蔣宏國 羅 琳 王盛頡

（湖南農業(yè)大學資環(huán)學院，湖南長沙，410128）

制漿造紙工業(yè)是一個與國民經濟發(fā)展和社會文明建設息息相關的重要產業(yè)，在國際上被公認為“永不衰竭”的工業(yè)。制漿造紙廢水含有大量的堿、纖維素、木質素以及化學藥品等，若處理不當將對環(huán)境產生嚴重影響。自我國《造紙工業(yè)水污染物排放標準》（GB3544—2008）的頒布實施以來，制漿造紙廢水的深度處理已成為我國業(yè)界急待攻克的難題，因此，探索、研究制漿造紙廢水的深度處理技術十分迫切。

1 廢水特性及其處理技術的選擇

南方某造紙廠年制漿能力20萬t，以木材為原料，采用硫酸鹽法制漿工藝，生產過程的各主要工段（備料、蒸煮、制漿、造紙）均產生大量廢水。制漿廢水主要為化學制漿車間的洗、選、漂等工段產生的中段廢水及堿回收法冷凝水等，所排廢水具有COD高、水質變化大、單純的好氧或厭氧生物處理困難等特點。經監(jiān)測，該廠廢水水質如下：SS 900～1100mg/L、CODCr1200～1800mg/L、BOD5600～900mg/L、pH值6～8、水溫30～45℃。

2008年6月25日國家環(huán)保部頒布了《制漿造紙工業(yè)水污染物排放標準》（GB3544—2008），這意味著當前常用的兩級處理方法已不能滿足要求，大多數制漿造紙廢水經過生物處理后，BOD5可以降低到30mg/L或20mg/L以下，但廢水中COD仍較高，尤其是化學漿和化機漿。為了達到新標準要求，課題組在對整個生產過程進行深入研究的基礎上，通過反復實驗、試驗，開發(fā)出一套經濟可行的深度處理技術。這套技術包括兩方面，一是改進生產工藝，采用中濃壓力式封閉篩選系統(tǒng)取代原有低濃篩選及低濃除渣系統(tǒng)，既提高了篩選后漿料的質量（降低了漿料中的纖維束及塵埃含量），又可達到節(jié)水、節(jié)能、降低污染負荷的目的；采用黑液擠壓-擴散置換集成提取等技術取代常規(guī)的直接升溫、直接放鍋工藝；黑液過濾機去除黑液中的雜質，回收纖維，提高黑液質量；采用多圓盤過濾機取代單過濾機，白水全部回用等。通過生產過程的節(jié)水減排，不僅噸漿耗水量由原來的110m3降至70m3，而且廢水中的CODCr可降至1800mg/L以下。二是采用廢水末端處理技術，即必須采用三級處理，也就是深度處理，一般說來，COD越低越難處理，運行成本也越高。目前，多數企業(yè)的二級處理以生物處理為主，在二級處理的基礎上研究出經濟適用的深度處理方法已成為熱點，據報道，目前深度處理方法大致有絮凝法、化學氧化法、吸附法、膜分離法、氣浮法等，但實踐證明，采用AB（antibulking）池、改良型卡魯塞爾氧化溝和高效淺層氣?。p小微氣泡的直徑并與絮凝法相結合）組合技術可以經濟有效地處理制漿造紙廢水。

