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第33卷废纸造纸废水处理工程的设计与运行石富源(湖南农业大学资源环境工程学院,湖南长沙410128摘要:文章针对废纸造纸生产中废水产生量大,SS、COD浓度较高的问题,将废纸造纸废水处理工程实践中的污水作为对象,研究一套废纸造纸废水回收利用的污水处理方法,减少再生纸造纸工业对环境的污染。实验结果和工程实践证明:利用混凝沉淀—活性污泥相结合工艺处理废纸造纸废水,达到一部分经物理处理后回收利用,一部分经生化处理后达标排放。采用该工艺处理效果好,SS去除率达99.7%、COD去除率达98.4%,且运行稳定,成本和一次性投资均较低,其排放废水水质满足《造纸工业水污染物排放标准》(GB3544-2001中的排放要求。关键词:废纸造纸废水;混凝沉淀;好氧处理;回收利用中图分类号:X703文献标志码:Adoi:10.3969/j.issn.1003-6504.2010.07.037文章编号:1003-6504(201007-0168-06DesignandDebugonRegeneratedPapermakingWastewaterTreatmentProjectSHIFu-yuan(SchoolofResourceandEnvironmentalEngineering,HunanAgricultureUniversity,Changsha410128,ChinaAbstract:TreatmentmethodwasstudiedfortherecoveryofpapermakingwastewaterwithhighconcentrationofSSandCOD,aimingatreducingtheimpactofregeneratedpapermakingindustryontheenvironment.Resultsindicatedthatthecombinedprocessofcoagulationprecipitationandactivatedsludgewasusedfortreatmentofregeneratedpapermakingwastewater,withpartofwhichrecoveredafterphysicaltreatmentandtheotherpartdischargingtothecriteriaafterbiochemicaltreatment.RemovalrateofSSandCODwasupto99.7%and98.4%respectively,withstablerunningandcosteffectivenessaswellassatisfactorytoDischargeStandardofPapermakingIndustrialWastewaterofGB3544-2001.Keywords:regeneratedpapermakingwastewater;coagulationprecipitation;aerobictreatment;recycling近几年,我国的纸和纸板产量增长迅速,2007年底,全国纸及纸板生产产量达7400万t,同比2006年的6500万t增长13.85%。目前,除西藏外,我国其他省、市、自治区都有造纸企业,总数达3500家,其中绝大多数是中小型造纸企业[1]。我国的造纸业在制造纸张、传承文明的同时,对可持续发展的生态文明也构成了严峻挑战。造纸工业不合理的原料结构、规模及较低的技术装备水平,决定了我国造纸工业的水、能源、物料消耗较高并成为主要的污染源。就吨浆纸综合能耗和综合水耗来看,国际上先进水平为吨浆纸综合能耗0.9~1.2t标煤,综合取水量35~50m3,我国除少数企业或部分生产线达到国际先进水平外,大部分企业吨浆纸综合能耗平均为1.38t左右标煤,综合取水量平均仍处于103m3左右高位[2]。