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几种制浆造纸废水的生化处理工艺小结
摘要：针对这两年工作中遇见的制浆造纸废水的水质进行了整理，对于其采用的生化工艺进行了分阶段说明，指出了设计中常用的参数以及实际运行中的注意事项。此外，对于好氧生化工艺中关键的曝气设备，还进行了比较和分析。
关键词：制浆造纸废水，预处理，厌氧系统，好氧系统，曝气设备
1. 几种制浆造纸废水水质及其处理工艺（见表1）
表1：近两年接触到的几种制浆造纸废水水质及其处理工艺
废水种类
杨木化机浆
废纸脱墨浆
非脱墨OCC
硫酸盐漂白竹浆
排水量（m3/adt）
18～20
16～20
10～12
37
SCOD负荷（kg/adt）
130~160
35~50
26～30
60（TCOD）
BOD负荷（kg/adt）
70~80
20
15～20
24
SS负荷（kg/adt）
15~20
25~30(网后)
20～30(网后)
14.8
温度（℃）
65
47
47
55
实例
河南焦作、濮阳
山东华泰
东莞玖龙
贵州赤天化
实例采用的工艺
厌氧＋好氧
好氧*
厌氧＋好氧*
好氧
最终不可生物降解SCOD（kg/adt）
13～16
1.8～2.5
0.5～0.6
――_
值得指出的是，废纸脱墨浆废水，除了表1中实例采用的好氧工艺外，也有采用厌氧＋好氧工艺的，同样，OCC废水除了表1中实例采用的厌氧＋好氧工艺之外，也有采用单纯好氧工艺的。这两种废水SCOD浓度接近2000～3000mg/L，究竟采用何种工艺，应该针对具体的项目做投资和运行成本的比较之后再行决定。
下面就整个生化系统工艺流程进行分阶段说明。一般可以分为预处理，厌氧系统和好氧系统三个阶段。

2．预处理系统
预处理系统一般有格栅，斜筛，初沉，调节，冷却，中和以及事故池等设施。预处理的主要目的，是为后续的生化处理系统提供一个良好的废水水质环境，有助于生化系统的顺利进行。
（1）斜筛：对于废纸脱墨或非脱墨废水，由于水中SS较高，一般可达到3000～4000mg/L甚至更高，故在进入初沉池之前先设斜筛去除部分SS并回收浆。例如东莞玖龙OCC废水，就设置了50目的斜筛，倾斜角度50度。斜筛SS去除率约为30％。
（2）初沉：通常表面负荷在0.6～0.8m3/(m2·h)左右，在加药的情况下，可提高至1.0m3/(m2·h)。设计SS的去除率一般为60~80％，去除1kgSS可带走0.8kg～0.85kg COD，0.2kg BOD。当加药为PAM时，加药量按1吨初沉池的污泥加药1~3kgPAM计。也可以采用PAC、PAM联合加药，具体加药方案最好针对给定的水质做小试试验后再行确定。
（3）调节池：水力停留时间HRT=2～4h，内设潜水搅拌器以避免SS沉降，并起到均匀水质水量的作用。
（4）冷却：不管是厌氧生化还是好氧生化，温度一般控制在30～40度。故对于杨木化机浆以及废纸脱墨废水和OCC废水，都需要用冷却塔进行冷却。冷却塔填料采用防腐木材。
（5）事故池： 为了防止生产工艺事故或者检修冲洗等操作导致的废水进水COD浓度以及pH发生大幅变化，如碱回收系统的黑液泄漏等，现在的污水处理厂都设置事故池，也叫应急池。HRT＝2～6h。事故池中的水采用小流量水泵慢慢的打入初沉池或者调节池等后续处理工艺，尽量避免对后续生化系统造成冲击。

3．厌氧系统
厌氧系统主要包括预酸化池，循环罐，厌氧反应器，沼气处理系统，废气处理系统等设施。
