from eflfuents of petroleum refin— ery[JJ.Science of the Total Environment,0120,408(20): 4334.4340. [17] 水质标准汇编组,中国标准出版社第二编辑室.水质 标准汇编(上册)[M].北京:中国标准出版社,2005. [18] 水质标准汇编组,中国标准出版社第二编辑室.水质 lJj.Process Safety and Environmental Pro ̄eifon,20l1,89 (2):95.105. Singh A,Sinsh B,Ward O.Potential applications of bio— 标准汇编(下册)[M].北京:中国标准出版社,2005. [19] 国家环境保护局,水和废水检测分析方法编委会.水 和废水检测分析方法[M].北京:中国环境科学出版 社,2002. process tecnolhogy in petroleum industry l J j.Biodegrada— tion,2012,23(6):865—880. MeHo J M M,de Lima Brandao H,de Souza A A U,et a1. Biodegradation of BTEX compounds in a biofilm reactor— [20] 韩芹芹,杨跃辉,姜逢清.番茄酱企业生产废水处 理利用方式探析[J].干旱环境监测,2006,20(2):97— 103. Modeling and simulation[J].Journal of Petroleum Science nd aEngineering,2010,70(1):131—139. 赵华,曹青青,刘侃.炼油碱渣处理技术现状与展 [21] 国家环境保护局.GB8978--1996.污水综合排放标准 [S].北京:中国环境科学出版社,1996. 望[J].化工科技,2009,17(2):71—74.