案例：咖啡初加工廢水處理工藝及設(shè)計(jì)
來源：北極星水處理網(wǎng) 作者：網(wǎng)絡(luò) 日期：2022-07-29
01 咖啡初加工廢水水質(zhì)特征
云南某咖啡加工有限公司臨滄某加工廠采用濕法加工+生物質(zhì)鍋爐供熱烤干工藝，建設(shè)規(guī)模為25m³（鮮果）/d，咖啡初加工廢水主要來源于咖啡鮮果清洗分級(jí)、機(jī)械脫皮、脫膠及發(fā)酵浸泡清洗工序，根據(jù)其產(chǎn)生廢水的污染程度，可以將其分為咖啡鮮果清洗廢水、咖啡濕式脫殼廢水（包括發(fā)酵浸泡水）和脫膠廢水，其典型污染指標(biāo)見表1。
由表1可知，
（1）咖啡清洗廢水，約占比2/5，顏色灰黑色，水中含有大量灰塵、腐葉等，SS較大，有機(jī)污染物來源于腐爛、破損的咖啡豆，COD等污染物含量與循環(huán)使用次數(shù)有關(guān)，通常小于1 000mg/L；
（2）咖啡濕式脫殼、浸泡發(fā)酵廢水，約占比2/5，由于大量果汁、果肉、果膠存在，加之成熟咖啡鮮果中果膠多為可溶性果膠等高分子化合物，廢水成分復(fù)雜，懸浮物、果膠、COD、BOD5、氨氮較高，其可生化性差，難以生化處理，為重點(diǎn)處理對(duì)象；
（3）脫膠廢水（廢液），顏色變化同脫殼廢水，來源于咖啡脫殼后咖啡果膠混合物的分離，廢水量約占比1/5，主要為果膠水混合物。
三者綜合混合廢水依然具有較大的污染指標(biāo)，屬于典型的有機(jī)污染廢水，污染物為咖啡果上脫落的果皮、果肉及汁水等組成，成分主要為植物纖維、植物蛋白、果糖、植物油脂、維生素及果膠等有機(jī)物和沙土等，主要污染指標(biāo)為色度、pH、SS、COD、BOD5、總氮、氨氮、總磷、總大腸菌群等。
為了解該廢水酸化及污染變化特點(diǎn)，研究選取咖啡加工混合水樣，對(duì)廢水pH和COD隨時(shí)間的變化進(jìn)行分析，結(jié)果如圖1所示。咖啡加工廢水特征為高有機(jī)物濃度、SS和氨氮，果膠多為可溶性果膠，COD主要于溶解態(tài)存在，顆粒、懸浮態(tài)約占比2 000~4 000mg/L，有機(jī)物易酸化導(dǎo)致廢水呈酸性，pH范圍為3~5。
02 咖啡污水處理及工藝選擇分析
前述分析可知，咖啡廢水屬于酸性高濃度有機(jī)污染廢水，其BOD5/COD為0.35~0.43，屬于可生化范疇，適宜采用以生化工藝為主體凈化，而COD濃度大于10 000mg/L，選擇厭氧消化和好氧降解相結(jié)合較為適宜。但由于廢水酸化pH下降較快，此酸度（pH=3~5）范圍將嚴(yán)重抑制產(chǎn)甲烷菌繁殖；其次，廢水中含有大量果殼、果肉碎屑、果膠膠體以及不溶性果膠等物質(zhì)，很難脫水，微生物分解的效果也不理想。因此，有必要先經(jīng)過物化預(yù)處理實(shí)現(xiàn)SS、pH、果膠的去除。
（1）預(yù)處理?？Х裙麣ず枯^大，使用格柵除渣負(fù)荷較大，應(yīng)考慮實(shí)現(xiàn)果殼分離及擠壓脫水，宜采用斜篩、螺旋輸送壓縮脫水或干濕分離設(shè)備；SS易沉淀，果膠混合物易漂浮，應(yīng)采用初次沉淀浮渣刮渣一體化構(gòu)筑物；酸度低影響厭氧消化產(chǎn)氣，應(yīng)預(yù)先提供堿度，采取石灰、堿液、消化出水回流中和等方式調(diào)節(jié)pH。另一方面，脫膠水漿較濃，呈粘稠狀，脫膠液混合其他廢水將導(dǎo)致污染負(fù)荷增大，可在中和池和調(diào)溫池之間加入鈣鹽或聚氯化鋁（PAC），鹽析出果膠混合物，而后用聚丙烯酰胺（PAM）調(diào)理，經(jīng)疊螺式脫水機(jī)壓濾去除果膠渣，最后再與其他類廢水混合可有效降低后續(xù)處理負(fù)荷。
（2）厭氧消化。經(jīng)對(duì)比而言，厭氧生物法是比較經(jīng)濟(jì)和有效的，推薦作為主要工藝。但厭氧生化反應(yīng)器的類型多樣，選用何種類型的厭氧生化反應(yīng)器對(duì)廢水處理十分關(guān)鍵，可以根據(jù)建設(shè)單位經(jīng)濟(jì)、用地條件，選擇目前運(yùn)行較好的UASB、IC、ABR等厭氧反應(yīng)器，其中ABR反應(yīng)器在高負(fù)荷情況下，具有高效截留活性微生物、運(yùn)行費(fèi)用低、剩余污泥少等優(yōu)點(diǎn)，適用于處理高濃度有機(jī)廢水。
