目前國內農副產(chǎn)品加工行業(yè)的生產(chǎn)廢水普遍采用傳統好氧生物處理或厭氧、好氧組合工藝處理，出水水質(zhì)執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/園區污水管網(wǎng)。但是對于季節性生產(chǎn)的農副食品加工行業(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），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，常規的生化工藝難以達到設計處理效果。同時(shí)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(wèn)題，嚴重制約企業(yè)可持續發(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(wú)重金屬，無(wú)苯類(lèi)、酚類(lèi)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(lèi)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分和水分，改良土壤結構，但國內規?；I(yè)應用案例報道較少，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?；恋乩锰峁┤鎱⒖?。

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(xiàn)，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)現有馬鈴薯處理量為40t/h生產(chǎn)線(xiàn)一條（以淀粉計，約6t/h），每年加工期一般從10月初開(kāi)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。根據生產(chǎn)統計，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(jiàn)表1。

2、工藝流程

本項目處理工藝摒棄傳統的末端治理達標排放思路，針對廢水的成分特點(diǎn)，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(jìn)行蛋白回收。蛋白質(zhì)遇熱后化學(xué)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(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)法穩定運行。本項目工藝設計時(shí)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(guò)程堵塞換熱器。此外，換熱系統采用2套設備（1用1備），每3天切換使用，確保穩定運行。

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(shí)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(jìn)行熱消毒，有利于后續廢水土地利用。

土地利用系統利用土壤、微生物、植物生態(tài)系統的自?xún)艄δ芎妥晕艺{控機制，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(guò)格柵、混合均化、沉淀后由泵站提升到緩沖池，隨后根據當年廢水施用計劃噴施到農田。

經(jīng)過(guò)處理后的廢水于當年企業(yè)開(kāi)產(chǎn)后即開(kāi)始施用（投放）到空閑的農田上，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作物生長(cháng)所需營(yíng)養物質(zhì)的量綜合確定，為了避免廢水施用不均勻影響作物生長(cháng)，施用前用激光整地機對土地進(jìn)行平整，并采用基于畦灌的新型小畦灌溉方式施用，小畦入口埋設量水堰控制流量，再根據時(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《測土配方施肥技術(shù)規范》（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

蛋白回收系統的馬鈴薯工藝廢水（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，分離因數最大為3630（無(wú)級可調），處理能力30～50m3/h。烘干單元設備生產(chǎn)能力500kg/h，干燥管長(cháng)22.6m，功率15kW。

3.2 土地利用系統

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

①混合均化調節池。1座，地上式鋼筋混凝土結構（內部防腐），設計規模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、空氣攪拌系統各1套。

②斜管沉淀池。2座，地上式鋼筋混凝土結構（內部防腐），每座設計規模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，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。采用小畦灌溉方式，單個(gè)小畦面積≤160m2，小畦田面高差≤±3cm，農田廢水最大施用量≤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(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）由于設備調試和臨時(shí)檢修而直接進(jìn)入土地施用系統。根據表1中工藝廢水氮含量和蛋白回收系統設計指標測算，可回收蛋白副產(chǎn)品204～238t。企業(yè)當年實(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(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去除率均達到設計指標，但COD去除率未達到設計要求，主要原因是隨著(zhù)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)有機物（糖化現象），導致汁水中可溶性有機物增加。后續生產(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)數據（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(mǎn)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)共流轉農田83.6hm2，根據廢水的養分含量和當年土地養分情況，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(shí)現了廢水污染物向周?chē)w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(diǎn)

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

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財務(wù)凈現值

財務(wù)凈現值是一種絕對經(jīng)濟效益指標，是將項目壽命期內每年發(fā)生的現金流量，按一定的基準折現率，折現到同一時(shí)點(diǎn)的現值累加值。計算公式如下：

式中：FNPV為財務(wù)凈現值；CI為現金流入；CO為現金流出；∑(CI-CO)t為第t年凈現金流量；i0為基準折現率。

③財務(wù)內部收益率

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

式中：FIRR為財務(wù)內部收益率；NPV為凈現值；i1、i2分別為兩個(gè)試算收益率。

5.2.2 經(jīng)濟效益分析

據統計，蛋白回收與土地利用聯(lián)合處理工藝廠(chǎng)房和設備投資1193.2萬(wàn)元。2019年生產(chǎn)蛋白230t，施用廢水6.64×104m3，人工費為55.3萬(wàn)元，電、煤等能源費為37.46萬(wàn)元，土地租賃及農資費為39.2萬(wàn)元，蛋白銷(xiāo)售收入為121.9萬(wàn)元，農產(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)數據為基準，計算滿(mǎn)負荷生產(chǎn)時(shí)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(xiāo)售收入，并進(jìn)行財務(wù)效益分析。示范工程財務(wù)數據參數選取如下：項目計算期為10年，農副食品加工行業(yè)基準收益率為8%，廠(chǎng)房和設備殘值按10%計，采用平均年限法計算折舊和攤銷(xiāo)。

①盈虧平衡分析

計算期內，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，根據式（1）計算可得，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(shí)現盈虧平衡，具有一定的抗風(fēng)險能力。

②財務(wù)凈現值

計算期內，第一年現金流出1119.4萬(wàn)元，第二年現金流出110.5萬(wàn)元，以后每年現金流出195.8萬(wàn)元。第一年以后每年現金流入365.8萬(wàn)元，最后一年現金流入633.5萬(wàn)元。財務(wù)基準收益率選擇農副食品加工行業(yè)基準收益率為8%。根據式（2）計算可得，示范工程財務(wù)凈現值（所得稅后）為61萬(wàn)元，表明蛋白回收與土地利用聯(lián)合處理工藝在達到農副食品加工行業(yè)基準收益率為8%的基礎上，每年還有61萬(wàn)元收益。

③財務(wù)內部收益率

當收益率i=10%時(shí)，示范工程凈現金流FNPV1=-36（萬(wàn)元）<0；當收益率i=8%時(shí)，示范工程凈現金流FNPV1=61（萬(wàn)元）>0。根據式（3）計算可得，示范工程財務(wù)內部收益率（所得稅后）為9.21%，稍大于農副食品加工行業(yè)基準收益率（8%）。

5.3 社會(huì )效益分析

①增加農民收入。

2019年企業(yè)蛋白回收系統和土地系統用工34人次，合計支付工資55.3萬(wàn)元。企業(yè)周邊農戶(hù)將農田租給企業(yè)，戶(hù)均8.3畝（約0.55hm2），單價(jià)300元/畝（折合4500元/hm2），獲得農田流轉費用2490元，若企業(yè)再雇傭該農戶(hù)到企業(yè)打工（還田和農業(yè)種植），工資4000元/月，雇傭時(shí)間8個(gè)月，需支付約32000元，合計該農戶(hù)收入34490元，相比2019年寧夏固原地區農村人均可支配收入（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提升農業(yè)生產(chǎn)水平。

企業(yè)流轉農田后，對原來(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械化作用的灌溉農田，大幅提升了農業(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(shí)現了馬鈴薯淀粉廢水污染的科學(xué)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(jìn)行利用，實(shí)現了工藝設計目標。

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(shí)現減排廢水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(fēng)險，在8%的基準利率基礎上，每年約有61萬(wàn)元（稅后）的收益現值；在社會(huì )效益方面，示范工程增加就業(yè)崗位，提高農民收入，并提升農業(yè)生產(chǎn)水平，減少了農業(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）。（來(lái)源：中國環(huán)境科學(xué)研究院國家環(huán)境保護生態(tài)工業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗室，固原玉明淀粉有限公司）