（环境工程专业论文）混凝沉淀sbr处理再生纸废水应用研究.pdf

摘要 摘要 江西某造纸厂以废纸作为制浆原材料，产品包括珠光纸、彩烙纸、环保充 皮纸、花纹艺术纸等特种纸类。整个生产过程中造成的废水水量大，约1 0 0 0 0 t d 左右，废水成分较复杂，因此该企业采用混凝沉淀+ s b r 的组合工艺处理因生产 所产生的废水，通过控制混凝池中药剂的添加量、反应时间等因素，使得制浆 废水中绝大部分的c o d 盯被去除，从而保证进入s b r 系统的废水水质较为稳定， 且c o d 浓度较低。混凝后的制浆废水和造纸废水通过s b r 系统的好氧处理后， 出水能稳定的达标排放。 针对系统中的混凝工艺，本论文通过实验分析了混凝的原理，确定了最佳 参数，并对s b r 工艺的启动、调试及稳定运行进行研究，得出了以下成果： ( 1 ) 原废水分为制浆废水和造纸废水两部分，其中造纸废水直接进入调节 池，c o d 盯浓度在1 5 0 - - - - 2 5 0m g l ，均值在2 0 0m g l 左右，色度在1 5 0 左右；制 浆废水c o d 盯浓度在1 5 0 0 - - 2 5 0 0m g l 间波动，均值在1 8 0 0 m g l 左右，色度在 3 5 0 左右。经过混凝处理后出水c o d 盯浓度在8 0 0 m g l 左右，平均色度为1 0 0 ， c o d 盯去除率稳定在4 5 - - - 6 0 。两部分的废水最终进入汇水槽，其c o d 盯浓度 在2 5 0 - - 4 0 0 m g l 。 ( 2 ) 通过混凝实验发现，在药剂投加量分别为p a c = 5 0 0 m g l 、p a m = 2 m g l ， 反应时间为5 m i n 的条件下，废水c o d 盯的去除率在5 0 以上，色度的去除率在 7 0 左右。 ( 3 ) s b r 工艺由四个s b r 池组成，分别进行进水一曝气一沉淀一滗水一 闲置的过程，时间上相互连续，从而克服了s b r 工艺的间歇性，能够连续处理 再生纸造纸废水。 ( 4 ) 针对s b r 系统的启动及运行影响因素进行了研究，分析了s b r 的启 动过程及方式，分别研究了曝气时间、温度等因素对c o d 盯去除率的影响，s b r 的运行周期为：进水2 小时，曝气5 5 小时( 包括进水2 小时) ，静沉1 小时， 排水及闲置1 5 小时。 ( 5 ) 组合工艺对c o d 盯的去除率达到了9 6 ，各项指标均达到制浆造纸 工业水污染物排放标准( g b3 5 4 4 - - 2 0 0 8 ) 表2 的要求。 关键词：再生纸废水混凝s b r a b s t r a c t a b s t r a c t o n eo fp a p e rp l a n ti nj i a n g x ip r o v i n c eu s e sw a s t ep a p e r sf o rm a k i n g p u l p t h e p r o d u c t i o n sc o n t a i ni r i d e s c e n tp a p e r s ，c o l o rp h o t op a p e r s ，d e c o r a t i v ea r tp a p e r s ，a n d s oo n t h ec o u r s eo fp r o d u c t i o nh a sal a r g eq u a n t i t yo fw a s t e w a t e r t h ec o n s t i t u e n t s o ft h ew a s t e w a t e ra r ec o m p l i c a t e d ，a n dc h a n g ef r e q u e n t l y t h ec o m b i n a t i o no f c o a g u l a t i n gs e d i m e n t a t i o n + s b ri su s e dt od i s p o s et h ew a s t e w a t e r u n d e rt h e c o n t r o l so ft h ea d d i t i o no fm e d i c i n ea n dr e a c t i o nt i m e ，t h em o s to fc o d c rw h i c hi n t h ep u l p i n gw a s t e w a t e ri sr e m o v e d s ot h ew a s t e w a t e rf o rs b ri s i nal o w c o n c e n t r a t i o n a f t e rc o a g u l a t i n gs e d i m e n t a t i o na n da e r o b i ct r e a t m e n t , t h ew a s t e w a t e r c a nr e a c ht h ed i s c h a r g es t a