据统计,2005年造纸工业废水排放量36.7亿t,约占全国重点统计企业废水排放总量的17.0%,COD(ChemicalOxygenDemand,化学需氧量排放量159.7万t;2006年,造纸工业废水排放量为37.4亿t,占全国重点统计企业废水排放总量的17.98%,COD排放总量的32.4%。其中草浆生产线有碱回收装置的产量仅占草浆总产量的30.0%,草类制浆COD排放量占整个造纸工业排放量的60%以上,仍然是主要的污染源。我国造纸工业面临的环境污染及生态保护等方面的压力依然很大,造纸行业废水污染防治任务十分艰巨[3]。废纸造纸是以废板纸、废书刊、废报纸为主要原料生产纸张的造纸方式。其生产设备投资少、工艺技术简单。与直接利用原生植物纤维原料制浆造纸相比,沒有大气污染,环境污染负荷相对较小,即可保护森林资源,减少对生态环境的破坏,又能有效利用废纸资源[4]。随着废纸制浆技术的不断成熟,废纸再生造纸已成为造纸行业发展的重要趋势之一[5]。由于废纸中含有半纤维素、木质素、无机酸盐、细小纤维、无机填料以及油墨、染料等污染物,成分复杂,需要化学品制剂将其去除以完成制浆,加之抄纸过程中需添加施胶剂、滑石粉等制剂,致使废纸再生造纸过程中排收稿日期:2009-02-20;修回2009-06-30作者简介:石富源(1986-,男,学士,主要从事固废处理和资源选矿,(手电子信箱shixh2003@163.com。EnvironmentalScience&Technology2010年7月Vol.33No.7July2010第7期放大量含有毒有害污染物的废水[6]。针对废纸造纸中废水污染问题,国内外已成功研发出一系列的处理技术,为该类废水的有效治理奠定了基础[7]。目前处理废纸造纸废水国内方法有涡凹气浮工艺,混凝沉淀工艺,气浮或沉淀法和物化与生化相结合[8]。国外全厂封闭循环和零排放技术已经很成熟,与封闭循环有关的水处理技术进展也很快[9]。全封闭循环和零排放需要工艺水的外部处理,目前应用的高效浅层气浮法、电絮凝法和粉煤灰吸附法等都取得了相当好的效果[10]。零排放技术对于解决我国废纸制浆造纸中水资源消耗量过大有重要意义,我们应根据具体情况借鉴先进经验技术,尽量提高处理水的复用,使资源高效利用和循环利用,促进造纸工业实现可持续发展[11]。本文以废纸造纸废水处理工程实践和实验相结合,将废纸造纸废水处理工程实践中的污水作为对象,研究一套废纸造纸废水回收利用的污水处理方法并对该处理方法处理效果及运行成本进行初步核算,从而减少再生纸造纸工业对环境的污染。1工程概况湖南某造纸厂是一个以废纸为生产原料生产花炮纸和箱板纸为主的中小型企业,其年生产能力为30000t。生产过程中产生有机物和色度较高的废水,其中每生产1t纸约产生废水40t左右,年废水产生量约为1200000t。如不处理直接排放进入水体,将引起水体的污染。为减轻污染,在该厂采用混凝沉淀—活性污泥工艺对该造纸厂废水进行治理。其原理是在混凝剂的作用下,通过物理化学过程,将废水中的悬浮物、胶体和可絮凝的其它物质凝聚成“絮团”,再经沉降设备将絮凝后的废水进行固液分离,“絮团”沉入沉降设备的底部而成为泥浆,顶部流出的则为色度和浊度较低的清水。由于该厂生产废水经过一级处理初次沉淀后,约80%可直接回收利用,还有20%左右须经过处理后才能达到回收利用的要求。在该厂试验的基础上,利用活性污泥法再对废水进行二级处理。即通过曝气池中活性污泥微生物,在有氧的情况下,将有机物合成新的细胞物质或将其分解代谢,然后再经过由合成细胞形成的菌体有机物的絮凝、沉淀、分离,达到去除废水中有机物目的。在向废水中加空气或富氧(即曝气为系统提供所需的氧时,可利用生物转盘盘体旋转交替与废水和空气接触,使吸附在盘体生物膜上的微生物和有机物充分和空气接触而得到所需的氧。当被处理废水的性质一定时,可通过提高气液相间的接触面积、接触时间和气液相间氧的浓度差来提高装置的供氧能力。由于废纸再生造纸产生的废水量大,采用富氧作氧化剂的成本较高,所以一般采用通空气的方法。