卡鲁塞尔氧化沟工艺在蔗渣制浆造纸废水处理中的应用

陈学春 吕 斌 曹红涛

(DHV(北京)环境工程有限公司，北京，100028)

卡鲁塞尔氧化沟工艺在蔗渣制浆造纸废水处理中的应用

陈学春 吕 斌 曹红涛

(DHV(北京)环境工程有限公司，北京，100028)

通过蔗渣制浆造纸废水生化处理的项目实例，阐述了卡鲁塞尔氧化沟工艺在设计和运行上的特点，特别是对蔗渣制浆造纸废水好氧生化处理中如何防止污泥膨胀提出了一种新的解决方案。

蔗渣;制浆造纸;废水处理;卡鲁塞尔;污泥膨胀

近年来，我国利用蔗渣制浆造纸得到了迅速发展，尤其在广西地区，由于甘蔗制糖业历来是该地区的一项支柱产业，在蔗渣制浆造纸方面有着得天独厚的原料优势。经过近几年的发展，广西在利用蔗渣制浆造纸并实现糖纸结合方面已有长足的进步，据不完全统计蔗渣浆年产量达90万t以上。根据广西食品工业调整和振兴规划，2015年全区蔗渣制浆、造纸能力将超过150万t/a，综合利用率达到50%以上。

但是，在蔗渣制浆造纸的过程中也不可避免地产生了一些环保问题，如黑液和中段废水等的排放。早在21世纪初，何艳明等［1］就进行了蔗渣碱法制浆黑液资源化治理的工业试验［2］，并取得了显著成果;国内多家糖厂 (如广西贵糖公司等)在蔗渣浆黑液提取和碱回收方面都已积累了不少成功经验。因此在蔗渣制浆过程中的各种生产工艺及物料回收和资源化问题已基本得到解决。然而随着制浆造纸工艺的日趋先进完善，生产过程中水的循环再利用率不断提高，耗水量越来越少，使得废水中的污染物浓度不断增加，提高了废水处理的难度。在蔗渣浆废水处理方面，之前也进行了不少工作。宋海农等［3］对亚铵制浆废水的可生物处理性进行了研究，并证明在废水生物处理段，通过调整进水量、进水负荷和停留时间等参数进行工艺优化，可使该废水CODCr由3000 mg/L以上降到300 mg/L以下。黄钟等［4］通过小试试验，发现采用厌氧-好氧结合的生化处理工艺，蔗渣湿法堆垛备料的洗涤废水CODCr和BOD5去除率可达到95%以上。

卡鲁塞尔氧化沟工艺作为一种成熟的二级生物处理技术，以其优良的出水水质、稳定可靠的运行性能、良好的性价比以及维护简单方便等特点在制浆造纸废水处理领域得到了广泛的应用，为多数使用者认可和接受［5-7］。目前，在蔗渣制浆造纸废水处理中也已越来越多地采用卡鲁塞尔氧化沟工艺作为好氧处理系统的生物处理工艺。本文以一个项目为例来详细阐述卡鲁塞尔氧化沟工艺对蔗渣制浆造纸废水处理的设计和运行特点。

1 项目总体情况

广西某糖业集团以蔗渣为原料，采用烧碱法制浆。蔗渣贮存采用湿法散堆，经水洗、脱水后送蒸煮，所得粗浆经洗涤、筛选、净化、浓缩，并经漂白后送抄纸工段。由制浆车间送来的漂白蔗渣浆经打浆配浆后，通过浆料流送系统进行冲浆、净化、筛选，然后送纸机抄造。

蔗渣制浆造纸废水主要分为两部分:

(1)在湿法堆垛过程中对蔗渣喷淋洗涤而产生的喷淋洗涤废水。其中含有大量糖分，属高浓度有机废水，CODCr为8000～10000 mg/L，BOD5为4000～6000 mg/L;

(2)制浆中段废水及造纸白水。这两种废水一般可直接进入好氧处理系统。混合后的进水CODCr为1000～1500 mg/L，BOD5为400～500 mg/L。

本项目废水处理站也相应地由两部分组成，厌氧处理系统主要处理高浓度的蔗渣喷淋洗涤水及备料工段产生的洗涤废水，出水进入后端好氧处理系统;好氧处理系统则处理制浆中段废水 (包括蒸发冷凝液、漂白废水等)和少量的生活污水以及经厌氧预处理后的出水。

