卡魯塞爾氧化溝工藝在蔗渣制漿造紙廢水處理中的應用

陳學春 呂 斌 曹紅濤

(DHV(北京)環境工程有限公司，北京，100028)

卡魯塞爾氧化溝工藝在蔗渣制漿造紙廢水處理中的應用

陳學春 呂 斌 曹紅濤

(DHV(北京)環境工程有限公司，北京，100028)

通過蔗渣制漿造紙廢水生化處理的項目實例，闡述了卡魯塞爾氧化溝工藝在設計和運行上的特點，特別是對蔗渣制漿造紙廢水好氧生化處理中如何防止污泥膨脹提出了一種新的解決方案。

蔗渣;制漿造紙;廢水處理;卡魯塞爾;污泥膨脹

近年來，我國利用蔗渣制漿造紙得到了迅速發展，尤其在廣西地區，由于甘蔗制糖業歷來是該地區的一項支柱產業，在蔗渣制漿造紙方面有著得天獨厚的原料優勢。經過近幾年的發展，廣西在利用蔗渣制漿造紙并實現糖紙結合方面已有長足的進步，據不完全統計蔗渣漿年產量達90萬t以上。根據廣西食品工業調整和振興規劃，2015年全區蔗渣制漿、造紙能力將超過150萬t/a，綜合利用率達到50%以上。

但是，在蔗渣制漿造紙的過程中也不可避免地產生了一些環保問題，如黑液和中段廢水等的排放。早在21世紀初，何艷明等［1］就進行了蔗渣堿法制漿黑液資源化治理的工業試驗［2］，并取得了顯著成果;國內多家糖廠 (如廣西貴糖公司等)在蔗渣漿黑液提取和堿回收方面都已積累了不少成功經驗。因此在蔗渣制漿過程中的各種生產工藝及物料回收和資源化問題已基本得到解決。然而隨著制漿造紙工藝的日趨先進完善，生產過程中水的循環再利用率不斷提高，耗水量越來越少，使得廢水中的污染物濃度不斷增加，提高了廢水處理的難度。在蔗渣漿廢水處理方面，之前也進行了不少工作。宋海農等［3］對亞銨制漿廢水的可生物處理性進行了研究，并證明在廢水生物處理段，通過調整進水量、進水負荷和停留時間等參數進行工藝優化，可使該廢水CODCr由3000 mg/L以上降到300 mg/L以下。黃鐘等［4］通過小試試驗，發現采用厭氧-好氧結合的生化處理工藝，蔗渣濕法堆垛備料的洗滌廢水CODCr和BOD5去除率可達到95%以上。

卡魯塞爾氧化溝工藝作為一種成熟的二級生物處理技術，以其優良的出水水質、穩定可靠的運行性能、良好的性價比以及維護簡單方便等特點在制漿造紙廢水處理領域得到了廣泛的應用，為多數使用者認可和接受［5-7］。目前，在蔗渣制漿造紙廢水處理中也已越來越多地采用卡魯塞爾氧化溝工藝作為好氧處理系統的生物處理工藝。本文以一個項目為例來詳細闡述卡魯塞爾氧化溝工藝對蔗渣制漿造紙廢水處理的設計和運行特點。

1 項目總體情況

廣西某糖業集團以蔗渣為原料，采用燒堿法制漿。蔗渣貯存采用濕法散堆，經水洗、脫水后送蒸煮，所得粗漿經洗滌、篩選、凈化、濃縮，并經漂白后送抄紙工段。由制漿車間送來的漂白蔗渣漿經打漿配漿后，通過漿料流送系統進行沖漿、凈化、篩選，然后送紙機抄造。

蔗渣制漿造紙廢水主要分為兩部分:

(1)在濕法堆垛過程中對蔗渣噴淋洗滌而產生的噴淋洗滌廢水。其中含有大量糖分，屬高濃度有機廢水，CODCr為8000～10000 mg/L，BOD5為4000～6000 mg/L;

(2)制漿中段廢水及造紙白水。這兩種廢水一般可直接進入好氧處理系統?；旌虾蟮倪M水CODCr為1000～1500 mg/L，BOD5為400～500 mg/L。

本項目廢水處理站也相應地由兩部分組成，厭氧處理系統主要處理高濃度的蔗渣噴淋洗滌水及備料工段產生的洗滌廢水，出水進入后端好氧處理系統;好氧處理系統則處理制漿中段廢水 (包括蒸發冷凝液、漂白廢水等)和少量的生活污水以及經厭氧預處理后的出水。