2 組合技術的應用

組合技術的核心是改良型卡魯塞爾氧化溝和高效淺層氣浮。

氧化溝為連續(xù)環(huán)形反應池，經過幾十年的使用、研究開發(fā)和改進，氧化溝系統(tǒng)在池形結構、運行方式、曝氣裝置、處理規(guī)模、適用范圍等方面取得了長足的進步，現已成為一種應用廣泛的廢水生化處理技術?？斎麪栄趸瘻蠈嵸|上是采用完全混合型與推流型相結合的延時曝氣活性污泥法，其獨特的池形與相應曝氣設備布局使之形成缺氧-厭氧-好氧工藝流程，即在缺氧和厭氧條件下，把不易好氧生物降解的分子質量高的有機物裂解成易于好氧生物降解的分子質量低的有機物，這是單純好氧生物處理與厭氧生物處理所不能做到的。制漿造紙廢水中含有大量木質素及其衍生物、低分子醇類和多糖、硫化物、大量的小分子脂肪酸（因廢水水溫較高，在廢水處理的預處理工段極易發(fā)生水解酸化反應）以及漂白工藝中產生的有毒成分等。研究表明，若單獨采用卡魯塞爾氧化溝處理制漿造紙廢水，在運行過程中經常受到污泥膨脹的困擾，嚴重影響處理效果而引起出水水質惡化。制漿造紙廢水處理過程中污泥膨脹問題是由絲狀菌引起的，絲狀菌依靠廢水中含量較高的易生物降解成分（如脂肪酸、硫化物、醇類等）來生存。如果卡魯塞爾氧化溝前置AB池，采用特有設計的預曝氣措施，廢水中容易降解的COD被生物質吸收并轉化為以膠體狀態(tài)存在的可自由游動菌，從而使生長緩慢的絲狀菌無法生存，這些自由游動菌就成為后續(xù)曝氣池（卡魯塞爾氧化溝）活性污泥中高等微生物（原生動物和后生動物）的食物。這樣前置AB池不僅能夠有效防止污泥膨脹和對整個處理系統(tǒng)起緩沖作用，而且廢水中的硫化物、小分子有機物等得到了有效去除。同時，在氧化溝前增加生物增效設備，24h添加經過篩選、馴化后而對廢水具有特殊降解能力的優(yōu)勢微生物，以提高生化系統(tǒng)的運行效率。此外還進行了其他技術創(chuàng)新：采用專有的工藝和水力設計模型，橢圓或圓形廊道卡魯塞爾系統(tǒng)水力設計與表曝機在充氧、攪拌及推流3項功能上的能量分配的優(yōu)化配合保證系統(tǒng)能耗最低和處理效果最優(yōu)；專門研制開發(fā)的高性能立軸表曝機的應用使溝深達到或超過5m，從而大大減少占地面積，這種表曝機固定在水面以上，充氧過程在水面進行（主要通過設備旋轉攪動水流，激起水花，將空氣裹挾到水中，液面不斷更新，廢水與空氣不斷接觸），穩(wěn)定可靠，降低了日常維修量；配套卡控控制系統(tǒng)，通過在線溶氧儀連續(xù)測定溶解氧（DO）濃度，通過PLC，采用專門的多變量控制軟件，根據DO濃度及其相關信號可調節(jié)表曝機的轉速，將DO濃度控制在預設的水平上，可根據系統(tǒng)的實際運行負荷實時對設備運行狀態(tài)進行調整，從而節(jié)約電耗；采用完全循環(huán)延時曝氣系統(tǒng)，對入水水溫、水質和水量的波動有良好的抗沖擊負荷能力，而且污泥產率低，污泥穩(wěn)定，可減少污泥處理費用。

氣浮法是采用加壓容器氣浮、電解氣浮、散氣氣浮等措施在廢水中產生大量的微氣泡，在液體浮力和界面張力的共同作用下，水體中的懸浮物通過氣泡吸附、氣泡頂托、絮體吸附、氣泡裹攜等作用上浮到水面形成浮渣與水分離，從而達到去除水中污染物的目的。氣浮法效率的高低主要取決于廢水中微氣泡的總面積，而微氣泡的總面積與其直徑的平方成反比，理論研究及試驗表明，微氣泡直徑越小，氣泡吸附懸浮物的趨勢越強，吸附力越大。目前，國內外氣浮裝置產生的微氣泡直徑平均為50μm；與傳統(tǒng)氣浮裝置相比，本研究所用的氣浮裝置有三大突破：一是采用高頻共軌噴射強溶切割專利技術，高速旋轉產生強大離心力，微米級空氣集成噴射系統(tǒng)，使溶氣水濃度僅在3s內達到理論最大值且無濃度梯度，為形成大規(guī)模微氣泡提供保證，同時動力因子大幅度降低，用電成本隨之減少；二是采用微秒級快速相分離裝置，并用世界先進水平的均衡消能裝置取代傳統(tǒng)的釋放器，通過特殊結構使溶氣水中水分子和空氣兩個相在不到1μs內向不同方向高速分離，從而在瞬間聚集形成直徑為3～7μm（平均5μm）攜帶電荷的微小氣泡，從而在溶氣量相同條件下使氣泡密度呈幾何級數量增加，且集成化帶電氣泡改變了水的表面張力，吸附有色基團及部分親水性膠體，這是氣浮技術的革命性突破；三是運用“淺池理論”和“零速原理”進行設計，停留時間僅需3～5min，強制布水（通過氣浮的布水系統(tǒng)及無級調速裝置使進入氣浮池內的廢水在布水區(qū)及氣浮區(qū)的速度為0），進出水都是靜態(tài)的，微氣泡與絮粒的黏附發(fā)生在包括接觸區(qū)在內的整個氣浮分離過程，浮渣瞬時排出，水體擾動小，出水懸浮物低，出渣固含量高。與此同時，由提升泵提升至淺層離子氣浮時，在水泵入口加入聚合氯化鋁（PAC），在管道中充分混合絮凝；在進入淺層離子氣浮的管道中加入聚丙烯酰胺（PAM），經氣浮池底部混合管充分混合，緊接著與溶氣系統(tǒng)產生的部分帶電荷的微小氣泡混合，使微小氣泡與絮凝體、廢水中的污染物進行吸附、橋聯進入氣浮布水系統(tǒng)，這樣提高了污染物的去除效率。這些技術的綜合運用大大提高了高效淺層氣浮系統(tǒng)的處理效率：SS去除率＞90％、CODCr去除率＞85％、色度去除率＞80％，而且總運行成本與同類設施相比節(jié)省0.2～0.3元/t廢水。