（1）预酸化池：停留时间HRT＝2～4小时，在这里进行有机物的水解酸化过程，大量的高分子有机物水解为甲酸、乙酸、丙酸等挥发性脂肪酸，以达到工艺要求的预酸化度。预酸化度太低，则在厌氧反应器酸化速度会大于产甲烷速度，容易引起厌氧反应器的酸败；预酸化度太大，会使厌氧反应器中产酸菌的数量太少，也不利于颗粒污泥的保持。实践证明，预酸化度控制在30～50％之间较为合适[1]（实际上在预处理阶段就已经开始酸化了）。预酸化池同时也可以作为调节池，对废水的营养盐及pH进行调节。如果初沉池出水预酸化度偏低，可选择在预酸化池投加营养盐以刺激产酸菌的繁殖，有助预酸化的顺利进行[1]。
（2）循环罐：对于不同的水质和不同的厌氧工艺，循环罐的设置也不同。其主要作用是保持和控制厌氧反应器的水力上升流速，并对废水的pH进行缓冲调节，减少调节pH所需的碱量。循环罐也可作为营养盐的投加点，当废水经过初沉和预酸化后，其预酸化度已在合适范围内，选择循环罐投加营养盐可防止在预酸化池投加导致的产酸菌的过度生长[1]。
（3）添加营养盐：生化系统营养盐的添加一般以剩余污泥产量来计算。剩余污泥中含N 8％，含P 1.6％，系统只要补充由于剩余污泥的排放损失掉的N、P即可。通常为了计算简便，采用 CODred：N：P＝300：5：1或BODred：N：P＝100：5：1添加。但对于那些污泥产量比较小的特殊工艺，就应该根据剩余污泥产量来进行计算。
（4）厌氧反应器：常用的有IC，EGSB，UASB等[6]。对于厌氧工艺，控制好废水的pH，温度，VFA（挥发性脂肪酸），ALK（碱度），以及营养盐的投加至关重要。其中pH应控制在7左右，VFA应控制在5mmol/L以下，VFA/ALK比值控制在0.3以下。如果VFA过高，可以提高循环废水流量或在预酸化池加碱提高pH值。
（5）沼气处理系统：包括沼气的收集，沼气稳压柜，冷凝水箱以及火炬等。沼气也可以用来发电，但目前造纸厂还没有实际应用。沼气理论产量一般为0.5m3/kgCODred计。
（6）废气处理系统：由于厌氧过程会产生H2S等废气，故厌氧系统的水池都应该加盖，废气通过废气风机的收集，可以送至曝气池进行氧化以去除臭味，也可以采用涤气塔，用碱液进行洗涤。

4. 好氧系统
好氧系统包括曝气池和二沉池等。造纸废水处理中二沉池一般表面负荷为0.5～0.6m3/（m2·h）。污泥回流比100～150％。
好氧工艺目前经常采用的有PURAC的选择器＋射流曝气工艺；DHV的ABR+卡鲁塞尔氧化沟（下简称卡沟）工艺；Aquaflow的MBP+选择器＋曝气池工艺；ADI的SBR工艺等。下面分别作简单介绍：
（1）PURAC： 选择器＋射流曝气
根据需要，选择器为缺氧或者好氧选择，原理为高负荷抑止丝状菌导致的污泥膨胀。故二沉池污泥回流至选择器。选择器的设计以HRT进行计算，通常HRT=1.0h，COD的去除率在20～30％。曝气池则以污泥负荷设计，一般取0.5kgCOD/VSS.d，污泥产量0.2kgVSS/CODred，AOR＝0.716CODred。
曝气采用MTS射流曝气。每一个曝气装置在一定的水深条件下，随着出口风量的增大，氧的利用率降低，无限大时趋于一稳定值，而氧的动力效率，则随出口风量的变化呈现开口向下的抛物线型，也即动力效率有一个最佳值即为拐点。设计时，确定好水深以后，利用拐点确定额定风量及最佳动力效率，然后在该风量下得出氧的利用效率。例如，每个MTS曝气器在不同水深时的参数见表2：
表2：MTS曝气器在不同水深时的额定参数
水深(m)
额定气量（m3/h）
动力效率kgSORO2/kWh
氧利用率E（％）
3.1
35.4
1.5
10
6.1
47.2
2.1
25
9.1
61.95
2.7
31
12.2
67.85
3.0
45
15.2
68
3.2
50
