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目前國(guó)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(biāo)準(zhǔn)（或行業(yè)水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)），或者達(dá)到間接排放標(biāo)準(zhǔn)后排入城市/園區(qū)污水管網(wǎng)。但是對(duì)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(shí)間多在每年9月—11月，氣溫較低，生產(chǎn)加工時(shí)間較短，水質(zhì)、水量變化大，常規(guī)的生化工藝難以達(dá)到設(shè)計(jì)處理效果。同時(shí)生化處理工藝也普遍存在工藝流程復(fù)雜、投資偏大、運(yùn)行費(fèi)用高、操作要求嚴(yán)苛、需要常年運(yùn)行等問(wèn)題，嚴(yán)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(jī)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(fù)荷高，生物降解性好（B/C高達(dá)0.84），含有大量氮、磷、鉀元素，無(wú)重金屬，無(wú)苯類(lèi)、酚類(lèi)等致癌物。已有試驗(yàn)研究表明，施用馬鈴薯淀粉加工廢水與有機(jī)肥效果類(lèi)似，能夠改善土壤結(jié)構(gòu)，提高土壤肥力。因此，將馬鈴薯淀粉加工廢水預(yù)處理后施用于農(nóng)田種植是一種循環(huán)經(jīng)濟(jì)的思路，既可保證廢水得到妥善處理，又能補(bǔ)充植物所需的養(yǎng)分和水分，改良土壤結(jié)構(gòu)，但國(guó)內(nèi)規(guī)模化工業(yè)應(yīng)用案例報(bào)道較少，相關(guān)行業(yè)也僅限在制糖行業(yè)有個(gè)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(shè)計(jì)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(jìn)行工程示范，分析了工程運(yùn)行效果及環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)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(jì)，約6t/h），每年加工期一般從10月初開(kāi)始，12月末結(jié)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(jì)，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(jiàn)表1。

2、工藝流程

本項(xiàng)目處理工藝摒棄傳統(tǒng)的末端治理達(dá)標(biāo)排放思路，針對(duì)廢水的成分特點(diǎn)，以清潔生產(chǎn)和循環(huán)經(jīng)濟(jì)為設(shè)計(jì)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(jìn)行蛋白回收。蛋白質(zhì)遇熱后化學(xué)鍵斷裂，導(dǎo)致其空間結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，使原本可溶的蛋白質(zhì)析出，再通過(guò)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(xì)纖維、小顆粒淀粉，在換熱器中加熱時(shí)易糊化堵塞換熱器和管道，致使蛋白回收過(guò)程無(wú)法穩(wěn)定運(yùn)行。本項(xiàng)目工藝設(shè)計(jì)時(shí)在馬鈴薯淀粉工藝廢水（汁水）加熱前增加細(xì)纖維分離工序，采用兩級(jí)細(xì)纖維離心篩分離細(xì)纖維和小顆粒淀粉，避免加熱過(guò)程堵塞換熱器。此外，換熱系統(tǒng)采用2套設(shè)備（1用1備），每3天切換使用，確保穩(wěn)定運(yùn)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(jì)效益，同時(shí)還能降低馬鈴薯工藝廢水（汁水）中的固形物及COD負(fù)荷，對(duì)汁水進(jìn)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(jī)制，通過(guò)一系列物理、化學(xué)和生物化學(xué)過(guò)程，最終實(shí)現(xiàn)廢水資源化處理的目標(biāo)。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(guò)格柵、混合均化、沉淀后由泵站提升到緩沖池，隨后根據(jù)當(dāng)年廢水施用計(jì)劃噴施到農(nóng)田。

經(jīng)過(guò)處理后的廢水于當(dāng)年企業(yè)開(kāi)產(chǎn)后即開(kāi)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(zhǎng)所需營(yíng)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(zhǎng)，施用前用激光整地機(jī)對(duì)土地進(jìn)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(shè)量水堰控制流量，再根據(jù)時(shí)間控制灌溉量，如圖2所示。

施用后及時(shí)進(jìn)行土地翻耕，翌年耕種時(shí)根據(jù)《測(cè)土配方施肥技術(shù)規(guī)范》（NY/T1118—2006）減少化肥施用量。

3、核心單元設(shè)計(jì)

