涂布白板纸生产废水厌氧-好氧处理工程实例研究

Posted 2023-01-12 生产废水

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针对以废旧纸箱和书本报纸为原料的涂布白板纸生产废水的水质特点，采用调节、沉淀预处理，UASB和好氧活性污泥法生物处理，辅以混凝沉淀作为后处理的处理工艺流程。预处理不添加任何混凝剂，生物处理不需要添加任何营养盐，厌氧生物处理和好氧生物处理的HRT分别为8.0和10.6h，对于溶解性CODCr的削减，厌氧处理的贡献大约为好氧的6.5倍。同时，由于采取了纤维和污泥回用、厌氧技术及减少混凝剂的使用量等措施，剩余污泥量可减少70%以上，并节约了大量的电能。在节水条件下处理出水稳定达到DB61/224—2011《黄河流域(陕西段)污水综合排放标准》一级标准的要求。
造纸工业既是用水大户，也是污染物排放大户，造纸工业节水减排对节约水资源和保护环境意义重大。因此，我国对造纸工业用水定额和废水排放标准做了多次修订，不少地方还出台了更为严格的地方标准。目前，普遍采用的混凝-好氧处理工艺难以满足国家和地方对用水定额和废水排放标准不断提高的要求，为此一些复杂的深度处理技术被推荐使用，如高级氧化、吸附、膜过滤等[1-7]，经过这些方法处理后，出水虽然可以达到排放标准的要求，但却存在投资大、运行成本高等问题。
西安万隆造纸厂采用厌氧-好氧生物处理为主、辅以混凝沉淀作为后处理的工艺处理涂布白板纸生产废水，取得了较好的处理效果，在2011年处理后出水就达到了DB61/224—2011《黄河流域(陕西段)污水综合排放标准》的要求。该涂布白板纸生产废水处理工艺简单、节能，能够达到较高的出水水质标准的要求。本文对该工艺流程加以分析讨论，以期对其它造纸企业工业废水处理提标改造提供参考。
1.工程概况
1.1废水水质、水量
该企业以本地废旧纸箱(约占原料总量的55%)和书本报纸(约45%)为原料，生产定量为150～320g/m2的涂布白板纸，年产3.4万t，生产采用的原料和生产工艺过程具有典型性。该企业对废水采用分级回用，因此在预处理阶段的处理水量约为4000m3/d，实际进入生物处理阶段的平均废水量为1200m3/d。
车间排出水的水质指标如表1所示。

1.2废水处理工艺流程及说明
涂布白板纸生产废水处理工艺流程如图1所示。

1.2.1预处理工艺
车间内经多次循环用水后大约有4000m3/d的废水进入2道串联内流式六角筛(最大目数为120目)回收纤维后，到达有效容积为1200m3的调节池(HRT为7h)，此处约有1800m3/d的废水回用于水力碎浆机，剩余废水进入辐流式一沉池。为便于密度较轻的纤维沉降，一沉池设计的表面负荷为0.6m3/(m2.h)。一沉池部分出水(1000m3/d)回用于车间洗选工段，作为喷淋水和稀释水，剩余废水(1200m3/d)进入生物处理系统。
1.2.2生物处理工艺
采用UASB和好氧活性污泥法相结合的生物处理工艺。好氧生物处理的曝气采用射流曝气器，使用1台7.5kW的风机和1台4kW的水力循环泵。射流曝气器与广泛使用的微孔曝气比较，具有节能、无堵塞、可靠性好的优点。生物处理系统各反应器的有效容积和实际运行中的平均有机负荷如表2所示。

