“水解酸化+UASB厌氧反应+A/O+混凝沉淀+芬顿反应+终沉池”应用于造纸综合废水处理的研究

秦 玮

（中轻建设（安徽）设计工程有限公司，安徽 合肥 230000）

造纸生产已成为世界上最大的工业生产之一，也是最耗能的工业部门之一[1]。随着国家经济的不断发展，纸张消耗量也逐日增加，2020年国人年人均用纸量达到150 kg以上，纸板与纸的总消耗量约为2.0亿吨，已位居世界首位[2]。造纸行业在生产过程中需要大量的水，同时也会产生大量的生产废水。根据产污环节的不同，废水可分为备料废水、蒸煮废液（碱法黑液和酸法红液）、洗选漂废水、纸机白水等[3]。造纸废水中主要污染物有木质素、纤维素及其衍生物、硫酸盐皂、有机氯化物等。造纸废水成分复杂，可生化性差、排放量大、污染物浓度高，其中的有机物是水体变质、变黑、发臭的罪魁祸首，如不及早科学合理地进行处理，将会对环境造成重大危害[4-5]。

1 废水来源及水量

本项目以某造纸厂生产过程中产生的综合废水为处理对象，设计规模为10000 m3/d。废水来源包括：（1）漂白工段产生的漂洗废水；（2）车间清洗等其他废水；其中黑液另外处理，不进入本污水处理系统，废水经过污水处理系统处理达标后，排入城市二级污水处理厂。

2 废水进出水水质及水质特点

（1）废水进水水质详见表1。

表1 废水进水水质

（2）设计出水水质标准详见表2：

表2 设计出水水质标准

3 废水处理工艺简述及可行性分析

根据进水水质及排放标准可以看出，废水处理工艺需满足去除CODCr、SS、氨氮、TN、TP及色度的要求，所以本项目除对废水进行二级处理外还需进行深度处理。

3.1 废水处理工艺流程图

废水处理工艺流程图见图1。

图1 废水处理工艺流程图

综合废水经微滤机过滤纤维后，进入调节池，在调节池中，将废水的pH值调节至7.0～8.5，由泵送入水解酸化池，调节废水温度在28～38 ℃，水解酸化后的废水由泵送至UASB进行厌氧处理。厌氧系统处理后的废水经管道自流进入UASB出水池，在出水池中进行水质水量调节后，由泵送至A/O处理系统，在A/O处理系统中通过微生物的新陈代谢作用，将氨氮在好氧环境中转化为硝酸盐，在缺氧环境中进行反硝化作用脱氮，同时降解污水中的有机物，达到水质净化的目的。出水自流进入二沉池进行泥水分离，部分污泥由污泥泵回流至缺氧池，上清液进入絮凝沉淀池，通过投加聚合硫酸铁和PAM阴离子，并进行絮凝沉淀作用以进一步去除废水中的CODCr、SS、色度等；出水进入芬顿反应池，通过投加双氧水、硫酸亚铁在酸性条件下反应，一方面，Fenton试剂在酸性条件下H2O2与Fe2+反应生成羟基自由基·OH，其强氧化性可氧化分解为有机物；另一方面，反应副产物Fe（OH）3胶体能够起到絮凝、吸附的作用，将废水中部分可以与Fe（OH）3胶体结合形成絮体的有机物通过沉淀作用去除，以达到进一步去除有机物的目的，从而使出水达标排放。

3.2 主要工艺单元工艺简介

3.2.1 水解酸化工艺

水解（酸化）处理方法是厌氧处理的前期阶段。Bryant提出的厌氧消化三阶段理论显示，第一阶段为水解酸化阶段，第二阶段为产氢产乙酸阶段，第三阶段为产甲烷阶段[6]。通过控制反应时间及反应条件，将厌氧处理控制在水解酸化阶段，此阶段利用厌氧菌胞外酶将复杂的有机物分解成简单的有机物，从而改善废水的可生化性。

