造纸污水深度处理工艺研究

张金兰 金 明 吴费强

(开源环境科技集团有限公司 浙江 杭州 310000)

引言

造纸行业是我国工业中的用水大户,也是造成我国工业水污染严重的主要原因之一。我国造纸工业的废水排放量及污水中的COD排量,处于各类工业污水排放量的前列。造纸工业对水资源的污染,也成为了我国生态文明建设中工业污染防治的重点问题。据统计,我国各县及县以上的造纸工业废水排放量,占全国工业废水总排放量的10%～12%,其中经处理后排放量达标的工业污水,占造纸工业污水总排放量的49.3%。由此可见,加大对造纸厂工业污水深度处理工艺的研究力度,具有极高的现实意义。

1 造纸污水深度处理工艺选择原则

关于工业造纸的污水深度处理工艺,主要是收集造纸产出的原污水,经由污水处理厂处理后的尾水,并对此类尾水进行二次深度清理。通常情况下,造纸工业产出的工业废水具有远期不可预见性,加上当前我国的节水要求,需要根据尾水的现实情况,确定污水处理厂的进水出水质。部分排放量或水质标准达标后的出水可制定中水回收方案,用以绿化生产、消防或道路冲洗用水,剩余部分污水可直接外排。在选择工艺过程中,需要考虑到污水深度处理的建设及运行过程耗资量较大,且受外界环境或不确定因素影响较为严重,要求工作人员选择深度处理工艺方案时,考虑到该处理厂的整体运行性能,并选用性价比最高的处理技术。结合我国现有的造纸厂污水深度处理标准及一般原则,站在全局角度上,选用更符合当地造纸污水规模及污水水质特征的工艺,提高深度处理工艺的可行性及性价比。在选择深度处理工艺时,应遵循以下原则:

(1)选用成熟的技术,且确保该工艺的处理效果相对稳定,要求不同批次的出水水质标准或参数波动较小,且能满足国家规定的污水排放指标。

(2)选用运行成本及投资建设费用较低,具有一定的经济性的工艺,以尽量少的投资获取更高的效益。

(3)选用运行稳定、管理方便,能够处理一定程度上的意外问题,具备一定灵活性的工艺。另外,确保能根据不同的进水水质情况及出水水质要求,调整该工艺运行过程中的运行方式以及各个细节处的参数数据,从而确保深度处理工艺能发挥出最大应用价值。

(4)确定所选处理工艺的技术、原理及设备相对先进,且具有科学依据,能可靠、稳定地持续运转。

(5)基于造纸污水深度处理工程的需求,要求该深度处理工艺具备一定的自动化水准,进一步提高深度处理工艺的整体管理质量的同时,也能降低人力成本与人工费用。

2 造纸污水深度处理工艺的常见方法

(1)物化法:造纸污水深度处理过程中的物化法,主要分为混凝沉淀加过滤法以及活性炭吸附法。其中混凝沉淀加过滤法在处理造纸污水时,很难控制出水水质的COD含量,在污水处理过程中极易伴生污泥。活性炭吸附法的处理效果相对稳定,但该工艺的投资以及运行成本相对较高,每吨水的运行费用超过0.8元。

(2)膜分离法:在前期投资时,每吨水约需要一千元,而后续运营时每吨水则需两元左右的运行费用,但膜分离法处理效果较强,且污水净化能力较高。

(3)高级氧化法:在前期投资时,每吨水约需要500-800元,而后续运营时每吨水则需1.5元以上的运行费用。

(4)物化生化组合工艺:通常情况下,该深度处理工艺中会使用多类技术,如将电化学技术与生物滤池技术融合在一起,形成组合式深度处理工艺。但有关该处理方式的实验报告并不详细,很难找到较大规模的工程应用资料。

当前,我国造纸污水深度处理工艺需要保证出水水质的COD≤60mg/L。而通常情况下,经由污水处理厂初次处理过后的尾水,往往能保障COD含量达到100mg/L。而将COD含量降至60mg/L的深度处理工艺研究,在我国起步较晚,这也是我国造纸污水深度处理工艺发展中面临的主要挑战,要求有关人员基于当前造纸污水深度处理现状,探索处理效果稳定、投资较低、运行成本适宜且管理便利的造纸污水深度处理工艺。

3 造纸污水深度处理工艺解析

以某污水深度处理厂为例,预设该污水厂进水指标如下表1,深度处理出水水质标准如下表2。

表1 污水厂进水指标

表2 深度处理出水水质标准

3.1 深度处理工艺的选择

分析本次污水处理的进水指标及出水水质标准得知,本次污水深度处理工艺需要去除对应的有机物及污水悬浮物。除此之外,要考虑到污水中含有的氨氮与磷元素,要求各污染物处理率达标(见下表3)。

