案例：咖啡初加工废水处理工艺及设计
01 咖啡初加工废水水质特征
云南某咖啡加工有限公司临沧某加工厂采用湿法加工+生物质锅炉供热烤干工艺，建设规模为25m³（鲜果）/d，咖啡初加工废水主要来源于咖啡鲜果清洗分级、机械脱皮、脱胶及发酵浸泡清洗工序，根据其产生废水的污染程度，可以将其分为咖啡鲜果清洗废水、咖啡湿式脱壳废水（包括发酵浸泡水）和脱胶废水，其典型污染指标见表1。
由表1可知，
（1）咖啡清洗废水，约占比2/5，颜色灰黑色，水中含有大量灰尘、腐叶等，SS较大，有机污染物来源于腐烂、破损的咖啡豆，COD等污染物含量与循环使用次数有关，通常小于1 000mg/L；
（2）咖啡湿式脱壳、浸泡发酵废水，约占比2/5，由于大量果汁、果肉、果胶存在，加之成熟咖啡鲜果中果胶多为可溶性果胶等高分子化合物，废水成分复杂，悬浮物、果胶、COD、BOD5、氨氮较高，其可生化性差，难以生化处理，为重点处理对象；
（3）脱胶废水（废液），颜色变化同脱壳废水，来源于咖啡脱壳后咖啡果胶混合物的分离，废水量约占比1/5，主要为果胶水混合物。
三者综合混合废水依然具有较大的污染指标，属于典型的有机污染废水，污染物为咖啡果上脱落的果皮、果肉及汁水等组成，成分主要为植物纤维、植物蛋白、果糖、植物油脂、维生素及果胶等有机物和沙土等，主要污染指标为色度、pH、SS、COD、BOD5、总氮、氨氮、总磷、总大肠菌群等。
为了解该废水酸化及污染变化特点，研究选取咖啡加工混合水样，对废水pH和COD随时间的变化进行分析，结果如图1所示。咖啡加工废水特征为高有机物浓度、SS和氨氮，果胶多为可溶性果胶，COD主要于溶解态存在，颗粒、悬浮态约占比2 000~4 000mg/L，有机物易酸化导致废水呈酸性，pH范围为3~5。
02 咖啡污水处理及工艺选择分析
前述分析可知，咖啡废水属于酸性高浓度有机污染废水，其BOD5/COD为0.35~0.43，属于可生化范畴，适宜采用以生化工艺为主体净化，而COD浓度大于10 000mg/L，选择厌氧消化和好氧降解相结合较为适宜。但由于废水酸化pH下降较快，此酸度（pH=3~5）范围将严重抑制产甲烷菌繁殖；其次，废水中含有大量果壳、果肉碎屑、果胶胶体以及不溶性果胶等物质，很难脱水，微生物分解的效果也不理想。因此，有必要先经过物化预处理实现SS、pH、果胶的去除。
（1）预处理。咖啡果壳含量较大，使用格栅除渣负荷较大，应考虑实现果壳分离及挤压脱水，宜采用斜筛、螺旋输送压缩脱水或干湿分离设备；SS易沉淀，果胶混合物易漂浮，应采用初次沉淀浮渣刮渣一体化构筑物；酸度低影响厌氧消化产气，应预先提供碱度，采取石灰、碱液、消化出水回流中和等方式调节pH。另一方面，脱胶水浆较浓，呈粘稠状，脱胶液混合其他废水将导致污染负荷增大，可在中和池和调温池之间加入钙盐或聚氯化铝（PAC），盐析出果胶混合物，而后用聚丙烯酰胺（PAM）调理，经叠螺式脱水机压滤去除果胶渣，最后再与其他类废水混合可有效降低后续处理负荷。
（2）厌氧消化。经对比而言，厌氧生物法是比较经济和有效的，推荐作为主要工艺。但厌氧生化反应器的类型多样，选用何种类型的厌氧生化反应器对废水处理十分关键，可以根据建设单位经济、用地条件，选择目前运行较好的UASB、IC、ABR等厌氧反应器，其中ABR反应器在高负荷情况下，具有高效截留活性微生物、运行费用低、剩余污泥少等优点，适用于处理高浓度有机废水。
（3）好氧处理。当咖啡废水经过预处理及厌氧成功消化处理后，其工艺的选择是比较宽泛的，无特殊要求，但应注意，厌氧出水COD浓度对于好氧环节依然较高，应采用多级处理方式。同时由于该废水碳氮比约25~20∶1，一般无需特别考虑脱氮除磷，利用微生物增殖及同步硝化反硝化即可实现氮素达标。
