A_O工艺处理牛皮纸废水分级效能研究.pdf

2023年 第16期广东化工第50卷 总第498期111A/O工艺处理牛皮纸废水分级效能研究工艺处理牛皮纸废水分级效能研究田启平1，许猛1，郑平2，姚华奇1*，徐丽亚1，张峰1，陈晶晶1(1浙江省机电设计研究院有限公司，浙江 杭州311203；2浙江大学环资学院，浙江 杭州310030)摘要采用A/O工艺处理牛皮纸废水，通过对O池不同分级形成不同反应时间序列，考察COD去除率，构建O池的COD分级降解动力学模型，确定COD去除率与O池分格数n之间的关系。工程现场实验研究结果表明，O池分级数n从1级增加到3级，O池COD去除率显著提高，超过3级后，COD去除率曲线趋于平缓，说明在相同初始运试条件下，O池分级以3级为宜。关键词A/O工艺；COD去除率；牛皮纸废水；动力学特性中图分类号TQ文献标识码A文章编号1007-1865(2023)16-0111-04Research on Graded Efficiency and Dynamic Characteristics ofA/O Process in Kraft Paper Wastewater TreatmentTian Qiping1,Xu Meng1,Zheng Ping2,Yao Huaqi1*,Xu Liya1,Zhang Feng1,Chen Jingjing1(1.Zhejiang Institute of Mechanical&Electrical Engineering Co.,Ltd.,Hangzhou 311203；2.College of Environmental&Resource Sciences of Zhejiang University,Hangzhou 310030,China)Abstract:For the treatment of kraft paper wastewater by A/O process,the dynamic model of COD degradation was established through the removal rate ofCOD at different reaction times in the O pond.The relationship between the removal rate of COD and the number of compartments in the O pond was determined.The results showed that the number of compartments increased from 1 to 3,and the removal rate of COD in the O pool increased significantly.After exceeding 3,theremoval rate of COD tended to be stable.Under the same initial water quality condition,the O pool partition is suitable for 3 compartments.Keywords:A/O process；COD removal rate；kraft paper wastewater；dynamic characteristics近些年来，随着我国国内生产总值GDP的不断增长和国民收入NI的不断提升，居民的日常生活以及三大产业对纸制品的需求不断扩大，造纸行业也因此在平稳的发展之中，使得纸浆、纸板以及纸制品的产量也在不断增多。与此同时，造纸业的蓬勃发展不可避免的带来环境的严重污染。据统计，我国工业废水污染占总体水污染的70%以上，其中造纸工业废水污染是工业水污染中较严重的污染源1-2，2008年6月，国家环保部颁布了制浆造纸工业废水污染物排放标准(GB3544-2008)3。因此，将现有先进的废水处理技术应用于造纸工业，实现造纸废水的高效、绿色处理，不仅迎合了国家环境友好型社会和可持续发展的发展战略，也可实现国家节能减排这一总体目标。在众多造纸废水中，牛皮纸废水是一类含有大量的纤维素、木质素、无机碱以及单宁、树脂、蛋白质等的废水，存在色度深、碱度大、难降解有机物含量高等特征，需采用多级生化处理方能达标排放。A/O生化处理工艺在我国污水处理领域广泛应用，不仅大量应用于造纸废水处理4，同时也在生活污水处理、化工废水处理领域有所应用5-6。以往学者对A/O生化工艺处理造纸废水的研究主要集中在工艺特性研究上，但对A/O分级效能及降解动力学模型、参数研究较少，难以进一步降低建设成本。