（3）好氧處理。當(dāng)咖啡廢水經(jīng)過預(yù)處理及厭氧成功消化處理后，其工藝的選擇是比較寬泛的，無特殊要求，但應(yīng)注意，厭氧出水COD濃度對(duì)于好氧環(huán)節(jié)依然較高，應(yīng)采用多級(jí)處理方式。同時(shí)由于該廢水碳氮比約25~20∶1，一般無需特別考慮脫氮除磷，利用微生物增殖及同步硝化反硝化即可實(shí)現(xiàn)氮素達(dá)標(biāo)。
（4）三級(jí)處理。廢水經(jīng)過預(yù)處理、厭氧好氧結(jié)合處理后，基本可以實(shí)現(xiàn)達(dá)標(biāo)（GB 8978-1996）排放。三級(jí)處理工藝的選擇主要取決于廢水的回用用途，若回用于咖啡初加工，應(yīng)進(jìn)一步降低殘留SS、細(xì)菌含量，可以選擇高效混凝沉淀、纖維濾布過濾、過濾砂缸等方法。消毒滅菌達(dá)標(biāo)排放可選較為簡(jiǎn)單次氯酸鈉消毒，回用則根據(jù)用水工段的衛(wèi)生及潔凈標(biāo)準(zhǔn)選擇二氧化氯、臭氧和紫外消毒等方式。
03 典型凈化工藝設(shè)計(jì)
3.1 工藝流程及特點(diǎn)
云南某咖啡加工有限公司臨滄某加工廠采用濕法加工，廢水產(chǎn)量為100m³/d，設(shè)計(jì)進(jìn)水水質(zhì)為表1混合廢水水質(zhì)指標(biāo)。根據(jù)建設(shè)方及受納受體水功能要求，經(jīng)處理后外排廢水應(yīng)執(zhí)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 8978-1996）中第二時(shí)段的一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合廢水的水質(zhì)特征及上述工藝選擇分析，該廠工程案例采用斜篩篩分去殼-混凝沉淀-中和-調(diào)溫-ABR厭氧消化產(chǎn)氣-二段生物接觸氧化-高效混凝沉淀-次氯酸鈉消毒組合工藝，工藝流程見圖2。
該工藝特點(diǎn)如下：
①采用斜篩與氣浮相結(jié)合，篩分去除大量果殼，混凝設(shè)置排泥泵及浮渣刮渣設(shè)備去除懸浮顆粒及上浮果膠，控制ABR進(jìn)水SS≤500mg/L，以免對(duì)污泥顆粒化造成不利影響或減少反應(yīng)區(qū)的有效容積。同時(shí)輔助于調(diào)節(jié)池預(yù)曝氣，均化水質(zhì)并防止進(jìn)一步酸化。
②石灰乳-碳酸氫鈉-ABR回流水三合一中和原水調(diào)節(jié)pH（6.5～7.5）并提供堿度，防止腐蝕換熱設(shè)備，保障厭氧消化快速進(jìn)入產(chǎn)甲烷階段。
③廢水厭氧消化協(xié)同生物質(zhì)燃料調(diào)溫有效降低廢水處理成本，經(jīng)中溫（30~35℃）ABR厭氧消化轉(zhuǎn)化有機(jī)污染物為甲烷和CO2，可穩(wěn)定控制實(shí)現(xiàn)80%~90%的COD去除率，保障進(jìn)入好氧工段的COD小于2 000mg/L。
④設(shè)中間沉淀池為二段生物接觸氧化池，一段處于高負(fù)荷運(yùn)行，二段設(shè)計(jì)低負(fù)荷運(yùn)行，可有效緩沖污水有機(jī)污染物高負(fù)荷進(jìn)水沖擊，保障出水指標(biāo)的穩(wěn)定。
3.2 主要構(gòu)筑物設(shè)計(jì)參數(shù)
該廠工程案例設(shè)計(jì)時(shí)以平均水量100m³/d和最大污染負(fù)荷計(jì)算，根據(jù)構(gòu)筑物功能及中試，整個(gè)污水處理流程各處理工段污染物設(shè)計(jì)去除配比見表2。
3.2.1 振動(dòng)斜篩、氣浮機(jī)