（4）三级处理。废水经过预处理、厌氧好氧结合处理后，基本可以实现达标（GB 8978-1996）排放。三级处理工艺的选择主要取决于废水的回用用途，若回用于咖啡初加工，应进一步降低残留SS、细菌含量，可以选择高效混凝沉淀、纤维滤布过滤、过滤砂缸等方法。消毒灭菌达标排放可选较为简单次氯酸钠消毒，回用则根据用水工段的卫生及洁净标准选择二氧化氯、臭氧和紫外消毒等方式。
03 典型净化工艺设计
3.1 工艺流程及特点
云南某咖啡加工有限公司临沧某加工厂采用湿法加工，废水产量为100m³/d，设计进水水质为表1混合废水水质指标。根据建设方及受纳受体水功能要求，经处理后外排废水应执行国家标准《污水综合排放标准》（GB 8978-1996）中第二时段的一级标准，结合废水的水质特征及上述工艺选择分析，该厂工程案例采用斜筛筛分去壳-混凝沉淀-中和-调温-ABR厌氧消化产气-二段生物接触氧化-高效混凝沉淀-次氯酸钠消毒组合工艺，工艺流程见图2。
该工艺特点如下：
①采用斜筛与气浮相结合，筛分去除大量果壳，混凝设置排泥泵及浮渣刮渣设备去除悬浮颗粒及上浮果胶，控制ABR进水SS≤500mg/L，以免对污泥颗粒化造成不利影响或减少反应区的有效容积。同时辅助于调节池预曝气，均化水质并防止进一步酸化。
②石灰乳-碳酸氢钠-ABR回流水三合一中和原水调节pH（6.5～7.5）并提供碱度，防止腐蚀换热设备，保障厌氧消化快速进入产甲烷阶段。
③废水厌氧消化协同生物质燃料调温有效降低废水处理成本，经中温（30~35℃）ABR厌氧消化转化有机污染物为甲烷和CO2，可稳定控制实现80%~90%的COD去除率，保障进入好氧工段的COD小于2 000mg/L。
④设中间沉淀池为二段生物接触氧化池，一段处于高负荷运行，二段设计低负荷运行，可有效缓冲污水有机污染物高负荷进水冲击，保障出水指标的稳定。
3.2 主要构筑物设计参数
该厂工程案例设计时以平均水量100m³/d和最大污染负荷计算，根据构筑物功能及中试，整个污水处理流程各处理工段污染物设计去除配比见表2。
3.2.1 振动斜筛、气浮机
果壳固液分离振动斜筛和果胶浮渣气浮机，直接购置国产成套设备。其中，果壳固液采用ZF-GY-40斜筛振动式固液分离机分离，外形尺寸：L×W×H=1.6m×1.22m×1.53m，污液处理流量≥40m³/h，果壳碎屑去渣率＞90%，功率3.2 kW，380 V。气浮机采用中发环保ZF-QF-10溶气气浮一体设备，因水果胶、悬浮物等存在，其浊度较高，配置处理流量≥20m³/h，尺寸：L×W×H=4.0m×3.0m×2.3m，1座，碳钢防腐结构，需气量约1.0 m³/min。
3.2.2 调节池
咖啡废水波动较大，设调节池1座稳定水质水量，兼事故池功能。水力停留时间20h，钢筋混凝土地埋式，结构尺寸L×W×H=6.5m×3.5m×4.5m，有效水深4.0m。设置污水提升泵2台（1用1备），带自耦装置，流量10m³/h，扬程10m，功率1.1kW；潜达TQJ-260-740-0.85搅拌器2台，叶轮直径为320mm，功率为0.75 kW；浮球开关及玻璃转子流量计各1个，清淤污泥泵1台及配套排泥管1套。
3.2.3 中和池、调温池
中和池混合原水与石灰乳、碳酸氢钠和厌氧消化回流液，pH范围6.5~7.5，同时提供1 000~2 000mg/L的碱度。中和反应槽选用钢筋混凝土地埋式矩形池1座，结构尺寸L×W×H=3.5m×2.0m×4.5m，反应时间t=2.0h。采用潜达TQJ-260-740-0.85搅拌器1台，石灰乳化池1座，碳钢防腐结构，1 000L加药系统2套。