为此,在设计供氧装置时,应着重考虑空气的良好分布和搅拌能力的提高(或气液相接触时间的增长该项目的设计污水处理量为40m3/d,连续运行最大处理量为960m3/d。废水水质及排放标准见表1。1.1废水的水质分析方法该厂造纸废水中的悬浮物主要是长纤维、短纤维、填料及少量的杂细胞组成。根据废纸制浆造纸废水这一特点,以及废水排放标准,采用物化-生化法,对废水进行分级处理。经一级混凝沉淀处理去除悬浮物后,大部分废水即回用到制浆工序中,剩余废水通过自流送至生物接触氧化池,接触氧化池内设置曝气系统和组合填料,利用填料上的微生物去除废水中的有机物、氨氮、色度等,生物接触氧化池的出水自流进入二次混凝沉淀装置,与药剂充分混合在反应池内进行分离,出水通过出水管收集自流进入清水池,污泥排入污泥储存池定期送入污泥脱水装置进行脱水,脱水污泥外运处置。处理出水排入清水池供回用,多余清水达标排放。2工艺流程及其主要构筑物2.1工艺流程在该造纸厂,废水主要来自于如下工序:碎浆废水、洗浆废水、抄纸“白水”以及工厂的生活废水等[12]。这些废水中含有的污染物主要有4类:(1还原性物质,如木质素、无机盐等,以COD为指标;(2可生物降解物质,如半纤维素、树脂酸、低分子糖、醇、有机酸和腐败性物质等,以BOD(BiochemicalOxygenDemand,生化需氧量为指标;(3悬浮物,如细小纤维、无机填料等,以SS(SuspendedSubstance,悬浮物为指标;(4色素类:如染料和木质素等,以COLOR表示[13]。废水中的SS、COD浓度较高,BOD5值相对较低,BOD5与COD的比值一般为0.15~0.25[14]。用絮凝剂进行沉淀一级处理因其既能去除SS又能有效降低COD、BOD,还可以去除一些大分子难降解的有机物如木质素、纤维素和有机氯化物等,絮凝剂不仅可以通过电荷中和、架桥机理使微粒絮凝,还可以与负电荷溶解物进行反应,生成不溶物,从而有利于沉降和过滤脱水;并且还有脱色功能,对有机物和无机物都有很好的净化石富源废纸造纸废水处理工程的设计与运行表1废纸造纸废水水质及排放标准Table1Thequalityandemissionstandardofregeneratedpapermakingwastewater项目COD(mg/LBOD5(mg/LSS(mg/LpH进水水质800~1000200~3501200~20006~8排放标准350701006~9169第33卷表2主要构筑物及设备参数Table2Mainconstructionsandplantparameter名称数量容积(m3HRT(h备注调节池11003钢混结构反应池140.12钢混结构絮凝反应池160.2钢混结构平流式沉淀池12507.5钢混结构中间池112-钢混结构曝气池1360-钢混结构竖流沉淀池290-钢混结构集水池124-钢混结构污泥浓缩池13048钢混结构清水池130-钢混结构操作间140-砖混结构作用,更适合于有机物质含量高的废水,pH使用范围宽、用量少、毒性也小。但混凝沉淀法不能去除可溶性的有机物、难以实现对废水的达标排放,因此,必须合理设计工艺,辅以其他处理方法,例如,混凝沉淀-化学氧化处理法、厌氧-好氧生物处理法、混凝沉淀-好氧处理法等。本工程选择混凝沉淀—活性污泥工艺,即可以去除废水中分子量较高的COD,也可去除分子量较低的COD及BOD,实现对废水的达标排放。工艺流程见图1。来自该造纸厂的造纸废水进入调节池,初步调节水量和水质,以减小对后续生化处理装置的冲击。废水经格栅去除粗渣及悬浮物后进入集水井,由水泵提升至反应池。在反应池中投入0.6~0.8mg/L聚合氯化铝(PAC作絮凝剂,通过搅拌使PAC与废水均匀混合,而后往絮凝反应池投入0.08mg/L丙烯酰胺(PAM作助凝剂,将废水溶液中的悬浮微粒聚集联结形成粗大的絮状团粒或团块,使微小絮体絮凝形成大的具有良好沉淀性能的絮凝体,并去除一部分色素,出水进入平流式沉淀池进行泥水分离。