一种白水深度处理的方法

孙 磊 元新艳

(1.宜兴台兴环保有限公司，江苏宜兴，214204;2.中国科学院上海高等研究院，上海，201203)

一种白水深度处理的方法

孙 磊1元新艳2

(1.宜兴台兴环保有限公司，江苏宜兴，214204;2.中国科学院上海高等研究院，上海，201203)

介绍了一种白水深度处理的方法，即同向流沉淀池的出水再经过Amiad叠片自清洗过滤器(Arkal Disc)和微纤线盒式过滤器 (MT)深度处理，保证了出水SS浓度低于5 mg/L，满足回用于冷却循环水补充水的要求。同时，叠片自清洗过滤器和微纤线盒式过滤器的产水率分别为99%和98%，自清洗过滤器运行过程中无需投加化学药剂。

白水;深度处理;叠片自清洗过滤器;微纤线盒式过滤器

造纸厂废水处理系统中最基本的3个步骤是收集、处理和处置。目前大部分纸厂采用的是废水集中处理模式，这就需要配备相应的输水管道以及压力提升泵房，使水处理的成本增高。事实上，收集运输过程中的能耗成本往往占废水处理总预算额度的60%［1］。同时废水集中处理所需的一次性投资很高，而且存在巨大的能耗浪费。因此，分散式废水处理，即废水就地处理就地回用的意义就十分明显了。

1 中试装置与分析方法

1.1 项目介绍

中试在我国北方某纸厂进行。该纸厂白水中富含流失的纤维、钛白粉、化学助剂，由于化学助剂成分复杂，而且纤维细小、钛白粉颗粒细 (0.15～0.30 μm)、浓度低，采用传统分散式处理工艺实现回用的难度很大。针对这一现状，Amiad过滤系统公司采用了叠片自清洗过滤器 (Arkal Disc)以及微纤线盒式过滤器 (MT)联用工艺，对该种白水进行深度处理，保证了出水水质优于回用标准。该工艺为纯物理分离方法，在处理过程中无需投加化学药剂。该纸厂白水经过深度处理后将作为冷却循环水的补充水。冷却循环水补充水中固体悬浮物 (SS)含量的国家标准为10 mg/L，该工艺的目标是使得处理后的白水固含量降低到5 mg/L以下。

需要指出的是，造纸过程白水的排放量取决于造纸系统中白水的封闭循环程度。白水封闭循环程度越高，越容易造成系统中金属离子、各种无机盐等物质积累及微生物的生长繁殖，从而影响到纸机的正常运行与产品质量，因此适当地排污并更换新鲜水源很有必要。该中试工艺在适当排污量的情况下，实现了对白水的有效处理并回用。

图1 白水回用中试流程图

1.2 处理工艺流程

采用同向流沉淀池与叠片自清洗过滤器以及微纤线盒式过滤器进行联用。同向流沉淀池以重力分离的方式将SS浓度降低到适合叠片自清洗过滤器工作的范围，然后利用叠片自清洗过滤器与微纤线盒式过滤器对水中SS进行进一步去除，最终达到回用水标准。具体工艺流程如图1所示。

1.2.1 叠片自清洗过滤器

叠片自清洗过滤器过滤精度为55 μm，为全塑系统，具有优良的抗化学腐蚀性、耐酸、耐碱、耐盐、耐溶剂的能力。在过滤时，液体由外缘通过沟槽流向叠片内缘，在叠片外缘或者叠片内部沟槽内所有通过沟槽跑到下游的杂质颗粒都会受到18道以上的过滤，因此尤其适合长、短纤维的拦截。反冲洗只需7～20 s左右即可完成，对于黏性杂质也可达到高效反冲。在过滤器模块组套内，反洗过程轮流交替进行，各单元工作、反洗状态之间自动切换，确保连续出水，系统压力损失小。

1.2.2 微纤线盒式过滤器 (或简称微米过滤器)

采用的微纤线盒式过滤器是Amiad专利技术，中试测试了7 μm和20 μm精度。该种线盒采用聚酯纤维线，按螺纹状缠绕在开凿的塑料片上，绕线层即为过滤层。依靠绕线的松紧程度不同，来实现不同的过滤精度。大颗粒的物质将被线盒的外表面拦截，小颗粒的物质和胶体将被吸附在绕线层的内表面。微纤线盒式过滤器采用PLC控制，当达到设定的压力差或者是设定的清洗时间时开始自清洗。这时进出口阀关闭，同时泄水阀和排污阀打开。自带的高压泵将加压后的水打入梭形管，高压水经过这个管子通过喷嘴撞击到绕线过滤单元的表面。从喷嘴喷出来的高压水穿过绕线层撞击到塑料盒反射回来，反射回来的水将污泥颗粒从绕线过滤单元上冲下并一起流经过滤器本体再通过排污阀排出。高压喷淋水和反射回来的水联合作用保证了过滤单元的100%清洗。与传统的膜过滤不同，微纤线盒式过滤模式不存在通量的下降，由于采取高压喷淋的清洗方式，实现了系统在不添加化学药剂的情况下的正常运行和自清洗。

