摘要:介紹了造紙工業中段水的來源、水質特點,著重陳述了造紙中段水的生化處理工藝,將生物接觸氧化方案、氧化溝方案及射流曝氣活性污泥方案三種方案作了闡述及技術經濟比較,并推薦類似污水處理項目優先選用射流曝氣活性污泥方案。
關鍵詞:造紙中段水;生化處理;射流曝氣活性污泥方案
造紙工業是一個用水量大、污染嚴重的行業。由于造紙廢水污染物濃度高、治理難度大,各國均將造紙廢水列為主要公害之一。據官方數據統計,全球造紙業生產、消費率以每年2%~3%的速度增長,而亞洲則以8.5%的增長率位居各大洲之首。我國造紙業在近10年來則以18%的增長速度居亞洲之首。造紙業高速發展的背后是沒有形成規模經濟、污染嚴重、原材料匱乏、產品結構不合理等一系列亟待解決的問題。初步統計數據顯示,2005年全國COD排放總量1413萬噸,與“十五”計劃提出的1300萬噸的總量控制目標相差113萬噸,未完成削減10%的控制目標。而造紙工業是排放COD的重點行業,草漿造紙是污染水環境的主要原因,同時污染治理設施沒有能夠完全及時配套,造成占全國工業COD排放總量半數以上的造紙行業的排污總量沒有得到有效控制。就我國造紙廢水的污染現狀而言,加強治理和監管力度,切實做到達標排放仍是當前造紙業環保工作的重中之重。
1 造紙中段水的來源與特點
造紙廢水是指化學制漿產生的蒸煮廢液(又稱黑液、紅液),洗漿漂白過程中產生的中段水及抄紙工序中產生的白水,本文主要介紹造紙中段廢水的處理方法。
中段廢水是指經黑液提取后的蒸煮漿料在篩選、洗滌、漂白等過程中排出的廢水,顏色呈深黃色,占造紙工業污染排放總量的8%~9%,噸漿COD負荷310kg左右。中段水濃度高于生活污水,BOD和COD的比值在0.20到0.35之間,可生化性較差,有機物難以生物降解且處理難度大。中段水中的有機物主要是木質素、纖維素、有機酸等,以可溶性COD為主。其中,對環境污染最嚴重的是漂白過程中產生的含氯廢水,例如氯化漂白廢水、次氯酸鹽漂白廢水等。次氯酸鹽漂白廢水主要含三氯甲烷,還含有40多種其它有機氯化物,其中以各種氯代酚為最多,如二氯代酚、三氯代酚等。此外,漂白廢液中含有毒性極強的致癌物質二惡英,對生態環境和人體健康造成了嚴重威脅。
2 造紙中段水的生化處理
2.1生化工藝選擇原則
為了使污水處理廠能達到預期目標,在生化工藝的選擇和設備選擇上主要考慮以下針對性措施:
(1)所選生化處理工藝必須技術先進、成熟,對水質變化適應能力強,運行穩定,能保證出水水質達到工廠使用標準及排放標準的要求。
(2)所選工藝應減少基建投資和運行費用,節省占地面積和降低能耗。
(3)所選工藝應易于操作、運行靈活且便于管理。根據進水水質水量,應能對工藝運行參數和操作進行適當調整。
(4)所選曝氣設備必須具有較高的氧轉移率,曝氣動力效率較高,節省動力消耗;為了防止并減少泡沫的產生,必須保證生化處理單元具有較大的污泥濃度,即混合液懸浮固體濃度應盡量高。
(5)所選好氧處理工藝必須具有較大的生化反應推動力,即底物濃度梯度(污泥負荷隨時間的變化值)大。也就是說,所選工藝對難生物降解污染物質有較強的分解氧化能力。
(6)耐沖擊負荷,對進水的水質、水量有巨大的稀釋能力,不會因水質水量的急劇變化而使處理系統癱瘓、停運、失去處理能力。
(7)適當選取較低的有機負荷,低負荷對可降解有機物分解徹底,可以達到較高的處理深度,確保排放水質,便于污水資源化回收利用;且污泥齡長,生物污泥合成量少,污泥處置費用低。