废水经物化的一级处理进入生化的二级处理。经物化一级处理的出水进入中间水池,由其调节和控制生化池的进水流量,以减少对曝气池的负荷冲击。在曝气的作用下,泥水混合液得到足够的溶解氧,并使活性污泥和废水充分接触。废水中的可溶性有机污染物为活性污泥所吸附,并被微生物群体所分解,使废水得到净化。在二次沉淀池内,活性污泥与巳被净化的废水分离,处理水排放,活性污泥在污泥区内进行浓缩,并以较高浓度回流曝气池。由于活性污泥不断增长,部分污泥作为剩余污泥由污泥泵送污泥浓缩池,污泥浓缩后经板框压滤机压滤脱水后外运处置,污泥浓缩池出水和压滤水(脱水返回到调节池[15]。二次沉淀池清水经快速过滤器进一步截留未沉淀的SS,出水排入清水储存池供生产利用,为了防止回收利用水中微生物大量繁殖生长,在出水中投加少量消毒剂。2.2主要构筑物及其设备主要构筑物及其设备见表2。3调试运行3.1调试前的准备工作(1对安装工作已结束的现场各构造物及时进行检查、清扫、彻底清除堆积泥沙、杂物等,对已安装完毕的设备清理灰尘,传动部分加油养护等。对管道、各类井室等进行检查清理,排除积水、泥渣和杂物等。(2根据设计确定的废水处理装置定员进行人员的配置,并对上岗操作人员进行初步培训,同时,建立必要的岗位职责。(3检查各构筑物及其附属设施尺寸、标高是否与设计相符,管道及构筑物中有无堵塞物,各连接部位是否已紧固,临时固定装置是否已拆除。(4检查总供电及各设备供电是否正常,装置安装、接线是否完毕,试验正确,记录齐全。(5检查泵类、闸门等设备的完好程度,传动部分的润滑油是否加注到位,设备基础强度是否达到要求,各种阀门能否正常开启和关闭。(6检查维修、维护工具是否齐全,常用易损件有无准备。3.2带负荷试车为解决运行中可能出现的问题,须进行带负荷试车,即开启水处理设施、管道中所有阀门和闸阀,启动进水泵送清水,根据各构筑物进水情况,沿工艺流程适时启动其他设备。在此过程中还应做好以下几方面工作:(1检查进线总电流是否符合要求,变配电设备工作是否正常,各种设备工作情况是否正常以及能否满足设计要求,仪器仪表工作是否正常,自控系统能否满足设计要求。(2用容积法校核进、出水流量计计量是否准确,校核在线监测仪,检测进、出水水质,流速,测量并记录设备的电压、电流、功率和转速。第7期(3及时解决试车过程发现的问题。(4编制设备操作规程及安全规程。3.3混凝沉淀系统启动开启进水泵向混凝沉淀进水,物化系统进行满负荷运行3d,每天运行6~7h。物化混凝沉淀系统处理能力由厂区所排污水量确定,PAC的投加量由实际混凝、絮凝情况确定,即平流式沉淀池的出水浊度和现场小试相结合。经反复调试确定PAC投加量为0.6~0.8mg/L出水上清液无悬浮物,混凝沉淀系统达到设计要求。3.4好氧系统启动向活性污泥池中投加某城市污水处理厂的生活污泥10t作为接种污泥,污泥SS=14.5g/L,VSS=10.6g/L,VSS/SS=0.73,然后注满经一级处理的出水。待活性污泥池注满后连续曝气3d,通过全程足量曝气达到激活活性污泥活性的目的。活性污泥曝气段氧的供给主要满足有机物的好氧代谢即污水中的有机物进行吸附、氧化、分解,最终把这些有机物变成二氧化碳和水所需的高氧环境,DO控制在2~4mg/L之间(用溶氧仪测定溶解氧。第4天开始低负荷运行,调试采用逐渐增大进水流量的方法,按照设计进水量的1/4、2/4、3/4、1逐步提高进水量。每次增大进水量后,在COD去除率稳定在70%以上即再一次增大进水量,直到达到设计进水规模。在第三周开始,进行适当的排泥,以置换掉活性污泥内的无机惰性沉淀物质。排泥量遵循少量多次原则,排泥量以保证排泥后活性污泥混合液内MLSS值不降低为原则。经过28d的提高负荷期,处理系统达到设计出水量,稳定运行30d,曝气池中活性污泥浓度达到2800g/L,出水达到《造纸工业水污染物排放标准》(GB3544-2001的要求,整个工程调试完成。4工程运行效果该工程于2008年5月通过了当地环保部门监测验收,监测结果见表3。