造纸废水处理工程曝气器优选

王少艮 张会敏

(1.博天环境集团股份有限公司，北京，100082;2.北京普世圣华科技有限公司，北京，100082)

1 造纸废水处理的特点

随着造纸工业的迅速发展，造纸废水已成为重要污染源之一。据中国造纸协会调查资料，2011年全国纸及纸板生产企业有3500多家，造纸工业2010年废水排放量为39.37亿m3，占全国工业废水总排放量的18.58%，排放废水中化学需氧量 (CODCr)为95.2万t，占全国工业 CODCr总排放量的26.04%［1-2］。

造纸废水排放量大、可生化性差、色度高、悬浮物含量大、成分复杂、难降解有机污染物浓度高，特别是含有木素、纤维素、半纤维素、单糖等，易造成严重污染，是难处理的高浓度有机废水之一。

常见的造纸废水处理方法主要有物理法、物理化学法、生化法等。随着造纸行业污染物排放新标准的实施，诸多制浆造纸废水处理和深度处理技术经过了不断的发展和工程实践［3］，这些技术主要包括:混凝技术、吸附、膜分离、生化技术 (厌氧生化，好氧生化)、电化学、高级氧化技术和组合技术等［4-5］。但总的来说，这些技术或处于研究阶段，或成本太高，实际应用的少。

目前废水处理的方法中，生物处理是最为经济有效且必要的处理程序。生物处理主要分为好氧及厌氧两大类别，就普及性、方便性及稳定性而言，好氧处理占80%以上。好氧处理最关键的因素在于如何充分有效地将空气中的氧气转移到水中，供给微生物分解污染物质，以及如何产生良好且完全混合的搅拌，以避免污泥沉积。因此，曝气设备的选择，在生物处理领域起着至关重要的作用。

2 曝气器的使用现状

曝气系统是生物处理系统的重要组成部分。常用曝气设备主要包括鼓风曝气、射流曝气和机械曝气，详见图1所示。

在曝气方式的选择上，需要结合造纸废水的特点慎重选择。

图1 曝气设备分类

2.1 鼓风曝气

鼓风曝气是目前国内最主流的曝气方式，也是废水处理厂诸多工艺中应用最多、最成熟的曝气工艺。由鼓风机、空气扩散装置和一系列连通的管道组成。理论上讲，气泡越小，气液接触面积越大，氧利用率越高，所以目前微孔曝气器是最常用的鼓风曝气方式之一，但是在高浓度、高悬浮物、高硬度或者易结垢的废水中，微孔曝气器极易堵塞，造成维护和设备更换频繁，增加了废水处理运行成本，甚至影响废水处理厂的正常运行。

孙英合等人［6］根据实践经验指出:来自风机的油污、废水中的油脂、水中碳酸盐垢、生物垢、管道锈蚀物等均会造成微孔曝气器的堵塞。曝气器一旦堵塞，必须进行逐个清洗或更换。所以微孔曝气保证使用期限较短，一般为2～3a［7］，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。

2.2 射流曝气

射流式水下曝气机，因其剧烈的混掺效果，氧利用率高，但压力损失大，能耗较高，水和空气混合后向单方向曝气，这样易造成废水池中溶解氧不均匀。实际运行中，射流曝气水深范围通常在6～10 m。水太浅，射流曝气的动力效率和氧利用率没有优势;水太深，虽然可以节省占地，但是土建造价将上升［7］。

近年来供气式射流曝气器在化工和造纸领域有了较多应用，特别是在序列间歇式活性污泥法 (SBR)工艺中，射流曝气器配套鼓风机和循环泵［8］。鼓风机与循环泵同时开启，具有充氧和搅拌功能;关闭鼓风机开启循环泵，则具有搅拌功能，适合于SBR工艺的硝化阶段。该曝气器具有不易堵塞，服务面积大，使用寿命长等优势，但是循环水泵功耗较高也是影响系统运行成本的一个重要因素。

2.3 机械曝气

机械曝气设备曝气池深度有限、占地面积较大，另外水体的湍流程度不够，进入水体的气泡体积很大，虽然污泥处于悬浮流动状态，但是微观气泡分布不均匀。另外设备体积庞大，输入电能中相当一部分消耗在机器自身的运转中，而且运行时产生较多的水雾和飞沫，易造成二次污染。

2.4 综合比较

各种曝气设备各有其优势和不足，都有其最佳应用领域。在造纸废水处理中，寻找一种构造简单、不易堵塞、氧的转移系数和利用率高、耗电省的高效曝气设备，直接关系到废水处理工程的投资和运行成本、能耗、维修成本及水处理效果等［9］，因而需要慎重选择。