2 好氧生物处理系统主要设计进水水质

好氧生物处理系统主要设计进水水质情况见表1。

表1 好氧生物处理系统主要设计进水水质

3 好氧生物处理系统工艺流程

针对本项目水质特点，结合卡鲁塞尔氧化沟系统特性并参照类似工程的经验，进行好氧处理系统的工艺流程设计。具体流程见图1。

图1 碱法蔗渣浆废水好氧生物处理系统工艺流程

4 卡鲁塞尔氧化沟工艺参数

作为好氧生化处理的核心，卡鲁塞尔氧化沟的主要设计参数见表2，卡鲁塞尔氧化沟平面布置见图2。

表2 卡鲁塞尔氧化沟主要设计参数

图2 卡鲁塞尔氧化沟平面布置图

5 调试运行情况

设备安装及联动测试结束后开始进行工艺调试。设备启动时投放市政污水处理厂活性污泥作为菌种。1周后进行微生物镜检，污泥内已出现大量的菌胶团和诸如钟虫、纤毛虫等原生动物;同时，污泥泥相较好。但是之后一段时间，进水的pH值波动范围很大(7～12)，并且废水站的酸碱投加装置没有投入使用，同时，预处理纤维回收单元规模不够，初沉池内大量纤维类污泥堆积，造成大量纤维类悬浮物进入氧化沟，氧化沟内的微生物出现解体以及大量死泥现象。

针对这种情况，一方面加强对中段废水出水pH值的控制，以及对纤维回收单元的扩建及改造;同时，严格控制工艺条件，半个月之后，氧化沟内的污泥逐渐恢复正常，MLSS达到4000 mg/L左右，微生物状态良好，出水良好。

综合3个月的运行数据，在满足表1所示进水负荷情况下，实际二沉池出水指标及卡鲁塞尔氧化沟系统去除率范围如表3所示。

表3 实际二沉池出水污染物含量及去除率范围

针对调试运行中的事故状况及所采取的相应措施和最终出水结果，总结出一些运行控制的准则。

(1)强化公司内各分厂、工段之间的沟通和协调。当生产、动力等工段出现异常 (如碱液、白泥的跑漏)、或要以批量方式排放废水而给废水处理站带来冲击负荷 (如冲洗有关生产罐、槽)、或投加某些特殊药剂时，应提前告知废水处理站，以便主动采取相应措施，防止冲击负荷直接进入而造成较大甚至不可挽回的影响。因微生物一旦出现受抑制或中毒等问题时，其恢复过程往往是较为缓慢的。

(2)进水pH值控制。预处理均衡池中废水pH值应控制在6～9之间，尽可能不要低于5或高于10。如进水pH值低于5或高于10时，应通过进水井阀门切换，将废水超越至事故池。事故池应保持常空状态，进入其中的事故废水通过转送泵以较小流量(一般为正常进水流量的10%左右)送至均衡池。一旦进水急剧恶化，可考虑暂停进水提升泵，利用均衡池调蓄缓冲能力尽快调节pH值，待正常后再启动提升泵。

(3)关注预处理工段纤维回收单元的回收能力。尤其是制浆工艺以及污水厂运行启动初期，避免纸浆纤维回收不完全，大量纤维进入到初沉池以及曝气工段，影响工艺及设备的运行。

(4)在进水负荷比设计值低的情况下，可将卡鲁塞尔氧化沟中MLSS水平适当降低，污泥负荷不宜低于 0.04 kg BOD5/(kg MLSS·d)或 0.1 kg CODCr/(kg MLSS·d)，较为适合的负荷范围为0.08～0.16 kg BOD5/(kg MLSS·d)或 0.2～0.4 kg CODCr/(kg MLSS·d)。当进水难降解物质较多时 (表现为进水BOD5/CODCr比较低，或出水CODCr较高，原因包括生产工段出现事故、或车间进行检修、清洗等)，负荷可控制得低些。反之，则负荷可相应提高。

(5)在确定适当负荷的基础上，可确定卡鲁塞尔氧化沟系统剩余污泥排放量，根据剩余污泥量确定是否需要排泥，排泥最好以小流量在一定范围内连续进行，其间注意监测氧化沟中MLSS的水平，并进一步确定污泥龄的范围是否在设计值左右 (设计值为9天)。

