卡鲁塞尔氧化沟、浅层气浮技术及其在木浆废水处理中的应用

胡光勇 云南省普洱市景谷县云南云景林纸股份有限公司 云南 普洱（666400）

云南云景林纸股份有限公司（简称云景林纸）是一家林浆纸一体化的现代企业，以松木、桉木、竹子和杂木为原料，采用硫酸盐法制浆，产能达到25万t浆，3万t生活用纸。企业二期扩建改造后，制浆工艺采用三台蒸煮锅间歇蒸煮、一级三段筛选处理、氧脱木素、三段高温漂白（Dht—EOP—D1）工艺技术。云景林纸的废水主要来自制浆蒸煮、洗、选、漂工段、碱回收工段、备料工段污水以及各车间的生活废水，由于生产原料的不同，废水污染负荷波动大。废水中含有大量的可溶性有机物，特别是制浆漂白废水有一定量的木质素、纤维素和半纤维素及其衍生物，具有较高的CODcr、色度及水温等特点。二期扩建配套污水处理系统采用卡鲁塞尔氧化沟二级生化处理技术,以及浅层气浮三级物化处理技术，经过两年多的连续运行表明,处理后的终端废水排放指标达到国家《造纸工业水污染物排放标准》（GB3544-2008）标准要求，废水处理系统运行效果良好。

1 工艺流程

1.1 废水源水质分析

云景林纸的废水中污染物以生产原料（纤维素）为主，并含有部分其他的有机杂质和泥沙等无机物；废水中难生化降解物质含量高，如木素和大分子碳水化合物等，色度高；流失的纤维素、半纤维素等多糖类物质是构成有机污染物的主要成分；其次是低含量有毒化学物质，如氯化物、木素衍生物和氯代酚类等。废水中含有大量的可溶性有机物，同时还含有一定的纤维素和半纤维素、木质素及其衍生物，具有排放量大、污染负荷高、纤维悬浮物多等特点，主要含木质素、残碱、硫化物、氯化物等污染物，属于高浓度的有机废水[1]。云景林纸卡鲁塞尔氧化沟设计参数：处理能力Q=18000m3/d，废水源水质参数：BOD＜500mg/L,CODcr＜1500mg/L,SS＜350mg/L,色度＜150倍，pH值：2-12，水温＜65℃。出水水质:CODcr≤100mg/L，BOD≤20mg/L,SS≤50mg/L,色度＜50倍，pH值6～9。

1.2 工艺介绍

1.2.1 工艺流程

图1工艺流程图

1.2.2 工艺说明

（1）预处理

中段废水经汇水管道进入预处理工序。废水经过机械格栅过滤去除粗大杂物，然后进入中和池调节废水的pH值，废水自流至调节均质池调节废水的水量和水质，后由冷却提升泵提升至冷却塔，降低水温以满足后续卡鲁塞尔氧化沟进行生物处理。如果生产系统及废水处理系统出现废水水质较大波动时，废水可经汇水管道直接进入事故应急池，待系统运行正常后由事故应急池用泵提升至废水处理系统中。

（2）生物处理

生化处理工序主要是由卡鲁塞尔氧化沟、辐流式二沉池及污泥回流系统组成的沟内外循环处理系统。经预处理后的废水，自流至卡鲁塞尔氧化沟。在氧化沟内，由慢速表曝机曝气并推动水流在沟内循环流动，形成曝气机的前段好氧、后段缺氧（厌氧）。因此，卡式氧化沟工艺具有典型的缺氧—厌氧—好氧的交替循环过程。在卡式氧化沟的缺氧、厌氧区，通过厌氧反应，可以使中段废水中难以降解的木素及其衍生物等大分子链物质部分分解为易于生化降解的小分子，这类小分子再通过好氧区，就比较容易降解去除。因此，卡式氧化沟工艺对于造纸废水具有独到的、较好的处理效果。氧化沟有较长的水力停留时间和较低的污泥负荷，因此也具有较强的耐水量、水质冲击能力。废水经氧化沟处理后，进入二沉池泥水分离，上清液出水进入深度处理单元进一步处理。大部分污泥回流至氧化沟起活性生化化学作用。少量的剩余污泥已经充分稳定（泥龄30天以上），泵送至污泥浓缩池浓缩后进行脱水处理[2]。