2 好氧生物處理系統主要設計進水水質

好氧生物處理系統主要設計進水水質情況見表1。

表1 好氧生物處理系統主要設計進水水質

3 好氧生物處理系統工藝流程

針對本項目水質特點，結合卡魯塞爾氧化溝系統特性并參照類似工程的經驗，進行好氧處理系統的工藝流程設計。具體流程見圖1。

圖1 堿法蔗渣漿廢水好氧生物處理系統工藝流程

4 卡魯塞爾氧化溝工藝參數

作為好氧生化處理的核心，卡魯塞爾氧化溝的主要設計參數見表2，卡魯塞爾氧化溝平面布置見圖2。

表2 卡魯塞爾氧化溝主要設計參數

圖2 卡魯塞爾氧化溝平面布置圖

5 調試運行情況

設備安裝及聯動測試結束后開始進行工藝調試。設備啟動時投放市政污水處理廠活性污泥作為菌種。1周后進行微生物鏡檢，污泥內已出現大量的菌膠團和諸如鐘蟲、纖毛蟲等原生動物;同時，污泥泥相較好。但是之后一段時間，進水的pH值波動范圍很大(7～12)，并且廢水站的酸堿投加裝置沒有投入使用，同時，預處理纖維回收單元規模不夠，初沉池內大量纖維類污泥堆積，造成大量纖維類懸浮物進入氧化溝，氧化溝內的微生物出現解體以及大量死泥現象。

針對這種情況，一方面加強對中段廢水出水pH值的控制，以及對纖維回收單元的擴建及改造;同時，嚴格控制工藝條件，半個月之后，氧化溝內的污泥逐漸恢復正常，MLSS達到4000 mg/L左右，微生物狀態良好，出水良好。

綜合3個月的運行數據，在滿足表1所示進水負荷情況下，實際二沉池出水指標及卡魯塞爾氧化溝系統去除率范圍如表3所示。

表3 實際二沉池出水污染物含量及去除率范圍

針對調試運行中的事故狀況及所采取的相應措施和最終出水結果，總結出一些運行控制的準則。

(1)強化公司內各分廠、工段之間的溝通和協調。當生產、動力等工段出現異常 (如堿液、白泥的跑漏)、或要以批量方式排放廢水而給廢水處理站帶來沖擊負荷 (如沖洗有關生產罐、槽)、或投加某些特殊藥劑時，應提前告知廢水處理站，以便主動采取相應措施，防止沖擊負荷直接進入而造成較大甚至不可挽回的影響。因微生物一旦出現受抑制或中毒等問題時，其恢復過程往往是較為緩慢的。

(2)進水pH值控制。預處理均衡池中廢水pH值應控制在6～9之間，盡可能不要低于5或高于10。如進水pH值低于5或高于10時，應通過進水井閥門切換，將廢水超越至事故池。事故池應保持常空狀態，進入其中的事故廢水通過轉送泵以較小流量(一般為正常進水流量的10%左右)送至均衡池。一旦進水急劇惡化，可考慮暫停進水提升泵，利用均衡池調蓄緩沖能力盡快調節pH值，待正常后再啟動提升泵。

(3)關注預處理工段纖維回收單元的回收能力。尤其是制漿工藝以及污水廠運行啟動初期，避免紙漿纖維回收不完全，大量纖維進入到初沉池以及曝氣工段，影響工藝及設備的運行。

(4)在進水負荷比設計值低的情況下，可將卡魯塞爾氧化溝中MLSS水平適當降低，污泥負荷不宜低于 0.04 kg BOD5/(kg MLSS·d)或 0.1 kg CODCr/(kg MLSS·d)，較為適合的負荷范圍為0.08～0.16 kg BOD5/(kg MLSS·d)或 0.2～0.4 kg CODCr/(kg MLSS·d)。當進水難降解物質較多時 (表現為進水BOD5/CODCr比較低，或出水CODCr較高，原因包括生產工段出現事故、或車間進行檢修、清洗等)，負荷可控制得低些。反之，則負荷可相應提高。

(5)在確定適當負荷的基礎上，可確定卡魯塞爾氧化溝系統剩余污泥排放量，根據剩余污泥量確定是否需要排泥，排泥最好以小流量在一定范圍內連續進行，其間注意監測氧化溝中MLSS的水平，并進一步確定污泥齡的范圍是否在設計值左右 (設計值為9天)。