(6)控制氧化沟中表曝机的运行状态，使整个氧化沟中平均DO(溶解氧)水平在1.5～2.5 mg/L。

(7)回流污泥的控制，一般情况下可取回流比100%～120%。但如果活性污泥在氧化沟与二沉池之间的分配明显不平衡时，可对其适当进行调整。运行过程中曾发现氧化沟MLSS仅为1 g/L，而二沉池污泥井MLSS浓度高达8 g/L的情况，说明整个系统的活性污泥大多分布在二沉池中，而氧化沟活性污泥量则较少;将污泥回流比调至200%，经一个晚上运行后，氧化沟中MLSS上升为2 g/L，而回流污泥浓度则有所下降 (SV30显著降低)。

(8)营养盐的补充投加。按照BOD5(初沉池出水)∶N∶P=100∶5∶1计算所需投加的 N、P 量，并以二沉池出水 N 2～4 mg/L、P 0.5～1.5 mg/L进行校核。

(9)注意监测水质。当某些指标出现较大变动时 (如出水CODCr增加较多、或MLSS水平较快降低时)，应适当增加取样检测频率，更重要的是尽快分析原因，采取相应措施 (分析检测仅仅是手段，而不是目的。其最大作用在于为操作者提供数据以进行分析和判断并采取正确的调整/修正措施)。

6 卡鲁塞尔氧化沟系统工艺特点总结

6.1 卡鲁塞尔氧化沟系统具有较高的CODCr去除率，为污水厂深度处理提供较好的进水条件

本项目的运行实践表明，卡鲁塞尔氧化沟系统对碱法蔗渣浆废水具有良好的处理能力。正常运行时，CODCr的去除率可以稳定达到80%。

6.2 卡鲁塞尔氧化沟系统具有很强的抗冲击负荷能力

由于卡鲁塞尔氧化沟系统的进口区具有完全混合的水力流态，而且与进水相比，沟中渠道的循环流动的断面流量非常大 (为进水流量的30～50倍)，这样进水在很短时间内就可以与池内的大量的水完全混合，得到稀释，因而系统具有很强的抗冲击负荷能力，保证了系统运行处理的稳定性和可靠性。即便在进水负荷波动的情况下，它仍可保证稳定的出水水质。这一点在其他采用卡鲁塞尔工艺的制浆造纸废水处理系统中也得到了验证［5-7］。

6.3 独特的前置AB段设置，有效的预防污泥膨胀

在采用湿法堆垛备料的蔗渣制浆造纸项目中，进入好氧生化系统的废水中仍含有大量挥发性有机酸、醇类和硫化物等易生物降解的物质。这些物质会引起好氧处理系统中丝状微生物的过度繁殖，造成污泥结构的变化，导致污泥膨胀现象。污泥膨胀不仅会引起出水中的SS急剧升高，水质恶化，而且造成处理系统中生物质 (MLSS)的流失，使系统性能逐步降低。

通过观察和试验，发现在卡鲁塞尔氧化沟前采用经适当设计的预曝气单元，能够有效地防止这种丝状菌过度生长而引起的污泥膨胀，同时完全去除硫化物。这就是防止污泥膨胀反应器 (AB段)的应用基础。其机理在于:在AB段中，存在着大量高活性的游离微生物，它们可大量吸收废水中容易降解的COD，将其分解并利用，同时维持自身的快速生长。而在这种特定条件和环境下，由于大量易降解基质被快速消耗，使得依靠这些基质得以生存的、生长缓慢的丝状菌难以存活，其生长受到很大抑制。丝状菌在后续的活性污泥反应器 (卡鲁塞尔氧化沟)中缺乏必要的食料，数量无法占主导优势，因而从根本上消除了污泥膨胀的原因。此外，水中的硫化物通过氧化作用也得到了有效去除。

6.4 卡鲁塞尔氧化沟的水力设计

水力设计是卡鲁塞尔氧化沟系统的一个重要环节。水力设计的好坏，与系统中的混合流态、进水稀释效果、处理性能和是否出现沉泥等问题有很大影响。需要依靠大量的工程实践经验的积累和对于水力形态的深入研究，才能形成一个完善的水力系统。卡鲁塞尔氧化沟的布置形式 (如长度、渠道宽度、水深、导流墙的设置位置和形状等)以及这种布置与表曝机性能 (输入系统中的能量、倒伞叶轮的直径、形状、转速、浸没深度等)的结合直接决定了系统的水力特性。

卡鲁塞尔氧化沟沟道断面的平均流速正常情况下不得低于0.3 m/s。主要原因是:

·其断面流量需维持一个较高的水平 (一般为进水流量的30～50倍)，以保证完全混合的流态以及进水与沟道中循环流的充分混合及稀释 (因而其具有很高的抗冲击负荷能力);