表3 本次污水深度处理污染物处理率指标

通常情况下,在污水深度处理过程中,BOD5/COD>0.45,则证明污水可生化性较好,若该比值小于0.3,则较难生化,若该比值小于0.25,则不易生化。综合分析,该污水处理项目进水BOD5/CODB值为0.125,不易生化,需采用物化处理法。

随后,分析本次污水处理项目中采用生物除磷脱氮技术的可行性,该技术的可行性分析需计算BOD5:N:P的数值,该比值是影响生物除磷脱氮技术应用效果的核心因素,而其中氮与磷的处理率,将随着BOD5:N、BOD5:P比值的增长而增大。根据科技理论分析,可得知,在BOD5:N>2.86时,可有效去除污水中的氮,但在BOD5:N>3时,污水处理厂可正常进行反硝化。而生物除磷则需要保障BOD5:P的比值在33-100之间,且BOD5:N≥4。

综合分析本次污水处理项目的进水水质参数,进水BOD5:N=3.3,BOD5:P=50,符合使用生物除磷脱氮技术的标准。但在实际应用过程中,考虑到生物除磷脱氮技术的投资数额及运行成本相对较高,在实际应用过程中流程较为复杂。因此,该项目在实际应用过程中,除基础物化流程外,应额外投加各类化学药品去除水中污染物。

3.2 物化处理工艺的选择

根据本次污水处理项目的进水水质特征及出水水质要求,选择具有氧化及沉淀功能的物化处理工作,便可以有效达到深度处理污染物处理率指标的要求。基于上文对本次污水处理项目的整体分析,本次物化处理工艺可选用Fenton、复合无机絮凝加混凝、臭氧加活性炭等具有氧化及沉淀性能的工艺。经综合考虑,本项目拟定Fenton、复合无机絮凝加混凝工艺为主要方案,而臭氧加活性炭作为备选方案。

3.2.1 Fenton工艺

Fenton工艺中主要使用Fenton试剂,即过氧化氢与催化剂Fe2+共同构成的氧化体系。Fenton工艺通常选择在pH 3.5左右的环境内进行。在该pH值时,过氧化氢产生氢氧自由基的速率最大。Fenton试剂作为一种强氧化剂,适用于各类难治理的工业污水或对生物有毒害的工业废水的处理工作。Fenton试剂的主要特征为反应迅速、反应所需的温度与压力条件相对缓和,且经由Fenton工艺处理的工业污水,无二次污染性。

在实际应用过程中,Fenton试剂极高的氧化特征,能够对污水中各类复杂的化学有机物进行氧化处理,从而降解有机物。在实际应用过程中,间歇性处理方式可以为工业废水提供一个较为平稳的废水停留环境,能够达成较好的处理效果。而污水处理过程中,其进水口会连续进水,在这一状态下,则在动态的水流中完成反应,但此时水流处于紊流式混合状态,并不利于生成化学反应,因此在连续进水的过程中,Fenton试剂的处理效率较低。此时需工作人员把握好试剂的投加量。在连续处理污水时,应加大Fenton试剂投入量(高于间歇式5%-10%左右,确保pH控制在3-5,具体数值可根据污水出水情况适当调整)。在生成反应的过程中,要求工作人员充分搅拌试剂污水,避免在污水处理过程中,存在水流死角或偏流等问题,导致污水处理效率不佳,适当延长并控制好污水停留时间,进一步提高Fenton工艺的污水处理效率。

3.2.2 复合无机絮凝加混凝工艺

在传统的造纸污水深度处理工艺中,针对制浆中段水的处理,往往使用物化加两级生化处理,再通过延时生化与物化等传统工艺完成污水的深度处理。但如今,该项处理技术已经无法满足我国现在的环保排放要求。在科学技术不断发展的过程中,衍生出的复合无机絮凝加混凝工艺,可以有效处理制浆中断水。该项技术在COD的去除率及色度去除率方面的表现良好,能够满足国家规定的污水排放需求。

该项工艺的COD去除率往往可达到60%-80%,且出水色度能保持在50倍-30倍以下。除此以外,在实际应用过程中,复合无机絮凝加混凝工艺中的混凝处理只起辅助作用,主要依靠彻底氧化及吸附处理去除色度以及COD含量。因此。该项工艺处理的污水伴生污泥量较少。同时,各类反应物进入沉淀池后,能快速分离泥水。在反应过程中形成的各类污泥会与上部分清液迅速分离,能够进一步提高深度处理工作效率,也能够降低沉淀池的建设投资资金。综合考虑,复合无机絮凝加混凝工艺的运行费用及投资建设费用相对较低,在保障可污水处理可达到国家规定标准后,其综合运行费用可达到1.3元/吨。