好氧生物活性污泥池采用廊道式布置，进入端DO的质量浓度为0.3～0.5mg/L，中部DO的质量浓度逐渐增加，接近出水处的DO质量浓度控制在3mg/L以下。
1.2.3后处理工艺
采用混凝沉淀作为后处理工艺。二沉池出水依次投加PAC200～250mg/L、PAM2～3mg/L，经混合、反应后进入平流沉淀池，该平流沉淀池沉降面积为90m2，长宽比为3.6，表面负荷为0.65m3/(m2.h)。
1.3分析方法
各项水质指标均按照《水和废水监测分析方法》(第4版)的要求进行分析。
2.结果与讨论
2.1废水水质分析
涂布白板纸生产废水具有CODCr和SS浓度高的特点。由表1可知废水CODtot、TSS的质量浓度分别高达2518和1482mg/L，但CODfilt的浓度还不到CODtot的一半，这表明TSS是涂布白板纸生产废水CODtot的主要贡献者。TSS与VSS的质量浓度的差值为581mg/L，表明灰分是TSS的主要贡献者。灰分主要由涂布白板纸生产原料中的滑石粉、瓷土等填料构成，VSS的主要来源是细小纤维。从m(BOD5)/m(CODtot)和m(BOD5)/m(CODfilt)的值分别是0.36和0.85来看，经去除无机灰分和难以生化的细小纤维后，涂布白板纸生产废水的可生化性得到了较大的提高。
计算[m(CODtot)-m(CODfilt)]/m(VSS)，得到结果为1.60g[CODCr]/g[VSS]。也就是说，如果分离1gVSS，理论上将减少1.60gCODCr。这个数值较理论值偏高，这是由于在过滤时，SS对胶体有机物的截流吸附引起的，这个截留吸附在实际的预处理过程中也将存在。因此这个数值对于类似工业废水处理的预处理效果的预测是有价值的。
涂布白板纸废水中含有一定N、P化合物，它们主要来自于油墨、油墨中的胶料和涂布生产环节中涂布液含有的胶料。
2.2预处理阶段分析
2012年4月份废水预处理结果如表3所示。

预处理过程没有使用任何化学药物。从表3可以看出，经过预处理后，废水中VSS、CODtot的浓度大幅度降低，去除率分别达到83.8%和54.5%。可见预处理阶段CODtot的去除主要来自于废水中VSS的减少。m(△CODtot)/m(△VSS)为1.87，这个结果大于废水的预估值1.60，其原因是废水中有机物除被截留吸附外，还会产生一定程度的生物降解，这也可以从CODfilt和BOD5的去除率分别为15.4%和17.7%得到印证。埃肯费尔德对9家纸板厂生产废水预处理阶段的研究结果也表明，废水的BOD5去除率在10%～25%范围内，而SS去除率在80%～90%之间。
在废水的UASB处理中，进水SS的质量浓度高于300mg/L时会引起生物污泥的流失。废水经预处理后，平均TSS的质量浓度降低到229mg/L。由于SS的去除，CODfilt在CODtot中的比例由42.8%上升到79.7%。预处理后，废水中TP的去除率约为70%，m(BOD5)∶m(N)∶m(P)相当于593∶7.84∶1。这个比值满足厌氧生物处理对营养物的需求。
2.3生物处理阶段分析
连续运行中各处理单元的平均进、出水水质如表4所示。
UASB的设计负荷为6kg[CODCr]/(m3.d)，实际在运行中只有3.44kg[CODCr]/(m3.d)，考虑到冬季的低温影响，这个负荷实际并不算低。表4显示出厌氧生物反应器的CODtot、CODfilt和BOD5的去除率分别达到76.1%、81.4%和85.8%。但是厌氧出水SS的浓度仍较高，使得出水中CODtot浓度大大高于CODfilt。厌氧处理后废水的生物可降解性降低。表4表明，虽然活性污泥对BOD5的去除率很高，但对CODtot和CODfilt的去除率分别只有62.0%和67.5%。厌氧处理后出水的BOD5、TN、TP的质量浓度分别为107、7.83和1.13mg/L，这非常接近典型的好氧微生物营养需求比例，即m(BOD5)∶m(N)∶m(P)=100∶5∶1。可以说，本工程在好氧阶段的N、P的去除是由微生物对营养的吸收利用形成的。
二沉池出水在滤纸过滤前、后的TN的质量浓度分别为7.81、2.53mg/L，TP的质量浓度分别为0.31、0.09mg/L，这说明生物处理后的TN和TP主要存在于SS中，也可以辅助说明N、P被微生物利用并转移到细胞物质中。
活性污泥池的泥水混合物的质量浓度为4.78mg[MLVSS]/L，以此得到平均的污泥负荷为0.14g[CODtot]/g[MLVSS]、0.080g[CODfilt]/g[MLVSS]及0.051g[BOD5]/g[MLVSS]。活性污泥池的MLVSS通常被认为是好氧生物细胞，但是进入活性污泥池的废水中含有不少细小纤维等惰性物质。若以MLVSS表达具有活性的细胞，会有虚假的偏高。
埃肯费尔德曾讨论过造纸废水活性污泥处理，他认为“如果进水含有生物抗性的VSS，如制浆造纸废水"，应对计算加以纠正，因为“绝大多数纸浆和纤维基本上不可生物降解"，但它们以VSS的方式在曝气池中积累。因此厌氧后的造纸废水活性污泥处理中，建议选择较低的污泥负荷作为设计参数。
2.4后处理阶段分析
二沉池出水的CODtot和CODfilt的质量浓度分别为104.4和55.0mg/L，两者之差为49.4mg/L，是以SS形式存在的CODCr(表4)。这清楚地表明CODCr中有接近一半是由VSS引起的。而在55.0mg/L的CODfilt中，尚有胶体形式的CODCr，这些VSS和胶体CODCr均可以通过混凝沉淀除去。梁继东等的研究认为，造纸废水中胶体CODCr比溶解性CODCr的比例更高。不难理解，后续混凝处理会得到较好的CODtot去除效果(表4)。

