HCF工艺在番茄废水处理中的应用
一、番茄废水概况
番茄深加工企业以西北地区居多，本文探讨的废水也是以该地区为例。西北地区气候特点属典型的大陆型干燥气候，冬季寒冷，昼夜温差大，年降雨量极少，尤其是夏季雨量最少、白天燥热，紫外线强度大、日照时间长；生产期集中在蕃茄上市期的7月末至10月初总共不到100天，因此污水发生期短而集中，浓度由低到高呈线性上升；过了蕃茄收获期后，便进入漫长的闲置期，即一年四年季度中仅有一个季度有污水发生，而其余三个季度则是闲置期。
鉴于上述特殊条件和情况，使得污水处理的方法和工艺的选择面较窄，其核心处理工艺不仅要启动快而且要适应水质浓度由低到高的变化。同时对材料的选择也有苛刻要求，应能在漫长的闲置期间必须能抗风沙气蚀、抗氧化、抗强紫外线辐射、抗严寒低温，而不变质、不老化、不脆裂，因此在设备和部件的材质选择中，首先要排除塑料制品。
二、番茄废水一般处理工艺概述
2.1 生物滤池
作为上世纪三十年代用于生活污水处理的污水生物处理方法，适用于低浓度小规模的污水处理，由多孔网板、塑料滤头、塑料曝气头、塑料或陶质、滤料、集水器、大流量的反冲洗泵、鼓风机等和池体组成。
生物滤池不适用于中高浓度的污水处理，因为它的滤料间隙小，很容易被脱落的生物膜堵塞；再者它所需要的反冲洗水量特别大；其三，滤料层占据了70～80%的池容积，翻堆、更换等维护作业量很大、依赖人工操作、劳动强度高；其四，塑料部件的老化快、易脆裂、不耐低温、使用寿命最多两年必须更换，维护费用相当大；其五，国内外至今尚未见到用于5000m3/d（200m3/h）以上规模的报道。该方法不适用。
2.2 接触氧化法
接触氧化法是在池中串挂丝状、片状、管状或投放球状高空隙率的塑料填料用作生物膜附着物，在池底设置塑料曝气头等，是一种出现于上世纪七十年代的新型高效的生物反应器，其处理规模可大可小，适应水质浓度范围较宽，用于低浓度污水处理时具有较强优势，而用于高浓度污水处理时则不及活性污泥法。其最大弱点是主要材料只能采用塑料做成，这在长年连续运行淹没在污水中的场合对其使用寿命不必怀疑，而对蕃茄酱污水处理这强季节性，运行期短而闲置期长，以及特殊的环境与气候条件，则同样存在着不耐低温、老化快、易脆裂、使用寿命最多两年的弊病，且同样存在维护作业量大、费用高的问题。再者，如填料在运行期间出现断裂破碎，这些断丝、碎片将随污水排走，漂入河沟灌入农田，将会造成大面积的“白色污染”，后果将比污水直排更严重。该方法亦不可取！
2.3 活性污泥法
活性污泥是微生物菌落的聚合体，活性污泥法是指在盛满污水的容器或池体中，通过曝气充氧自然培养驯化微生物群体——活性污泥，由活性污泥来降解和去除污水中的有机物，使之得到净化的方法。活性污泥法又可根据曝气深度分为两大体系：常规（浅层）曝气和深层曝气；浅层曝气中又演化SBR法、氧化沟法等多种形式，深层曝气又分为深层和深井曝气两种方式。
1、浅层曝气法中的SBR(序批式)法和氧化沟法对于三坪污水处理工程来说，其生物反应的停留时间必须在十几或三十多个小时，都要建造大规模的钢砼池体，还要配套一系列的大型昂贵的机械设备，其单位投资额都在1000～1500元/m3．d．污水，按24000m3/d的投资额高达2400～3600万元，这对于每年运转期仅不到100天的污水处理项目是一种烧钱行为，并且其大型昂贵机械的维护不仅费用高，专业性也很强，还必须为此组建一支高学历高技能的操作管理队伍和组织结构，这又是一笔不小的开支，这显然是不现实的。