（3）深度处理

二沉池出水进入氧化脱色池短暂停留，然后废水流入气浮提升池，经提升泵提升经过管道混合器加药（絮凝剂）进入超效浅层气浮分离系统进行固液分离，溶汽水采用气浮处理后的清水，通过专用管道经过回流水泵加压至0.5-0.6kpa左右与压缩空气一起进入强溶溶气装置中。使空气在尽可能短的时间内均匀迅速的溶解于水中，使之达到饱和状态。然后通过消能释放装置使微小气泡稳定释放于气浮池底部的进水管，并充分与原水混合（助凝剂），使其于水中的杂质颗粒和絮体颗粒相粘附。通过池体上部的布水装置均匀地分布于整个池体断面上，通过微细泡自身的浮力将杂质颗粒和絮体颗粒浮至水面上。浮渣由不停旋转运动的螺旋状除渣器刮起，靠重力通过专用管道自流进入浮渣池，泵送至污泥浓缩池浓缩后进行脱水处理。

2 卡鲁塞尔氧化沟工艺及曝气方式的特点

2.1 卡鲁塞尔氧化沟工艺的特点

卡鲁塞尔氧化沟工艺因其形成的独特的流态和处理效果而受到重视和推广。实践证明卡鲁塞尔氧化沟在工艺运行上可根据废水处理的不同要求组合成不同比例的缺（厌）氧—好氧—缺（厌）氧的生物处理流程。这种流程在缺（厌）氧条件下能把大分子量的长链有机物裂解成易于生物降解的低分子有机物。制浆造纸的中段废水的有机污染物CODcr组成，含有纤维素、多糖、单糖、葡萄糖等的碳水化合物。而纤维素、多糖等成分，均为不易被好氧生物降解的物质。卡鲁塞尔氧化沟工艺处理的缺（厌）氧段，可以把大分子量的纤维素和多糖的分子链断裂，形成易好氧生物降解的低分子量糖类。卡鲁塞尔氧化沟工艺的这一特性，特别有利于制浆造纸中段废水的处理，提高了CODcr的总去除率。

由预处理后的废水，先进入氧化沟的缺（厌）氧段，缺（厌）氧段形成了动态酸化池。在水解酸化的作用下，pH值可降低，同时降解部分大分子有机物及断裂大分子链。接着废水和活性污泥的混合液经过倒伞表面曝气机充氧后进入完全混合的好氧曝气区，由于在缺（厌）氧段废水中的氧含量极低，因而此时经过曝气机时废水的氧吸收效率很高，提高了曝气充氧效率。在倒伞表面曝气机产生的提升混合、推流和曝气功能的作用下，充分吸氧的废水和生物污泥的混合液被叶轮推动向前流动，与曝气溶氧充分混合，形成氧化沟的好氧处理段，使大量有机物在好氧生物作用下降解成二氧化碳和水。由于卡鲁塞尔氧化沟工艺活性污泥的含量高（达4000-6000mg/L）,随着混合液的流动和活性污泥好氧处理的进行，混合液中的氧含量被快速消耗，当水中溶解氧低至0.5mg/L时混合液进入缺氧处理段，根据处理废水的性质和要求不同，运行中调整曝气和工艺运行，可使废水混合液中溶氧进一步下降到0.2mg/L以下，从而形成深度缺（厌）氧的处理环境，此时在相应的生物体作用下会产生缺氧甚至水解酸化的初步厌氧反应，裂解不宜被好氧微生物分解的大分子有机污染物。随后在经过倒伞表面曝气机充氧后，又进入混合曝气区形成的好氧处理段。从而在氧化沟中形成循环的缺（厌）氧—好氧处理区段，废水混合液在推流过程中不断经过循环，一方面能够提高对高分子难降解的有机污染物的去除率，另一方面缺（厌）氧—好氧的处理循环运行控制条件下，能够有效地避免污泥膨胀，确保出水稳定。在卡鲁塞尔氧化沟的出水区，处理后的废水在电动调节堰板调节的水位出水，至二次沉淀池进行泥水分离。根据废水的性质和处理情况决定回流活性污泥的总量，沉降分离后的活性污泥回流至氧化沟，其余剩余污泥送入污泥浓缩池，经浓缩后脱水外运。