可见,好氧出水的监测指标总有机物达到《造纸工业水污染排放标准》(GB3544-2001中废纸制浆无脱墨工艺执行标准要求。5技术经济分析实践中废水处理工程投资与运行费用主要由废水处理量;废水的水质浓度、性质及排放标准;处理方法及工艺设计参数和物价因素等决定。本工程总投资为66万元(不包括征地费用,其中土建费用为40万元,设备投资为26万元,总运行费用包括土建费用,人员编制,装机设备费用,废水处理费用,综合测算该工艺运行成本为0.98元/m3。6存在问题讨论6.1泡沫问题在反应池出现白色泡沫,严重时溢出池外影响PAC的投药效果,进而影响后续处理的效果[16]。产生大量泡沫的原因主要是进水中含有玫瑰红染色剂的表面活性剂,在进水冲击和搅拌作用下产生大量泡沫[17]。应对方法除了生产红纸过程添加了玫瑰红染色剂的废水不要集中排放,通过调节池使进水水质均匀,还需要将进水管插入水中,防止带入空气[18]。污泥培养初期,曝气池出现大量的白色泡沫,严重时会堆积整个生化池走道板,这一问题是污泥培养初期的正常现象,只要控制好溶解氧和采取适当的消泡措施就可以解决[19]。在曝气池中白色泡沫略带红色,原因是该造纸厂在生产红纸过程添加了玫瑰红染色剂的结果[20]。6.2污泥上浮活性污泥在二次沉淀池中不沉淀或者是先沉淀后又上浮流失。活性污泥上浮流失不仅会影响曝气池中的污水处理效果,而且还会恶化二次沉淀池的出水水质[21]。当对曝气池的混合液曝气时间过长时,在曝气池内发生高度硝化作用而使曝气池中混合液内硝酸盐浓度较高(一般硝酸铵达5mg/L以上,DO浓度降低(一般DO低于0.5mg/L。在二次沉淀池发生反硝化作用,硝酸盐被反硝酸菌还原成氨和氮气,氮即呈气体脱出附于污泥上,从而使污泥密度降低,整块上浮[22]。污泥脱氮(反硝化上浮的的应对方法:(1增加污泥回流量或及时排放污泥,以减少沉淀池中的污泥量。(2减少曝气时间或曝气量,使得硝化作用降低。(3提高曝气池出口混合液的溶解氧浓度,保证二次沉淀池的活性污泥不会因缺氧而发生反硝化。7结论(1经运行和调试后该工艺设施处理,排放水中各污染物指标为COD=136mg/L,BOD5=26mg/L,SS=5mg/L完全达到排放要求,并具有较好的抗冲击负荷能力,出水稳定。(2该工艺相比厌氧+好氧法和物化+好氧法,处理系统设备投资小,运行操作简单,运行费用不高,处理表3系统各部分对COD、BOD5、SS处理效果Table3SystemvariousparttoCOD,BOD5,SSprocessingeffect项目物化处理部分生化处理部分总去除率(%进水(mg/L出水(mg/L去除率(%进水(mg/L出水(mg/L去除率(%COD8600182678.8182613692.698.4BOD53409871.2982673.592.4SS15802898.228582.199.7pH7.57.5-7.67.6--石富源废纸造纸废水处理工程的设计与运行171第33卷效果理想。对南方地区相似规模的造纸废水治理工程有一定的参考价值。而厌氧-好氧法工艺虽对COD、BOD、SS和Ca、Mg离子等污染物都有去除效果。但采用厌氧处理工艺,则投资较高和运行管理复杂。若单独采用好氧处理工艺,则负荷过高,能耗过大,出水难以达标。且厌氧+好氧反应器设备昂贵。一台型号为SBR好氧生物反应器设备价格12万元以上。(3该工艺设施处理废水可以直接被企业回用,提高水的重复利用率,逐步减少单位产品水资源消耗。这是社会经济和环境保护的需要,而且对于解决造纸工业水资源消耗量过大具有重大意义。[参考文献][1]中国造纸协会.中国造纸工业2007年度报告[R].2008.ChinaPapermakingAssociation.ChinesePapermakingIn-dustry2007:AnnualReport[R].2008.(inChinese[2]国家发展和改革委员会.