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(xì)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(shè)備及參數(shù)如下：纖維分離單元主要設(shè)備為2臺(tái)細(xì)纖維離心篩，轉(zhuǎn)速960～1100r/min，處理能力30t/h。換熱單元主要設(shè)備為3臺(tái)螺旋板式換熱器，2用1備，設(shè)計(jì)壓力0.8MPa，設(shè)計(jì)溫度170℃，換熱面積80m2。絮凝單元主要設(shè)備為1臺(tái)氣水混合加熱器和保溫絮凝罐，設(shè)計(jì)壓力1.6MPa，額定流量10m3/h。蛋白分離單元主要設(shè)備為2臺(tái)并聯(lián)臥螺離心機(jī)，分離因數(shù)最大為3630（無(wú)級(jí)可調(diào)），處理能力30～50m3/h。烘干單元設(shè)備生產(chǎn)能力500kg/h，干燥管長(zhǎng)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(yù)處理和土地施用兩個(gè)核心單元，主要設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)（內(nèi)部防腐），設(shè)計(jì)規(guī)模1440m3/d，有效容積為90m3，HRT為1.5h。配套設(shè)備：人工格柵1套（S304材質(zhì)）；廢水提升泵2臺(tái)（1用1備），Q=60m3/h，N=11.0kW；浮球液位計(jì)、轉(zhuǎn)子流量計(jì)、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(jié)構(gòu)（內(nèi)部防腐），每座設(shè)計(jì)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(fù)荷0.59m3（/m2·h），固體負(fù)荷100kg/（m2·d）。配套設(shè)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(tái)（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(jié)構(gòu)（內(nèi)部防腐），有效容積為1440m3。配套設(shè)備：廢水提升泵3臺(tái)（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(gè)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(yùn)行效果

4.1 蛋白回收

根據(jù)當(dāng)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(shí)際進(jìn)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(shè)備調(diào)試和臨時(shí)檢修而直接進(jìn)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(shè)計(jì)指標(biāo)測(cè)算，可回收蛋白副產(chǎn)品204～238t。企業(yè)當(dāng)年實(shí)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(dá)到工藝設(shè)計(jì)目標(biāo)，且回收的蛋白副產(chǎn)品作為飼料級(jí)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(jìn)、出水水樣分析，水質(zhì)見(jiàn)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(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)，但COD去除率未達(dá)到設(shè)計(jì)要求，主要原因是隨著生產(chǎn)進(jìn)行，室外氣溫不斷降低，馬鈴薯（露天堆場(chǎng)）中淀粉逐漸變成可溶性糖類(lèi)有機(jī)物（糖化現(xiàn)象），導(dǎo)致汁水中可溶性有機(jī)物增加。后續(xù)生產(chǎn)中優(yōu)化原料收儲(chǔ)計(jì)劃，并建設(shè)原料儲(chǔ)存庫(kù)，降低原料中淀粉糖化程度，減少汁水中可溶性有機(jī)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(jiàn)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(jī)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(fù)荷生產(chǎn)，當(dāng)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(zhuǎn)農(nóng)田83.6hm2，根據(jù)廢水的養(yǎng)分含量和當(dāng)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(dāng)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(duì)照地塊53.8t/hm2），小麥增產(chǎn)6.94%（對(duì)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(biāo)準(zhǔn)》（GB25461—2010）中污染物直接排放標(biāo)準(zhǔn)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(shí)現(xiàn)了廢水污染物向周?chē)w的“零排放”。

5.2 經(jīng)濟(jì)效益

5.2.1 經(jīng)濟(jì)效益分析方法

①盈虧平衡點(diǎn)

盈虧平衡點(diǎn)是項(xiàng)目方案營(yíng)業(yè)收入等于生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)成本之點(diǎn)，計(jì)算公式如下：

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

②財(cái)務(wù)凈現(xiàn)值

財(cái)務(wù)凈現(xiàn)值是一種絕對(duì)經(jīng)濟(jì)效益指標(biāo)，是將項(xiàng)目壽命期內(nèi)每年發(fā)生的現(xiàn)金流量，按一定的基準(zhǔn)折現(xiàn)率，折現(xiàn)到同一時(shí)點(diǎn)的現(xiàn)值累加值。計(jì)算公式如下：

式中：FNPV為財(cái)務(wù)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(zhǔn)折現(xiàn)率。

③財(cái)務(wù)內(nèi)部收益率

內(nèi)部收益率是一種相對(duì)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，是將項(xiàng)目在計(jì)算期內(nèi)各年凈現(xiàn)金流量現(xiàn)值累計(jì)等于零時(shí)的折現(xiàn)率。插值法試算公式如下：

