案例：咖啡初加工廢水處理工藝及設計
01 咖啡初加工廢水水質特征
云南某咖啡加工有限公司臨滄某加工廠采用濕法加工+生物質鍋爐供熱烤干工藝，建設規模為25m3（鮮果）/d，咖啡初加工廢水主要來源于咖啡鮮果清洗分級、機械脫皮、脫膠及發酵浸泡清洗工序，根據其產生廢水的污染程度，可以將其分為咖啡鮮果清洗廢水、咖啡濕式脫殼廢水（包括發酵浸泡水）和脫膠廢水，其典型污染指標見表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，有機污染物來源于腐爛、破損的咖啡豆，COD等污染物含量與循環使用次數有關，通常小于1 000mg/L；
（2）咖啡濕式脫殼、浸泡發酵廢水，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，為重點處理對象；
（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，屬于典型的有機污染廢水，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物和沙土等，主要污染指標為色度、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，研究選取咖啡加工混合水樣，對廢水pH和COD隨時間的變化進行分析，結果如圖1所示。咖啡加工廢水特征為高有機物濃度、SS和氨氮，果膠多為可溶性果膠，COD主要于溶解態存在，顆粒、懸浮態約占比2 000~4 000mg/L，有機物易酸化導致廢水呈酸性，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）范圍將嚴重抑制產甲烷菌繁殖；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，很難脫水，微生物分解的效果也不理想。因此，有必要先經過物化預處理實現SS、pH、果膠的去除。
（1）預處理。咖啡果殼含量較大，使用格柵除渣負荷較大，應考慮實現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備；SS易沉淀，果膠混合物易漂浮，應采用初次沉淀浮渣刮渣一體化構筑物；酸度低影響厭氧消化產氣，應預先提供堿度，采取石灰、堿液、消化出水回流中和等方式調節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致污染負荷增大，可在中和池和調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）調理，經疊螺式脫水機壓濾去除果膠渣，最后再與其他類廢水混合可有效降低后續處理負荷。
（2）厭氧消化。經對比而言，厭氧生物法是比較經濟和有效的，推薦作為主要工藝。但厭氧生化反應器的類型多樣，選用何種類型的厭氧生化反應器對廢水處理十分關鍵，可以根據建設單位經濟、用地條件，選擇目前運行較好的UASB、IC、ABR等厭氧反應器，其中ABR反應器在高負荷情況下，具有高效截留活性微生物、運行費用低、剩余污泥少等優點，適用于處理高濃度有機廢水。
（3）好氧處理。當咖啡廢水經過預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，但應注意，厭氧出水COD濃度對于好氧環節依然較高，應采用多級處理方式。同時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現氮素達標。
（4）三級處理。廢水經過預處理、厭氧好氧結合處理后，基本可以實現達標（GB 8978-1996）排放。三級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，應進一步降低殘留SS、細菌含量，可以選擇高效混凝沉淀、纖維濾布過濾、過濾砂缸等方法。消毒滅菌達標排放可選較為簡單次氯酸鈉消毒，回用則根據用水工段的衛生及潔凈標準選擇二氧化氯、臭氧和紫外消毒等方式。
03 典型凈化工藝設計
3.1 工藝流程及特點
云南某咖啡加工有限公司臨滄某加工廠采用濕法加工，廢水產量為100m3/d，設計進水水質為表1混合廢水水質指標。根據建設方及受納受體水功能要求，經處理后外排廢水應執行國家標準《污水綜合排放標準》（GB 8978-1996）中第二時段的一級標準，結合廢水的水質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-調溫-ABR厭氧消化產氣-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。