实际运行中，射流曝气水深范围通常在6～10m之间。水深太低，射流曝气的动力效率，氧利用率没有优势，水深太高，虽然可以节省占地，但是土建造价将上升。值得注意的是，表2中的动力效率不含循环泵的动力消耗，仅为鼓风机的动力消耗。循环泵的流量一般为风量的40～50％。
（2）DHV：ABR+Carrousel氧化沟
该公司的防止污泥膨胀反应器（ABR Aerobic Bioreactor）也是为了防止污泥膨胀而设置的。与一般的选择器有两点不同之处：其一没有污泥回流，二沉污泥回流至卡沟。其二ABR池中有曝气，一般的选择器可以为缺氧也可以是好氧。ABR的原理就是在曝气和添加营养盐的条件下，强化水中原有的优势菌种。在设计中，ABR以HRT进行设计，造纸废水一般HRT=5~6h，COD去除率为25～35%，AOR＝CODred（没有污泥回流，没有剩余污泥的排放。）
卡沟以污泥负荷进行计算，通常取值为0.45～0.55kgCOD/kgVSS.d。污泥产率以及AOR的计算与PURAC的曝气池类似。曝气装置为表曝，动力效率一般取2.1kgSORO2/kWh。从整个好氧工艺而言，DHV与PURAC相比，具有氧气消耗高，污泥产量小的特点。
（3）Aquaflow：MBP+选择器＋曝气池
MBP：minimum biomass product，最小污泥产量工艺。与DHV公司的ABR类似，在曝气和添加营养盐的条件下强化原水中的优势菌种，具有很强的抗负荷能力，可以取消预处理调节池的设置。但与DHV不同的是，该公司认为MBP不具备防止污泥膨胀的能力，故曝气池前面还增设了选择器。
（4）ADI：SBR工艺
序批式反应器（SBR Sequencing Batch Reactor），具有污泥沉降性能好，不需二沉池，不需污泥回流，操作简单，进水排水不同步，不可能发生短流等优点[2]，通常为多池系统，根据滗水器能力的大小，整个系统可以实现连续进出水，但也可能是连续进水间歇出水。工作周期通常为4～8小时，进水可以是限制性进水，也可非限制性进水。各阶段时间分布举例： 周期为6h，静态进水60min，曝气进水30min，曝气150min，沉淀50min，滗水70min。充水比为0.15～0.3，最大水深6～9米，采用池底曝气的方式，一般为微孔曝气或射流曝气。
（5）曝气设备的比较
在好氧生化处理系统中，曝气设备作为生化系统的核心，直接关系到系统的运行成本和处理效果。目前造纸废水好氧处理中常见的曝气方式主要有微孔曝气（管式或盘式），射流曝气，潜水曝气（自吸或鼓风），表曝等。曝气的过程除了供氧以外，还起到搅拌混合作用，使活性污泥混合液保持悬浮状态，与污水和溶解氧充分接触混合。
曝气过程中影响氧转移的主要因素有：
①水质：不同废水水质，α、β不同。其中α为氧转移系数的修正，β为氧在水中饱和度的修正。造纸废水β通常取0.95。
②水温：水温对氧转移有两种相反的影响。水温增加，液体粘度降低，扩散度增加，氧转移系数增加，但是，水温增加将导致水中饱和溶解氧浓度下降，废水中氧的浓度梯度减小。实际水温控制在30℃以下。
③氧分压（气压）：气压不同，饱和溶解氧不同。修正系数为ρ。鼓风曝气时氧利用率E不同，导致废水表面的氧分压不同，也应修正。
实际计算时，先根据COD的去除量计算出污水需氧量AOR，然后根据以上几个因素进行修正计算出SOR，根据SOR进行曝气器和鼓风机的选型。几种曝气设备使用效果比较见表3。
表3：几种曝气设备的比较
指标
微孔曝气
射流曝气
潜水曝气机
表面曝气
氧利用率
25～30
25~30

清水动力效率
2.5～3.0
2.1~2.8
2.0～2.2
2.1
充氧修正系数α
0.5~0.7
0.85~0.95