调温池1座，结构尺寸L×W×H=4.5m×3.0m×4.5m，钢筋混凝土地埋式，两格室，其中一格装换热器，另一格（1.5m×3.0m×4.5m）安装提升泵，将污水提升至ABR反应池，设置热水板式换热系统1套，污水提升泵2台（1用1备），带自耦装置，流量为10m³/h，扬程15m，温度在线显示仪1套。
3.2.4 ABR反应池
ABR反应池COD去除率设为85%，进出水COD分别为12 000mg/L、1 800mg/L，污泥浓度60g/L，有机负荷3.0 kgCOD/(m³·d)，反应池升流速度0.32mm/s，ABR反应池为矩形钢筋混凝土半地上式，1座，结构尺寸L×W×H=17m×3m×7.5m，有效容积300m³，水力停留时间72h，格室数5格，第一进水和第五出水格室宽度4m，其余每格3m，每个格室下部安装污泥排放口便于取样观察厌氧污泥性能，上部储存空间相通，集体收集消化气；由于水量不大，为简便施工和节约建设成本，如图3、图4所示，每格室下部设置渐宽棱台，以3个直径160mm的PVC作为降流管，降流管下部沿棱台均匀布水，倾角60°，布水系统5套；ABR整体设置混合液回流，同时每格室设置内回流，可调控上升流速和水质。配套混合液回流泵、内回流泵各2台（2用2备），流量20m³/h，扬程10m，沼气水封及锅炉燃烧利用系统1套。
3.2.5 二段生物接触氧化池
二段生物接触氧化池中间设置中间沉淀池，以便实现一级高负荷、二级低负荷运行，保障出水稳定。一、二级接触氧化池各1座，钢筋混凝土半地上式，一级接触氧化池，有机负荷1.5 kgCOD/(m³·d)，尺寸为L×W×H=8.0m×5.0m×4.5m，有效水深4.0m，HRT为28.8h；二级接触氧化池有机负荷0.3 kgCOD/(m³·d)，尺寸为L×W×H=5.0m×3.0m×4.5m，有效水深4.0m，HRT为9.0h。接触氧化池体内挂组合填料，直径为150mm，高度为3m，分两层，共165m³，配TSW-50-3KW罗茨鼓风机2台（1用1备），风量1.7m³/min，风压49.2 kPa，功率4.5 kW。
3.2.6 中间沉淀池、二沉池
中间沉淀池、二沉池均采用竖流式池设计，表面水力负荷1.0 m³/(m2·h)，池体结构为正方形，钢筋混凝土地埋式各1座，结构尺寸L×W×H=3.5m×3.5m×5.5m，其中污泥沉淀区2.2m，下部椎体尺寸为0.4m×0.4m，污泥斗高2.0m，中心管出水口与反射板缝隙0.3m，超高、缓冲层高度各0.5m，总高5.5m。设置污泥回流泵、排泥泵各3台（4用2备），流量10m³/h，扬程10m，功率0.75 kW，不锈钢出水溢流堰2套，共28m。
3.2.7 高效混凝沉淀池
因原污水浓度较高，设计二沉池经加PAC、PAM高效混凝沉淀，以保障出水稳定达标。高效混凝沉淀池采用斜管沉淀池，钢筋混凝土半地埋式，表面水力负荷为1.0m³/(m²·h)，尺寸为L×W×H=5.5m×3.5m×5.5m，池内有效停留时间1h，斜管倾角设计为60°，斜管孔径取50mm，共12m²，内置1个加药搅拌池，尺寸为L×W×H=1.725m×1.5m×2.0m，以曝气搅拌，需气量为0.2m³/min。斜板沉淀区垂直高度、上部水深及底部缓冲层高度均为1.0m，泥斗高2.0m，设置容积为1 000L PAC、PAM加药装置各1套，流量60~100L/h，排泥泵1台，规格同上，不锈钢出水溢流堰10.5m。
3.2.8 清水池（回用水池）
