棉秆造纸废水二沉池出水的处理工艺设计及运行效果

苗 飞 庞金钊 刘 忠 杨宗政 袁青彬

(天津科技大学，天津，300457)

棉秆造纸废水二沉池出水的处理工艺设计及运行效果

苗 飞 庞金钊 刘 忠 杨宗政 袁青彬

(天津科技大学，天津，300457)

采用“二次混凝 (又名梯级混凝)和生物活性炭”联合工艺处理棉秆造纸废水的二沉池出水。结果表明，梯级混凝段，在实验室最佳投药量的基础上，一级混凝对原水COD和色度的去除率分别为30%和28%;二级混凝对COD和色度的去除率分别为60%和70%;生物活性炭段对梯级混凝段出水COD和色度的去除率分别达到50%和70%。生物活性炭段出水完全能满足该厂作为回用洗浆水的要求。

棉秆造纸;废水;梯级混凝;生物活性炭

目前，棉秆造纸的工艺技术、设备条件都已成熟，棉秆资源的利用已被造纸行业广泛关注［1-2］。棉秆的纤维含量高，其半化学机械浆得率约为60%～70%，是生产高强度瓦楞原纸的理想原料。新疆造纸行业已积极推进棉秆造纸的产业化，如新疆天宏正在筹备的50000 t高强度包装纸板项目［3］，该项目利用棉秆为原料 (每年约需70000 t棉秆)，项目总投资14222万元，项目建成后可实现年销售收入15810万元，利税1385万元，投资回收期8年(含建设期)。除本色纸外，雷建民等［4］利用棉秆为原料，采用CEH三段漂白，可以达到生产高档文化用纸的技术要求。

与其他制浆废水相比，高得率制浆废水量大，污染负荷高，处理难度大。而棉秆高得率制浆废水由于棉秆原料的特殊性，废水中含有大量色素、果胶等物质，处理难度更大。研究优化适用性强的废水处理工艺，实现废水的资源化和循环回用，是解决制浆造纸行业污染严重、用水量大问题的关键。本实验采用二次混凝 (又称梯级混凝)技术和生物活性炭联合工艺处理了某棉秆造纸厂废水的二沉池出水，以满足该厂回用水要求，实现废水的“零”排放。

1 废水处理工艺流程

1.1 二沉池出水水质

二沉池出水水质见表1。

表1 废水水质

1.2 工艺流程的确定

图1为梯级混凝实验工艺流程;图2为常规混凝实验流程。

由图1和图2可以看出，梯级混凝与常规混凝的主要区别在于梯级混凝充分利用了回流絮凝污泥中过量的PAC与APAM。由于在实际运行中，投加的药剂量要多于实验室计算量或者是部分药剂未充分反应，所以在混凝过程中加入了回流的絮凝污泥，对废水进行预处理。在第一阶段，加入回流的絮凝污泥，利用其中的有效成分与絮凝体两者的网捕作用及新生污泥的吸附作用，分离部分污染物，达到“废物”的再利用，起到预处理的作用。第二阶段，PAC在反应过程中形成［Al(H2O)6］3+、［Al(OH)(H2O)5］2+、［Al(OH)2(H2O)4］+、［Al3(OH)4(H2O)10］5+、 ［Al6(OH)15］3+、 ［(H2O)4AlAl(H2O)4］6+以及［Al6(OH)14］4+等各种带正电的羟基络合离子［5］，有较强的电中和作用;此外，PAC的晶形像是四面八方延伸的水草，枝杈多且分布密集［6］。因此，有很强的架桥作用，容易与中段废水中的纤维、树脂等污染物形成较大的絮凝体而沉降下来。由此可见，梯级混凝是在仅增加少量动力消耗的基础进行了两次混凝，提高了絮凝剂的利用率。

生物活性炭 (BAC)工艺是以粒状活性炭为载体，通过富集或人工固定化微生物，在活性炭表面形成生物膜。由于活性炭具有极强的吸附性能，使其能够迅速地吸附水中的溶解性有机物，为微生物提供了充足的养分。在有丰富溶解氧的情况下，微生物以有机物为养料生存和繁殖。生物活性炭法就是结合活性炭吸附与生物降解两种作用去除污染物的水处理方法，去除途径取决于污染物的可吸附性与可生物降解性。

1.3 实验装置简介

图3为梯级混凝设备简图。从图3可看出，二级混凝反应设备的絮凝污泥通过气提的方式回流到一级混凝设备。一级和二级混凝反应设备的直径均为1．75 m、高均为3 m。

图3 梯级混凝设备简图

图4为生物活性炭设备简图。从图4可知，设备内部分为4格，分别为1个进水配水区、2个生物活性炭反应区和1个均衡区。2个生物活性炭反应区的横截断面尺寸为9．4 m ×2．2 m，高 2．5 m，炭床高1．3 m，装填4～8目的粒状活性炭，2个生物活性炭区同时曝气，气量控制在使活性炭呈悬浮状即可，第一是充分保证生物降解对溶解氧的需求，第二是防止活性炭板结。