本文采用A/O生化工艺处理经预处理后的牛皮纸废水，对有机污染物(CODCr)降解过程进行分级效能及动力学研究，提出了A/O工艺合理O池分格设计建议，实现A/O工艺的高效运行5-6，对牛皮纸废水处理工艺设计及运行具有较好的参考借鉴价值，同时也能作为A/O工艺在养猪废水、印染废水等其他类废水处理研究中的模板。1工程概况工程概况1.1工艺流程广东某造纸有限公司主要生产牛皮纸，年产量10万吨，主要原料为再生纤维，最初以进口再生桨为主，随着进口固废新规出台，目前主要以国产废纸桨为主，产生废水量约40000 m3/d，污染物浓度有所上升，根据牛皮纸废水的水质水量特点，采用斜网+混凝沉淀+厌氧+A/O+深度处理组合处理工艺。斜网是由一组平行的金属栅条或筛网制成，安装在集水井后、提升泵前处，用以截留较大的悬浮物或漂浮物，如纤维、碎纸、毛发、木屑、塑料制品等，以便减轻后续处理构筑物的处理负荷，并使泵等各类设备能够正常运行。混凝沉淀是一种化学强化一级处理技术，其原理为通过凝集剂的作用使废水中的胶体和微细悬浮物凝集在凝集体上，再通过沉淀分离去除。因为凝结剂是电解质，它在废水中形成胶束，这些胶束被废水中的胶体物质电中和，形成堆积物。混凝沉淀不仅能去除废水中粒径为10-310-6mm的悬浮微粒，还能去除色度、油脂、微生物、氮磷、重金属和有机物等丰富的营养物质。在废水混凝沉淀过程中，影响混凝效果的因素很多：比如，对于不同的水样，同一混凝剂的处理效果可能因子废水的组成而有很大差异；又如，水温不同也会影响混凝沉淀的速率，主要表现为：(1)它影响水中试剂碱度的化学反应速度，对金属盐的凝结有很大影响，因为它的水解是吸热反应；(2)影响明矾的形成和质量。水温较低时，絮凝体型成缓慢，结构松散，颗粒细小；(3)水温低时水的粘度大，布朗运动强度减弱，不利于脱稳胶粒相互凝聚，水流剪力也增大，影响絮凝体的成长。该因素主要影响金属盐的混凝，但对聚合物混凝剂影响不大。造纸废水经过预处理单元后，仍存在大量的难降解有机物，故利用厌氧生物处理法将污水中大分子有机物降解为低分子化合物，进而转化为甲烷、二氧化碳。厌氧生物处理法分为酸性消化和碱性消化两个阶段。在酸性消化阶段，由产酸菌分泌的外酶作用，使大分子有机物变成简单的有机酸和醇类、醛类氨、二氧化碳等；在碱性消化阶段，酸性消化的代谢产物在甲烷细菌作用下进一步分解成甲烷、二氧化碳等构成的生物气体。影响厌氧消化效率的因素有很多，其中有机负荷是影响厌氧消化效率的一个重要因素，直接影响产气量和处理效率。在一定范围内，随着有机负荷的提高，产气率即单位重量物料的产气量趋向下降，而消化器的容积产气量则增多，反之亦然。对于牛皮纸废水这一具体应用场合，进料的有机物浓度是一定的，有机负荷或投配率的提高意味着停留时间缩短，则有机物分解率将下降，势必使单位重量物料的产气量减少。此外，温度和pH也是影响微生物生命活动重要的因素之一，一般情况收稿日期2023-03-07作者简介田启平(1970-)，男，湖南常德人，副高级工程师，硕士研究生，主要研究方向为水污染控制与治理研究。*为通讯作者。广东化工2023年 第16期第50卷 总第498期下，最佳的处理温度在3540左右，pH为6.87.2为宜。厌氧处理过后，造纸废水中出水COD、氨氮、总磷等污染物浓度仍不达标。因此，本方案在后续利用A/O工艺对废水中的有机物、氨氮、总磷进行进一步去除。A/O工艺流程简单，无需外加碳源与后曝气池，以原污水为碳源，建设和运行费用较低。该工艺主要的特点为反硝化在前，硝化在后，设内循环，以原污水中的有机底物作为碳源，效果好，反硝化反应充分。由于曝气池在后，使反硝化残留物得以进一步去除，提高了处理水水质。此外，O段的前段采用强曝气，后段减少气量，使内循环液的DO含量降低，以保证A段的缺氧状态，而A段搅拌，只起使污泥悬浮，而避免DO的增加。最后，A/O工艺后的二沉池出水进入深度反应池进行最后的深度处理，保证出水中悬浮物、有机物、总氮和总磷的达标。经过上述工艺处理后，牛皮纸废水出水可达 制浆造纸工业水污染物排放标准(GB3544-2008)表2标准。污水处理工艺流程见图1，运行现场见图2。图图1污水处理工艺流程污水处理工艺流程Fig.1Sewage treatment process(a)(b)图图2运行现场运行现场Fig.2Site of operation1.2工艺运行参数斜网设计倾角35，斜网目数100目，过水表面负荷512 m3/(m2h)。PAC投加量30 ppm(对废水)，PAM投加量1 ppm(对废水)。A/O系统的CODCr容积负荷为0.92.1 kg/(m3d)。本研究通过O池不同反应时间COD去除率变化，建立O池COD降解动力学模型，确定COD去除率与O池分格数n之间的关系。