2.2生化工藝方案比較
針對以上特點,可供選擇的常用生物處理工藝方案主要有生物接觸氧化方案、氧化溝方案和射流曝氣活性污泥方案等。
2.2.1生物接觸氧化方案
生物接觸氧化又稱淹沒式生物濾池,實質是在曝氣池內填充填料,已經充氧的污水浸沒全部填料,并以一定的流速流經填料。在填料上布滿生物膜,污水與生物膜廣泛接觸,污水中的有機物在生物膜上微生物新陳代謝功能作用下被去除,污水得到凈化,生物接觸氧化是一種介于活性污泥與生物濾池兩者之間的生物處理技術,可以說是具有活性污泥法特點的生物膜法,兼具有兩者的優點。
為了節省運行費用,并提高污水的可生化性,在生物接觸氧化池前加厭氧水解調節池,將厭氧工藝控制在水解酸化階段,旨在利用厭氧條件下多種產酸菌的胞外酶分解水中長鏈有機物,產生有機酸、醇等,污水中的有機物水解酸化后,可生化性得到了提高,利于發揮后續好氧工藝的生物降解性能,使整個工藝能節能運行并使出水優良。
生物接觸氧化工藝的特點:
(1)體積負荷高,處理時間短,節約占地面積;
(2)生物活性高,有較高的微生物濃度;
(3)污泥產量低,不需污泥回流;
(4)生物接觸氧化法有時脫落一些細碎生物膜,沉淀性能較差,從而會造成出水中的懸浮固體濃度升高;
針對此種污水,生物接觸氧化存在以下缺點:
(1)設備比較復雜,管理比較繁瑣。
(2)填料的掛摸受水質、水量、溫度等的影響比較大,不容易管理維護。
(3)此種水質的鹽分、濃度較高,填料和曝氣頭容易發生堵塞現象,且設備使用壽命低、日常維護管理費用高,填料和曝氣大約每三年就更換一次,費用較高，同時也可以查看中國污水處理工程網更多關于生物接觸氧化工藝的技術文檔。
2.2.2氧化溝方案
氧化溝工藝是在傳統工藝基礎上完善、發展并靈活運用硝化反硝化技術的典型工藝之一。氧化溝在流程上采用連續環式反應池的原理,將碳源代謝、硝化、反硝化等一系列生物化學過程在一個閉合環路中連續進行,又名“連續循環曝氣池”。氧化溝呈封閉的溝渠型,流態呈推流式,溶解氧形成多重濃度梯度,同時具有完全混合和推流的特征。氧化溝一般為低負荷設計,而且氧化溝內循環流量大,為進水流量數十倍,使反應器具有很強的稀釋緩沖能力,這種均化能力帶來運行穩定,耐受沖擊負荷,提高沉淀效果,改善出水水質等一系列卓越的工藝特性。由于氧化溝的突出特點,近年來氧化溝工藝已在工業污水處理工程中得到了廣泛的應用,取得、積累了許多成功的經驗。但是氧化溝工藝由于技術性原因,機械曝氣效率低,使得污水處理廠只能用提高裝機功率來彌補,從而增加了投資和運行費用;此外,氧化溝的溝深不能過深,這就造成了相對于其它工藝,氧化溝的占地面積較大。
氧化溝工藝具有以下特點:
(1)對水質水量適應性強,可適用于小規模200噸/日污水處理廠,也可適用于大規模200萬噸/日的污水處理廠。
(2)處理效果好,BOD5去除率可達95～99%。
(3)曝氣機采用表面曝氣,檢修方便,運行可靠。
(4)工藝流程簡單,構筑物少,操作維護簡便。
(5)處理效果穩定,出水水質優良可靠。
(6)污泥產量少,污泥性質穩定,節省污泥消化系統。
(7)具有較強的抗沖擊負荷和適應水質變化的能力。
氧化溝工藝的缺點如下:
(1)占地面積大,設備多,投資較高。
(2)設備裝機功率大,設備閑置率高。
(3)充氧率低,運行費用高。
2.2.3射流曝氣活性污泥方案