图4 生物活性炭设备简图

2 实验材料与方法

2.1实验仪器和药剂

DBJ-623六联电动搅拌器;PHS-25酸度计;FA2004电子分析天平;721型可见分光光度计。GDS23B光电式浑浊度仪;10孔冷却槽;30 mm比色皿;50 mL比色管;D试剂和E试剂 (5B-1F型COD快速测定仪专用药剂);硫酸 (分析纯);盐酸 (分析纯);氢氧化钠 (分析纯);聚合氯化铝 (PAC)，配制成0．03 g/mL的溶液;阴离子型聚丙烯酰胺(APAM)，配制成0．01 g/mL的溶液。

2.2 检测方法

COD：兰州连华环保科技发展有限公司生产的5B-1F型COD快速测定仪。

色度：采用分光光度法［7］和稀释倍数法。

3 运行结果分析

3.1 不同COD进水的实验室最佳药剂用量

中试试验过程中，在实验室做了不同COD废水在保持较高去除率 (COD去除率60%)时的最佳药剂用量，结果如图5所示。图5中进水COD值为多次取样的平均值。

图5 不同COD进水的实验室最佳药剂用量

由图5可以看出，随着进水COD的增加，PAC用量显著增加。进水COD在200～600 mg/L之间时，PAC用量增加缓慢，而进水COD在600～1400 mg/L之间时，PAC用量相对增加的比较快。对进水COD在200～1400 mg/L之间时，PAC的用量在设定范围内都能对COD有较高的去除率，但PAC用量不能太低或太高，因为PAC用量不足时，絮凝处理不充分，并且PAC水解时产生的H+较多，导致废水的pH值降低，改变了絮凝反应条件，抑制了PAC与废水的反应，降低了废水处理效率;而PAC用量过大时，废水中微粒被过多的絮凝剂所包围，失去同其他微粒结合的机会，因而不易凝聚。同时，水解产生较多的OH-，导致废水的pH值增大，改变了絮凝反应条件，降低了处理效率。

3.2 不同COD进水的药剂成本核算

在做药剂成本核算时，按该企业购买价核算，PAC价格为1300元/t，APAM价格为20000元/t。不同COD进水的药剂成本核算见图6。

图6 不同COD进水的药剂成本核算

由图6可以看出，随着进水COD的增加，每吨废水的加药成本明显增加。结合不同COD进水对应的实验室最佳药剂用量 (见图5)可知;在进水COD值为200～600 mg/L时加药成本增加缓慢，随着进水COD值的增加，加药成本增加得比较快。进水COD在200～1000 mg/L时，在实验室最佳用药量的基础上，处理每吨废水加药成本在0．1～0．5元之间，处理费用不高。说明PAC和APAM复合絮凝剂对棉秆造纸厂二沉池出水的处理较理想。在中试试验中，根据废水进水COD的变化，只要保证合理的絮凝剂用量，满足运行条件就能使絮凝处理保持较高的COD去除率。

3.3 梯级混凝段对废水COD和色度的去除

由于该企业废水的COD值变化较大，在梯级混凝段设备运行期间，监测了不同梯级混凝段进水与出水的COD值和色度。梯级混凝废水COD的去除率见图7;梯级混凝段废水色度的去除率见图8。

图7 梯级混凝段废水COD的去除率

由图7可知，梯级混凝过程中，在不同COD负荷进水的情况下，一级混凝对COD的去除率约在30%，二级混凝对COD的去除率约在60%。这是因为一级反应器内加入了二级反应器的回流絮凝污泥，废水利用其中的有效成分与絮凝体两者的架桥卷扫网捕作用及新生絮凝体的吸附作用，分离部分污染物，达到“废物”的再利用，起到预处理的作用。二级反应器内，当PAC加入水中后，立即在水中形成聚合阳离子，同时水中也形成了各种带不同正电荷的高聚羟铝配离子。废水中污染物的胶粒表面直接吸附了带相反电荷的聚合阳离子或高分子物质后，表面电位就得以降低。同时，当投加的PAC高分子链一端吸附了废水中的某一胶粒后，另一端又可吸附另一胶粒，形成“胶粒-PAC高分子-胶粒”的絮凝体，使胶粒与胶粒之间桥联为絮团。由此可见，梯级混凝是在仅增加少量动力消耗的基础进行了两次混凝，提高了絮凝剂的利用率。

图8 梯级混凝段废水色度的去除率

由图8可知，在梯级混凝过程中，一级混凝废水色度的去除率约为28%，二级混凝废水色度的去除率约为70%。这是因为混凝脱色是利用絮凝剂将废水中的成色物质絮凝沉淀，其作用机理可认为无机絮凝剂主要是依靠中和粒子上的电荷而凝聚，而有机絮凝剂则主要依靠架桥作用使粒子沉降。这样一级反应器里回流的絮凝污泥中PAC和APAM量较少，所以电中和作用相应也小。而二级反应器为主反应器，加入的PAC在反应过程中形成各种带正电的羟基络合离子，有较强的电中和作用，中和粒子上的电荷而凝聚沉淀，所以二级反应器对废水色度的去除率比较高。