2.2 曝气方式和设备的特点

卡鲁塞尔氧化沟采用表面曝气方式，配备专业匹配设计的慢速倒伞表面曝气机。其主要特点是：

（1）表面曝气方式，没有常规水下曝气设备如曝气头的曝气孔堵塞和维修困难等问题，特别适用于悬浮物含量较高的制浆造纸中段废水处理的长期稳定运行。

（2）倒伞表面曝气机设备集曝气、推流和提升混合三种功能于一身，处理效率高，完全满足卡鲁塞尔氧化沟工艺的要求，专业设计的叶轮形状和卡鲁塞尔氧化沟的沟型设计相匹配，实现了工艺和设备的完美结合，确保实现卡鲁塞尔氧化沟独特的工艺特性和运行处理效果。

（3）只需配备倒伞表面曝气机，无需配备鼓风机、曝气头、水下推流设备等，简化工艺运行与设备管理，节省设备投资，降低运行成本。

（4）倒伞表面曝气机除叶轮外，其他主要部件均安置于池顶平台上，不与污水接触，工作环境合理，维护简便，极少维修。

（5）倒伞表面曝气机设备设计采用整体立轴方式布置，机械受力合理，设备使用寿命长且易于维修管理，确保长期稳定运行。

3 高效浅层气浮技术

3.1 超效浅层气浮系统工作原理

污水处理方法，按其作用的原理和去除的对象可分为物理法、化学法和生物法等。溶气气浮就是设法在待处理的水中通入大量密集的微细气泡，使其与杂质、絮粒互相粘附形成整体比重小于水的浮体，从而依靠浮力上至水面，以完成固、液，液、液分离的净水方法。同时通过特殊结构的溶气管产生的微细气泡直径可达到5μm,微气泡的总面积呈几何数增加，至少增加几百倍，这些集成的大量微气泡改变了水的表面张力，有利吸附有色基团及部分亲水性胶体，使净化效率得以大幅提高，同时PAC、PAM的投加量得以降低或无需投加。[3]

3.2 超效浅层气浮池溶气系统原理

溶气系统是整个气浮工艺的关键部分，溶气系统产生微细气泡的质量直接影响气浮效果。本系统的溶气原理（见图2），采用特殊的结构，超效微氧化强溶溶气装置的体积仅为溶气罐体积的1/15（相同处理量相比），但溶气质量、操作、维护都要远远优于溶气罐。在超效微氧化强溶溶气装置中,压缩空气被加到水中；通过溶气水加压至5.5kg/cm2；在超效微氧化强溶溶气装置里水在5.0kg/cm2压力下停留10～15s,这样空气便溶解到水中；压力水通过专用溶气释放装置后，溶气水被消能释放，水中将释放出多余的空气，这样在通过液体时小气泡自然地形成，且气泡非常小。新型溶气释放器采用国外先进技术，微气泡直径可达1～5μm，直径1～3μm的气泡占总数的80%以上，达到国内国际的先进水平，溶气水和药剂加入点的合理选用，保证实现共聚气浮。

图2气浮工艺原理图

4 实际运行效果

4.1 卡鲁塞尔氧化沟运行实效

4.1.1 具有较强的耐冲击负荷能力

从工艺特征分析，卡鲁塞尔氧化沟是一个多沟串联的生化处理系统，进入沟内的污水与沟内活性污泥混合后在氧化沟内作连续的循环流动。由于废水在氧化沟内的停留时间较长，处理制浆造纸中段废水停留时间在24h以上，而且表面曝气机具有强大的搅拌和提升混合能力，因此，原水一进入氧化沟，就会被几十倍甚至上百倍的循环流量所稀释，冲击负荷明显降低。同时由于卡氏氧化沟特有的缺（厌）氧—好氧交替循环的工艺特征，具有提高污泥浓度的合理空间，制浆造纸废水处理系统活性污泥的浓度在3000-6000mg/L，远大于常规活性污泥处理工艺，因此同等条件下系统污泥负荷较低，耐冲击负荷的能力提高。

4.1.2 运行效率高，工艺简便

CODcr去除效率高，抗高负荷冲击，工艺简便，运行效果稳定 见表1。在倒伞表曝机曝气设备和氧化沟流态作用下，使循环的水流保持适宜的流速在氧化沟内循环流动，并在池内形成多重的缺（厌）氧/好氧处理区域，从而形成了独特的生化处理环境和效果，实现了动态的水解酸化与好氧分解的有机结合，加强了对难降解有机物的去除，提高生化系统的有机物去除效率，确保达到最佳的生化处理效果。