在处理过程中,复合无机絮凝加混凝工艺主要包括主反应区及沉淀区两大部分。通常情况下,工作人员会先在污水中加入复合无机絮凝物,并使污水及复合无机絮凝共同进入主反应区,待污水充分与絮凝剂混合后可加入混凝剂,约十分钟后即可送至沉淀区,执行泥水分离。由于该工艺的泥水分离速度较快,因此沉淀区选用直径约三十厘米左右的辐流式沉淀池或气浮均可。

3.2.3 臭氧加活性炭工艺

臭氧加活性炭工艺属于一类生物活性炭处理法,且当前该处理工艺在我国的发展已相对成熟,该工艺主要借助臭氧的预氧化、砂滤池的活性作用、活性炭的生物作用及吸附作用。

在应用过程中,臭氧的预氧化作用可以增加水中的溶解氧,能够氧化并分解水中的各类有机化合物,各类难以通过生物降解的高分子有机物,均可在这一环节中妥善处理。臭氧与氧化可以降低活性炭滤池的负荷,能够将各类大分子的有机物变为小分子有机物。随后此类小分子物质便可以被活性炭吸附,以达到净水目的。臭氧还可以将各类可溶于水的锰和铁转化为不溶于水的氧化物,随后便可在砂滤中清除此类物质。在与氧化后,砂滤池以及活性炭滤池能够在相对良好的环境下运转,可以避免出水发臭等情况。

砂滤池的生物活性作用,主要用于去除在臭氧与氧化作用中转化并形成沉淀的铁和锰,以及各类在氧化过程中生成的不溶水的絮状有机物。在应用过程中,砂滤池中存在部分生物活性作用,会在一定程度上降低水中的溶解氧,要求工作人员根据实际情况及反应现状,适时使用压缩空气,补充水中的溶解氧含量。

活性炭滤池的生物作用主要为,臭氧与氧化的水中含有氨或溶解氧等有机物,与臭氧及粒状的活性炭接触后,便会产生反应,此时溶解的臭氧会立即被碳元素分解。另外,在水中溶解氧含量充足时,各类硝化菌及好氧菌会在活性炭滤池中生长繁殖。随后,降解活性炭吸附的各类有机物与氨,能够提高活性炭滤池的吸附容量,也能延长活性炭的使用期限。此时,工作人员需要注意,在生物活性炭滤池中,若溶解氧含量不足(低于4mg/L),将促进厌氧菌生长,从而影响本次污水处理效果。

臭氧加活性炭工艺的吸附性较强,能够借助臭氧的强氧化性及活性炭的吸附性,处理水中的各类污染物,该工艺的运作成本相对低廉,性价比较高,且工作效率极强。但使用生物活性炭处理工艺,对水质的pH值及重金属含量有一定要求,需要工作人员斟酌选取。

3.3 深度处理方案的确定

通过上述分析,三种方案各具特色,均能有效达成污水处理的要求,具备一定的运行稳定性,且能保障出水水质,运行维护相对方便,整体建设成本较为合理,能够保障经由深度处理后的水质符合国家排放标准。综合考虑,复合无机絮凝剂加混凝处理工艺的占地面积虽然较大,但在整体投资及单位处理成本上占据一定优势,因此,决定使用复合无机絮凝加混凝工艺作为本次污水处理工程的主要方案,工艺流程如下图1。

图1 复合无机絮凝加混凝工艺流程图

本次深度处理过后,会产生部分伴生污泥,将其送至污水处理厂的污泥处理车间,在压滤并脱水后外排即可。经测验,该工艺处理效率较高,去除率见下表4。

表4 本次污水深度处理污染物去除率

4 结语

综合而言,制浆造纸工业在生产过程中往往会产生大量污水,而此类污水对生态环境造成的负面影响极大。近些年,我国正大力发展生态环境建设工程,各污水处理单位必须认真研究深度处理工艺,加强对工业污水的管控力度,积极研发新技术,或在原有技术的基础上进行创新升级或改造。针对造纸厂的工业污水处理,需要综合分析污水进水水质情况及国家的造纸污水排放标准,随后选用最适宜的深度处理工艺,对比各个深度处理工艺的处理效率、管理难度及性价比,选择最适宜的工艺,提高深度处理的经济价值、社会价值与生态价值。