1.3 试验方法

SS浓度及浊度根据APHA标准方法测定［2］。颗 粒 粒 度 分 布 采 用 MASTERSIZER2000型激光粒度分析仪测定。

2 结果与讨论

2.1 中试水量平衡计算

由于此次中试为三段组合工艺，在中试阶段为了验证每段处理单元在不同进水流量下的处理效果，在每个处理单元上均设置了溢流口。即保证下一级处理单元的处理量小于上一级处理单元，以满足中试参数变动的安全需要。

2.1.1 同向流沉淀池水量平衡

为了确定同向流沉淀池的工作效率，分别试验了6、8和10 m3/h产水能力，观测出水水质变化情况。同向流沉淀池水量平衡见式 (1)。同向流沉淀池水量平衡图见图2。试验没有设计自动排泥系统，排泥均系人工手动操作。在不同产水能力条件下，排泥操作的时间间隔和排泥时间是确定的。实际生产设备将设计自动排泥系统，自动排泥将根据来水水质和自动检测装置确定排泥操作。按照10 m3/h设计，排废水大约为16%，同向流产水率约为84%。

图2 同向流沉淀池水量平衡图

2.1.2 叠片自清洗过滤器水量平衡

同样，叠片自清洗过滤器也试验了3种流量下的出水水质。试验采用55 μm过滤精度，针对进水SS浓度在30 mg/L左右，试验中每个处理单元的产水量为2.5～3.5 m3/h。根据试验情况，实际生产设备的叠片自清洗过滤器单个滤芯的处理流量为3 m3/h比较好，这样能够有效缓冲同向流沉淀池出水水质的冲击，而基本上保证下一级处理单元的进水水质，从而保证最后的出水水质。叠片自清洗过滤器的水量平衡见式 (2)。叠片自清洗过滤器水量平衡图见图3。

Q2排是叠片自清洗过滤器的反冲洗排污量，反洗水量占处理水量的1%左右。这个比例根据来水SS的浓度而波动，也就是取决于同向流沉淀池的出水水质。叠片平均产水率大约为99%。

图3 叠片自清洗过滤器水量平衡图

2.1.3 微纤线盒式过滤器水量平衡

此次中试的微纤线盒式过滤器为MT-3系列，内含48片线盒。分别试验了7 μm和20 μm两种过滤精度。由于7 μm线盒的水通量较低，而20 μm线盒的出水水质较为稳定且达到回用水预期的水质要求，最终确定选择20 μm线盒做重复性试验。其水量平衡见式 (3)，其水量平衡见图4。微纤线盒式过滤器的产水量基本在2.1～2.6 m3/h之间波动，其出水水质基本不受水量波动的影响。反洗耗水率约为2%，产水率为98%。

在实际生产中，通常会采用含有3640片线盒的微纤线盒式过滤器MTG。此次中试中MT-3样机的试验数据将对MTG整机的生产运行具有很好的指导意义。

图4 微纤线盒式过滤器水量平衡图

2.1.4 总体水量平衡

由式 (1)～式 (3)可推算出，中试中的水量平衡关系式如式 (4)所示。在实际生产中，各处理单元除特殊情况均无溢流水，也就是说总进出水量关系如式 (5)所示。其中微纤线盒式过滤器数据为20 μm精度的数据值。

实际生产中的各段产水率及总产水率计算如式(6)～式 (9)所示。

式中，η总为总产水率;η1为同向流沉淀池产水率;η2为叠片自清洗过滤器产水率;η3为微纤线盒式过滤器产水率。

根据该纸厂白水回用中试数据计算得出，η1=84%，η2=99%，η3=98%。因此系统总产水率约为80%。事实上，叠片自清洗过滤器以及微纤线盒式过滤器在此流程中排污量非常低。