清水池储存污水系统净化出水，以备回用，钢筋混凝土半地埋式1座，尺寸为L×W×H=6.5m×4.0m×4.5m，有效容积100m³，回用水提升泵2台（1备1用），流量20m³/h，扬程40m，功率5.5 kW。
3.2.9 污泥浓缩池
污泥浓缩池、消化池布置于设备房下，1座，钢筋混凝土全地埋式，结构尺寸L×W×H=2.0m×2.0m×4.5m，污泥泵2台，流量5m³/h，扬程10m，功率0.75 kW。顶部设备房配置叠螺式压滤机1台，污泥脱水处理量为50~70kg/h，污泥调理配套PAM加药系统1套。
3.2.10 设备房
设备综合用房布置于污水处理调节池、中和池等构筑物上，钢筋混凝土结构，1栋，有效尺寸为L×W×H=18.5m×3.5m×3.0m，共分5间，包括污泥脱水车间、电控柜、风机、泵房及加药系统等设备用房。
04 调试运行及处理效果
临沧某咖啡加工厂污水处理站于2018年8月建成，咖啡采收加工期间为2018年10月初至2019年3月，气温5~25℃，平均12℃，霜冻不明显。该工程活性污泥采用城市污水处理厂污泥进行接种驯化，其中ABR反应池污泥投加污泥消化池、化粪池污泥，投加量约20t，生物接触氧化池污泥取自城市污水处理厂80%脱水污泥约5t，接触好氧池闷曝24h后，开始逐步泵入咖啡废水，白天进水，晚上闷曝，其中，ABR通过混合液和原水控制上升流速，进行污泥挂膜、驯化，中和池调节pH为6.5~7.5。
初期调试时，尝试不进行调温控制，研究不控温是否能满足处理要求。观察发现，若保证污水达到GB 8978-1996中第二时段的一级标准，污水处理量仅能达到设计负荷的20%~30%。2个月后，开始启动调温换热系统，控制ABR进水温度在30~35℃中消化，持续调试运行1月后，达到24h连续进水，满负荷运行。开始控制温度后，采用COD哈希消解仪、测定仪连续监测ABR和整个系统的进出水COD指标，发现去除效果良好。ABR进水、出水COD含量差距明显，去除率为85%，达到预计设计标准；其总体运行良好，系统出水水质达到GB 8978-1996中第二时段的一级标准，总体COD去除率达97%。结果如图5所示。
在调试期间，废水经多次循环回流后，进入调节池长时间储存，稳定其水质水量，降低有机负荷，待ABR反应池启动完成后，再进行处理。且初期调试时间较长，待调试完成后，后续启动可在1个月内完成。此外，咖啡果实成熟时间不同，前期咖啡废水量较少，可以在调节池中储存一段时间，且实际运行中，污水处理厂一般通过预留废液，在咖啡采收加工前进行启动工作，为后续废水处理奠定基础。
05 技术经济指标
本项目总投资为282万元，其中土建工程150万元，设备购置、安装及管理等费用132万元。咖啡原水处理运行费用约4.68元/m³，包括电费1.22元/m³（总装机容量22 kW），石灰、絮凝剂等药剂费1.14元/m³，调温生物质燃料费2.0元/m³，人工0.3元/m³。
06 结 论
（1）咖啡初加工废水为酸性高浓度有机废水，含大量的悬浮物、BOD5、COD、有机氮、氨氮、果胶等有机污染物质，若不经处理而直接排放，将使得周围水体严重富营养化，严重破坏水体的自净能力，造成受纳水体发黑变臭，影响环境和农业灌溉。高酸度、高果胶、悬浮物和高有机污染物是其咖啡废水的典型特征。
（2）咖啡初加工废水总体上属于可生化性废水，其净化应考虑预处理+厌氧消化+好氧氧化+三级处理的净化工艺路线。依据其路线，结合工程实际案例，采用斜筛筛分去壳-混凝沉淀-中和-调温-ABR厌氧消化产气-二段生物接触氧化-高效混凝沉淀-次氯酸钠消毒组合工艺，可有效去除污染物，出水水质稳定达标。
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