n d a r do fw a t e rp o l l u t a n t sf o rp u l pa n dp a p e ri n d u s t r y ( g b 35 4 4 2 0 0 8 ) t a b l e2 t h r o u g he x p e r i m e n t s ，t h et h e s i sa n a l y z e st h e p r i n c i p l e o fc o a g u l a t i n g s e d i m e n t a t i o n ，d e f i n e st h ep r e f e r r e dp a r a m e t e r s t h es t a r to fs b r p r o c e s sa n dt h e o p e r a t i o nc o n d i t i o n sw e r ea l s os t u d i e di nt h i sp a p e r ( 1 ) t h ew a s t e w a t e rc o n t a i n st w op a r t s ，o n ei sp u l p i n gw a s t e w a t e ra n da n o t h e ri s w a t e rf o rp a p e r - m a k i n g t h ew a t e rf o rp a p e r - m a k i n gp u m p si n t ot h ea d j u s t i n gt a n k d i r e c t l y ，t h ec o n c e n t r a t i o no fc o d c ri sb e t w e e n15 0a n d2 5 0 m g l ，t h ea v e r a g ei s2 0 0 m g l ，t h ec o l o ro fi ti sa b o u t15 0 ；t h ec o n c e n t r a t i o no fc o d c ro ft h ep u l p i n g w a s t e w a t e ri sb e t w e e n15 0 0 m g la n d2 5 0 0 m g l ，t h ea v e r a g ei sa b o u t18 0 0 m g l ，t h e c o l o ro fi ti s35 0m o r eo rl e s s a f t e rt h ep r o c e s so fs e d i m e n t a t i o nw i t hc o a g u l a t i o n , t h ec o n c e n t r a t i o no ft h ep u l p i n gw a s t e w a t e ri s8 0 0m o r eo rl e s s ，t h ec o l o ro ft h e w a s t e w a t e ri sa b o u t10 0 t h er e m o v er a t ei sb e t w e e n4 5 a n d6 0 t w op a r t so f w a s t e w a t e ra r ep u m p e di n t ot h e c a t c h e s ，t h ec o n c e n t r a t i o no ft h e ma r e2 5 0t o 4 0 0 m g l ( 2 ) t h r o u g ht h ee x p e r i m e n t s ，t h ep a p e rd e f i n et h ep r e f e r r e dp a r a m e t e r sf o r c o a g u l a t i n g s e d i m e n t a t i o n ：t h e d o s a g e o f c o a g u l a t ef l o c c u l a t i n ga g e n ti s ： p a m = 2 m g l ，p a c = 5 0 0 m g l ，r e a c t i o nt i m ei s5m i n ，u n d e rt h i sc o n d i t i o nt h ea v e r a g e c o d e rr e m o v a le f f i c i e n c yr e m a i na b o u t5 0 ，a n dt h ea v e r a g ec o l o rr e m o v er a t ei s m o r et h a n7 0 i i a b s t r a c t ( 3 ) ms y s t e mo fs b ri sm a d eu po ff o u rr e a c t o r s ，t h ep r o c e s so fr e a c t o r si s i n _ f l u e n t ，a e r a t i o n ，s e