不同的工艺组合，水解酸化可以起到不同的作用，如在水解酸化-好氧生物处理工艺中，水解酸化可起到提高可生化性废水的作用；在混合厌氧硝化工艺中的水解酸化可为混合厌氧硝化过程的甲烷发酵提供底物；两相厌氧硝化工艺则是为了将产酸相与产甲烷相分开，避免对各自反应产生影响而降低反应效率。在工业废水中经常使用的水解酸化工艺，则是侧重于该工艺具有可提高废水可生化性的作用，从而为后续的生化处理提供良好的水质环境。

3.2.2 UASB厌氧工艺

UASB反应器是一种厌氧生物处理方法。污水从反应器底部进水，从上部排出，反应器底部有一个高浓度、高活性的污泥床，污水中大部分有机物在此期间经过厌氧发酵降解为甲烷和二氧化碳[7]。反应器内的污泥、沼气及硝化液通过设置在反应器上部的三相分离器分离。沼气通过反应器顶部的排气孔排出；污泥在重力作用和三相分离器挡板的阻碍作用下，自动滑落到反应器的底部；硝化液则从反应器上部的澄清区排出。UASB具有不易堵塞、负荷能力较大、有机污染物去除率高、不需要搅拌等特点，适用于高浓度有机废水的处理。

3.2.3 A/O工艺

1973年，南非的Barnard提出改良型 Ludzack-Ettinger 脱氮工艺，即广泛应用的A/O工艺[6]。该工艺分为两段，分别为A段和O段，原污水先进入A段，再进入O段，并将O段的混合液与沉淀池的污泥同时回流到A段。污泥回流和O段混合液的回流保证了A段和O段中有足够数量的微生物，并使A段得到O段中硝化产生的硝酸盐。由于原污水和O段混合液直接进入A段，为A段反硝化提供了尽可能多的碳源有机物，使反硝化反应能在A段中得以进行。A段进行反硝化后，污水可在O段中进行有机污染物的进一步降解和硝化作用。采用这样一个生化过程，对有机污染物和氨氮等的去除效果十分明显。

3.2.4 芬顿工艺

Fenton试剂是H2O2和Fe2+的组合。在pH值为2～5的条件下，利用Fe2+催化分解H2O2生成羟基自由基来降解有机物，同时Fe2+最终可被氧化为Fe3+，并产生Fe（OH）3胶体，利用它的絮凝作用还可降低水中的悬浮物[6]。

由于羟基自由基的氧化电位较高，氧化性强，数值为2.8 V，可氧化多种生物难降解有机物，适用于处理工业废水，且已在水污染治理方面有了广泛应用，并取得不错的效果。Fenton试剂可单独作为氧化剂处理废水，也可以作为一个处理单元与其他处理工艺相结合，并根据其所设置位置的不同起到不同的作用。放在工艺前端作为预处理工艺，可降低废水毒性或污染物含量以降低后续处理单元的难度；放在后端作为深度处理单元，可进一步分解前端工艺不能处理的污染物，以使工艺达标排放。

3.3 可行性分析

①本工程实际每天产生10000 m3的废水，废水通过微滤机、格栅及调节池可去除废水中的纤维物质及大颗粒悬浮物，同时可调节水质、水量，保证后续工艺的稳定进行；②水解酸化池+UASB反应池可去除大部分有机污染物，同时还可提高废水的可生化性，以满足后续生化处理的需求；③A/O工艺可有效去除大部分的有机物，同时在好氧条件下可将氨氮转化为硝态氮，在缺氧条件下将硝态氮转化为氮气而去除，保证了氨氮与总氮的达标排放；④后续增加了絮凝沉淀+芬顿氧化+终沉池，可确保SS、TP、色度和难降解有机物的去除，以保证废水的达标排放。