該工藝特點如下：
①采用斜篩與氣浮相結合，篩分去除大量果殼，混凝設置排泥泵及浮渣刮渣設備去除懸浮顆粒及上浮果膠，控制ABR進水SS≤500mg/L，以免對污泥顆粒化造成不利影響或減少反應區的有效容積。同時輔助于調節池預曝氣，均化水質并防止進一步酸化。
②石灰乳-碳酸氫鈉-ABR回流水三合一中和原水調節pH（6.5～7.5）并提供堿度，防止腐蝕換熱設備，保障厭氧消化快速進入產甲烷階段。
③廢水厭氧消化協同生物質燃料調溫有效降低廢水處理成本，經中溫（30~35℃）ABR厭氧消化轉化有機污染物為甲烷和CO2，可穩定控制實現80%~90%的COD去除率，保障進入好氧工段的COD小于2 000mg/L。
④設中間沉淀池為二段生物接觸氧化池，一段處于高負荷運行，二段設計低負荷運行，可有效緩沖污水有機污染物高負荷進水沖擊，保障出水指標的穩定。
3.2 主要構筑物設計參數
該廠工程案例設計時以平均水量100m3/d和最大污染負荷計算，根據構筑物功能及中試，整個污水處理流程各處理工段污染物設計去除配比見表2。
3.2.1 振動斜篩、氣浮機
果殼固液分離振動斜篩和果膠浮渣氣浮機，直接購置國產成套設備。其中，果殼固液采用ZF-GY-40斜篩振動式固液分離機分離，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。氣浮機采用中發環保ZF-QF-10溶氣氣浮一體設備，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，碳鋼防腐結構，需氣量約1.0 m3/min。
3.2.2 調節池
咖啡廢水波動較大，設調節池1座穩定水質水量，兼事故池功能。水力停留時間20h，鋼筋混凝土地埋式，結構尺寸L×W×H=6.5m×3.5m×4.5m，有效水深4.0m。設置污水提升泵2臺（1用1備），帶自耦裝置，流量10m3/h，揚程10m，功率1.1kW；潛達TQJ-260-740-0.85攪拌器2臺，葉輪直徑為320mm，功率為0.75 kW；浮球開關及玻璃轉子流量計各1個，清淤污泥泵1臺及配套排泥管1套。
3.2.3 中和池、調溫池
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，同時提供1 000~2 000mg/L的堿度。中和反應槽選用鋼筋混凝土地埋式矩形池1座，結構尺寸L×W×H=3.5m×2.0m×4.5m，反應時間t=2.0h。采用潛達TQJ-260-740-0.85攪拌器1臺，石灰乳化池1座，碳鋼防腐結構，1 000L加藥系統2套。
調溫池1座，結構尺寸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反應池，設置熱水板式換熱系統1套，污水提升泵2臺（1用1備），帶自耦裝置，流量為10m3/h，揚程15m，溫度在線顯示儀1套。
3.2.4 ABR反應池
ABR反應池COD去除率設為85%，進出水COD分別為12 000mg/L、1 800mg/L，污泥濃度60g/L，有機負荷3.0 kgCOD/(m3·d)，反應池升流速度0.32mm/s，ABR反應池為矩形鋼筋混凝土半地上式，1座，結構尺寸L×W×H=17m×3m×7.5m，有效容積300m3，水力停留時間72h，格室數5格，第一進水和第五出水格室寬度4m，其余每格3m，每個格室下部安裝污泥排放口便于取樣觀察厭氧污泥性能，上部儲存空間相通，集體收集消化氣；由于水量不大，為簡便施工和節約建設成本，如圖3、圖4所示，每格室下部設置漸寬棱臺，以3個直徑160mm的PVC作為降流管，降流管下部沿棱臺均勻布水，傾角60°，布水系統5套；ABR整體設置混合液回流，同時每格室設置內回流，可調控上升流速和水質。配套混合液回流泵、內回流泵各2臺（2用2備），流量20m3/h，揚程10m，沼氣水封及鍋爐燃燒利用系統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置中間沉淀池，以便實現一級高負荷、二級低負荷運行，保障出水穩定。一、二級接觸氧化池各1座，鋼筋混凝土半地上式，一級接觸氧化池，有機負荷1.5 kgCOD/(m3·d)，尺寸為L×W×H=8.0m×5.0m×4.5m，有效水深4.0m，HRT為28.8h；二級接觸氧化池有機負荷0.3 kgCOD/(m3·d)，尺寸為L×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羅茨鼓風機2臺（1用1備），風量1.7m3/min，風壓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計，表面水力負荷1.0 m3/(m2·h)，池體結構為正方形，鋼筋混凝土地埋式各1座，結構尺寸L×W×H=3.5m×3.5m×5.5m，其中污泥沉淀區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。