活性污泥法于1914年由英國人Ardernh和Locbett實驗成功,是最常見的污水生物處理方法,污水在經過初步沉淀去除各種大塊顆粒之后送到好氧反應池,在池中通過曝氣或攪拌供給氧氣。在活性污泥法中,經處理后排出的水中的大部分活性污泥被沉淀下來返回反應池,這樣可以維持很高的微生物密度和活性。當污水停留在好氧反應池期間,一部分有機物被處理成無機物,另一部分轉化為微生物細胞物質,從而使污水得到凈化。在中低濃度有機污水處理中,活性污泥法是使用最多、運行最可靠的一種方法。在國內,由于技術成熟,技術分支較為廣泛,且投資省、易啟動、處理效果好等優點而得到廣泛運用。但傳統活性污泥法由于曝氣動力消耗大,每噸污水處理費用居高不下,同時在用空氣曝氣時容易產生泡沫,造成難以充氧,管理不好則易產生污泥膨脹,產生大量的污泥等原因,使其在應用上受到了限制。
射流曝氣活性污泥法是在傳統活性污泥法的基礎上發展起來的,通過改變傳統的曝氣方式來提高氧的利用效率。
射流曝氣是介于機械曝氣和氣泡擴散裝置兩者之間的一種曝氣設備,它是自20世紀40年代開始應用的。隨著不斷的研究開發應用,現在的射流曝氣形狀已發生了根本改變,普遍采用直徑25mm以上的新型防堵塞型噴嘴。現在普遍采用的射流曝氣頭基本都采用同一原理,其是將大量的循環水和低壓空氣在一個專利的噴嘴里混合。射流曝氣活性污泥法的核心設備是高效泵循環射流曝氣器。其工作原理是:由循環水泵提供工作水,由鼓風機提供壓縮空氣。當工作水與壓縮空氣由噴嘴噴出射向池內液體時,由于高速的射流與周圍低流速液體的速度差及能量差,引起射流邊界與周圍液體發生劇烈混摻,邊界上低能量液體被卷吸入射流中,并在擴大的射流中被吸收、加速、混合。同時,在射流與周圍液體交界處理存在較大的剪應力,使射流邊界上形成旋渦和紊流。這樣,使污水得到充分的充氧曝氣。
射流曝氣活性污泥工藝具有以下特點:
(1)射流曝氣的動力效率、氧的轉移效率高,具有高效節能的優點,運行費用比較低。
(2)曝氣所需引射水由循環泵提供,曝氣所需的空氣由羅茨風機提供,可根據溶解氧情況對鼓風機進行變頻控制,能最大限度地節約能耗。
(3)射流曝氣頭采用不銹鋼材質,噴嘴采用耐磨合金材質,使用壽命長;不存在堵塞問題;水中無運轉部分,需檢修設備均在池外,運行管理、維護均非常方便。
(4)采用了組合式設計,安裝簡便。
(5)由于直接向噴嘴部分供氣,不會產生過渡混合,減少了有味氣體逸出。
(6)與其他工藝相比,污泥沉降性能與出水穩定方面具有優勢。
3 結論
通過以上論述及技術經濟比較可以看出,射流曝氣活性污泥工藝和氧化溝工藝在大規模的高濃度污水處理中有較成功的經驗,生物接觸氧化工藝在小規模的工業污水處理中也有很成熟的經驗,但由于受其工藝復雜性限制,不宜在大規模的工程中應用。對于企業的污水處理,其水處理的成本直接關系到產品的成本,直接關系到企業的競爭力和生存。所以我們近幾年在污水處理的運行節能方面作了大量的研究,在綜合考慮氧利用率、設備維護費用、設備使用壽命等要素下,集微孔曝氣和機械曝氣的優點而推出了射流曝氣。通過以上比較可以看出,射流曝氣在工程投資、設備要求、維修保養、曝氣設備使用壽命方面均具有明顯的優勢,并且射流曝氣活性污泥工藝在我國造紙污水處理方面得到了廣泛的應用,采用該工藝投產后運行穩定,處理效果良好,所以在類似項目的污水治理工程中生化段推薦使用射流曝氣活性污泥工藝。
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