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(chǎng)采用濕法加工+生物質(zhì)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(lái)源于咖啡鮮果清洗分級、機械脫皮、脫膠及發(fā)酵浸泡清洗工序，根據其產(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，其典型污染指標見(jiàn)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(lái)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)處理對象；

（3）脫膠廢水（廢液），顏色變化同脫殼廢水，來(lái)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(diǎn)，研究選取咖啡加工混合水樣，對廢水pH和COD隨時(shí)間的變化進(jìn)行分析，結果如圖1所示?？Х燃庸U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(tài)存在，顆粒、懸浮態(tài)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(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(guò)物化預處理實(shí)現SS、pH、果膠的去除。

（1）預處理?？Х裙麣ず枯^大，使用格柵除渣負荷較大，應考慮實(shí)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(chǎn)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(jīng)疊螺式脫水機壓濾去除果膠渣，最后再與其他類(lèi)廢水混合可有效降低后續處理負荷。

（2）厭氧消化。經(jīng)對比而言，厭氧生物法是比較經(jīng)濟和有效的，推薦作為主要工藝。但厭氧生化反應器的類(lèi)型多樣，選用何種類(lèi)型的厭氧生化反應器對廢水處理十分關(guān)鍵，可以根據建設單位經(jīng)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(yōu)點(diǎn)，適用于處理高濃度有機廢水。

（3）好氧處理。當咖啡廢水經(jīng)過(guò)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(wú)特殊要求，但應注意，厭氧出水COD濃度對于好氧環(huán)節依然較高，應采用多級處理方式。同時(shí)由于該廢水碳氮比約25~20∶1，一般無(wú)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)現氮素達標。

（4）三級處理。廢水經(jīng)過(guò)預處理、厭氧好氧結合處理后，基本可以實(shí)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(jìn)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(guò)濾、過(guò)濾砂缸等方法。消毒滅菌達標排放可選較為簡(jiǎn)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(diǎn)

云南某咖啡加工有限公司臨滄某加工廠(chǎng)采用濕法加工，廢水產(chǎn)量為100m3/d，設計進(jìn)水水質(zhì)為表1混合廢水水質(zhì)指標。根據建設方及受納受體水功能要求，經(jīng)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(shí)段的一級標準，結合廢水的水質(zhì)特征及上述工藝選擇分析，該廠(chǎng)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(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(jiàn)圖2。

該工藝特點(diǎn)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(jìn)水SS≤500mg/L，以免對污泥顆?；斐刹焕绊懟驕p少反應區的有效容積。同時(shí)輔助于調節池預曝氣，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(jìn)入產(chǎn)甲烷階段。

③廢水厭氧消化協(xié)同生物質(zhì)燃料調溫有效降低廢水處理成本，經(jīng)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(shí)現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(jìn)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(chǎng)工程案例設計時(shí)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(gè)污水處理流程各處理工段污染物設計去除配比見(jiàn)表2。

3.2.1 振動(dòng)斜篩、氣浮機

果殼固液分離振動(dòng)斜篩和果膠浮渣氣浮機，直接購置國產(chǎn)成套設備。其中，果殼固液采用ZF-GY-40斜篩振動(dòng)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(fā)環(huán)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(dòng)較大，設調節池1座穩定水質(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(kāi)關(guān)及玻璃轉子流量計各1個(gè)，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(shí)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(shí)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(xiàn)顯示儀1套。

3.2.4 ABR反應池

ABR反應池COD去除率設為85%，進(jìn)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(shí)間72h，格室數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(guān)察厭氧污泥性能，上部?jì)Υ婵臻g相通，集體收集消化氣；由于水量不大，為簡(jiǎn)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(gè)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(shí)每格室設置內回流，可調控上升流速和水質(zhì)。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(shí)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(cháng)×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(cháng)×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(fēng)機2臺（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(jīng)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(cháng)×W×H=5.5m×3.5m×5.5m，池內有效停留時(shí)間1h，斜管傾角設計為60°，斜管孔徑取50mm，共12m2，內置1個(gè)加藥攪拌池，尺寸為L(cháng)×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(cháng)×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(cháng)×W×H=18.5m×3.5m×3.0m，共分5間，包括污泥脫水車(chē)間、電控柜、風(fēng)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(chǎng)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(chǎng)污泥進(jìn)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(chǎng)80%脫水污泥約5t，接觸好氧池悶曝24h后，開(kāi)始逐步泵入咖啡廢水，白天進(jìn)水，晚上悶曝，其中，ABR通過(guò)混合液和原水控制上升流速，進(jìn)行污泥掛膜、馴化，中和池調節pH為6.5~7.5。

初期調試時(shí)，嘗試不進(jìn)行調溫控制，研究不控溫是否能滿(mǎn)足處理要求。觀(guān)察發(fā)現，若保證污水達到GB 8978-1996中第二時(shí)段的一級標準，污水處理量?jì)H能達到設計負荷的20%~30%。2個(gè)月后，開(kāi)始啟動(dòng)調溫換熱系統，控制ABR進(jìn)水溫度在30~35℃中消化，持續調試運行1月后，達到24h連續進(jìn)水，滿(mǎn)負荷運行。開(kāi)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(gè)系統的進(jìn)出水COD指標，發(fā)現去除效果良好。ABR進(jìn)水、出水COD含量差距明顯，去除率為85%，達到預計設計標準；其總體運行良好，系統出水水質(zhì)達到GB 8978-1996中第二時(shí)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(jīng)多次循環(huán)回流后，進(jìn)入調節池長(cháng)時(shí)間儲存，穩定其水質(zhì)水量，降低有機負荷，待ABR反應池啟動(dòng)完成后，再進(jìn)行處理。且初期調試時(shí)間較長(cháng)，待調試完成后，后續啟動(dòng)可在1個(gè)月內完成。此外，咖啡果實(shí)成熟時(shí)間不同，前期咖啡廢水量較少，可以在調節池中儲存一段時(shí)間，且實(shí)際運行中，污水處理廠(chǎng)一般通過(guò)預留廢液，在咖啡采收加工前進(jìn)行啟動(dòng)工作，為后續廢水處理奠定基礎。

05 技術(shù)經(jīng)濟指標

本項目總投資為282萬(wàn)元，其中土建工程150萬(wàn)元，設備購置、安裝及管理等費用132萬(wàn)元?？Х仍幚磉\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(zhì)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(zhì)，若不經(jīng)處理而直接排放，將使得周?chē)w嚴重富營(yíng)養化，嚴重破壞水體的自?xún)裟芰?，造成受納水體發(fā)黑變臭，影響環(huán)境和農業(yè)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(xiàn)。依據其路線(xiàn)，結合工程實(shí)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(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)穩定達標。