根據廢水的水質特征，為確保廢水處理后穩(wěn)定達標排放，本著經濟、高效、穩(wěn)定的原則，綜合運用了改良型卡魯塞爾氧化溝和高效淺層氣浮先進技術，優(yōu)化的工藝流程如圖1所示。

圖1 廢水處理流程

3 主要設施及設計參數

為了滿足排水異常情況的需要，處理能力設計為25000m3/d，其主要設施及參數如下。

（1）進水水質

本工程采用國際先進的前置反污泥膨脹卡魯塞爾氧化溝工藝技術，進水水質要求如下：CODCr＜3000mg/L、BOD5＜1000mg/L、SS＜1000mg/L、AOX＜22mg/L、pH值6～9、水溫15～35℃。

（2）初沉池

設計輻流式沉淀池1座。設計流量25000m3/d，表面負荷0.83m3/（m2·h），直徑40m，H=4.0 m，池底坡度i=0.08。配2/3橋單周邊傳動刮泥機（PNZ2-40）1臺，N=1.5kW。

初沉池用螺桿泵排泥，設計排泥量Q=60m3/h，排泥濃度2.0％。選用螺桿泵2臺，Q=61m3/h、P=0.4MPa、N=15kW。

初沉池出水自流至生化處理系統(tǒng)（AB池+卡魯塞爾氧化溝），排泥輸送至污泥處理系統(tǒng)的混合污泥池。

（3）廢水冷卻塔

為滿足生化處理中微生物適宜的水溫要求，設置廢水冷卻塔。設計流量Q=25000m3/d。廢水冷卻塔的運行根據廢水的水溫進行控制，在夏季廢水水溫超過35℃時廢水經由冷卻塔進行降溫后進入AB池，正常時廢水由初沉池直接進入AB池。本設計廢水最高水溫45℃，冷卻后水溫35℃。選用Q=600 m3/h方形逆流噴霧中空廢水冷卻塔（PFNGP-600）2臺，該廢水塔內不設填料，以防止制漿廢水中纖維及SS的沉積。冷卻塔布置采用2臺組合式布置，N=2×22kW。

本工程的PFNGP-600冷卻塔較傳統(tǒng)冷卻塔主要有以下特點：一是采用S2-5-6.7型高效低壓旋流霧化裝置代替?zhèn)鹘y(tǒng)的聚氯乙烯（PVC）填料，徹底克服了填料老化、變形、脆裂、堵塞、溝流現象及填料碎片對工藝系統(tǒng)設備和管道的堵塞，冷卻水霧效果好（在0.5MPa下可將水噴射成0.25mm的霧滴），布水十分均勻，效率高；二是特殊防飄技術的合理應用有效抑制了冷卻塔飄水現象的產生，當冷卻塔風機處于滿負荷工作狀態(tài)時，冷卻塔的飄水損失可控制至0.001％以內；三是PFNG系列冷卻塔由于塔內無淋水填料，系統(tǒng)全壓（阻力）比傳統(tǒng)填料小40％，冷卻塔風機軸功率節(jié)省35％以上，配套電機功率較傳統(tǒng)冷卻塔低一級，節(jié)能效果十分顯著；四是大口徑旋流噴嘴的設計使冷卻塔對循環(huán)水濁度的適應性極強，對循環(huán)水濁度無特殊要求。