2.2 中试处理结果分析

2.2.1 SS检测结果分析

如图5所示，同向流沉淀池出水SS浓度通常稳定在20～40 mg/L之间，偶尔会超过100 mg/L。叠片过滤器出水SS浓度通常在5～15 mg/L之间，偶尔会超过30 mg/L。这样的结果，基本达到设计预期的效果。在试验初期，同向流沉淀池停留时间较长，出水SS浓度接近5 mg/L，此后同向流沉淀池水力停留时间维持在45～60 min，出水SS浓度均值为25 mg/L。此后，试验进行到第14天，同向流沉淀池出水SS浓度突然提高到100 mg/L以上，这是因为同向流沉淀池安放在室外，天气突然转冷的情况下，排泥软管被冻住，在无法排泥的情况下，同向流沉淀池出现沉淀异常，造成出水水质变差。随着排泥软管解冻，排泥恢复正常，同向流沉淀池出水SS浓度含量显著降低。

图5 各处理单元出水SS浓度对比

叠片自清洗过滤器作为第二级过滤单元，起到承上启下的作用，对微纤线盒式过滤器进行保护。从图5中可知，叠片自清洗过滤器可有效地将SS浓度降低至10 mg/L左右，降低了SS浓度对微纤线盒式过滤器的冲击。即使在同向流沉淀池因结冰异常时出水SS浓度高于100 mg/L的情况下，也能保证叠片过滤器出水SS浓度在10 mg/L左右。因此叠片自清洗过滤器以其运行稳定性在该套工艺中起到重要的作用。

微纤线盒式过滤器作为该套工艺的最后一环起到严格的把关作用，出水SS浓度始终低于5 mg/L，完全满足冷却循环水回用的要求。在此次中试中，分别采用了7 μm和20 μm过滤精度的微纤线盒式过滤器进行了试验。并对不同处理量、不同进水浓度下微纤线盒式过滤器的出水效果、反洗频率进行了深入的研究，试验数据如表1所示。

由表1可知，中试对不同的进水水质、处理量下微纤线盒式过滤器的性能进行了测试。可以发现，进水浓度越高、处理量越大，反洗时间间隔越短，最终可通过样机过滤单元的数量换算出整机的处理能力。

表1 不同工况下微纤线盒式过滤器运行参数

2.2.2 浊度分析

试验过程中同时检测了各处理单元的出水浊度，结果见图6。同向流沉淀池和叠片自清洗过滤器的出水浊度波动范围都比较大。而20 μm的微纤线盒式过滤器的出水浊度基本在10 NTU以下。与前面的SS浓度结果类似，微纤线盒式过滤器的出水浊度也比较稳定，这样就能够保证回用水的水质。

图6 各处理单元出水浊度对比

2.3 叠片自清洗过滤器使用效果

经过前期调试，考虑到反洗周期和出水效果，最终将试验装置的水通量稳定在7 m3/h。在水通量稳定的条件下，反洗间隔基本都在1 h左右，出水的水质基本稳定。在偶尔同向流沉淀池由于管道冻结、出水水质急剧恶化的情况下，叠片出水的悬浮物的增长幅度也远小于同向流的出水悬浮物增长幅度。这说明在叠片进水悬浮物含量波动的情况下，出水的水质还是能够维持相对的稳定，满足微纤线盒式过滤器的进水水质要求。这是因为叠片自清洗过滤器具备:①深层过滤方式，对纤维的拦截效果好;②叠片弹簧压紧的自锁形式，保证在压差增加的情况下也不会出现漏滤现象。

然而浊度的结果表明，叠片进水浊度大幅度增加时，出水的浊度增加幅度也比较大。可能的原因是悬浮物中含有精细的钛白粉颗粒，由于其粒度太小，当过滤压差增加时，原先拦截于叠片缝隙中的部分钛白粉颗粒可能泄漏出去，从而引起浊度增长幅度较大。

同时，通过观察整个过程中的反冲洗情况发现，每次反冲洗之后叠片过滤器中叠片的颜色基本能够恢复到正常的颜色。连续运行5天之后，出现了叠片清洗不彻底的情况，然后采用人工简单冲洗就能恢复到原来的颜色。主要原因是:①试验采用的是本源反冲洗模式，尽管能够获得较好的反冲洗效果，但是还不是很彻底，所以实际生产中建议采取外源反冲洗模式，可以采用微纤线盒式过滤器的出水或者叠片自身的出水，经过单独的反冲洗泵增压后反洗;②来水中由于含有造纸助剂，如PAC，PAC会在叠片的沟槽内黏附，导致反冲洗不彻底。为了解决这个问题，实际生产中建议定期在反冲洗水中加少量的酸来增强反冲洗效果。而且添加少量的酸，对回用于真空泵冷却会减轻结垢的风险。

