造紙廢水負荷與溫度和天氣狀況的關系探討

陶二盼 焦 東 陳小泉 沈文浩

(1.華南理工大學制漿造紙工程國家重點實驗室，廣東廣州，510640;2.廣州造紙股份有限公司，廣東廣州，511642)

據有關調查資料表明，2008年造紙行業的廢水排放量占統計的39個行業工業廢水排放量的18.9%，造紙行業的COD排放量占重點調查統計企業COD總排放量的32.8%［1］?？梢娭茲{造紙企業是廢水排放大戶，其中間歇式活性污泥法 (SBR)工藝是一種常用的造紙廢水處理工藝，該工藝過程是一個強耦合、多輸入多輸出的動態系統，通過計算機仿真模擬活性污泥法廢水處理過程，進行活性污泥法廢水處理工藝、過程控制算法和控制策略等研究，已逐漸成為活性污泥法廢水處理的研究熱點［2-4］。其中SBR入水總化學需氧量 (TCOD)濃度大小是衡量廢水負荷的重要指標，它與天氣狀況及廢水溫度的關系引起了部分學者的關注。Alex J.等人［5］對于城市污水TCOD及其組分在陰天、雨天和晴天3種天氣狀況下的變化規律進行了分析探討;Vanhooren H.等人［6］分析了雨天和晴天時城市污水成分在不同流量下的濃度變化，COD濃度會因為流量降低而有所增加。一些針對不同天氣狀況下環境變化規律的研究具有很好的參考作用，Nathan L.Howell等人［7］以休斯頓地區城市郊外河流中多氯聯苯為研究對象，研究了在雨天和晴天兩種天氣狀況下的濃度負荷變化規律;Dimitris K.Papanastasiou等人［8］對牲畜樓房內微粒在不同氣候條件下的變化以及對牲畜健康的影響進行了研究;曹瑩等人［9］對廢水經過內循環厭氧反應器 (IC反應器)后TCOD的去除率進行了研究探討;于鵬等人［10］以高效菌生物活性炭裝置對造紙廢水處理廠出水進行深度處理，證明了此工藝對TCOD有較好的去除率。

目前國內外對造紙廢水SBR入水TCOD變化影響因素的研究較少，特別是針對造紙廢水負荷與溫度和天氣狀況關系的研究更少，本實驗針對某造紙廢水處理系統中影響SBR池入口廢水TCOD值大小的因素進行研究。通過對入水TCOD與天氣和溫度關系的研究，一方面可以為廢水處理控制系統提供除曝氣量之外的另一個可控制因素——廢水溫度;另一方面為造紙廢水處理過程計算機仿真系統提供數據來源。

1 數據來源和研究對象

本研究以某二次纖維造紙廠的活性污泥法廢水處理系統為對象，處理的廢水主要為脫墨制漿廢水、抄紙白水的混合水，處理工藝過程包括厭氧系統和好氧系統，厭氧系統主要是由IC塔反應器實現厭氧處理，而活性污泥法廢水好氧處理過程采用SBR工藝。造紙廠廢水處理系統流程如圖1所示。

圖1 造紙廠廢水處理系統流程圖

從圖1可以看出高濃度脫墨廢水經過厭氧系統，再經IC反應器處理，抄紙廢水在好氧系統中進行預處理，來自兩個系統后的廢水經混合進入SBR池的總管。實驗中所有SBR池入水TCOD的數據均是在進入SBR池前的總管處取樣，離線測量得到的。

2 結果與討論

2.1 入水溫度與大氣溫度的關系

圖2 一年中造紙廢水廠SBR入水溫度與大氣溫度的變化曲線圖

圖2所示是該造紙廠廢水處理系統一年的溫度統計結果，圖2反映了一年中SBR入水溫度和大氣溫度月平均值的變化規律。SBR入水溫度主要受入水(IC反應器的出水與好氧預處理的出水)溫度和大氣溫度的影響。由于該造紙廠產生的待處理的廢水大部分是高濃度脫墨廢水，因此入水溫度主要受IC反應器出水溫度的影響。從圖2可以看出，春季時入水溫度在37℃左右，低于夏秋季節，而夏季平均水溫達到42℃左右，秋季平均水溫達40.7℃，冬季水溫最低，約為36℃;另外可以看出，入水溫度始終高于大氣溫度。