式中：FIRR為財(cái)務(wù)內(nèi)部收益率；NPV為凈現(xiàn)值；i1、i2分別為兩個(gè)試算收益率。

5.2.2 經(jīng)濟(jì)效益分析

據(jù)統(tǒng)計(jì)，蛋白回收與土地利用聯(lián)合處理工藝廠房和設(shè)備投資1193.2萬(wàn)元。2019年生產(chǎn)蛋白230t，施用廢水6.64×104m3，人工費(fèi)為55.3萬(wàn)元，電、煤等能源費(fèi)為37.46萬(wàn)元，土地租賃及農(nóng)資費(fèi)為39.2萬(wàn)元，蛋白銷(xiāo)售收入為121.9萬(wàn)元，農(nóng)產(chǎn)品銷(xiāo)售收入為100.8萬(wàn)元。以企業(yè)2019年生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，計(jì)算滿負(fù)荷生產(chǎn)時(shí)蛋白回收與土地利用聯(lián)合處理工藝運(yùn)行費(fèi)用和產(chǎn)品銷(xiāo)售收入，并進(jìn)行財(cái)務(wù)效益分析。示范工程財(cái)務(wù)數(shù)據(jù)參數(shù)選取如下：項(xiàng)目計(jì)算期為10年，農(nóng)副食品加工行業(yè)基準(zhǔn)收益率為8%，廠房和設(shè)備殘值按10%計(jì)，采用平均年限法計(jì)算折舊和攤銷(xiāo)。

①盈虧平衡分析

計(jì)算期內(nèi)，每年總成本271.4萬(wàn)元，固定成本157.2萬(wàn)元，可變成本114.2萬(wàn)元，年銷(xiāo)售收入365.8萬(wàn)元，年銷(xiāo)售稅金及附加0.9萬(wàn)元，根據(jù)式（1）計(jì)算可得，示范工程的盈虧平衡點(diǎn)為62.7%，表明只要生產(chǎn)負(fù)荷達(dá)到設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)盈虧平衡，具有一定的抗風(fēng)險(xiǎn)能力。

②財(cái)務(wù)凈現(xiàn)值

計(jì)算期內(nèi)，第一年現(xiàn)金流出1119.4萬(wàn)元，第二年現(xiàn)金流出110.5萬(wàn)元，以后每年現(xiàn)金流出195.8萬(wàn)元。第一年以后每年現(xiàn)金流入365.8萬(wàn)元，最后一年現(xiàn)金流入633.5萬(wàn)元。財(cái)務(wù)基準(zhǔn)收益率選擇農(nóng)副食品加工行業(yè)基準(zhǔn)收益率為8%。根據(jù)式（2）計(jì)算可得，示范工程財(cái)務(wù)凈現(xiàn)值（所得稅后）為61萬(wàn)元，表明蛋白回收與土地利用聯(lián)合處理工藝在達(dá)到農(nóng)副食品加工行業(yè)基準(zhǔn)收益率為8%的基礎(chǔ)上，每年還有61萬(wàn)元收益。

③財(cái)務(wù)內(nèi)部收益率

當(dāng)收益率i=10%時(shí)，示范工程凈現(xiàn)金流FNPV1=-36（萬(wàn)元）<0；當(dāng)收益率i=8%時(shí)，示范工程凈現(xiàn)金流FNPV1=61（萬(wàn)元）>0。根據(jù)式（3）計(jì)算可得，示范工程財(cái)務(wù)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(zhǔn)收益率（8%）。

5.3 社會(huì)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(jì)支付工資55.3萬(wàn)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(jià)300元/畝（折合4500元/hm2），獲得農(nóng)田流轉(zhuǎn)費(fèi)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(shí)間8個(gè)月，需支付約32000元，合計(jì)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(méi)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(guò)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(zhuǎn)農(nóng)田后，對(duì)原來(lái)的小塊、凹凸起伏的旱田進(jìn)行改造，形成大塊平整的適于機(jī)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(jié)論

①該示范工程設(shè)計(jì)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(zhuǎn)變?yōu)橘Y源利用產(chǎn)出模式，最終實(shí)現(xiàn)了馬鈴薯淀粉廢水污染的科學(xué)化、精準(zhǔn)化治理。

②示范工程工藝廢水（汁水）蛋白回收率達(dá)到40.93%，SS去除率為54.76%，均達(dá)到工藝設(shè)計(jì)指標(biāo)；對(duì)COD去除率為19.2%，略低于工藝設(shè)計(jì)指標(biāo)。綜合廢水全部施入土地進(jìn)行利用，實(shí)現(xiàn)了工藝設(shè)計(jì)目標(biāo)。

③在環(huán)境效益方面，相比于廢水達(dá)標(biāo)排放模式，2019年示范工程實(shí)現(xiàn)減排廢水COD6.64t、SS1.99t、總氮1.99t、總磷66.4kg；在經(jīng)濟(jì)效益方面，示范工程的投資收益大于風(fēng)險(xiǎn)，在8%的基準(zhǔn)利率基礎(chǔ)上，每年約有61萬(wàn)元（稅后）的收益現(xiàn)值；在社會(huì)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(guò)磷酸鈣，有效P2O5含量16%）施用量853kg/hm（2玉米）、862kg/hm（2小麥）。