3.4 生物活性炭段对COD和色度的去除

由于该企业的废水COD值变化较大，在生物活性炭系统运行期间，监测了不同生物活性炭段进水和出水的COD值、色度和pH值，其结果见图9和图10。

由图9可以看出，随进水COD负荷的升高，其COD的去除率增大。说明进水COD较低的废水中含有难被活性炭吸附降解的有机物，故生物活性炭对COD去除的就少。随着进水COD负荷的增加，废水中的有机污染物增多，相应的COD去除率也高。当进水COD值在100～200 mg/L时，生物活性炭段出水COD值基本可以保持低于100mg/L，在当进水COD值在200～425 mg/L时，COD的平均去除率大约在50%左右。

图10 生物活性炭对废水色度的去除效果

图9 生物活性炭对废水COD的去除效果

由图10可以看出，在不同COD负荷进水的条件下，进水COD高，废水色度大，生物活性炭对废水色度的去除率高。色度越低的废水，色度去除的越少，说明废水中含有很难被生物活性炭吸附降解的发色物;当进水色度在350～400倍时，生物活性炭段对色度的去除率约在70%左右。

由图9和图10可以看出，生物活性炭段进水的COD值在100～425 mg/L，色度在50～400倍之间时，废水经过生物活性炭处理后，生物活性炭段出水COD值90～180 mg/L，色度10～70倍。出水完全能满足该企业回用洗浆水的要求 (该企业回用洗浆水要求为：COD值＜400 mg/L，色度＜300倍)。

且从图9和图10还可以看出，生物活性炭段进水的COD较高，其COD和色度的去除率都高，反之则低，COD与色度的去除率基本同步。结合前面梯级混凝段对废水COD和色度的去除，表明该棉秆造纸厂二沉池出水中，有机发色基团对废水中的COD贡献率较高。

4结论

采用“二次混凝 (又名梯级混凝)和生物活性炭”联合工艺处理棉秆造纸废水的二沉池出水，得出以下结论：

4.1 梯级混凝段用絮凝剂PAC和助凝剂APAM对棉秆造纸废水二沉池出水进行处理，一级混凝对二沉池出水COD和色度的去除率分别为30%和28%;二级混凝对COD和色度的去除率分别为60%和70%。

4.2 生物活性炭段对梯级混凝段出水的COD和色度的去除率分别达到50%和70%。

4.3 从该工艺对废水COD和色度去除率曲线上可以看出，COD和色度具有同步去除的特点。

4.4 “梯级混凝和生物活性炭”联合工艺处理棉秆造纸废水二沉池出水，对废水COD和色度都有较好的去除效果，废水处理后的出水COD值为90～180 mg/L，色度为10～70倍，完全能满足该企业回用洗涤水的要求。

［1］ 姚振伦．棉秆亚硫酸铵法抄造瓦楞原纸及瓦楞面板试验［J］．中国造纸，1982，1(5)：39．

［2］ 王 键，詹怀宇，杨桂花，等．棉秆硫酸盐法和烧碱-蒽醌法蒸煮历程的研究［J］．中国造纸学报，2005，20(1)：21．

［3］ 冯建敏，邓 宇．微波辐射对麦草浆蒸煮黑液的作用研究［J］．辐射研究与辐射学报，2005，23(5)：270．

［4］ 雷建民．全棉秆制文化用纸工艺的探索［J］．纸和造纸，1996(4)：44．

［5］ 高宝玉，岳钦艳，王占生，等．聚硅氯化铝(PASC)混凝剂的混凝性能［J］．环境科学，2000，21(2)：46．

［6］ 刘 红，梁 晶，邵 俊，等．造纸中段水的絮凝吸附处理［J］．化学工程师，2006，20(6)：13．

［7］ 郜洪文．分光光度法测定工业废水色度研究［J］．环境工程，1993，11(5)：44．

(责任编辑：常 青)

Treatment of Effluent from Second Sedimentation Pond of Cotton Stalk Papermaking Wastewater Treatment

MIAO Fei*PANG Jin-zhao LIU Zhong YANG Zong-zheng YUAN Qing-bin
(Tianjin University of Science＆ Technology，Tianjin，300222)
(*E-mail：miaofei1981@yahoo．com．cn)

The combined second coagulation cascade and flocculation and biological activated carbon process for treatment of the effluent from the second sedimentation pond of waste water treatment of cotton stalk papermaking was tested．The effluent from second pond was 50 t/d，the feasibility of the process was studied by investigating the removal of COD and chromaticity．Test coagulation cascade results showed that with optimal chemicals dosages，the removals of COD and chromaticity were 30%and 28%for coagulation treatment and 60% and 70% for coagufloculation treatment respectively．Removals of COD and chromaticity were 50%and 70%respectively by biological activated carbon treatment．Biological activated carbon treated water can completely meet the requirement of washing even can satisfy the paper machine operation．

papermaking with cotton pole;step coagulation;biological activated carbon

X793

A

0254-508X(2011)03-0029-05

苗 飞先生，在读硕士研究生;主要研究方向：海水淡化与污水处理。

2010-11-15(修改稿)

本项目获天津市教委“双五项目”支持，合同号：SW2008001。