(6)控制氧化溝中表曝機的運行狀態，使整個氧化溝中平均DO(溶解氧)水平在1.5～2.5 mg/L。

(7)回流污泥的控制，一般情況下可取回流比100%～120%。但如果活性污泥在氧化溝與二沉池之間的分配明顯不平衡時，可對其適當進行調整。運行過程中曾發現氧化溝MLSS僅為1 g/L，而二沉池污泥井MLSS濃度高達8 g/L的情況，說明整個系統的活性污泥大多分布在二沉池中，而氧化溝活性污泥量則較少;將污泥回流比調至200%，經一個晚上運行后，氧化溝中MLSS上升為2 g/L，而回流污泥濃度則有所下降 (SV30顯著降低)。

(8)營養鹽的補充投加。按照BOD5(初沉池出水)∶N∶P=100∶5∶1計算所需投加的 N、P 量，并以二沉池出水 N 2～4 mg/L、P 0.5～1.5 mg/L進行校核。

(9)注意監測水質。當某些指標出現較大變動時 (如出水CODCr增加較多、或MLSS水平較快降低時)，應適當增加取樣檢測頻率，更重要的是盡快分析原因，采取相應措施 (分析檢測僅僅是手段，而不是目的。其最大作用在于為操作者提供數據以進行分析和判斷并采取正確的調整/修正措施)。

6 卡魯塞爾氧化溝系統工藝特點總結

6.1 卡魯塞爾氧化溝系統具有較高的CODCr去除率，為污水廠深度處理提供較好的進水條件

本項目的運行實踐表明，卡魯塞爾氧化溝系統對堿法蔗渣漿廢水具有良好的處理能力。正常運行時，CODCr的去除率可以穩定達到80%。

6.2 卡魯塞爾氧化溝系統具有很強的抗沖擊負荷能力

由于卡魯塞爾氧化溝系統的進口區具有完全混合的水力流態，而且與進水相比，溝中渠道的循環流動的斷面流量非常大 (為進水流量的30～50倍)，這樣進水在很短時間內就可以與池內的大量的水完全混合，得到稀釋，因而系統具有很強的抗沖擊負荷能力，保證了系統運行處理的穩定性和可靠性。即便在進水負荷波動的情況下，它仍可保證穩定的出水水質。這一點在其他采用卡魯塞爾工藝的制漿造紙廢水處理系統中也得到了驗證［5-7］。

6.3 獨特的前置AB段設置，有效的預防污泥膨脹

在采用濕法堆垛備料的蔗渣制漿造紙項目中，進入好氧生化系統的廢水中仍含有大量揮發性有機酸、醇類和硫化物等易生物降解的物質。這些物質會引起好氧處理系統中絲狀微生物的過度繁殖，造成污泥結構的變化，導致污泥膨脹現象。污泥膨脹不僅會引起出水中的SS急劇升高，水質惡化，而且造成處理系統中生物質 (MLSS)的流失，使系統性能逐步降低。

通過觀察和試驗，發現在卡魯塞爾氧化溝前采用經適當設計的預曝氣單元，能夠有效地防止這種絲狀菌過度生長而引起的污泥膨脹，同時完全去除硫化物。這就是防止污泥膨脹反應器 (AB段)的應用基礎。其機理在于:在AB段中，存在著大量高活性的游離微生物，它們可大量吸收廢水中容易降解的COD，將其分解并利用，同時維持自身的快速生長。而在這種特定條件和環境下，由于大量易降解基質被快速消耗，使得依靠這些基質得以生存的、生長緩慢的絲狀菌難以存活，其生長受到很大抑制。絲狀菌在后續的活性污泥反應器 (卡魯塞爾氧化溝)中缺乏必要的食料，數量無法占主導優勢，因而從根本上消除了污泥膨脹的原因。此外，水中的硫化物通過氧化作用也得到了有效去除。

6.4 卡魯塞爾氧化溝的水力設計

水力設計是卡魯塞爾氧化溝系統的一個重要環節。水力設計的好壞，與系統中的混合流態、進水稀釋效果、處理性能和是否出現沉泥等問題有很大影響。需要依靠大量的工程實踐經驗的積累和對于水力形態的深入研究，才能形成一個完善的水力系統。卡魯塞爾氧化溝的布置形式 (如長度、渠道寬度、水深、導流墻的設置位置和形狀等)以及這種布置與表曝機性能 (輸入系統中的能量、倒傘葉輪的直徑、形狀、轉速、浸沒深度等)的結合直接決定了系統的水力特性。

卡魯塞爾氧化溝溝道斷面的平均流速正常情況下不得低于0.3 m/s。主要原因是:

·其斷面流量需維持一個較高的水平 (一般為進水流量的30～50倍)，以保證完全混合的流態以及進水與溝道中循環流的充分混合及稀釋 (因而其具有很高的抗沖擊負荷能力);