2、深层曝气法中的深井曝气法，是一种快速高效，投资适中的好方法，动消耗也低，系统也较简单，对操作从员的专业性和技能要求不高。但由于井深必须大于50m，在这么深的井里，污水处理必须无休止地连年连续运转，一旦停机，则必须把井内的污水和污泥清掏干净，否则等到污泥沉积后造成淤塞再去清掏，其费用相当大；再者深井的防渗要求也非常之高，只要有渗漏现象，不仅直接影响到处理效果，还会导致井内污泥无法清掏干净最终导致深井淤塞而报废。因此，建深井将冒极高的技术风险，且对年年停机年年要清掏的情况更不适用。
3、深层曝气法——HCF曝气塔
1）基于深井曝气原理的深层曝气法，是将原来建于地下的深井挪到地面上变成塔式结构，并且把高度降到十几至二十多米，采用全钢结构，便利管理维护变得十分简单，也无需担心渗漏问题；要开就开、要停就停，也没有了污泥淤塞的后顾之忧。塔内所有设施和部件均为碳钢、镀锌钢管或不锈钢，不使用任何塑料部件，不存在老化、脆裂的问题，能抗高温也耐低温。碳钢塔体和结构部件均采用环氧煤沥青防腐涂层，正常防腐期至少为三年。其投资额最低，性价比最高，无论闲置或是运转，无论在任何恶劣的气候环境中，使用寿命至少达二十年以上，其中不锈钢部件可达百年不变质。
国内外已建成很多大流量中高浓度污（废）水处理的深层曝气塔，被成功地应用于印染废水、屠宰污水、制药、染料、化纤、化工等多种行业中，用来降解有机、有毒、难降解高分子合成物的去除和脱色处理，都取得了良好的效果和显现出上佳的性价比。有理由相信，选择深层曝气塔用来处理蕃茄酱污水的处理，同样能获得成功和优越的性价比。
2）HCF特点
A、启动时间快
针对蕃茄酱生产的强季节性和水质浓度由低到高呈线性上升等种种特征，采用物理——生物——物理化学的优化核心工艺,采用HCF使整个系统一旦启动至达标时间短，这是其它任何工艺所做不到的。
B、精选设备材质、少维护长寿命
根据污水工程所处的特定的地理位置、气候环境等特殊条件，对所有设备、部件等的材料全部为碳钢、镀锌钢或不锈钢，不使用易氧化老化脆裂的塑料材质。对碳钢塔体和管道有着完善的防腐措施，使系统的维护量最少而寿命很长，碳钢防腐涂层的寿命为三年，不锈钢部件的使用寿命更可长达百年。
C、经济技术优势
五低：投资、占地、运行成本、维修作业量（劳动强度）、维护量都很低；
三高：动力效率、系统可靠性、自动化程度都较高；
一保障：一旦启动即时达标有保障，达标率持续稳定。
三、污水处理工艺流程
3.1工艺流程说明
预处理阶段：废水悬浮物浓度较高，废水首先要经过物理处理阶段。废水流经细隔栅池，有效去除细小纤维素等不容性悬浮物，减轻后续生化处理的负荷；同时，考虑生产废水排放的不连续和水质变化大的特点，在细隔栅池的后面设置了一个调节池，在调节池内设置搅拌功能，以均衡水质水量。
生化处理阶段：由于可生化性较好，因此本工程决定采用好氧生化处理工艺；为降低成本，提高处理效果，缩短启动周期，采用HCF深层曝气工艺。
混凝沉淀：HCF生化出水经过混凝沉淀后进一步去除残留的污染物，保证废水达标排放。
3.2 工艺系统介绍
3.2.1 高负荷HCF系统
高负荷HCF系统是一种好氧处理系统， HCF反应器采用射流曝气加鼓风曝气形式供氧，具有容积负荷高，处理效果好的优点，能大幅提高处理效率。系统主要包括：集成反应器、两相喷头、气浮池以及配套的管路和水泵等。集成反应器为圆形容器，其外筒两端被封闭，连接着各种管道；内筒两端开口，两相喷头安装在反应器上部的正中央。循环水泵提升高压水流经喷头射入反应器，由于负压作用同时吸入大量空气。水流和气流的共同作用又使喷头下方形成高速紊流剪切区，把吸入的气体分散成细小的气泡。富含溶解氧的混合污水经导流筒达到反应器底部后，又向上返流形成环流，再经剪切向下射流，如此循环往复运行。于是，污水被反复充氧，气泡和微生物菌团被不断剪切细化，并形成致密细小的絮凝体。