（4）AB池

AB池設計的關鍵點之一是水力停留時間的確定，應保證水中易降解的COD可被自由游動菌充分吸收和利用，從而其可保持持續(xù)的生長并不斷隨出水排出系統(tǒng)，與此同時絲狀菌的生長受到抑制。在AB池的設計中，需考慮下列因素：廢水中易生物降解COD（小分子脂肪酸、醇類等）及硫化物的性質和數量、微生物（絲狀菌和自由游動菌）的動力學特性、系統(tǒng)的布置及設備的選型等。根據該廠的廢水特征及實驗結果，AB池的主要設計參數如下：容積6387m3，水力停留時間（平均流量計）6.0h，水深4.5m，總長66m，總寬22m，設計CODCr負荷34750kg/d，設計硫化物負荷1750kg/d，水溫15～35℃，最大需氧量910kg/h（水溫35℃）。設備配置：OXYRAROR?表曝機3臺（完成充氧、攪拌和推流功能）、在線溶解氧測定儀1套等。

（5）卡魯塞爾氧化溝

卡魯塞爾氧化溝是本工藝的核心和關鍵，本工程中生化處理的主要目的是實現COD和BOD的去除，設計的關鍵是對容積、需氧量、水力等進行科學計算，然后確定主要參數的數值：總有效容積16000m3，處理能力25000m3/d，水力停留時間12.5h，設計CODCr負荷33000kg/d，有效水深4.5m（卡魯塞爾段），總寬55.25m，總長63.5m，溝道個數6，設計F/M比為0.476kg CODCr/（kgMLSS·d），水溫15～35℃，混合液懸浮物（MLSS）質量濃度4.5g/L，污泥負荷0.42kg CODCr/（kgMLSS·d），最大需氧量（水溫40℃時）840kg/h，污泥齡7.3d，污泥產量7.6t（干固）/d。設備配置：OXYRAROR?表曝機3臺，CARROUSEL系統(tǒng)核心設備用于充氧、推流和攪拌，并實現三者能量的最優(yōu)分配。

（6）回流污泥及剩余污泥系統(tǒng)

設計回流污泥池1座，直徑8m，H=5.3m。二沉池內沉降的污泥經吸泥機吸出，利用重力流入回流污泥池。設計污泥指數SVI=80～150，回流比R=50％～150％。選用回流污泥泵2臺（1用1備），采用潛污泵，型號350WQ1250-5-30，Q=1250m3/h、H=5.0m、N=30kW，采用變頻控制。

設計剩余污泥泵2臺（1用1備）。設計剩余污泥產量7.6t（干固）/d，污泥濃度0.8％，污泥流量Q=40m3/h。選用潛污泵，型號80QW50-10-3，Q=50m3/h、H=10m，N=3.0kW。剩余污泥回流至初沉池作為生物絮凝劑使用。

（7）高效淺層離子氣浮系統(tǒng)

均衡消能微氧化強溶溶氣裝置2套，單套處理量Q=700m3/h，配套回水泵、空壓機、儲氣罐、混合器、PAM泡藥機、氣浮浮渣貯泥池等。

（8）加藥系統(tǒng)

加藥系統(tǒng)的主要作用：一是污泥脫水前投加化學藥劑PAM對污泥進行調理，使微小顆粒凝聚成大顆粒，改善脫水性能［1］；由提升泵提升至淺層離子氣浮時，在水泵入口加入PAC，在管道中充分混合絮凝；在進入淺層離子氣浮的管道中加入PAM，經氣浮池底部混合管充分混合，接著與溶氣系統(tǒng)產生的部分帶電荷的微小氣泡混合，使微小氣泡與絮凝體、廢水中的污染物進行吸附、橋聯進入氣浮布水系統(tǒng)。二是向生化處理系統(tǒng)投加N、P營養(yǎng)鹽，廢水中的微生物生長需要適宜的營養(yǎng)元素，包括碳源、氮源、磷源等，因此，在活性污泥法處理廢水時應采取措施（如投加化學藥品）滿足其所需的營養(yǎng)元素，據研究，投加化學藥劑時，投加比例多采用BOD5∶N∶P=100∶5∶1［2］，本工程中投加尿素、磷酸三鈉作為營養(yǎng)物質，以滿足微生物的正常生長。三是向生化處理系統(tǒng)投加消泡劑，由于制漿造紙廢水中存在大量產生泡沫的物質，曝氣過程中因大量泡沫層覆蓋池面，影響表面曝氣池的充氧效果，本工程中通過投加有機硅消泡劑減少表面泡沫，以提高曝氣效率。

加藥設備選擇如下：

·PAM制備選用自動高分子制備裝置2套，規(guī)模Q=1000L/h。PAM投加選用螺桿泵4臺，Q=0.56m3/h、P=0.4MPa、N=0.15kW。

·尿素（N）加藥攪拌罐2臺，直徑2000mm、H=2500mm、N=0.75kW。配計量泵2臺，JM1000/0.4型，Q=1000L/h、P=0.1～0.4MPa、N=0.75kW。