·較高的水流速度保證了污水在從進入到流出氧化溝期間與系統中水量的充分混合 (其水力停留時間一般為水流在氧化溝中循環1周所用時間的數十倍，也就是說，污水從進入到流出要在溝中往復循環數十周)，從而在溝中形成完全混合的流態，并獲得很好的污染物去除效果;

·系統中要具有一定的湍動流態以維持正常的混合效果;

·較高的水流速度以防止氧化溝中出現沉泥等現象。

圖3 卡魯塞爾氧化溝水力模型軟件

隨著計算機技術的發展和計算能力的不斷提高，以及模擬軟件和算法的進步，目前已可以通過CFD(Computational Fluid Dynamics，計算流體動力學)技術對各種流體動力學過程進行三維空間的模擬 (見圖3)。并已可對卡魯塞爾氧化溝中的流態和狀況進行水力學校核。通過這種校核可以實現:

·在設計及工程的前期階段，對卡魯塞爾氧化溝系統的溝形設計及表曝機的設置/配置進行設計指導和優化，從而使溝形參數 (長、寬、深、溝道數、導流墻等)與設備 (表曝機、推進器、攪拌器等)性能實現最優組合;

·對于一定的溝形和設備配置，模擬各種不同組合的設備運行情況下溝中的水力流態 (斷面平均流速、混合條件等)，從而進行水力校核，確定各種情況下系統的水力特性。

這對卡魯塞爾工藝的設計理論及設計內容的深化都起到了積極的推動作用。

7 結論

對于含有大量易生物降解的COD成分和容易引起污泥膨脹的蔗渣制漿造紙廢水的處理，采用帶有AB段的卡魯塞爾氧化溝系統是一種非常好的方式。一方面，AB段的采用可有效防止污泥膨脹現象，并為處理工藝帶來諸多益處 (如總容積和剩余污泥產量的減少);另一方面，卡魯塞爾工藝的很多優點都得以保留 (優良的處理性能和高質量的出水，運行穩定性，對于波動和沖擊負荷的承受力等)，并通過AB段的采用而得以加強。兩者的優點在該工藝中相得益彰，充分保證了良好的處理效果。

［1］曹邦威．蔗渣原料在造紙工業中的應用［J］．紙和造紙，2006，25(S1):21．

［2］何艷明，穆環珍，姚春麗，等．蔗渣堿法造紙制漿黑液資源化治理工業試驗［J］．環境污染治理技術與設備，2002，3(10):79．

［3］宋海農，賓 飛，黃顯南，等．呼吸速率法評價蔗渣亞銨制槳廢水的可生物處理性［J］．廣西大學學報:自然科學版，2003，28(1):81．

［4］黃 鐘，陳中豪，黨酉勝．蔗渣濕法堆垛備料廢水的治理研究［J］．造紙科學與技術，2003，22(2):34．

［5］譚先文．卡魯塞爾氧化溝處理制漿中段廢水［J］．紙和造紙，2004，23(S1):72．

［6］劉勛武．水解/氧化溝工藝處理麥草制漿造紙中段廢水［J］．工業水處理，2004，24(10):56．

［7］湯武平，陳季華，楊 波．氧化溝結合水解工藝處理造紙廢水［J］．中國給水排水，2001，17(5):54．

［8］趙宇男．制漿造紙廢水的特性及處理的相關問題［J］．中國造紙，2010，29(9):41．

［9］劉鵬飛．廢紙制漿造紙廢水處理工藝設計實踐與思考［J］．中國造紙，2010，29(7):44．

Application of Carrousel Oxidation Ditch in Bagasse Pulping＆Papermaking Wastewater Treatment

CHEN Xue-chun*LV Bin CAO Hong-tao
(DHV Beijing Environmental Engineering Co．，Ltd．，Beijing，100028)
(*E-mail:cherry．chen@dhv．com)

Due to more and more enterprises produce pulp and paper with bagasse as material，higher requirement to wastewater treatment of bagasse pulping and papermaking is put forward accordingly．Carrousel oxidation ditch process has been commonly applied in this field，and has been getting popular gradually in recent years．Via the project example of bio-treatment of bagasse pulping wastewater，the characteristics of Carrousel process are expatiated in terms of its design and operation．Especially a new solution is presented for preventing sludge bulking in aeration bio-treatment system of bagasse pulping wastewater．

bagasse;pulping＆papermaking;wastewater;carrousel;sludge bulking

X793

B

0254-508X(2011)08-0047-05

陳學春女士，總工程師;主要從事市政污水、工業廢水等領域的項目設計工作。

2011-05-04(修改稿)

(責任編輯:常 青)