2 A/O池池COD降解动力学模型降解动力学模型经预处理后的牛皮纸废水主要含有可溶性有机物和胶体有机物，利用A/O池的活性污泥代谢作用，可将大部分有机物转化为CO2和H2O，同时还可将一部分合成自身的细胞物质7。活性污泥法是以活性污泥为主体的污水生物处理技术，它是通过采取一系列人工强化、控制的技术措施，使活性污泥中的微生物对有机污染物氧化、分解的生理功能得到充分发挥，以达到净化污水的生物工程技术。A/O池的活性污泥对有机物的降解为一级反应，其动力学方程为8：KXSdtds(1)其中：dsdtCOD去除速率，mgL-1h-1；K反应速率常数，L-1mgh-1；X活性污泥(VSS)浓度，mgL-1；SCOD浓度，mgL-1。对于连续流全混合反应器(O池)，可建立如图3所示物理模型：图图3连续流全混合反应器物理模型连续流全混合反应器物理模型Fig.3Physical model of continuous flow full mixing reactor对O池COD进行物料平衡，得9-10：0反应dtdsVQSQSe(2)其中：dsdtCOD去除速率，mgL-1h-1；Q-进水流量，m3h-1；V-O池容积，m3；S0进水COD浓度，mgL-1；Se出水COD浓度，mgL-1；代入式(1)得：0eeVKXSQSQS(3)整理后：)/(110QVKXSSe(4)O池水力停留时间ta为：QVta式(4)变形得：10aeKXtSS(5)2023年 第16期广东化工第50卷 总第498期113由COD去除率的定义和式(5)得：1001KX10010aaeKXttSSE(6)其中：ECOD去除率，%。3实验结果与讨论实验结果与讨论试验在广东某造纸有限公司连续进行15天，每天取O池水力停留时间ta为0、2、4、6、8、10、13、16、20、24共10个时间节点水样，经过滤后分析COD，得到各时间节点的S0、Se、S0/Se值如表1所示。表表1S0-S0/Se实验数据实验数据Tab.1Experimental date of S0-S0/Seta/h日期4.14.24.34.44.54.64.104.114.124.134.144.15平均值0S0/(mg/L)150714021825162613161454178915251678152518171492S0/Se01.001.001.001.001.001.001.001.001.001.001.001.001.002Se2/(mg/L)569545786632491554709578649582701562S0/Se22.652.572.322.572.682.632.522.642.592.622.592.652.594Se4/(mg/L)386393449402326371470339411377463347S0/Se43.903.574.064.044.043.923.814.494.084.043.924.304.026Se6/(mg/L)265290319314226257351259318294350242S0/Se65.694.835.715.195.835.665.095.895.285.195.196.155.478Se8/(mg/L)212192248203185194268203247214247191S0/Se87.117.307.358.007.137.506.677.506.797.137.357.837.3010Se10/(mg/L)179169224187167164207166196170206168S0/Se108.428.308.158.717.868.898.639.178.548.988.828.878.6113Se13/(mg/L)161140195159133146184140166153185145S0/Se139.410.009.3410.219.919.989.7110.8810.1010.009.8010.319.9716Se16/(mg/L)146132187152127140176132155144176142S0/Se1610.310.589.7810.6910.3910.4010.1711.5210.8010.5810.3210.4810.5020Se20/(mg/L)142130183148124136172130151135168135S0/Se2010.610.809.9811.0210.5810.6910.3711.7611.1411.2610.8011.0210.8324Se24/(mg/L)138127181143121132169129148133167133S0/Se2410.911.0210.0911.3710.9111.0210.5911.8711.3711.4910.9111.2511.07根据表1，可得表2中的ta与S0/Se及E关系数据表。