4.1.3 机械设备少，易于控制

卡鲁塞尔氧化沟沟形狭长，曝气充氧采用曝气、提升混合和推流特性的倒伞表曝机，整个系统机械设备少，一方面节约能耗及日常运行管理简单方便，另一方面提高了运行可靠性。狭长的沟形与专用倒伞表面曝气机的结合，在氧化沟内产生了可人工控制的缺（厌）氧/好氧区域，可根据废水的情况在实际运行过程中对工艺运行方式进行调整，强化生化处理系统的污染物去除效率，大大节省了总的运行费用。

表1卡鲁塞尔氧化沟效率表

4.2 气浮工艺运行实效

本系统采用“浅池理论”、“零速度原理”和新容器原理设计，停留时间短，仅有3~5min，表面复合高达9.6~12m3/m2.h,占地面积小，池深仅为700-1000mm，出渣含固量可以高达2%~5%，悬浮物去除率可达98%，出水悬浮物可低于100mg/L,强制布水，进出水都有静态的，微细气泡于絮粒的粘附发生在包括接触区在内的整个气浮分离强制布水，容器管设计独特，体积小，容器效率高，容器水和药剂加入点的合理选用，保证实现共聚气浮，设备轻巧、效率高、稳定性高。气浮效率见表2。

表2气浮效率表

5 结论

卡鲁塞尔氧化沟运行负荷并非越低越好，运行表明，此氧化沟运行负荷按照设计能力的85%（水量：16000m3/d、CODcr＜1200mg/L）控制，运行处理效果最佳，污泥浓度控制在3000-6000mg/L。

总之，采用卡鲁塞尔氧化沟工艺作为木浆废水的生化处理段，工艺运行稳定、可靠、管理方便，运行费用经济。云景林纸废水排放值达到：BOD5＜10mg/L、CODcr＜70mg/L、SS＜30mg/L、色度＜20倍、pH值6.5-8、吨浆纸废水量＜40m3/t。

卡鲁塞尔氧化沟在实际运行过程中也存在一些问题。

5.1 污泥膨胀控制

当废水中的碳水化合物较多，N、P含量不平衡，pH值偏低，氧化沟中污泥负荷过高，溶解氧浓度不足，排泥不畅等易引发丝状菌性污泥膨胀。[4]微生物的负荷高，细菌吸取了大量营养物质，由于代谢速度较慢，积累起大量高粘性的多糖类物质，使活性污泥的表面附着水增加，SVI值升高，致使污泥膨胀。针对污泥膨胀的不同原因，采取不同的解决办法：由于缺氧造成的，就增加曝气量或者减轻污染负荷，水温高造成的就降低水温，适当降低MLSS（控制污泥回流量），使需氧量减少；污泥浓度低负荷过高，提高MLSS，以调整负荷，必要时停止进水对生物处理系统连续曝气；通过投加氮肥、磷肥，调整混合液中的营养物质平衡（BOD5:N:P=100:5:1）；pH值过低，投加碱调节。

5.2 泡沫控制

由于进水污染负荷高，含纤维素、半纤维素等多糖类物质，处理系统不能完全有效地将其除去，部分多糖类物质富集于污泥中，经倒伞充氧搅拌，产生大量泡沫；泥龄偏长，污泥老化，也易产生泡沫。[5]针对泡沫产生的起因，采取不同对策：用表面喷淋水或消泡剂去除泡沫，调整减小污染负荷。

5.3 污泥上浮控制

水温过热，超过45℃使活性污泥中大部份微生物死亡而上浮；曝气时间过长，在池中发生高度硝化作用，使硝酸盐浓度高，在二沉池发生反硝化作用，产生氮气，使污泥上浮[4]；pH值过高或过低，影响活性污泥微生物胞外酶及存在于细胞质和细胞壁里酶的催化作用以及微生物对营养物质的吸收，微生物死亡以致发生污泥上浮。针对污泥上浮的起因，采取相应对策，设法改善池内条件控制活性污泥上浮。

〔1〕王如一,方伟忠.制浆造纸废水深度处理技术的发展〔J〕.湖南造纸,2010,02：25～27.

〔2〕马延中,荆柯舜,王国卿,张勇,王波.氨纶化工废水处理的工艺实践〔J〕.山东化工,2008,07：15

〔3〕陆吉明.无锡沪东麦斯特全新深度处理技术及应用[J].造纸信息，2009，03：10

〔4〕张晓红.卡鲁塞尔氧化沟技术研究 [J].科技致富向导，2010，11：05

〔5〕陆子程.氧化沟工艺在污水处理厂中的应用[J].黑龙江科技信息，2013，07：25