d i m e n t a t i o n ，d m i n a g e ，r e s t t h e yw o r ko n eb yo n e i to v e r c o m e t h el i m i to fs b r , s oi tc a nw o r kc o n t i n u o u s l y ( 4 ) t h r o u g hi n v e s t i g a t i n gt h ee f f e c te l e m e n t si nt h es t a r t - u pa n dr u no fs b r ，t h e p a p e ra n a l y z e st h es t a r t u pf a s h i o na n dp r o c e s sa n ds t u d i e st h ee f f e c t so fa e r a t i o n t i m ea n dt e m p e r a t u r et o w a r d sc o d c fr e m o v a le f f i c i e n c y ，r e s p e c t i v e l y ，t h e nm a k e s s u r et h ec y c l eo fs b r ：i n f l u e n tt i m ei s2h o u r , a e r a t i o np e r i o di s5 5h o u r s ( i n c l u d i n g i n f l u e n tt i m e ) ，s e d i m e n t a t i o nt i m ei s1h o u r , e f f l u e n tt i m ea n dd e t e n t i o nt i m ei s1 5 h o u ri nt o t a l ( 5 ) 1 1 l et o t a lr e m o v e dr a t eo fc o d c r r e a c h e s9 6 ，a n dt h ev a r i o u si n d e xa c c o r d s 、析t 1 1t h e d i s c h a r g es t a n d a r d o fw a t e rp o l l u t a n t sf o rp u l pa n dp a p e ri n d u s t r y ( g b 3 5 4 4 2 0 0 8 ) t a b l e2 k e y w o r d s ： w a s t e w a t e ro fr e c y c l e dp a p e r c o a g u l a t i o n s b r i i i 第一章绪论 1 1 课题来源和内容 第一章绪论 1 1 1 课题背景 造纸术的发明是人类文明发展历史中的重要里程牌之一。现如今造纸工业 已经成为一个国家国民经济的重要基础原料行业，现代造纸工业是继电信制造 业和汽车制造业之后的第三大制造业。据相关部门的统计，到2 0 0 7 年，全国己 建成纸及纸板的生产制造企业约4 0 0 0 家，我国纸及纸板的年生产量创造历史新 高，与2 0 0 6 年6 5 0 0 万吨的年生产量相比增长了1 3 0 8 ，达到7 3 5 0 万吨；对纸 及纸制品的年均消费量也打破了我国的历史记录，与2 0 0 6 年6 6 0 0 万吨的消费 量相比增长1 0 1 5 ，达到7 2 9 0 万吨【l 】。按照这种增长速度，在未来的十年内， 我国将成为全球纸类生产和消费的第一大国【2 j 。 然而随着造纸工业高速发展的同时，也给我国的森林植被保护以及水资源 的保护和治理工作带来了相当大的压力。传统的造纸行业是以木材为生产原料， 据统计，一些以传统制浆造纸工艺为主的小型企业生产i t 纸浆需要消耗4 5 i 一 原木，同时需要消耗大量的水和化工原料，每生产i t 纸张就需要消耗超过1 0 0m 3 的水量，产生大量的“黑液”污染环境；而在废纸的再生利用过程中，每1 2 5 t 废纸就能生产i t 废纸浆，据报道，利用i t 的废纸作为造纸原料就可以保护1 7 棵大树，其生产环节与传统工艺相比可节约用水5 0 ，节约能源6 0 - 7 0 【3 j ， 并且没有“黑液”的困扰。随着我国针对环境保护出台了一系列的法律制度， 人们环保素质的不断提高，以废纸为主要生产原料的再生纸造纸企业正逐步得 到人们的重视，它即满足了社会经济发展的需要又保证了环境保护的需要。废 纸造纸技术，顾名思义是以废旧纸张取代木材作为主要的生产原料，其特点为： 生产工艺简单，所需的设备费用较少，在生产过程中减少了化学药品的用量， 对环境的污染相对较小，并且能有效地回收利用废纸资源。随着废纸制浆技术 的不断成熟，废纸造纸已开始逐步替代原有的造纸行业，成为整个造纸技术发 展的重要趋势之一1 4 j 。 