·磷酸三鈉（P）加藥攪拌罐2臺，直徑2000mm、H=2500mm、N=0.75kW。配計量泵2臺，JM1000/0.4型，Q=1000L/h、P=0.1～0.4MPa、N=0.75kW。

·消泡劑儲藥罐1臺，直徑1000mm、H=2000mm。配計量泵1臺，Q=8.4L/h、P=0.4MPa。

4 運行中遇到的問題及解決措施

系統(tǒng)控制為卡控的自控系統(tǒng)控制，并通過特有的設計有效抑制了污泥膨脹現象，其運行管理較傳統(tǒng)方法更簡便，但在實際運行中，如何透過現象分析多種異常情況產生的原因并及時采取措施是確保處理效果的一個重要方面，運行實踐表明，該系統(tǒng)運行中遇到的問題主要有以下幾個方面。

（1）泡沫問題

在培菌的初期和運行中經常會在AB池內、卡魯塞爾氧化溝、二沉池等處產生大量泡沫，主要原因是：在AB池內充氧強度太大（使泡沫易于懸?。⑽勰酀舛容^低時某類微生物的過度繁殖、廢水中存在大量合成洗滌劑等。通過向AB池、曝氣池中投加泡沫抑制劑或向曝氣池中噴灑清水進行消泡。

（2）二沉池出水出現絮狀懸浮物

處理水混濁、污泥絮凝體微細化、處理效果變壞等是污泥解體現象，這主要是運行不當（如曝氣過量）或廢水中混入有毒物質所致。一般可通過顯微鏡觀察來辨別產生的原因，若是運行方面的問題，應對廢水量、回流污泥量、空氣量及污泥沉降比（SV）、MLSS、DO、N等多項指標進行檢查并加以調整；若確定混入有毒物質，應考慮是否有新的工業(yè)廢水混入，查清來源，進行局部處理。

（3）污泥脫氮及污泥腐化

在曝氣池內若污泥齡過長，消化程度高（一般硝酸銨質量濃度＞5mg/L），在沉淀池內產生反硝化，氮氣脫出附于污泥上，從而使污泥比重降低，污泥在沉淀池中呈塊狀上浮，產生污泥脫氮現象，為防止這一現象發(fā)生，應增加污泥回流量或及時排除剩余污泥。若污泥長期滯留而進行厭氧發(fā)酵生成氣體（H2S、CH4等），從而使大塊污泥上浮的現象（與污泥脫氮上浮不同，污泥腐敗變黑，產生惡臭）稱為污泥腐化，污泥腐化的防止措施：安裝不使污泥外溢的浮渣清除設備，消除沉淀池的死角，加大池底坡角或改進刮泥設備（不使污泥滯留于池底）。

表1 廢水處理效果

5 效益

（1）廢水處理效果

根據納污河段的環(huán)境功能需要，出水水質要求如下：pH值6～9、SS 30mg/L、CODCr90mg/L、BOD520mg/L。該工程自2010年6月投入運行后，處理設施運行穩(wěn)定、處理效率高，即AB池、卡魯塞爾氧化溝和高效淺層氣浮綜合處理制漿造紙廢水能夠穩(wěn)定實現達標排放，環(huán)境效益明顯（見表1）。

（2）總投資及運轉費用

項目總投資4000萬元，處理1t廢水的生產能力投資0.16萬元；運轉費用主要是設備電耗、化學藥品消耗等，經計算，廢水處理費用為1.802元/m3。投資及運轉費用合理可行。

6結語

制漿造紙廢水是有機物含量高、水質變化大、難處理的高濃廢水。AB池、改良型卡魯塞爾氧化溝和高效淺層氣浮綜合處理技術具有耐沖擊負荷能力強、去除率高、電耗低等特點，通過選擇合理的設施參數和科學的運行管理，能夠經濟、有效地處理制漿造紙廢水，可使SS、CODCr和BOD5的去除率分別達到97.0％、95.0％、96.8％（廢水的SS、CODCr和BOD5分別為900～1100mg/L、1200～1800mg/L和600～900mg/L），出水的SS、CODCr、BOD5分別為30mg/L、90mg/L、20mg/L，完全符合《造紙工業(yè)水污染物排放標準》（GB3544—2008）的要求。

［1］朱亦紅，魯 玲，等.Fe2+/H2O2法處理草漿紙廠廢水的影響因素研究［J］.環(huán)境污染治理技術與設備，2006，7（7）：91.

［2］張希衡.水污染控制工程［M］.2版.北京：冶金工業(yè)出版社，2003：89.