果殼固液分離振動(dòng)斜篩和果膠浮渣氣浮機(jī)，直接購(gòu)置國(guó)產(chǎn)成套設(shè)備。其中，果殼固液采用ZF-GY-40斜篩振動(dòng)式固液分離機(jī)分離，外形尺寸：L×W×H=1.6m×1.22m×1.53m，污液處理流量≥40m³/h，果殼碎屑去渣率＞90%，功率3.2 kW，380 V。氣浮機(jī)采用中發(fā)環(huán)保ZF-QF-10溶氣氣浮一體設(shè)備，因水果膠、懸浮物等存在，其濁度較高，配置處理流量≥20m³/h，尺寸：L×W×H=4.0m×3.0m×2.3m，1座，碳鋼防腐結(jié)構(gòu)，需氣量約1.0 m³/min。
3.2.2 調(diào)節(jié)池
咖啡廢水波動(dòng)較大，設(shè)調(diào)節(jié)池1座穩(wěn)定水質(zhì)水量，兼事故池功能。水力停留時(shí)間20h，鋼筋混凝土地埋式，結(jié)構(gòu)尺寸L×W×H=6.5m×3.5m×4.5m，有效水深4.0m。設(shè)置污水提升泵2臺(tái)（1用1備），帶自耦裝置，流量10m³/h，揚(yáng)程10m，功率1.1kW；潛達(dá)TQJ-260-740-0.85攪拌器2臺(tái)，葉輪直徑為320mm，功率為0.75 kW；浮球開關(guān)及玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)各1個(gè)，清淤污泥泵1臺(tái)及配套排泥管1套。
3.2.3 中和池、調(diào)溫池
中和池混合原水與石灰乳、碳酸氫鈉和厭氧消化回流液，pH范圍6.5~7.5，同時(shí)提供1 000~2 000mg/L的堿度。中和反應(yīng)槽選用鋼筋混凝土地埋式矩形池1座，結(jié)構(gòu)尺寸L×W×H=3.5m×2.0m×4.5m，反應(yīng)時(shí)間t=2.0h。采用潛達(dá)TQJ-260-740-0.85攪拌器1臺(tái)，石灰乳化池1座，碳鋼防腐結(jié)構(gòu)，1 000L加藥系統(tǒng)2套。
調(diào)溫池1座，結(jié)構(gòu)尺寸L×W×H=4.5m×3.0m×4.5m，鋼筋混凝土地埋式，兩格室，其中一格裝換熱器，另一格（1.5m×3.0m×4.5m）安裝提升泵，將污水提升至ABR反應(yīng)池，設(shè)置熱水板式換熱系統(tǒng)1套，污水提升泵2臺(tái)（1用1備），帶自耦裝置，流量為10m³/h，揚(yáng)程15m，溫度在線顯示儀1套。
3.2.4 ABR反應(yīng)池
ABR反應(yīng)池COD去除率設(shè)為85%，進(jìn)出水COD分別為12 000mg/L、1 800mg/L，污泥濃度60g/L，有機(jī)負(fù)荷3.0 kgCOD/(m³·d)，反應(yīng)池升流速度0.32mm/s，ABR反應(yīng)池為矩形鋼筋混凝土半地上式，1座，結(jié)構(gòu)尺寸L×W×H=17m×3m×7.5m，有效容積300m³，水力停留時(shí)間72h，格室數(shù)5格，第一進(jìn)水和第五出水格室寬度4m，其余每格3m，每個(gè)格室下部安裝污泥排放口便于取樣觀察厭氧污泥性能，上部?jī)?chǔ)存空間相通，集體收集消化氣；由于水量不大，為簡(jiǎn)便施工和節(jié)約建設(shè)成本，如圖3、圖4所示，每格室下部設(shè)置漸寬棱臺(tái)，以3個(gè)直徑160mm的PVC作為降流管，降流管下部沿棱臺(tái)均勻布水，傾角60°，布水系統(tǒng)5套；ABR整體設(shè)置混合液回流，同時(shí)每格室設(shè)置內(nèi)回流，可調(diào)控上升流速和水質(zhì)。配套混合液回流泵、內(nèi)回流泵各2臺(tái)（2用2備），流量20m³/h，揚(yáng)程10m，沼氣水封及鍋爐燃燒利用系統(tǒng)1套。
3.2.5 二段生物接觸氧化池