王玉慧等人［10］结合造纸废水处理工程经验实例指出，在造纸工程曝气系统中不建议采用表面曝气类系统，因为其充氧效率低，极易产生泡沫。其次，造纸废水悬浮物浓度高，特别是细小纤维含量高。根据目前国内几个造纸废水处理站曝气池的运行情况看，确有因单纯追求高充氧率而采用固定式安装的微孔曝气器，结果运行一段时间后，个别曝气器孔堵塞或破裂，致使池内曝气不均匀，出水水质不达标，且检修困难。

刘俊超［8］在总结用SBR处理造纸废水时指出，出口孔径5 mm的玻璃钢射流曝气器，降低了堵塞和腐蚀的机会，大大减少了维护工作量，但因为增加了循环泵，从而提高了系统的运行费用。

旋流曝气器是一种新型的水力剪切型曝气器，属于大孔通道，最小孔径大于10 mm，但配合旋混结构，氧利用率高于20%，因而该曝气器具有服务面积大、阻力小、运行稳定可靠、不易堵塞、使用寿命长等优点。与微孔曝气相比，使用寿命长，不怕堵塞和结垢;与射流曝气相比，省去了循环泵的投资和运行成本，因而非常适用于高悬浮物的造纸废水处理系统。

3 旋流曝气器

旋流曝气器包括进气管、带螺旋叶片的螺旋器、及内部具有通道的曝气筒体，筒体上部交错排布着蘑菇头状第一切割器和第二切割器。旋流曝气器采用工程塑料 (ABS)注塑成型，安装方便，防腐能力强。

工作时，位于旋流曝气器底部的空气入口，在曝气时气流以很高的速度上升，带动周围的泥水混合物一起上升，经过螺旋器、第一切割器、第二切割器的层层分割，气泡被切割为小气泡，且与周围的泥水混合物充分混合，增加了氧气的传质速率和氧利用率。

与其他曝气设备相比，RF型旋流曝气器 (见图2)具有以下几个显著优势:

图2 RF型旋流曝气器结构及外形

(1)适用范围广。可用于市政、工业等各种废水，特别适用于造纸、化工、石油、煤炭类行业。

(2)氧转移效率高。空气和水旋混，多次粉碎、切割混合，在水深4.5～6.0 m时，氧利用率可达20% ～25%。

(3)服务面积大。曝气器筒体属大孔通道，再配合旋混结构，服务面积可达5～7 m2/个，在相同工况下，使用数量较微孔曝气盘片可节省90%以上。

(4)整体注塑，一次成型，坚固耐用，使用寿命可达10年以上。

(5)运行成本低。

(6)大孔通道曝气器，无堵塞，可间歇运行。

(7)运行时产生强大搅动，水流强力循环遍布水池，池底无淤泥堆积。

4 经济技术性能对比分析

在造纸废水处理工程运行和实践过程中，很多项目因原设计微孔曝气系统无法使用而更换为旋流曝气器。其中重庆某造纸厂，主要从事化学浆的生产和经营，废水产生量 10000 m3/d，进 水 CODCr为1500 mg/L，可生化性差。要求处理后达到回用水标准，采用了混凝沉淀+化学氧化+活性污泥法工艺。其中曝气池尺寸为38.0 m×22.0 m ×9.0 m，有效水深8 m。以该项目为例对微孔曝气、旋流曝气和供气式射流曝气进行经济技术性能对比分析，对比结果见表1。

5 工程应用实例

经过了慎重对比分析和考察，该项目最终选择了旋流曝气器，自2006年运行以来，设备运行稳定，无需检修，曝气效果稳定，在保持稳定的溶解氧和生化系统运行效果的情况下，无需调高风量，也未发现系统能耗升高现象，因而可以确定其氧利用率和压力损失一直保持在稳定状态。

2011年该厂的另外一个造纸废水处理场也将原有曝气器改为旋流曝气器。图3和图4为该项目改造现场及曝气效果图。

目前，该曝气器已经成功应用于多个造纸废水处理工程，项目一直运行良好，曝气器免维护，水质处理效果良好。

6 结语

在造纸废水处理系统中，曝气设备的选择是系统的核心，它直接影响到系统的运行成本和处理效果。旋流曝气器集空气和水旋混、多次粉碎、切割于一体，充分利用了动能，不需额外增加搅拌动力，搅拌性能好，产生的气泡均匀，氧利用率高。不仅继承了传统水力剪切型曝气器不宜堵塞的优点，而且克服了微孔曝气、射流曝气和机械曝气设备在造纸工业应用中的不足，是非常适合于造纸废水特征的一款新型高效曝气设备，具有服务面积大、阻力小、运行稳定可靠、不易堵塞、使用寿命长等优点。

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