系统的工艺特点有：
(1)系统占地少，基建费用低。HCF系统占地一般很少，其原因主要有三：一是系统设计紧凑，结构合理，减少了占地；二是反应器较高，部分被埋在地下，有效地利用了垂向空间，减少了平面上的占地；三是所需水力停留时间很短，容积负荷和污泥负荷都很高，减少了反应器的体积。合理集成设计、少占地是减少基建投资的主要因素，反应器的容积小，节省了土建投资或设备制造费用。根据工程预算结果对比表明，采用HCF工艺处理同样数量的污水，其基建费用比活性污泥法工艺要减少30%以上。
(2)空气氧转化利用率高，容积负荷和污泥负荷高。HCF工艺的曝气方式采用射流扩散式，并通过垂向循环混合，使溶解氧达到最大值，这一过程实际上吸取了深井曝气依靠压头溶氧的优点。高速喷射形成紊流水力剪切，使气泡高度细化并均匀分散，决定了该方法对空气氧的转化利用率高。据试验测定，其空气氧的转化利用率可高达50%，溶解氧含量易保持在5mg/L以上。
足够的溶解氧是保证好氧生物处理系统高负荷运行的条件，这也是HCF工艺的优势所在。一般情况下，HCF系统的污泥浓度在7-10g/L左右，最高可超过20g/L。反应器中生物量之大，决定了其负荷值必然高。试验和已有工程的运行结果显示，HCF的容积负荷最大可达70kgBOD5/(m3•d)，小试可达100 kg BOD5/(m3•d)；其污泥负荷值可以超过6 kg BOD5/(kgSS•d)。
(3)固液分离效果好，剩余污泥量较少。该工艺每降解1kg BOD所产生的剩余污泥量，比其他好氧方法平均减少40%左右，从而大大减少了污泥处理量。剩余污泥量较少的原因主要有两个：其一，强烈曝气使微生物代谢速度快，由此引起的生化反应可能加大内源消耗，剩余污泥量相对少；其二，由于反应器中混合污水被高速循环液流剪切，微生物的团粒被不断分割细化，团粒内部的气孔减少，使其密度相对增加，总的体积减少。
(4)抗冲击负荷的能力强。HCF为完全混合型运行方式，原水先与回流污水合流，然后再进入反应器，并立即被快速循环混合。高浓度COD或有毒废水冲击系统时，它们在进入反应器之前实际上已经被稀释，进入反应器后又被迅速均匀混合，使冲击液流的浓度大大降低，从而有效地提高了HCF系统抗冲击负荷的能力。此外，强烈曝气使微生物的新陈代谢加快后，也可能减少冲击所造成的部分影响。
工程实践表明，HCF工艺对发酵、制药、印染、食品等行业废水都能进行有效处理。
(5)系统操作简便灵活，处理效果有保障。HCF系统的反应器循环水量、补充曝气量、污泥回流量等都可以根据需要进行调节，便于选择最佳的组合效果。正因为如此，采用HCF工艺容易保证较高的COD去除率。
3.2.2 充氧设备的选择
充氧系统是好氧生化系统的关键设备。目前充氧系统的形式繁多，大致可分为三大类：
a) 孔隙散气。其形式有穿孔管式，齿形散气罩式及微孔布气管（盘、板）式等，其缺点是孔大则传质效率低，而孔小则阻力损耗大，孔隙易堵塞，检修困难；
b) 机械夹气。其形式有表面叶轮、转刷及水下叶轮机等，其缺点是表面叶轮、转刷的复氧量有限，气液接触传质的时间过短，影响动力效率的提高；水下叶轮机的吸气量有限，供气式则能耗较高，且易产生机械故障；
c) 水气混合式，其形式有空气提升液体的螺旋筒以及水流夹带气体的射流器等。其缺点是前者因空气质量小，提升水流作循环对流的范围小，混合搅动条件差；后者则受水深的影响严重，同时射流器也不能做得过大，以影响夹气量。
在充氧设备的选择上必须满足以下几点要求：
1) 在某一特定曝气的条件下，既能满足曝气池废水需氧要求，又能达到混合搅拌、池内无沉淀的要求；