二段生物接觸氧化池中間設(shè)置中間沉淀池，以便實(shí)現(xiàn)一級(jí)高負(fù)荷、二級(jí)低負(fù)荷運(yùn)行，保障出水穩(wěn)定。一、二級(jí)接觸氧化池各1座，鋼筋混凝土半地上式，一級(jí)接觸氧化池，有機(jī)負(fù)荷1.5 kgCOD/(m³·d)，尺寸為L(zhǎng)×W×H=8.0m×5.0m×4.5m，有效水深4.0m，HRT為28.8h；二級(jí)接觸氧化池有機(jī)負(fù)荷0.3 kgCOD/(m³·d)，尺寸為L(zhǎng)×W×H=5.0m×3.0m×4.5m，有效水深4.0m，HRT為9.0h。接觸氧化池體內(nèi)掛組合填料，直徑為150mm，高度為3m，分兩層，共165m³，配TSW-50-3KW羅茨鼓風(fēng)機(jī)2臺(tái)（1用1備），風(fēng)量1.7m³/min，風(fēng)壓49.2 kPa，功率4.5 kW。
3.2.6 中間沉淀池、二沉池
中間沉淀池、二沉池均采用豎流式池設(shè)計(jì)，表面水力負(fù)荷1.0 m³/(m2·h)，池體結(jié)構(gòu)為正方形，鋼筋混凝土地埋式各1座，結(jié)構(gòu)尺寸L×W×H=3.5m×3.5m×5.5m，其中污泥沉淀區(qū)2.2m，下部椎體尺寸為0.4m×0.4m，污泥斗高2.0m，中心管出水口與反射板縫隙0.3m，超高、緩沖層高度各0.5m，總高5.5m。設(shè)置污泥回流泵、排泥泵各3臺(tái)（4用2備），流量10m³/h，揚(yáng)程10m，功率0.75 kW，不銹鋼出水溢流堰2套，共28m。
3.2.7 高效混凝沉淀池
因原污水濃度較高，設(shè)計(jì)二沉池經(jīng)加PAC、PAM高效混凝沉淀，以保障出水穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。高效混凝沉淀池采用斜管沉淀池，鋼筋混凝土半地埋式，表面水力負(fù)荷為1.0m³/(m²·h)，尺寸為L(zhǎng)×W×H=5.5m×3.5m×5.5m，池內(nèi)有效停留時(shí)間1h，斜管傾角設(shè)計(jì)為60°，斜管孔徑取50mm，共12m²，內(nèi)置1個(gè)加藥攪拌池，尺寸為L(zhǎng)×W×H=1.725m×1.5m×2.0m，以曝氣攪拌，需氣量為0.2m³/min。斜板沉淀區(qū)垂直高度、上部水深及底部緩沖層高度均為1.0m，泥斗高2.0m，設(shè)置容積為1 000L PAC、PAM加藥裝置各1套，流量60~100L/h，排泥泵1臺(tái)，規(guī)格同上，不銹鋼出水溢流堰10.5m。
3.2.8 清水池（回用水池）
清水池儲(chǔ)存污水系統(tǒng)凈化出水，以備回用，鋼筋混凝土半地埋式1座，尺寸為L(zhǎng)×W×H=6.5m×4.0m×4.5m，有效容積100m³，回用水提升泵2臺(tái)（1備1用），流量20m³/h，揚(yáng)程40m，功率5.5 kW。
3.2.9 污泥濃縮池
污泥濃縮池、消化池布置于設(shè)備房下，1座，鋼筋混凝土全地埋式，結(jié)構(gòu)尺寸L×W×H=2.0m×2.0m×4.5m，污泥泵2臺(tái)，流量5m³/h，揚(yáng)程10m，功率0.75 kW。頂部設(shè)備房配置疊螺式壓濾機(jī)1臺(tái)，污泥脫水處理量為50~70kg/h，污泥調(diào)理配套PAM加藥系統(tǒng)1套。
3.2.10 設(shè)備房
設(shè)備綜合用房布置于污水處理調(diào)節(jié)池、中和池等構(gòu)筑物上，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，1棟，有效尺寸為L(zhǎng)×W×H=18.5m×3.5m×3.0m，共分5間，包括污泥脫水車間、電控柜、風(fēng)機(jī)、泵房及加藥系統(tǒng)等設(shè)備用房。
04 調(diào)試運(yùn)行及處理效果
臨滄某咖啡加工廠污水處理站于2018年8月建成，咖啡采收加工期間為2018年10月初至2019年3月，氣溫5~25℃，平均12℃，霜凍不明顯。該工程活性污泥采用城市污水處理廠污泥進(jìn)行接種馴化，其中ABR反應(yīng)池污泥投加污泥消化池、化糞池污泥，投加量約20t，生物接觸氧化池污泥取自城市污水處理廠80%脫水污泥約5t，接觸好氧池悶曝24h后，開始逐步泵入咖啡廢水，白天進(jìn)水，晚上悶曝，其中，ABR通過混合液和原水控制上升流速，進(jìn)行污泥掛膜、馴化，中和池調(diào)節(jié)pH為6.5~7.5。