表表2S0/Se、E-ta数据表数据表Tab.2Experimental date of S0/Se,E-tata/hS0/SeE/%01.000.022.5961.444.0275.165.4781.787.3086.3108.6188.4139.9790.01610.5090.52010.8390.82411.0791.0根据表2，可得如图4所示曲线。图图4S0/Se-ta、E-ta关系图关系图Fig.4Relationship diagram of S0/Se-ta,E-ta由图4可以看出，在ta为8 h时，COD去除率E即可达到86.3%；S0/Se在ta为013 h的范围内，与ta基本呈线性关系，其线性回归图如图5所示。图图5S0/Se-ta线性回归图线性回归图Fig.5Linear regression of S0/Se-ta根据S0/Se-ta线性回归图可得斜率KX为0.7331，拟合方程如下：7331.010aetSS(7)假 设O池 分 成n格，每 格 体 积 相 同，即：V1=V2=Vi-1=Vi=Vn，则 每 格 停 留 时 间 相 同：ta1=ta2=tai-1=tai=tan，每个反应池的反应状态接近连续流完全混合状态，其物理模型如图6所示。广东化工2023年 第16期第50卷 总第498期图图6连续流完全混合状态物理模型连续流完全混合状态物理模型Fig.6Continuous flow fully mixed state physical model按(7)式，第i个反应槽的动力学模型如下：7331.011iiaitSS(8)各动力学方程式两边相乘得：)7331.01(.110211naniinitSSSSSSSS整理得：)7331.01(n 0iantSS(9)变形得：)7331.01(0nanitSS(10)对于牛皮纸废水，S0按2000 mg/L设计，O池总水力停留时间t设计为12 h，则tai=t/n=12/n，代入(10)式并整理得：)/7972.81(2000nnnS(11)将n=1、2、7、8代入(11)式和(6)式，数据整理如表3。表表3Sn-n、E-n数据表数据表Tab.3Experimental date of Sn-n,E-nnSn/(mg/L)E/%1240.188.0291.995.4349.097.6431.198.4521.998.9616.699.2713.399.3811.099.5根据表3，可得图7。图图7Sn-n、E-n关系曲线关系曲线Fig.7Relationship curve of Sn-n,E-n由图7可知，E随分格数n增加显著上升，起初上升速率快，后期趋于平缓，在n大于3格后，E变化很小。综上，本工程采用A/O工艺处理牛皮纸废水，设计进水COD 2000 mg/L，O池停留时间12 h，利用O池COD降解动力学模型和多级串联完全混合反应器物理模型分析，确定了COD去除率与分格数n之间的关系，结果表明，分格数n从1增加到3时，O池COD去除率显著升高，超过3后，COD去除率趋于平稳；从出水COD来看，分格数n在2以下时难以达到制浆造纸工业水污染物排放标准(GB3544-2008)表2标准，说明在满足出水水质达标的的前提下，O池分隔数为3格时可以达到成本最低。4结论结论(1)本文通过对A/O工艺中COD降解过程的动力学分析，建立了牛皮纸废水O池COD降解动力学模型，结合多级串联完全混合反应器物理模型分析，确定了COD去除率与O池分格数n之间的关系。(2)一方面，O池分格数n从1增加到3时，COD去除率显著提高，超过3后，COD去除率趋于平稳；另一方面，O池分格数n在2以下时难以达到 制浆造纸工业水污染物排放标准中的出水水质要求。因此，牛皮纸废水O池分格数为3格可以兼顾出水水质和经济性。(3)目前国内外对A/O分级效能及降解动力学模型、参数研究较少，本研究工作能给类似工程提供有益借鉴，同时也能作为A/O工艺在养猪废水、印染废水等其他类废水处理研究中的模板。参考文献参考文献1叶细首 微生物在造纸工业废水处理中的应用探讨J 智能城市，2021，7(12)：115-1162刘晓，陈正起 造纸废水污染治理现状及对策探究J 现代盐化工，2021，48(02)：20-213王锐刚，郭方峥 生化法处理造纸废水的试验研究J 环境科学与管理，2017，42(8)：103-1064田启平，郑平，傅德龙 斜网-混凝沉淀-A/O工艺处理白卡纸废水J 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