由圖2還可以看出，冬季兩條曲線的變化趨勢不同，冬季的大氣溫度都在20℃以下，是逐漸升高的趨勢，而SBR入水溫度保持在36℃左右，出現這種變化趨勢的決定因素是來自IC反應器脫墨廢水的溫度。該造紙廠數據顯示IC反應器的水溫一直控制在40℃左右，這個溫度相對于冬季水溫來說起決定作用;春季和夏季的大氣平均溫度在28℃左右，這與IC反應器的出水溫度相差不大，此時SBR進水溫度由這兩個溫度共同決定，并且這時大氣溫度的改變影響入水溫度的變化。秋季的大氣溫度下降快速，而入水溫度下降緩慢，入水溫度的下降主要是因為當地大氣溫度較低引起的，而趨勢較為緩和主要是IC反應器的水溫較高所致。

圖3列出了四季大氣溫度和入水溫度的關系曲線圖，對比幾條曲線不難發現:在春季、夏季和秋季，兩者基本成線性關系，分析表明SBR池入水溫度與大氣溫度有關，入水溫度隨著大氣溫度的升高而升高;而在冬季，二者不符合線性關系，原因是冬季大氣溫度偏低，IC反應器的脫墨廢水溫度較高，入水溫度主要受脫墨廢水溫度影響。從以上分析可以看出:在一年中大多數時間內，大氣溫度對入水溫度是有影響的。

2.2 TCOD與天氣狀況的關系

圖3 四季大氣溫度與入水溫度的關系曲線圖

表1 不同天氣狀況、不同月份的TCOD及大氣溫度

表1列舉了在造紙廢水處理過程中，不同月份以及同一月份不同天氣狀況下的SBR入水TCOD總負荷大小及大氣溫度值。

2.2.1 穩定的大氣溫度、不同的天氣狀況

從表1中8月份陰天和晴天的溫度數據可以看出，8月份大氣溫度變化不大，故可以排除大氣溫度的影響，只考慮不同天氣狀況對SBR入水負荷的影響。陰天時的TCOD較晴天時稍高，原因是陰天時氣壓較低，廢水表面有比較豐富的泡沫，從而導致溶解氧 (DO)的降低，TCOD也因此受到影響。

2.2.2 同一種天氣狀況、不同的大氣溫度

表1中1月份、9月份和10月份均為晴天時的TCOD以及對應的大氣溫度數據顯示，9月份和10月份的大氣溫度要比1月份溫度高出約9℃，數據表明不僅僅是陰天會對入水TCOD有影響，大氣溫度也會對入水TCOD有影響，冬季大氣溫度與入水溫度差別較大，有利于廢水的前期處理，進而影響TCOD的大小。

2.2.3 不同的大氣溫度、不同的天氣狀況

表1中9月份雨天和晴天的數據顯示，有少量時段雨天的TCOD較晴天時的低;從1月份晴天和雨天的數據可以看出，極少時段晴天的TCOD較雨天時的低;9月份主要以暴雨為主且雨量明顯高于1月份，從這兩組TCOD的數據可以看出，9月份雨天的平均TCOD為968 mg/L左右，1月份雨天的平均TCOD為608 mg/L左右。這些數據表明TCOD與有無降雨以及雨量大小沒有必然關系，而與入水溫度有關。9月份雨天的平均大氣溫度較1月份雨天的平均大氣溫度高13℃，9月份晴天的平均大氣溫度較1月份晴天的大氣溫度高15℃，大氣溫度影響著系統的入水溫度，有利于前期TCOD的去除。這與城市污水有所不同，有無降雨以及雨量大小都會影響城市污水TCOD的值［4］。這種區別的主要原因是城市污水隨著雨量的不同會對污水的流量造成很大的影響，城市夏季生活用水量較大，而造紙廢水的處理過程幾乎是封閉的，雨量不會對造紙廢水的量造成影響。