第一章绪论 1 1 2 研究意义 本课题的目的是在综合国内外现有再生纸制浆造纸废水处理研究成果的基 础上，在查阅了混凝工艺的相关原理、处理效果及影响因素的基础上，结合s b r 好氧处理技术在再生纸制浆造纸废水处理中的应用，从经济效益和技术可行性 等方面综合考虑，提出混凝沉淀+ s b r 组合工艺处理再生纸制浆造纸废水，通过 运行调试得出优化参数，为本工艺的运行提供参考资料，对再生纸造纸废水的 处理具有一定的借鉴意义。 1 1 3 研究内容 ( 1 ) 在充分阅读和参考国内外相关文献资料的基础上，对混凝沉淀和s b r 工艺的原理和特点进行分析和探讨。 ( 2 ) 研究混凝沉淀的最佳运行参数条件以及影响因素。 ( 3 ) 研究s b r 好氧污泥的培养驯化以及影响因素。 ( 4 ) 通过对实践运行进行研究分析，确定混凝沉淀+ s b r 组合工艺处理再 生纸造纸废水的优化运行参数。 1 1 4 创新点 通过混凝沉淀+ s b r 工艺的组合，针对制浆废水c o d 浓度高，废水水量小 的特点，单独进行混凝处理，处理后的制浆废水与造纸废水一同进行s b r 工艺 的好氧处理，充分利用各种工艺的各自优点，降低能耗和运行成本。 1 2 再生纸废水的来源以及处理现状 1 2 1 再生纸分类及用途 旧新闻纸。此类废纸在经过脱墨处理后可再次作为新闻用纸； 纸箱与纸板废纸。此类废纸可用于回抄草纸、茶纸板等，其中的竹、木 浆废纸可用于生产挂面纸板； 商业废纸。可回特种包装纸板的制造； 白色废纸。此类废纸经过简单的碎浆处理后可作为书写、印刷纸的漂白 浆，同时也能生产中、高级卫生纸； 纸袋纸废纸和牛皮纸废纸【5 】。可回抄纸袋纸、再生条纹包装纸，也可用于 2 第一章绪论 箱纸板挂面浆的生产； 混合生活废纸。可用于瓦楞纸的制造。 1 2 2 废水的成分及特点 通过对再生纸造纸废水的研究分析，其所含的污染物主要可以分为三类： 无机物，如悬浮物、无机填料等：可生物降解的有机物，主要是半纤维素、 低分子糖类以及有机酸等；色素类：如油墨、染料等。再生纸造纸废水的p h 一般在6 9 之间；s s 是由细小纤维和无机填料等组成；c o d 仃和b o d 5 主要来 源于生产过程中的木质素、半纤维素【6 】，c o d 多在6 0 0 - - 1 2 0 0 m g l 之间，有的 高达1 5 0 0 - - 3 5 0 0 m g l 。b o d 浓度随c o d 的增大而增大，当c o d 浓度 1 0 0 0 m g l 时，其比值可达到0 3 0 0 4 0 1 7 】。废水的色度则是由油墨、染料等引起的。再生纸造纸废水可以在利用物 理化学工艺除去s s 的同时去除绝大多数的非溶解性c o d ，而溶解性c o d 的去 除则需要经过生化工艺的进一步处理【8 】。 在废纸造纸的生产工艺中，废水水量主要来自抄纸工艺，废纸造纸的抄纸 工艺与传统造纸的抄纸工艺一样，是在纸的抄造过程中产生的，又被称为“白 水 ，主要含有细小纤维和抄纸时添加的填料、胶料和化学品等。该部分废水的 特点是水量大，但较易于处理，通过过滤、混凝沉淀等方式在回收废水中纤维 的同时还可以实现废水回用的目的；废水中c o d 浓度的主要来源则是制浆过程 中废纸的脱墨以及浆料的净化筛选等工序。由于不同企业所生产的产品各不相 同，作为生产原料的废纸来源也存在差异，因此废水的成分和浓度会有所不同， 其污染物含量大致为：c o d 口6 0 0 - - - 2 4 0 0 m g l ，b o d 51 2 5 - - - 5 8 5 m g l ，s s6 5 0 - 2 4 0 0 m g l ，色度4 5 0 - 9 0 0 倍p j 。 1 2 3 处理工艺概述 近年来，根据造纸废水的水质特点，我国科研人员进行了一系列的实验研 究，现已开发出了一系列处理技术，并且成功地运用到了实际工程中，从而实 现了废水的稳定达标排放，部分企业甚至可以实现废水的循环回用，从根本上 解决废水的排放难题，同时为企业节约生产成本。 下面介绍几种较为常见的再生造纸废水的处理技术。 一、物理法 3 第一章绪论 物理法主要针对废水中的漂浮物和较粗大的悬浮物，通过重力、浮力、离 心力等手段将其从水体中去除。物理法对设备的要求一般较简单，作为整个工 艺的预处理或初级处理。 ( 1 ) 过滤法 根据再生纸造纸废水含有较多细小纤维等特点，为了保护后续设备的正常 运行，废水在进入处理系统之前，往往需要经过细筛网或微滤机等过滤设备， 去除废水中的悬浮物，减轻后续工艺设备的负担。过滤法具有设备简单、投资 少以及除去效果好等特点，是对再生纸造纸废水的一种最简单有效的预处理手 段。目前我国造纸厂的过滤设备多采用斜筛，该设备耗能小、投资少，主要依 靠重力来实现细小悬浮物与废水分离的目的。斜筛一般由各厂自行设计制造， 其网目一般为6 0 - 1 0 0 卧1 1 j 。 ( 2 ) 超效气浮法 超效气浮法的基础原理仍然是依靠向废水中通入大量微小气泡，依靠气泡 将水中杂质粘附，并在浮力的作用下被抬升至水面，从而将其除去。超效气浮 法的革新在于布水器和容器管 1 2 】，通过控制布水器上控制阀的开度，实现了“静 态”进水和“静态”出水，提高了处理效率 1 3 o 它将“零速”原理和浅池理论 带到了传统的气浮工艺，使其同时拥有絮凝、气浮、撇渣、沉淀和刮泥等多项 功能，实践证明，超效气浮法对s s 的除去率高达9 0 以上【1 4 】。 