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目前國內(nèi)農(nóng)副產(chǎn)品加工行業(yè)的生產(chǎn)廢水普遍采用傳統(tǒng)好氧生物處理或厭氧、好氧組合工藝處理，出水水質(zhì)執(zhí)行污水綜合排放標準（或行業(yè)水污染物排放標準），或者達到間接排放標準后排入城市/園區(qū)污水管網(wǎng)。但是對于季節(jié)性生產(chǎn)的農(nóng)副食品加工行業(yè)如馬鈴薯原淀粉加工行業(yè)（多集中在東北、西北、華北地區(qū)），其生產(chǎn)時間多在每年9月—11月，氣溫較低，生產(chǎn)加工時間較短，水質(zhì)、水量變化大，常規(guī)的生化工藝難以達到設計處理效果。同時生化處理工藝也普遍存在工藝流程復雜、投資偏大、運行費用高、操作要求嚴苛、需要常年運行等問題，嚴重制約企業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

馬鈴薯淀粉加工綜合廢水是一種高濃度有機廢水，主要包括原料清洗廢水和馬鈴薯工藝廢水（汁水），主要表現(xiàn)為COD負荷高，生物降解性好（B/C高達0.84），含有大量氮、磷、鉀元素，無重金屬，無苯類、酚類等致癌物。已有試驗研究表明，施用馬鈴薯淀粉加工廢水與有機肥效果類似，能夠改善土壤結構，提高土壤肥力。因此，將馬鈴薯淀粉加工廢水預處理后施用于農(nóng)田種植是一種循環(huán)經(jīng)濟的思路，既可保證廢水得到妥善處理，又能補充植物所需的養(yǎng)分和水分，改良土壤結構，但國內(nèi)規(guī)?；I(yè)應用案例報道較少，相關行業(yè)也僅限在制糖行業(yè)有個別案例，難以為馬鈴薯淀粉加工廢水規(guī)模化土地利用提供全面參考。

本研究設計了蛋白回收與土地利用聯(lián)合處理馬鈴薯淀粉廢水的工藝路線，并在寧夏固原市某淀粉有限公司進行工程示范，分析了工程運行效果及環(huán)境效益和經(jīng)濟效益，可為馬鈴薯淀粉行業(yè)廢水治理提供參考。

1、廢水水質(zhì)及水量

該淀粉企業(yè)現(xiàn)有馬鈴薯處理量為40t/h生產(chǎn)線一條（以淀粉計，約6t/h），每年加工期一般從10月初開始，12月末結束，加工期約90d。原料（馬鈴薯）清洗廢水和馬鈴薯淀粉工藝廢水（汁水）混合后形成綜合廢水。根據(jù)生產(chǎn)統(tǒng)計，淀粉綜合廢水產(chǎn)量為50～60m3/h，其中馬鈴薯淀粉工藝廢水（汁水）為25～30m3/h。洗薯廢水和工藝廢水水質(zhì)見表1。

2、工藝流程

本項目處理工藝摒棄傳統(tǒng)的末端治理達標排放思路，針對廢水的成分特點，以清潔生產(chǎn)和循環(huán)經(jīng)濟為設計理念，采用馬鈴薯淀粉工藝廢水（汁水）蛋白回收與綜合廢水土地利用聯(lián)合處理工藝，流程如圖1所示。利用蛋白質(zhì)熱變性原理進行蛋白回收。蛋白質(zhì)遇熱后化學鍵斷裂，導致其空間結構發(fā)生變化，使原本可溶的蛋白質(zhì)析出，再通過分離、烘干得到蛋白副產(chǎn)品。但是，馬鈴薯淀粉工藝廢水（汁水）中由于含有大量細纖維、小顆粒淀粉，在換熱器中加熱時易糊化堵塞換熱器和管道，致使蛋白回收過程無法穩(wěn)定運行。本項目工藝設計時在馬鈴薯淀粉工藝廢水（汁水）加熱前增加細纖維分離工序，采用兩級細纖維離心篩分離細纖維和小顆粒淀粉，避免加熱過程堵塞換熱器。此外，換熱系統(tǒng)采用2套設備（1用1備），每3天切換使用，確保穩(wěn)定運行。

該工序不僅從馬鈴薯工藝廢水（汁水）中回收蛋白副產(chǎn)品出售，增加企業(yè)經(jīng)濟效益，同時還能降低馬鈴薯工藝廢水（汁水）中的固形物及COD負荷，對汁水進行熱消毒，有利于后續(xù)廢水土地利用。

土地利用系統(tǒng)利用土壤、微生物、植物生態(tài)系統(tǒng)的自凈功能和自我調(diào)控機制，通過一系列物理、化學和生物化學過程，最終實現(xiàn)廢水資源化處理的目標。馬鈴薯淀粉工藝廢水（汁水）經(jīng)蛋白回收處理后排出的脫氮廢水與原料（馬鈴薯）清洗廢水經(jīng)過格柵、混合均化、沉淀后由泵站提升到緩沖池，隨后根據(jù)當年廢水施用計劃噴施到農(nóng)田。