設置污泥回流泵、排泥泵各3臺（4用2備），流量10m3/h，揚程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，設計二沉池經加PAC、PAM高效混凝沉淀，以保障出水穩定達標。高效混凝沉淀池采用斜管沉淀池，鋼筋混凝土半地埋式，表面水力負荷為1.0m3/(m2·h)，尺寸為L×W×H=5.5m×3.5m×5.5m，池內有效停留時間1h，斜管傾角設計為60°，斜管孔徑取50mm，共12m2，內置1個加藥攪拌池，尺寸為L×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，規格同上，不銹鋼出水溢流堰10.5m。
3.2.8 清水池（回用水池）
清水池儲存污水系統凈化出水，以備回用，鋼筋混凝土半地埋式1座，尺寸為L×W×H=6.5m×4.0m×4.5m，有效容積100m3，回用水提升泵2臺（1備1用），流量20m3/h，揚程40m，功率5.5 kW。
3.2.9 污泥濃縮池
污泥濃縮池、消化池布置于設備房下，1座，鋼筋混凝土全地埋式，結構尺寸L×W×H=2.0m×2.0m×4.5m，污泥泵2臺，流量5m3/h，揚程10m，功率0.75 kW。頂部設備房配置疊螺式壓濾機1臺，污泥脫水處理量為50~70kg/h，污泥調理配套PAM加藥系統1套。
3.2.10 設備房
設備綜合用房布置于污水處理調節池、中和池等構筑物上，鋼筋混凝土結構，1棟，有效尺寸為L×W×H=18.5m×3.5m×3.0m，共分5間，包括污泥脫水車間、電控柜、風機、泵房及加藥系統等設備用房。
04 調試運行及處理效果
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行接種馴化，其中ABR反應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，白天進水，晚上悶曝，其中，ABR通過混合液和原水控制上升流速，進行污泥掛膜、馴化，中和池調節pH為6.5~7.5。
初期調試時，嘗試不進行調溫控制，研究不控溫是否能滿足處理要求。觀察發現，若保證污水達到GB 8978-1996中第二時段的一級標準，污水處理量僅能達到設計負荷的20%~30%。2個月后，開始啟動調溫換熱系統，控制ABR進水溫度在30~35℃中消化，持續調試運行1月后，達到24h連續進水，滿負荷運行。開始控制溫度后，采用COD哈希消解儀、測定儀連續監測ABR和整個系統的進出水COD指標，發現去除效果良好。ABR進水、出水COD含量差距明顯，去除率為85%，達到預計設計標準；其總體運行良好，系統出水水質達到GB 8978-1996中第二時段的一級標準，總體COD去除率達97%。結果如圖5所示。
在調試期間，廢水經多次循環回流后，進入調節池長時間儲存，穩定其水質水量，降低有機負荷，待ABR反應池啟動完成后，再進行處理。且初期調試時間較長，待調試完成后，后續啟動可在1個月內完成。此外，咖啡果實成熟時間不同，前期咖啡廢水量較少，可以在調節池中儲存一段時間，且實際運行中，污水處理廠一般通過預留廢液，在咖啡采收加工前進行啟動工作，為后續廢水處理奠定基礎。
05 技術經濟指標
本項目總投資為282萬元，其中土建工程150萬元，設備購置、安裝及管理等費用132萬元。咖啡原水處理運行費用約4.68元/m3，包括電費1.22元/m3（總裝機容量22 kW），石灰、絮凝劑等藥劑費1.14元/m3，調溫生物質燃料費2.0元/m3，人工0.3元/m3。
06 結 論
（1）咖啡初加工廢水為酸性高濃度有機廢水，含大量的懸浮物、BOD5、COD、有機氮、氨氮、果膠等有機污染物質，若不經處理而直接排放，將使得周圍水體嚴重富營養化，嚴重破壞水體的自凈能力，造成受納水體發黑變臭，影響環境和農業灌溉。高酸度、高果膠、懸浮物和高有機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，其凈化應考慮預處理+厭氧消化+好氧氧化+三級處理的凈化工藝路線。依據其路線，結合工程實際案例，采用斜篩篩分去殼-混凝沉淀-中和-調溫-ABR厭氧消化產氣-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，出水水質穩定達標。
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