二、物理一化学法 当简单的机械、物理手段无法将污染物从废水中分离出来时，就需要使用 物理一化学法，其处理对象主要是废水中的溶解性物质或胶体。常见的有混凝、 吸附、膜析法等。 ( 1 ) 混凝沉淀法 混凝沉淀作为造纸废水处理的常用工艺之一，其特点是操作简便，投资少， 运行稳定，工作效率高等。 凝聚+ 絮凝= 混凝 1 5 1 。 凝聚是指通过向废水中投加电解质混凝剂，使微颗粒或胶体的双电层 ( 如图1 1 所示) 得到压缩，降低电动电位( 电位) ，使胶体或微粒间的静电排 斥能量小于布朗运动的动能，从而使得胶体或微粒之间相互聚结。 4 第一章绪论 扩散层 图1 1 胶体结构和双电层 f i 9 1 1t h es t r u c t u r eo fc o l l o i da n dd o u b l ee l e c t r o d el a y e r 絮凝的过程多数是由高分子混凝剂实现的，高分子混凝剂往往具有较大的 分子量，且具有的线性结构，利用线性结构的特点，使两端各吸附在不同的微 粒上，形成吸附架桥的方式，从而使原本分散在水中的颗粒逐渐结大，最终形 成粗大的絮凝体。 在实际工程运用中，利用混凝沉淀法处理废纸造纸废水，其色度去除率达 到9 0 以上，s s 去除率高达8 5 - - 9 8 ，c o d 订去除率也能达到6 0 , - - - 8 0 1 6 o 处理效果稳定。 混凝的影响因素 1 、水温 根据物理常识可知液体的温度往往与其黏度成反比，水温越低，黏度越大， 低温引起的黏度增大不利于吸附架桥和网捕作用的发挥，影响絮凝体的结大， 从而最终影响污染物的去除效果；另一方面，无机盐类混凝剂的水解过程是一 个吸热的化学反应【1 7 】，因此当水温较低时，反应的正向推动力较小，水解速率 缓慢，不易生成水解产物。贵州大学的林倩等人【1 8 1 通过实验研究发现随着温度 的升高，诱导期时间将会缩短，沉淀速度随着温度的升高而增加，最终达到一 个最大值。 2 、p h p h 对无机盐类混凝剂的影响程度较大。铝盐的最佳水解p h 范围较窄，在 6 5 7 5 之间；与铝盐相比，铁盐的最佳水解p h 范围较宽，范围在6 0 - 8 4 之 间【1 9 1 。选用亚铁盐作为混凝剂时，需要将f e 2 + 氧化成f e 3 + 才能形成沉淀性能好 5 第一章绪论 的粗大絮体，因此要求水中有足够溶解氧且水体p h 8 5 ，因此对设备和操作的 要求较高。常采用方法是加氯氧化，其反应为： 6 f e s 0 4 + 3 c 1 2 = 2 f e 2 ( s 0 4 ) 3 + 2 f e c l 3 耥1 2 0 等人通过实验得出了p a c 在处理造纸废水中，p h 对c o d 汀以及浊 度去除率的影响，如图1 2 以及图1 3 所示 图1 2p h 值对c o d 。去除率的影响 f i 9 1 2t h ee f f e c t i o no f r e m o v a le f f i c i e n c yo nc o d c rb yp h 图1 3p h 值对浊度去除率的影响 f i 9 1 3t h ee f f e c t i o no fr e m o v a le f f i c i e n c yo nt u r b i d i t yb yp h 3 、废水成分、性质和浓度 6 翡 加 ； ； 拍 l j 6 v料篷峭鲁08 加 i j 6 v脊餐求巡惹 第一章绪论 不同水体中所含有的杂质成分、杂质的性质及浓度往往存在较大的差异。 例如河水中往往含有较多的泥沙黏土类杂质，由于黏土自身一般带有负电荷， 具有一定的混凝效果，因此在混凝剂投加量较少的情况下就能达到较好的混凝 效果；而生活污水及工业废水中含有大量有机物，能以胶体或细小悬浮物的形 式稳定的存在于水体中，所以只有在使用较多混凝剂的条件下才能达到较好的 混凝效果，投加量可达1 0 1 0 3 m g m t 2 1 1 。在实际工程运行中，往往需要先通过混 凝试验确定合适的混凝剂品种和最佳投量。 4 、水力条件 无论是混合还是反应阶段，水力条件对絮凝体都存在着极大的影响。对于 这两个阶段在水力条件上的要求是不同的，两者之间的配合非常重要。在混合 阶段要求将混凝剂迅速均匀地扩散到全部水中，与水体中的污染物充分接触， 从而营造出良好的水解和聚合环境，实现双电层的压缩，从而使胶体脱稳，同 时借助水体的运动和颗粒自身的布朗运动进行凝聚。由于在此阶段尚未形成较 大的絮凝体，不存在对絮体的打碎等问题，因此要求快速且剧烈的搅拌，一般 在十几秒钟或l m i n 内完成圈。与无机盐混凝剂相比，由于高分子混凝剂一旦投 入废水中后能较迅速的形成粗大的絮体，因此混合阶段应该在较短的时间内完 成，且搅拌强度不宜剧烈。 反应阶段的目的是通过吸附架桥作用以及网捕作用形成具有良好沉淀性能 的絮凝体。为了避免将结大的絮体打碎，反应阶段的搅拌强度应随着絮凝体的 结大而逐渐降低。