2) 曝气器既要有较高的充氧性能，又能较强的混合搅拌能力，还应有不易堵塞、耐腐蚀、坚固、补气均匀、操作管理及维修检修的简便、成本低、阻力小和寿命长等性能。
3) 选择曝气所组成的曝气供氧系统，从整体上应具有节约能量、组成简单、安装及维修管理方便，易于故障的排除。
4) 从运行角度上必须满足充氧负荷的可调性高，在不同的负荷下都能正常运行，同时也能满足反应器的需求。
3.2.3 混凝沉淀处理
末端物化处理主要包括混凝沉淀池，该段物化处理是为进一步降低COD、SS，进一步保障出水水质。根据常规的混凝剂，聚合氯化铝，聚合硫酸铁，氢氧化钙，碳酸钙以及辅助沉淀的阴离子聚丙烯酰胺，合适的药剂种类和投加量。在处理效果方面，初沉池能达到40%的去除率，生化末端也能实现30%以上的处理效果。
1. 水化技术简介
水化技术是利用比面积在10～50 m2/g 低Si聚合度的层状硅酸钙具有很强的不饱和表面电位，高密度的不规则氢键，从而对水体中各种污染物进行包括。如图所示，水体中的溶解性有机污染物在水体中进行无规则运动时，水化药剂具有的高效比表面积能够将污染物专有吸附在其中，并通过水化过程中形成的“致密”小颗粒将污染物包裹于其中，随着包裹过程的进行，水化颗粒表面污染物的浓度不断降低，水体中高浓度的污染物并不断迁移至水化颗粒表面，伴随着水化颗粒包裹过程的进行，溶液中高浓度的污染物不断迁移至水化颗粒所具有的纳米颗粒中，最终降低水体中的污染物浓度。实践表明：水化混凝剂对各种废水都有强大的适应能力，即使是难降解废水也能够达到40%以上的预处理效果。
2. 末端处理
末端保障药剂选择了聚铝、PAM和水化复合药剂作为混凝处理药剂。由于普通聚铝、聚铁不容易形成稳定的絮体，形成的絮体分散，且不容易沉降，而水化药剂展现了一定的优势，它模拟了硅酸盐固化过程中对污染物的截留作用，能够适应水体污染物降解的处理。在水体中，水化絮体能够克服颗粒自由运动所具有的布朗运动，所形成的絮体具有高效吸附的表面，形成纳米结构的松散絮体。
通过终沉池前设置混凝反应池，投加药剂，能够在最小设备改动的情况下实现良好的混凝处理，对削减COD负荷以及保障生化系统的稳定运行具有很大的作用。
深度处理采用水化复合药剂，经过高效生化水处理之后，焦化废水工艺末端存在一些难以生化降解的物质，包括钠盐、残留的小分子化合物。水体中带负电荷的胶体含量日益减少，出水基本澄清，因此常规混凝剂对生化工艺出水处理效率并不很理想。
混凝剂集合了阳离子的静电压缩作用和阴离子的吸附作用，并能够一定溶液中形成两性的颗粒，对水体中残留的溶解性有机物进行高效去除。从而保证出水能够达到排放要求。
3.2.4 污泥处置方法
污水处理过程中产生的污泥，有机物含量较高，并且很不稳定，易腐化，含有大量病菌及寄生虫，若不经妥善处理和处置将造成二次污染，必须进行必要的污泥处理和处置，污泥处理的要求是：
a．减少有机物；
b．减少污泥体积，降低污泥后续处置费用；
c．减少污泥中有毒物质；
d．利用污泥中可用物质，变害为利；
e．因选用生物脱氮降磷工艺，尽量避免磷的二次污染
污泥若采用消化处理，需增加消化池、加热、搅拌和沼气处理利用等一系列构筑物及设备，使投资增加。因此，建议本工程近期污泥不进行消化处理，直接浓缩、脱水。
浓缩、脱水有两种方案可供选择，污泥含水率均能达到80％以下。
方案一：污泥机械浓缩、机械脱水
方案二：污泥重力浓缩、机械脱水
二两种方案的优缺点进行比较，见表所示。
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