2.5污泥的减排和节能
众所周知，采用厌氧处理能够减少整个系统的曝气动力，从而显著节能。此外，污泥的减排也是节能的重要方面。
(1)预处理阶段的污泥减排一沉池的污泥可以回用，本案例中，考虑到脱墨废水的粘度大，污泥中滑石粉等无机组分过多，回用量控制在60%左右。
实践证明，若使用混凝剂，则胶粘物会聚集在污泥中，从而严重干扰造纸过程，因此预处理添加混凝剂会影响污泥的回用。梁继东等对纸板废水的研究已经发现，在节水较好的造纸厂中，废水中胶体CODCr的浓度高于溶解性CODCr。这些胶体在混凝后转变为具有粘性的污泥。
由于预处理阶段不使用混凝剂，减少了一沉池污泥中的胶粘物，为污泥的回用创造了条件。在预处理阶段，微滤机平均的纤维回收量占SS总量的32%，而一沉池污泥回用量占进水SS总量的60%以上，预处理总共减少的污泥总量在70%以上。
(2)生物处理阶段的污泥减排和节能厌氧处理对削减CODfilt的贡献为81.4%，好氧处理对削减CODfilt的贡献为12.5%，厌氧的贡献是好氧的6.5倍，由于厌氧过程是在不需要曝气的情况下进行的，因而减少了曝气的动力消耗。
好氧活性污泥工艺在处理工业废水时的剩余生物污泥产生量大约是BOD5降解量的50%，根据Versprille等对90多个大型工业废水处理系统的调查，厌氧处理的污泥产生量则只有CODCr降解量的0.5%～5.0%。由此可知，厌氧处理去除了绝大部分的有机污染物，产生的剩余污泥却大为减少。
3.结论
采用以厌氧-好氧为主、辅以混凝沉淀作为后处理的工艺处理涂布白板纸生产废水，在生物处理前不添加任何化学品、废水排放量小于12m3/t[纸]的情况下，处理后的废水CODCr、BOD5、TN、NH3-N、TP的质量浓度分别低于50、20、20、12和0.5mg/L，达到DB61/224—2011中一级标准的要求。目前该项目已经稳定运行3a多。
在不添加任何混凝剂、中和剂的情况下，对于涂布白板纸废水采用简单的物理预处理后，出水完全满足厌氧-好氧生物处理的要求，预处理阶段可削减54%的CODtot和84%的TSS，CODfilt与BOD5在预处理中也可以减少15%和18%。预处理阶段对CODtot的削减量设计时建议按照1.6g[CODtot]/g[VSS]估计。对于生产规模为100～110t/d的涂布白板纸生产企业，废水CODCr的质量浓度为2500mg/L，进入生物处理阶段的废水量为1200m3/d，在20～30℃的水温范围内，所用的UASB反应器和活性污泥池的HRT分别为8.0和10.6h。UASB反应器的CODtot、CODfilt和BOD5降解率分别约为76%、81%和86%；厌氧处理对削减CODfilt的贡献是好氧处理的6.5倍。