0.7~0.85
0.85~0.95
搅拌效果
较差
最好
较好
较差
堵塞
严重
不会
不会
不会
维修量
高
低
中
低
建议水深
6米
6～10米
6～10米
5米以下
气味、噪音、水雾的弥漫
无
无
无
加盖可以解决
泡沫的产生
都有可能产生，这与工艺条件有关，而与曝气设备本身无关。
由于废水中存在溶解性有机物，特别是表面活性物质，如短链脂肪酸和乙醇等，这类物质属于两亲分子，它们将聚集在气、液界面上，阻碍氧分子的转移。因此引入α为氧转移系数的修正。由于机械式曝气具有驱赶两亲分子的聚集而降低氧转移阻力的作用，故表3中，机械式曝气的α较高，微孔曝气的α较低[3]。
曝气池泡沫产生一般有两个原因。第一是废水中的挥发性脂肪酸和表面活性物质导致的泡沫。这可以在厌氧过程中大量地去除，这就是采用厌氧预处理后好氧产生泡沫少的一个重要原因。另一个原因是好氧曝气池的污泥负荷。好氧菌处理有机污染物分为“吸附”和“消化”两个过程，如果好氧菌工作在高的污泥负荷下，它仅仅可以完成“吸附”过程而没有及时“消化”，这样一来好氧菌（污泥）的表面很脏，在鼓气的情况下很容易产生大量的泡沫。一般曝气池的负荷为0.15～0.2kgBOD/kgVSS/d，0.4～0.5kgCOD/kgVSS/d，负荷太高将导致泡沫的产生。
从实际应用来看，表曝结构简单，但曝气池深度有限，占地面积较大。潜水曝气机由于受单台功率所限，系统较大时设备台数较多，维修不是很方便。微孔曝气保证使用期限较短（一般为2～3年），膜易老化且易堵塞，运行维护多有不便，且微孔出气导致气体阻力增加，要求鼓风机压力较高。射流曝气设备材质为FRP和SS，具备不低于20年的使用寿命，运行稳定可靠，但是设备一次性投资较大。下面为几种曝气方式的图片：

图1 图2

图3 图4
注：图1：山东华泰 射流曝气
图2：射流曝气循环泵
图3：东莞玖龙 表曝（加盖）
图4：天津万利 微孔曝气（由于曝气器的局部堵塞，导致曝气池形成死角，曝气不均）
这些年纯氧曝气宣传比较多。对比以上几种空气曝气方式，纯氧曝气（通常纯度<97％）主要具有以下优点：首先氧转移速率快。这是因为纯氧在水中的溶解度大大高于空气中氧在水中的溶解度，造成氧转移浓度梯度增大[4] [5]。在水温25℃和一个大气压下，纯氧在水中的饱和浓度为39.9mg/L，而空气中氧在水中的饱和浓度为8.25mg/L。其次纯氧曝气可以大大降低活性污泥反应器体积。在传统活性污泥法中，受到充氧的限制，曝气池混合液浓度MLSS不可能太高，其值通常在3000～5000mg/L，而在纯氧曝气中，该值可以得到较大的提高，在污泥负荷一样的情况下，曝气池体积得以降低。另外纯氧曝气氧利用率高达85～90％，清水动力效率高达3～5kgSOR/kwh[4] [5]。但是实际工程中由于纯氧曝气设备一次性投资大，曝气系统复杂（还需增设制氧站），故目前造纸废水中还没有纯氧曝气的应用。
参考文献：
1. 陈志强. 采用厌氧－好氧技术处理制浆造纸废水[J]. 中国造纸.，2003，7：27
2. 刘俊超. SBR工艺在造纸废水处理的应用实例[J]. 国际造纸，2003，5：58
3. 刘俊超. 制浆造纸废水生化处理系统曝气方式的选择[J]. 中国造纸，2003，11：34
4. Peter A Barratt等. 废水生化处理中氧气的有效使用. AIR PRODUCTS技术论文
5. Chris D Thomas等. OXY-DEPTM VSA系统——废水处理领域的经典氧气曝气技术. AIR PRODUCTS技术论文
6. 陈芳. UASB及其改进型在制浆造纸废水处理中的应用比较 [J].中轻国际工程，2006，1：13～16