资金在使用上产生的影响是非常主要的一个影响因素，这也属于资金在进行使用上存在的问题，在对危房改造过程中表现得尤为明显。

由以上分析可以看出:①叠片自清洗过滤器的过滤效率是稳定的;②叠片自清洗过滤器的出水水质基本稳定;③反冲洗效果可以通过改用外源反冲洗的方式进一步提高。同时定期加酸进行彻底清洗，这在国外类似的应用中已经成功运用。

2.4 微纤线盒式过滤器使用效果

微纤线盒式过滤器本身具有2 μm、3 μm、7 μm、10 μm和20 μm多级过滤精度，随着过滤精度的降低，相应的过流量明显提高。此次中试分别采用了7 μm和20 μm过滤精度的微纤线盒式过滤器进行中试试验发现，选用20 μm过滤精度的微纤线盒式过滤器可满足出水水质要求，即出水SS浓度≤10 mg/L;浊度≤20 NTU。由试验数据可知，在相同反洗频率下，选用20 μm过滤精度比选用7 μm过滤精度的过流量大1倍以上，因此更符合纸厂生产需要。

20 μm过滤精度的微纤线盒式过滤器出水，从表观上看无悬浮物，水质清澈。根据监测结果发现，除极个别取样SS浓度接近10 mg/L外，出水SS浓度基本在0.5～3.8 mg/L的范围，远优于中试设定的出水指标。同样，出水浊度除极个别取样在20 NTU左右外，出水浊度也基本在6～12 NTU之间，优于设定出水指标。

3 可行性分析

造纸白水经处理后作为真空泵循环用水回用，根据国家标准，水中SS浓度应小于5 mg/L，而此次中试的最终出水SS浓度在0.5～3.8 mg/L之间，完全满足回用标准。同时，该工艺出水中微量的SS，根据推断应以钛白粉为主，将含少量钛白粉的处理水用于纸机喷淋，同样可以实现回用后的三不影响，即产品质量不受影响、设备不受影响、操作环境不受影响。

同时，该套系统的产水率在80%左右，在造纸系统白水的封闭循环中，回用水中将补充20%的清水以达到水量平衡。为保证产品质量、设备及操作环境不受影响也需要对系统进行少量的清水补充。因此该套系统的产水率完全可以接受。

由于该纸厂目前真空泵循环以及喷淋水均采用清水，在实现白水回用后经济效益将非常明显。保守估计，以100 m3/h的水量取代清水进行回用，按当地工业用水9.5元/t计算，则一年节约清水费用约为830万元，设备投资回收期仅为一个季度。从中可以发现，采取该工艺投资回报期短，具备极强的经济可行性。

4 后期工作

在生产应用中，最终将采用多圆盘过滤器+叠片自清洗过滤器+微纤线盒式过滤器三级联用的处理方法，达到回收纸浆并将处理后白水直接回用的目的。当然，处理后的白水也可用作高压喷淋水，在这种回用模式下，回用水对纸张质量的长期影响需后期继续跟踪研究。

［1］ May A Massoud，Akram Tarhini，Joumana A Nasr．Decentralized approaches to wastewater treatment and management:applicability in developing countries［J］．J．Environ．Manage．，2009，90(1):652．

［2］ APHA．Standard methods for the examination of water and wastewater［M］．20th edition．Washington，D．C．:American Public Health Association，1998．CPP

A New Advanced Treatment Process of White Water

SUN Lei1，*YUAN Xin-yan2
(1．Yixing Taixing Environtec．Co．，Ltd．，Yixing，Jiangsu Province，214204;2．Shanghai Advanced Research Institute，Chinese Academy of Sciences，Shanghai，201203)

Decentralized white water advanced treatment and recycle on the spot of paper mill can realize energy saving and reducing investment．The pilot trial adopted parallel flow sedimentation tank to simulate multi-disc filter，its effluent further passed through the Arkal disc filter and Amiad Microfiber filter(MT)to implement advanced treatment．The SS in the final effluent could maintain less than 5 mg/L and meet the supplementary water requirment of recycled cooling water．Meanwhile，water production rate of Arkal disc and MT could reach 99%and 98%respectively．in automatic filter working process，no chemical were added．This treatment process is regarded as novel white water advanced purification technology．

white water;disc self-cleaning filter;microfiber filter

X793

B

0254-508X(2012)03-0049-05

孙 磊先生，博士;主要研究方向:过滤系统的优化和升级。

(*E-mail:lei@taixing．cc)

2011-08-31(修改稿)

(责任编辑:郭彩云)