2.3 TCOD與入水溫度和大氣溫度的關系

在對造紙廢水進行處理時應關注水溫的變化，水溫的高低影響溶解氧在水中的溶解度、可溶性有機物的溶解度、水體自凈及其自凈速率、細菌等微生物的繁殖及生長能力和速度。從圖1可以看出，進入SBR總管前的廢水分別來自IC反應器和集水池。根據IC反應器的工作原理可知，該反應器中廢水COD的影響因素包括溫度、水力停留時間 (HRT)、pH值、酸化現象等。因為厭氧污泥的活性受溫度的影響，其中主要是厭氧微生物對溫度變化較為敏感;如果HRT太短，系統中的污泥不能充分對廢水中的有機物進行降解;IC反應器處理的高濃度脫墨廢水，其中有機物濃度相對較高，因此要有足夠的HRT，從而使有機物得到較為充分的降解;當反應器進水的pH值過低時，會影響微生物的生長，進而造成廢水中的有機物降解不完全;揮發酸的積累會導致酸化現象的產生，酸化現象使系統的pH值降低，進而影響微生物的生長，形成了惡性循環。以上這些因素會影響厭氧系統TCOD的去除率。圖1所示的流程圖中抄紙廢水經過初沉池和集水池后TCOD有一定的去除，而集水池主要是匯集、儲存和均衡廢水的水質和水量，對SBR的入水TCOD的影響可以忽略不計。

圖4 一年中造紙廠廢水溫度與TCOD變化曲線圖

圖4所示為一年四季造紙廠廢水溫度與TCOD變化的關系。從圖4可以看出，冬季時大氣溫度和入水溫度均偏低，但是大氣溫度在這個季節中一直是上升趨勢且溫度值變化較大，變化值為6℃左右，但是入水溫度在1月份到2月份稍有上升，2月份到3月份又有所降低，但其溫度值變化微小，不排除這是測量誤差;另外，從圖3可以看出冬季TCOD的波動為150 mg/L左右，其波動與其他季節相比較小。由圖2的分析結果可知，此時的廢水溫度受大氣溫度影響明顯，前階段的廢水處理過程中TCOD的去除率比較理想。春、夏季TCOD大致由470 mg/L上升到900 mg/L，變化幅度較大，原因是這幾個月入水溫度較高，即IC反應器和好氧系統集水池的出水口溫度較高，處理階段TCOD的去除率比較低，即春、夏季的TCOD處于上升階段。秋季大氣溫度較低影響了入水溫度，使得經過IC反應器和好氧系統的廢水TCOD的去除率有所增加，這時的TCOD有所下降。

從以上的分析結果可以看出，入水溫度也是SBR池入水TCOD的影響因素，在實際的控制過程中，應對其加以考慮。

3 結論

以某二次纖維造紙廠廢水處理系統為對象，研究了大氣溫度、間歇式活性污泥法 (SBR)入水溫度和天氣狀況對其廢水總化學需氧量 (TCOD)的影響。春季、夏季和秋季的大氣溫度和SBR入水溫度幾乎成線性變化關系，說明大氣溫度對SBR入水溫度有影響。而SBR入水溫度是SBR入水TCOD前期去除率的影響因素，冬季大氣溫度偏低，直接影響了廢水處理系統的前期處理，春、夏、秋三季的TCOD比冬季高。當大氣溫度波動較小時，天氣狀況對TCOD有影響，陰天時TCOD值較晴天時高。造紙廠這種封閉的廢水處理系統，與城市污水處理系統不同，造紙廠廢水入水TCOD不受降雨量的影響。

在造紙廠廢水處理過程中利用溫度與入水TCOD的關系，可以在調節曝氣量的同時，通過調節SBR入水溫度來更好地實現廢水處理控制，從而達到更優的處理效果。

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