4 主要工艺设计参数

（1）调节池的主要功能为通过内设格栅拦截污水中较大的悬浮物，通过投加硫酸将pH值由11调至7.0～8.5，同时调节水量，以保证后续污水处理系统的正常运行，设计停留时间HRT=6 h。

（2）水解酸化池的主要功能是在兼氧菌和厌氧菌的作用下降解部分有机物，并将部分难降解的大分子有机物降解成小分子有机物，从而提高污水的可生化性，设计停留时间HRT=18 h。

（3）UASB反应器

功能：通过微生物的水解酸化作用将污水中难降解的有机物转为易于生化降解的中间体，从而提高污水的可生化性。上升流速为0.7 m/h，容积负荷为2.5 kg CODCr/（m3·d）。

（4）A/O处理单元的主要功能是通过微生物的新陈代谢作用，在好氧条件下降解有机物的同时将氨氮转化为硝酸盐，在缺氧条件下进行反硝化作用将硝酸盐转化为氮气，从而降低水中有机物、氨氮及总氮的含量，达到水质净化的目的。缺氧池停留时间HRT=6 h；好氧停留时间HRT=24 h；硝化液回流比：100%～200%；污泥回流比：50%～100%；污泥浓度：2.5 g/L；污泥负荷：0.15 kg CODCr/kg MLSS·d。

（5）二沉池的主要功能：通过污泥与水的密度差，在重力作用下，使得泥水分泥，同时完成污泥回流与剩余污泥的排出。沉淀池表面负荷：0.55 m3/（m2·h）；停留时间HRT=6 h。

（6）絮凝沉淀池的主要功能是在絮凝池投加混凝剂（聚铁、氯化铝）和阴离子PAM，通过搅拌混合使污染物与投加的药剂充分反应后形成絮体，形成絮凝的废水进入沉淀池，通过沉淀作用将絮体与废水分离，从而降低出水的CODCr、SS、TP、色度等。沉淀池设计表面负荷=0.55 m3/（m2·h）；停留时间HRT=6 h。

（7）芬顿反应池的功能是通过调节pH值，投加双氧水和硫酸亚铁，在酸性条件下，反应生成副产物Fe（OH）3胶体能够起到絮凝、吸附的作用，将废水中部分可以与Fe（OH）3胶体结合形成絮体的有机物通过沉淀作用去除，以达到进一步去除有机物的目的。设计反应时间为=1.5 h。

（8）终沉池主要功能通过投加氢氧化钠回调废水的pH值使出水pH值维持在6～9；同时去除水中Fe2+、Fe3+以降低废水的色度，保证出水的达标排放。终沉池表面负荷：0.41 m3/（m2·h），设计停留时间HRT=3.4 h。

5 运行效果、运行中存在的问题分析及建议

（1）运行效果：实际运行出水水质详见表3。

表3 实际运行效果

（2）运行过程存在的问题分析及建议：通过运行效果可以看出除TN外，其他污染物去除效果都较好，出水水质远优于排放标准，TN虽已达到排放标准，但去除效果并不理想。根据A/O系统的设计参数，分析其缺氧段停留时间、好氧段氨氮转化情况、回流比等因素可以看出，缺氧段停留时间为15 h，好氧段氨氮转化效率已达98.36%，硝化液回流比为100%～200%，污泥回流比为50%～100%，根据回流比理论计算可得TN去除率在60%～75%，本项目TN去除率为63.33%，在理论去除率范围内，为提高TN去除率，可考虑在实际运行中适当地提高硝化液及污泥回流比。

6 结论

本项目采用“水解酸化+UASB厌氧反应+A/O+混凝沉淀+芬顿反应+终沉池”为主体工艺处理造纸综合废水，实际运行结果表明，该工艺对废水中的CODCr、SS、氨氮、TN、TP、色度去除率分别达到98.32%、98.33%、98.36%、63.33%、98.89%和97.92%，有良好的去除效果，且从项目建设以来运行效果稳定，说明该工艺运用于处理造纸综合废水效果良好。