經(jīng)過處理后的廢水于當年企業(yè)開產(chǎn)后即開始施用（投放）到空閑的農(nóng)田上，一般為每年10月—12月。廢水施用量按照土壤肥力及翌年種植農(nóng)作物生長所需營養(yǎng)物質(zhì)的量綜合確定，為了避免廢水施用不均勻影響作物生長，施用前用激光整地機對土地進行平整，并采用基于畦灌的新型小畦灌溉方式施用，小畦入口埋設量水堰控制流量，再根據(jù)時間控制灌溉量，如圖2所示。

施用后及時進行土地翻耕，翌年耕種時根據(jù)《測土配方施肥技術規(guī)范》（NY/T1118—2006）減少化肥施用量。

3、核心單元設計

3.1 蛋白回收系統(tǒng)

蛋白回收系統(tǒng)的馬鈴薯工藝廢水（汁水）處理能力約30m3/h，工藝廢水（汁水）蛋白回收率≥40%，COD去除率≥25%，SS去除率≥50%。蛋白回收主要包括細纖維分離單元、換熱單元、絮凝單元、蛋白分離單元和烘干單元。

各工序主要設備及參數(shù)如下：纖維分離單元主要設備為2臺細纖維離心篩，轉速960～1100r/min，處理能力30t/h。換熱單元主要設備為3臺螺旋板式換熱器，2用1備，設計壓力0.8MPa，設計溫度170℃，換熱面積80m2。絮凝單元主要設備為1臺氣水混合加熱器和保溫絮凝罐，設計壓力1.6MPa，額定流量10m3/h。蛋白分離單元主要設備為2臺并聯(lián)臥螺離心機，分離因數(shù)最大為3630（無級可調(diào)），處理能力30～50m3/h。烘干單元設備生產(chǎn)能力500kg/h，干燥管長22.6m，功率15kW。

3.2 土地利用系統(tǒng)

廢水土地利用系統(tǒng)處理能力為60m3/h，包括還田預處理和土地施用兩個核心單元，主要設計參數(shù)如下：

①混合均化調(diào)節(jié)池。1座，地上式鋼筋混凝土結構（內(nèi)部防腐），設計規(guī)模1440m3/d，有效容積為90m3，HRT為1.5h。配套設備：人工格柵1套（S304材質(zhì)）；廢水提升泵2臺（1用1備），Q=60m3/h，N=11.0kW；浮球液位計、轉子流量計、空氣攪拌系統(tǒng)各1套。

②斜管沉淀池。2座，地上式鋼筋混凝土結構（內(nèi)部防腐），每座設計規(guī)模720m3/d，尺寸為6.0m×5.0m×4.5m，有效水深4.0m，污泥沉至底部的污泥斗內(nèi)，再由污泥泵提升至污泥池，上清液自流至緩沖池。斜管沉淀池表面負荷0.59m3（/m2·h），固體負荷100kg/（m2·d）。配套設備：斜管填料34m（2直徑35mm，高800mm，乙丙共聚材質(zhì)）；斜管支架1套；污泥泵2臺（1用1備），Q=20m3/h，N=5.5kW。

③緩沖池。1座，地上式鋼筋混凝土結構（內(nèi)部防腐），有效容積為1440m3。配套設備：廢水提升泵3臺（2用1備），Q=100m3/h，N=15.0kW。

④土地施用系統(tǒng)。采用小畦灌溉方式，單個小畦面積≤160m2，小畦田面高差≤±3cm，農(nóng)田廢水最大施用量≤1500m3/hm2。

4、工藝運行效果

4.1 蛋白回收

根據(jù)當年企業(yè)馬鈴薯加工量估算，共產(chǎn)生工藝廢水（汁水）約36700m3，實際進入蛋白回收工序約31200m3（占產(chǎn)生量的85%），另有約5500m3工藝廢水（汁水）由于設備調(diào)試和臨時檢修而直接進入土地施用系統(tǒng)。根據(jù)表1中工藝廢水氮含量和蛋白回收系統(tǒng)設計指標測算，可回收蛋白副產(chǎn)品204～238t。企業(yè)當年實際從工藝廢水（汁水）中回收蛋白副產(chǎn)品230t（蛋白含量77.9%，水分11.7%），達到工藝設計目標，且回收的蛋白副產(chǎn)品作為飼料級蛋白全部出售。