目前，国内外在水力参数方面的选择各不相同，如表1 1 所示 【2 3 】 0 表1 1 国内外混凝试验工艺参数 t a b l e l 1t h ep a r a m e t e ro fc o a g u l a t i o ne x p e r i m e n ti nt h ew o r l d 、工艺参数快搅速度快搅时间 慢搅拌速度 慢搅时问沉降时间 达坠皇焦二丛! ：里i 旦：! !堑边丛! ：里i 旦：2堑也地i 望 醉用水及 8 0 1 0 0 o 5 4 0 6 01 5 2 01 5 3 0 同济大学 2 0 023 081 5 清华大学 1 0 0l 32 0 4 01 02 0 4 0 华南理工大学 1 2 023 021 5 广西大学的温中海【2 4 】等人通过将搅拌强度设置为1 0 0 、1 5 0 、2 0 0 、2 5 0 、 3 0 0 r r a i n 。搅拌时间为1 5 m i n ，沉淀时间为2 0 m i n ，得出了p a c 在处理再生纸废 7 第一章绪论 水时c o d 。，和浊度的去除率关系。如图1 4 和图1 5 所示。 1 0 01 5 02 0 02 5 0 搅拌强度r m i n 一1 图1 4 搅拌强度对c o d 。，去除率的影响 f i 9 1 4t h ee f f e c t i o no f r e m o v a le f f i c i e n c yo nc o d c rb ys t r e n g t ho f s t i r r i n g 1 0 01 5 02 2 5 0 搅拌强度r m i n - 1 图1 5 搅拌强度对浊度去除率的影响 f i 9 1 5t h ee f f e c t i o no f r e m o v a le f f i c i e n c yo nt u r b i d i t yb ys t r e n g t ho f s t i r r i n g 三、生物法 在废水的处理中，生物法往往被用于二级处理阶段瞄l ，是废水处理工艺的 主体工艺。生物法是指微生物将水中的有机污染物作为养料，通过自身的代谢 8 惦 “ 镗 鸲 5 ； 铒 96褂篷悄oou 岔 g ； 弱 钳 轮 拈 字 “ n上z型慰娱熏 第一章绪论 途径将其去除的方法。微生物以分子氧作为电子供体时，代谢方式为好氧；当 电子供体为n 0 3 或s 0 4 2 + 等氧化态的氧原子时，处理方式被称为缺氧生物处理； 当电子供体为有机物自身时，处理工艺被称为是厌氧生物处理。同时生物法又 可分为悬浮式和附着式两类，悬浮式是指利用水力或者机械混合方式，使微生 物以悬浮状态均匀的分散在处理构筑物中，从而实现对有机物的降解，其典型 代表是活性污泥法；附着生长法是指通过向构筑物中增设填料，以便使微生物 固定在上面生长，形成生物膜，从而实现污水净化的目的，其代表是生物膜法。 目前各种废水的生物处理技术都是以这些为基础展开的。 ( 1 ) 生物接触氧化法 生物接触氧化法是好氧微生物附着式处理工艺的一种。池内需要添加填料， 并且淹没在废水中，以作为微生物附着生长的空间。拥有良好的充氧条件、无 需污泥回流、不存在污泥膨胀、抗冲击能力强以及处理效果好等特点。陈银合【2 6 】 等在运用生物接触氧化法处理废纸浆造纸废水时，其c o d 盯的去除率达到了 7 0 ，b o d 5 的去除率高达8 5 ，出水水质稳定。 ( 2 ) 氧化沟 氧化沟是在上个世纪5 0 年代被开发出来的，其实质是延时曝气法的一种特 殊形式。通过曝气或搅拌作用在廊道中形成0 2 5 一- 0 3 0 m s 的流速，废水完成一 次循环所需的时间为5 1 5 r a i n 。由于氧化沟的污泥泥龄较长，一般可达到3 0 d 左右，因此污泥量少，且在氧化沟内存在缺氧甚至厌氧区，可发生硝化与反硝 化，因此出水水质好，甚至可以达到回用要求等特点。东华大学的汤武平【2 7 】等 人采用氧化沟结合水解工艺处理造纸废水时，日常运行费用低至0 8 3 元m 3 ， c o d 盯的去除率可以达到9 5 以上，各项指标均能达到国家二级标准。 ( 3 ) u a s b 上流式厌氧污泥床是在1 9 7 7 年由荷兰的l e t t i n g a 教授等人研发出来的，该 工艺目前已成为厌氧生物处理的主要代表之一，工艺技术成熟，现已成功的用 于多种高浓度废水的厌氧生物处理之中，其技术特点是承受能力强、最终产物 ( 甲烷) 可以利用，污泥量相对较少。全球首例利用u a s b 工艺处理造纸废水 的案例是荷兰的r o e r m o n db v i 造纸厂【2 8 1 ，到目前为止，u a s b 工艺已经成熟 的运用于处理全球各大造纸企业的生产废水，其市场占有率高达7 5 2 9 1 。艾翠 玲通过研究表明【3 0 】，利用厌氧处理可降解废纸造纸废水的b o d 5 约为7 5 。 ( 4 ) i c 9 第一章绪论 随着第三代高效厌氧反应器的研发成功，i c 反应器正逐渐取代原有的u a s b 工艺，被运用于造纸废水的处理，i c 反应器是在9 0 年代由荷兰p a q u e s 公司在 u a s b 反应器的基础上开发出来的专利技术。