·较高的水流速度保证了污水在从进入到流出氧化沟期间与系统中水量的充分混合 (其水力停留时间一般为水流在氧化沟中循环1周所用时间的数十倍，也就是说，污水从进入到流出要在沟中往复循环数十周)，从而在沟中形成完全混合的流态，并获得很好的污染物去除效果;

·系统中要具有一定的湍动流态以维持正常的混合效果;

·较高的水流速度以防止氧化沟中出现沉泥等现象。

图3 卡鲁塞尔氧化沟水力模型软件

随着计算机技术的发展和计算能力的不断提高，以及模拟软件和算法的进步，目前已可以通过CFD(Computational Fluid Dynamics，计算流体动力学)技术对各种流体动力学过程进行三维空间的模拟 (见图3)。并已可对卡鲁塞尔氧化沟中的流态和状况进行水力学校核。通过这种校核可以实现:

·在设计及工程的前期阶段，对卡鲁塞尔氧化沟系统的沟形设计及表曝机的设置/配置进行设计指导和优化，从而使沟形参数 (长、宽、深、沟道数、导流墙等)与设备 (表曝机、推进器、搅拌器等)性能实现最优组合;

·对于一定的沟形和设备配置，模拟各种不同组合的设备运行情况下沟中的水力流态 (断面平均流速、混合条件等)，从而进行水力校核，确定各种情况下系统的水力特性。

这对卡鲁塞尔工艺的设计理论及设计内容的深化都起到了积极的推动作用。

7 结论

对于含有大量易生物降解的COD成分和容易引起污泥膨胀的蔗渣制浆造纸废水的处理，采用带有AB段的卡鲁塞尔氧化沟系统是一种非常好的方式。一方面，AB段的采用可有效防止污泥膨胀现象，并为处理工艺带来诸多益处 (如总容积和剩余污泥产量的减少);另一方面，卡鲁塞尔工艺的很多优点都得以保留 (优良的处理性能和高质量的出水，运行稳定性，对于波动和冲击负荷的承受力等)，并通过AB段的采用而得以加强。两者的优点在该工艺中相得益彰，充分保证了良好的处理效果。

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［2］何艳明，穆环珍，姚春丽，等．蔗渣碱法造纸制浆黑液资源化治理工业试验［J］．环境污染治理技术与设备，2002，3(10):79．

［3］宋海农，宾 飞，黄显南，等．呼吸速率法评价蔗渣亚铵制桨废水的可生物处理性［J］．广西大学学报:自然科学版，2003，28(1):81．

［4］黄 钟，陈中豪，党酉胜．蔗渣湿法堆垛备料废水的治理研究［J］．造纸科学与技术，2003，22(2):34．

［5］谭先文．卡鲁塞尔氧化沟处理制浆中段废水［J］．纸和造纸，2004，23(S1):72．

［6］刘勋武．水解/氧化沟工艺处理麦草制浆造纸中段废水［J］．工业水处理，2004，24(10):56．

［7］汤武平，陈季华，杨 波．氧化沟结合水解工艺处理造纸废水［J］．中国给水排水，2001，17(5):54．

［8］赵宇男．制浆造纸废水的特性及处理的相关问题［J］．中国造纸，2010，29(9):41．

［9］刘鹏飞．废纸制浆造纸废水处理工艺设计实践与思考［J］．中国造纸，2010，29(7):44．

Application of Carrousel Oxidation Ditch in Bagasse Pulping＆Papermaking Wastewater Treatment

CHEN Xue-chun*LV Bin CAO Hong-tao
(DHV Beijing Environmental Engineering Co．，Ltd．，Beijing，100028)
(*E-mail:cherry．chen@dhv．com)

Due to more and more enterprises produce pulp and paper with bagasse as material，higher requirement to wastewater treatment of bagasse pulping and papermaking is put forward accordingly．Carrousel oxidation ditch process has been commonly applied in this field，and has been getting popular gradually in recent years．Via the project example of bio-treatment of bagasse pulping wastewater，the characteristics of Carrousel process are expatiated in terms of its design and operation．Especially a new solution is presented for preventing sludge bulking in aeration bio-treatment system of bagasse pulping wastewater．

bagasse;pulping＆papermaking;wastewater;carrousel;sludge bulking

X793

B

0254-508X(2011)08-0047-05

陈学春女士，总工程师;主要从事市政污水、工业废水等领域的项目设计工作。

2011-05-04(修改稿)

(责任编辑:常 青)