造纸产业发展政策[C].2007.NationalDevelopment&ReformCommission.PapermakingIndustryDevelopmentPolicy[C].2007.(inChinese[3]肖翔,齐宇勃,章广德.废纸造纸废水处理技术[J].环境科学与管理,2008,3(2:102-105.XiaoXiang,QiYu-bo,ZhangGuang-de.Technologyofwastewatertredmentforwastepapermaking[J].Environ-mentScienceandManagement,2008,3(2:102-105.(inChinese[4]崔兆杰,宋薇,张国英.废纸造纸行业的清洁生产措施与实践[J].环境科学与技术,2004,27(4:88-90.CuiZhao-jie,SongWei,ZhangGuo-ying.Cleanproduc-tionmeasureandpracticeofwastepapermaking[J].Envi-ronmentScience&Technology,2004,27(4:88-90.(inChinese[5]高玉杰.废纸再生使用技术[M].北京:化学工业出版社,2003:16-19.GaoYu-jie.RecycleTechnologyofWastepaper[M].Beijing:ChemistryIndustryPublishingHouse,2003:16-19.(inChinese[6]苗庆显,秦梦华,徐清华.废纸造纸废水处理技术的现状与发展[J].中国造纸,2005,24(12:55-58.MiaoQing-xian,QinMeng-hua,XuQing-hua.Develop-mentofwastepapertreatmenttechnology[J].ChinesePaper-making,2005,24(12:55-58.(inChinese[7]贺延龄.废纸造纸循环水处理实现零排放[J].纸和造纸,2003,(4:5-8.HeYan-ling.Waterrecycletreatmentofwastepapermaking[J].PaperandPapermaking,2003,(4:5-8.(inChinese[8]王培,马邕文,万金泉,等.非脱墨废纸造纸废水零排放技术现状及展望[J].造纸科学与技术,2005,24(4:42-44.WangPei,MaYi-wen,MojinQuan.etal.Reviewonnon-inkwastepapermakingtreatment[J].PapermakingScienceandTechnology,2005,24(4:42-44.(inChinese[9]BartonD.Experiencewithwatersystemclosureatrecycledpaperboardmills[J].TappiJournal,1996,79(3:195-197.[10]PaulyD.Towardsaclosedloopprocess[J].Water,2000,21(2:25-28.[11]姚民利.浅谈用废纸制浆造纸的零排放[J].西南造纸,2004,33(5:12-14.YaoMin-li.Zerodischargeofwastepapermaking[J].SouthwestPapermaking,2004,33(5:12-14.(inChinese[12]金兆丰,余志荣.污水处理的组合工艺和工程实例[M].北京:化学工业出版社,2003:64-65.JinZhao-feng,YuZhi-rong.CombinationofProcessedWaterandCaseStudy[M].Beijing:ChemistryIndustryPublishingHouse,2003:64-65.(inChinese[13]施英乔,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