目前i c 反应器在造纸废水方面的 运用多为国外造纸企业，例如法国的s i c a l 造纸厂于1 9 9 6 年建立了1 0 0 m 3 的i c 反应器以用于处理废纸造纸废水，c o d 的去除率达到了6 0 , - - , 7 5 3 h ；德国的 w e p a 造纸厂将i c 反应器替代了原有的滴滤池，其c o d 去除率为5 8 - - 7 4 ， 德国另一家e u r o p ac a r t o ni i i 造纸厂同样使用了i c 反应器，其c o d 去除率达到 了6 1 , - - 8 6 3 2 】；荷兰某纸板厂采用高温i c 反应器处理造纸废水，将温度设置 在5 5 ，最终实现了c o d9 0 以上的去除率，b o d 的去除率则高达9 9 p 引。 1 2 4 废水的回用 针对造纸企业用水量大，用水水质要求不是很高的特点，国外对于非脱墨 再生纸厂的废水已经基本上实现了零排放，脱墨再生纸厂也正在朝着废水零排 放的目标努力【3 4 】。针对非脱墨再生纸和纸板厂废水污染成分较为简单，c o d 盯 浓度较低等特点，大部分废纸制浆造纸厂的排水经过生物和物理化学组合工艺 的适当处理即可达到生产回用的要求。目前我国的再生纸造纸企业废水排水量 较大，通常生产1 吨纸制品会产生1 0 0 , - - , 2 0 0 m 3 的废水【3 5 】。针对其对纸张白度要 求不高，对生产用水水质要求较低等特点，建设废水处理系统，健全对废水的 管理体系，从而实现废水的封闭循环，这样既可以保护环境，也可以给企业节 约生产成本。目前非脱墨再生造纸厂废水一般c o d 盯为8 0 0 - 1 5 0 0 m g l ，b o d s 为1 5 0 - 3 5 0 m g l ，s s 为9 0 - - 1 2 0 0 m g l ，若不治理或处理不当将会严重污染环 境【3 6 1 。因此国内再生纸造纸企业在与国外同行交流先进生产技术的同时还要学 习他们在废水处理以及循环回用方面的经验和技术，这对我国的经济发展和环 境保护有着重大的意义p 川。 1 0 第二章理论基础 第二章理论基础 2 1 好氧生物处理 好氧生物处理是以分子氧作为电子供体，有机物作为电子受体，通过好氧 微生物或兼性微生物的代谢过程，将有机物氧化成c 0 2 、h 2 0 以及其他稳定、 无害的无机物。整个代谢过程包括同化和异化两个部分，异化是指将处在高位 能的有机污染物氧化成低能位的无机物，以提供能量；同化则是指将有机物用 于合成自身所需的物质，如图2 1 所示。 有机物+ 氧+ 微生物 ( c 、0 、h 、s 、p ) l ，r 合成细胞物质+ 氧 微生物( c 。h ，n o 。) 内源代谢 l 约2 0 代谢产物+ 能量 h 2 0 、n h 3 ： 代谢残留物 = ：j 一= 一 图2 1 好氧生物处理过程中有机物转化 f i 9 2 1t h et r a n s f o r m a t i o no fo r g a n i cm a t t e rb ya e r o b i co r g a n i s m 无论是降解或合成代谢，都可分为三个阶段：水解、酵解和三羧酸循环【3 8 1 ， 如图2 2 所示。三羧酸循环既是降解的最后阶段，又是合成的起始阶段，是整个 代谢过程的核心内容。 第二章理论基础 图2 2 生物代谢过程 f i 醇2t h ep r o c e s so fm e t a b o l i s mb yo r g a n i s m 1 2 第二章理论基础 2 1 1 大分子有机物的水解 有机物往往是大分子结构，其分子量一般在几十万以上，因此不能被微生 物直接吸收利用，都必须先经过微生物水解酶类的水解作用，变成小分子或可 溶性有机物后才能被进一步降解，通常大分子有机物分为三类：多糖、脂肪和 蛋白质。 ( 1 ) 蛋白质的水解：在蛋白酶的催化作用下蛋白质分解生成简单的氨基酸， 接着进一步被细胞所利用。经吸收的氨基酸一部分作为合成细胞的原料，另一 部分则作为能源，被分解成氨、c 0 2 和h 2 0 ，或有机酸及硫、磷化物【3 9 1 。 ( 2 ) 脂肪的水解：脂类分子都一般都含有碳、氢、氧元素，有时也含有氮 和磷。脂肪的水解是逐步进行的，每一步水解只能水解出1 个脂肪酸，经过三 次水解后就水解成1 个甘油分子和3 个脂肪酸分子【4 0 1 ，总反应如图2 3 所示。 + 3 h 2 0 西酶 c h , o hr 1 c o o h i e h o h+ r 2 c o o h c h 2 0 h r a c o o h 甘油 且翻施 图2 3 脂肪的代谢过程 f i 9 2 3t h em e t a b o l i s mo ff a t ( 3 ) 多糖的水解t 高分子多糖是由多个( 2 0 个以上) 单糖分子缩合而成， 相对分子质量很大，在水中不能溶解，一般以胶态存在。多糖主要包括淀粉、 纤维素、糖元及果胶等。 淀粉的水解：天然淀粉由内外两层组成，分别为支链与直链淀粉，其中 直链淀粉由葡萄糖单位组成，以q 葡萄糖苷键( q 1 , 4 苷键) 连结而成，键长 约2 5 0 - - - 3 0 0 个葡萄糖单位。其水解过程如图2 4 所示 ( c 6 h l 。