2019年11月12日—17日，每日上午和下午分別采集蛋白回收工序的進、出水水樣分析，水質(zhì)見表2。

馬鈴薯淀粉工藝廢水（汁水）經(jīng)蛋白回收后COD降低19.2%，蛋白回收率（總氮濃度降低）40.93%，SS降低54.76%。蛋白回收工序的蛋白回收率、SS去除率均達到設計指標，但COD去除率未達到設計要求，主要原因是隨著生產(chǎn)進行，室外氣溫不斷降低，馬鈴薯（露天堆場）中淀粉逐漸變成可溶性糖類有機物（糖化現(xiàn)象），導致汁水中可溶性有機物增加。后續(xù)生產(chǎn)中優(yōu)化原料收儲計劃，并建設原料儲存庫，降低原料中淀粉糖化程度，減少汁水中可溶性有機物，有利于提高COD去除率。

4.2 廢水土地利用

廢水水質(zhì)數(shù)據(jù)（見表3）顯示，馬鈴薯淀粉加工綜合廢水pH為6.2±0.4，呈微酸性，有機質(zhì)及全氮含量較高。示范工程所在地的土壤呈弱堿性，施用后可改善土壤理化性質(zhì)、提升肥力。2019年企業(yè)由于缺少原料而未滿負荷生產(chǎn)，當年共生產(chǎn)馬鈴薯淀粉7200t，產(chǎn)生加工廢水約66400m3。企業(yè)共流轉農(nóng)田83.6hm2，根據(jù)廢水的養(yǎng)分含量和當年土地養(yǎng)分情況，玉米田平均施用綜合廢水900m3/hm2，施用面積56hm2；小麥田平均施用綜合廢水600m3/hm2，施用面積24hm2；其他作物農(nóng)田平均施用加工廢水450m3/hm2，施用面積3.6hm2，加工廢水全部采用小畦方式施用，當年施用完畢。

2020年秋季，該企業(yè)2019年馬鈴薯淀粉加工廢水還田地塊青貯玉米產(chǎn)量59.4t/hm2，小麥產(chǎn)量6.16t/hm2。相比于未施用加工廢水的農(nóng)田，馬鈴薯加工廢水還田地塊青貯玉米產(chǎn)量增產(chǎn)10.41%（對照地塊53.8t/hm2），小麥增產(chǎn)6.94%（對照地塊5.76t/hm2），這表明施用馬鈴薯淀粉加工廢水有助于提高作物產(chǎn)量。

5、效益分析

5.1 環(huán)境效益

2019年企業(yè)全部加工廢水采用蛋白回收與土地利用聯(lián)合處理工藝處理，減少排放廢水量6.64×104m3，以《淀粉工業(yè)水污染物排放標準》（GB25461—2010）中污染物直接排放標準限值核算，COD、SS、總氮、總磷的減排量分別為6.64t、1.99t、1.99t、66.4kg，基本實現(xiàn)了廢水污染物向周圍水體的“零排放”。

5.2 經(jīng)濟效益

5.2.1 經(jīng)濟效益分析方法

①盈虧平衡點

盈虧平衡點是項目方案營業(yè)收入等于生產(chǎn)經(jīng)營成本之點，計算公式如下：

式中：BEP為盈虧平衡點；Cf為年固定成本；Cu為年可變成本；r為年銷售稅金及附加；P為年銷售收入。

②財務凈現(xiàn)值

財務凈現(xiàn)值是一種絕對經(jīng)濟效益指標，是將項目壽命期內(nèi)每年發(fā)生的現(xiàn)金流量，按一定的基準折現(xiàn)率，折現(xiàn)到同一時點的現(xiàn)值累加值。計算公式如下：

式中：FNPV為財務凈現(xiàn)值；CI為現(xiàn)金流入；CO為現(xiàn)金流出；∑(CI-CO)t為第t年凈現(xiàn)金流量；i0為基準折現(xiàn)率。

③財務內(nèi)部收益率

內(nèi)部收益率是一種相對經(jīng)濟指標，是將項目在計算期內(nèi)各年凈現(xiàn)金流量現(xiàn)值累計等于零時的折現(xiàn)率。插值法試算公式如下：

式中：FIRR為財務內(nèi)部收益率；NPV為凈現(xiàn)值；i1、i2分別為兩個試算收益率。

5.2.2 經(jīng)濟效益分析

據(jù)統(tǒng)計，蛋白回收與土地利用聯(lián)合處理工藝廠房和設備投資1193.2萬元。2019年生產(chǎn)蛋白230t，施用廢水6.64×104m3，人工費為55.3萬元，電、煤等能源費為37.46萬元，土地租賃及農(nóng)資費為39.2萬元，蛋白銷售收入為121.9萬元，農(nóng)產(chǎn)品銷售收入為100.8萬元。以企業(yè)2019年生產(chǎn)經(jīng)營數(shù)據(jù)為基準，計算滿負荷生產(chǎn)時蛋白回收與土地利用聯(lián)合處理工藝運行費用和產(chǎn)品銷售收入，并進行財務效益分析。示范工程財務數(shù)據(jù)參數(shù)選取如下：項目計算期為10年，農(nóng)副食品加工行業(yè)基準收益率為8%，廠房和設備殘值按10%計，采用平均年限法計算折舊和攤銷。