初期調(diào)試時(shí)，嘗試不進(jìn)行調(diào)溫控制，研究不控溫是否能滿足處理要求。觀察發(fā)現(xiàn)，若保證污水達(dá)到GB 8978-1996中第二時(shí)段的一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，污水處理量?jī)H能達(dá)到設(shè)計(jì)負(fù)荷的20%~30%。2個(gè)月后，開始啟動(dòng)調(diào)溫?fù)Q熱系統(tǒng)，控制ABR進(jìn)水溫度在30~35℃中消化，持續(xù)調(diào)試運(yùn)行1月后，達(dá)到24h連續(xù)進(jìn)水，滿負(fù)荷運(yùn)行。開始控制溫度后，采用COD哈希消解儀、測(cè)定儀連續(xù)監(jiān)測(cè)ABR和整個(gè)系統(tǒng)的進(jìn)出水COD指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)去除效果良好。ABR進(jìn)水、出水COD含量差距明顯，去除率為85%，達(dá)到預(yù)計(jì)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)；其總體運(yùn)行良好，系統(tǒng)出水水質(zhì)達(dá)到GB 8978-1996中第二時(shí)段的一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，總體COD去除率達(dá)97%。結(jié)果如圖5所示。
在調(diào)試期間，廢水經(jīng)多次循環(huán)回流后，進(jìn)入調(diào)節(jié)池長(zhǎng)時(shí)間儲(chǔ)存，穩(wěn)定其水質(zhì)水量，降低有機(jī)負(fù)荷，待ABR反應(yīng)池啟動(dòng)完成后，再進(jìn)行處理。且初期調(diào)試時(shí)間較長(zhǎng)，待調(diào)試完成后，后續(xù)啟動(dòng)可在1個(gè)月內(nèi)完成。此外，咖啡果實(shí)成熟時(shí)間不同，前期咖啡廢水量較少，可以在調(diào)節(jié)池中儲(chǔ)存一段時(shí)間，且實(shí)際運(yùn)行中，污水處理廠一般通過預(yù)留廢液，在咖啡采收加工前進(jìn)行啟動(dòng)工作，為后續(xù)廢水處理奠定基礎(chǔ)。
05 技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)
本項(xiàng)目總投資為282萬元，其中土建工程150萬元，設(shè)備購(gòu)置、安裝及管理等費(fèi)用132萬元。咖啡原水處理運(yùn)行費(fèi)用約4.68元/m³，包括電費(fèi)1.22元/m³（總裝機(jī)容量22 kW），石灰、絮凝劑等藥劑費(fèi)1.14元/m³，調(diào)溫生物質(zhì)燃料費(fèi)2.0元/m³，人工0.3元/m³。
06 結(jié) 論
（1）咖啡初加工廢水為酸性高濃度有機(jī)廢水，含大量的懸浮物、BOD5、COD、有機(jī)氮、氨氮、果膠等有機(jī)污染物質(zhì)，若不經(jīng)處理而直接排放，將使得周圍水體嚴(yán)重富營(yíng)養(yǎng)化，嚴(yán)重破壞水體的自凈能力，造成受納水體發(fā)黑變臭，影響環(huán)境和農(nóng)業(yè)灌溉。高酸度、高果膠、懸浮物和高有機(jī)污染物是其咖啡廢水的典型特征。
（2）咖啡初加工廢水總體上屬于可生化性廢水，其凈化應(yīng)考慮預(yù)處理+厭氧消化+好氧氧化+三級(jí)處理的凈化工藝路線。依據(jù)其路線，結(jié)合工程實(shí)際案例，采用斜篩篩分去殼-混凝沉淀-中和-調(diào)溫-ABR厭氧消化產(chǎn)氣-二段生物接觸氧化-高效混凝沉淀-次氯酸鈉消毒組合工藝，可有效去除污染物，出水水質(zhì)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。
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