0 5 ) h 面耋筹酽专i n ( c 1 2 h 2 2 0 11 ) 器n c 6 h 1 2 0 5 图2 4 淀粉的代谢过程 f i 醇4t h em e t a b o l i s mo fs t a r c h 纤维素的水解：纤维素为植物纤维部分的主要成分，是由1 3 d - 葡萄糖以 1 ，4 - b 一葡萄糖苷键相连接，不含支链。纤维素结构单位是平行排列的，天然纤 维素的相对分子质量约为5 7 万。好氧性纤维分解细菌将其氧化成c 0 2 和h 2 0 并 1 3 融 融，南 一纩一么 讳吣眩 一 一 一 o o o 一 一 一 cicic 呈ii呈i 第二章理论基础 释放出大量的能量。 果胶物质与半纤维素的水解：果胶物质是以半乳糖醛酸组成的高分子化 合物，含有很多以链状结合的半乳糖醛酸基。半纤维素多为一年生植物细胞壁 成分，是一种杂聚多糖，可被微生物产生的半纤维素酶类水解成单糖和糖醛酸， 然后被细胞所吸收。 2 1 2 氨基酸、甘油、脂肪酸和单糖的酵解 ( 1 ) 氨基酸的酵解：微生物对各种氨基酸可通过共同的途径进行降解，脱 氨基作用是第一步，脱氨基作用主要分为氧化脱氨基和非氧化脱氨基两类1 4 1 1 。 其中氧化脱氨基反应是在有氧条件下进行的，氨基酸在酶的催化下，脱氢被氧 化成亚氨基酸，亚氨基酸在水溶液中极不稳定，自发水解成酮基酸和氨。在脱 氨的脱氢酶中活性最强、分布最广的是l 一谷氨酸脱氢酶【4 2 】，它的辅酶为n a d 或n a d p 。它能催化谷氨酸脱氢脱氨基，生产a 一酮戊二酸，如图2 5 所示。 c o o h i c h ， c i h c i c l 谷氨酸 亚氮基戊二酸。酮戊二酸 图2 5l _ 谷氨酸的代谢过程 f i 9 2 5t h em e t a b o l i s mo f l g l u t a m i ca c i d ( 2 ) 甘油的代谢：甘油的分解代谢一般与糖类的分解途径相同。甘油经甘 油激酶的作用形成q 磷酸甘油，q 磷酸甘油再经脱氢酶的作用形成磷酸二羟丙 酮，磷酸二羟丙酮进人e m p 途径或h m p 途径进一步氧化，生成丙酮酸进入三 羧酸循环【4 3 1 。甘油形成磷酸二羟丙酮的反应如图2 6 所示： 下h 2 0 h 甘油激酶 f 舯h 厂弋一 c h 2 0 h a t pa d p c h 2 0 h j c h o h l a 磷酸甘油脱氢酶 c h 2 0 p o b h 2 f h 2 0 h c = = o l c h 2 0 p o a h 3 甘油a 磷酸甘油 磷酸二羟丙酮 图2 6 甘油的代谢过程 f i 9 2 6t h em e t a b o l i s mo fg l y c e r i n 1 4 h h o ： 2 = o 咄 心 一 唧 苎o =2 =h = 一一 一 咖 一 删 第二章理论基础 ( 3 ) 脂肪酸的1 3 氧化作用：脂肪水解成的长链脂肪酸及细胞内的游离脂 肪酸降解时，主要进行1 3 氧化( 这种氧化在脂肪酸的1 3 一氧化碳位发生) 。使碳 原子两个两个地从脂肪酸链上断下来。 ( 4 ) 葡萄糖的酵解：葡萄糖的酵解主要经过两种不同的途径：一种是己糖 二磷酸途径( e m b d e n m e y e r h o f p a r n s s c h e m e ) ，简称e m p 途径；另一种是 单磷酸己糖途径( h e x o s em o n o p h o s p h a t es h u n t ) ，简称h l v i p 途径。 综合h l v l f 途径的反应过程可以看作有6 个分子6 p 葡萄糖同时参加反应， 经脱氢、脱羧等反应生成6 分子c 0 2 和6 分子p 戊糖，脱下的氢交给n a d p 生 成1 2 分子n a d p h 2 。6 分子戊糖反应生成4 分子6 一p 果糖和2 分子3 一p 甘油 醛，最终生成5 分子6 p 葡萄糖。 总反应式为： 6 6 一p 葡萄糖+ 7h2 0 + 12 na dp - - - ) 5 6 一p 葡萄糖+ h 3p 04 2 1 3 三羧酸循环 三羧酸循环中由于有柠檬酸等几个含有三个羧基的有机酸，所以又称为柠 檬酸循环或k r e b s 循环，简称t c a 环。 在t c a 环中每一个步骤的生成物都成为下一个反应的反应物，且这些反应 在酶的作用下大多是可逆的，在整个t a c 环中控制步骤是a 一酮戊二酸到琥 珀酰辅酶a 的反应，由于该反应是不可逆的，在整个t c a 中起到了类似于单向 阀的作用，确定了整个循环的前进方向。 2 2 混凝法处理造纸废水的优势 造纸废水中往往含有微生物不易降解的污染物，如木质素等。若单一的使 用生物法对其进行降解，效率不太理想。混凝法在面对这些难题时，其优势显 得尤为突出，混凝法是通过向水体中投加混凝剂，在压缩双电子层以及吸附架 桥等的作用下，将水中的悬浮物和胶体去除。由于整个过程属于物理化学作用， 没有微生物的参与，故没有生物选择性，亦不存在难生物降解有机物这一概念。 因此，混凝法处理造纸废水的效果往往较稳定，出水水质较好，通过混凝后的 出水可提高生化性，可以作为后续生物降解工艺的预处理阶段d 4 。 2 3 混凝法处理造纸废水的研究进展 为了更好的去