①盈虧平衡分析

計算期內(nèi)，每年總成本271.4萬元，固定成本157.2萬元，可變成本114.2萬元，年銷售收入365.8萬元，年銷售稅金及附加0.9萬元，根據(jù)式（1）計算可得，示范工程的盈虧平衡點為62.7%，表明只要生產(chǎn)負荷達到設計能力的62.7%，蛋白回收與土地利用聯(lián)合處理工藝就可以實現(xiàn)盈虧平衡，具有一定的抗風險能力。

②財務凈現(xiàn)值

計算期內(nèi)，第一年現(xiàn)金流出1119.4萬元，第二年現(xiàn)金流出110.5萬元，以后每年現(xiàn)金流出195.8萬元。第一年以后每年現(xiàn)金流入365.8萬元，最后一年現(xiàn)金流入633.5萬元。財務基準收益率選擇農(nóng)副食品加工行業(yè)基準收益率為8%。根據(jù)式（2）計算可得，示范工程財務凈現(xiàn)值（所得稅后）為61萬元，表明蛋白回收與土地利用聯(lián)合處理工藝在達到農(nóng)副食品加工行業(yè)基準收益率為8%的基礎上，每年還有61萬元收益。

③財務內(nèi)部收益率

當收益率i=10%時，示范工程凈現(xiàn)金流FNPV1=-36（萬元）<0；當收益率i=8%時，示范工程凈現(xiàn)金流FNPV1=61（萬元）>0。根據(jù)式（3）計算可得，示范工程財務內(nèi)部收益率（所得稅后）為9.21%，稍大于農(nóng)副食品加工行業(yè)基準收益率（8%）。

5.3 社會效益分析

①增加農(nóng)民收入。

2019年企業(yè)蛋白回收系統(tǒng)和土地系統(tǒng)用工34人次，合計支付工資55.3萬元。企業(yè)周邊農(nóng)戶將農(nóng)田租給企業(yè)，戶均8.3畝（約0.55hm2），單價300元/畝（折合4500元/hm2），獲得農(nóng)田流轉費用2490元，若企業(yè)再雇傭該農(nóng)戶到企業(yè)打工（還田和農(nóng)業(yè)種植），工資4000元/月，雇傭時間8個月，需支付約32000元，合計該農(nóng)戶收入34490元，相比2019年寧夏固原地區(qū)農(nóng)村人均可支配收入（10656元），增收23834元。

②減少化肥施用。

該示范工程廢水施用到農(nóng)田后，增加土壤肥力，起到肥料作用。相比于周邊沒有施用馬鈴薯淀粉加工廢水的農(nóng)田，分別減少氮肥（尿素，氮含量46.4%）施用量405kg/hm2（玉米）、191kg/hm（2小麥）；減少磷肥（過磷酸鈣，有效P2O5含量16%）施用量853kg/hm（2玉米）、862kg/hm2（小麥）。

③提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平。

企業(yè)流轉農(nóng)田后，對原來的小塊、凹凸起伏的旱田進行改造，形成大塊平整的適于機械化作用的灌溉農(nóng)田，大幅提升了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平。

6、結論

①該示范工程設計并采用工藝廢水（汁水）蛋白回收與綜合廢水土地利用聯(lián)合處理工藝，將傳統(tǒng)的污染治理投入模式轉變?yōu)橘Y源利用產(chǎn)出模式，最終實現(xiàn)了馬鈴薯淀粉廢水污染的科學化、精準化治理。

②示范工程工藝廢水（汁水）蛋白回收率達到40.93%，SS去除率為54.76%，均達到工藝設計指標；對COD去除率為19.2%，略低于工藝設計指標。綜合廢水全部施入土地進行利用，實現(xiàn)了工藝設計目標。

③在環(huán)境效益方面，相比于廢水達標排放模式，2019年示范工程實現(xiàn)減排廢水COD6.64t、SS1.99t、總氮1.99t、總磷66.4kg；在經(jīng)濟效益方面，示范工程的投資收益大于風險，在8%的基準利率基礎上，每年約有61萬元（稅后）的收益現(xiàn)值；在社會效益方面，示范工程增加就業(yè)崗位，提高農(nóng)民收入，并提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平，減少了農(nóng)業(yè)氮肥（尿素，氮含量46.4%）施用量405kg/hm（2玉米）、191kg/hm2（小麥），減少了磷肥（過磷酸鈣，有效P2O5含量16%）施用量853kg/hm（2玉米）、862kg/hm（2小麥）。