“水解酸化+UASB厭氧反應+A/O+混凝沉淀+芬頓反應+終沉池”應用于造紙綜合廢水處理的研究

秦 瑋

（中輕建設（安徽）設計工程有限公司，安徽 合肥 230000）

造紙生產已成為世界上最大的工業生產之一，也是最耗能的工業部門之一[1]。隨著國家經濟的不斷發展，紙張消耗量也逐日增加，2020年國人年人均用紙量達到150 kg以上，紙板與紙的總消耗量約為2.0億噸，已位居世界首位[2]。造紙行業在生產過程中需要大量的水，同時也會產生大量的生產廢水。根據產污環節的不同，廢水可分為備料廢水、蒸煮廢液（堿法黑液和酸法紅液）、洗選漂廢水、紙機白水等[3]。造紙廢水中主要污染物有木質素、纖維素及其衍生物、硫酸鹽皂、有機氯化物等。造紙廢水成分復雜，可生化性差、排放量大、污染物濃度高，其中的有機物是水體變質、變黑、發臭的罪魁禍首，如不及早科學合理地進行處理，將會對環境造成重大危害[4-5]。

1 廢水來源及水量

本項目以某造紙廠生產過程中產生的綜合廢水為處理對象，設計規模為10000 m3/d。廢水來源包括：（1）漂白工段產生的漂洗廢水；（2）車間清洗等其他廢水；其中黑液另外處理，不進入本污水處理系統，廢水經過污水處理系統處理達標后，排入城市二級污水處理廠。

2 廢水進出水水質及水質特點

（1）廢水進水水質詳見表1。

表1 廢水進水水質

（2）設計出水水質標準詳見表2：

表2 設計出水水質標準

3 廢水處理工藝簡述及可行性分析

根據進水水質及排放標準可以看出，廢水處理工藝需滿足去除CODCr、SS、氨氮、TN、TP及色度的要求，所以本項目除對廢水進行二級處理外還需進行深度處理。

3.1 廢水處理工藝流程圖

廢水處理工藝流程圖見圖1。

圖1 廢水處理工藝流程圖

綜合廢水經微濾機過濾纖維后，進入調節池，在調節池中，將廢水的pH值調節至7.0～8.5，由泵送入水解酸化池，調節廢水溫度在28～38 ℃，水解酸化后的廢水由泵送至UASB進行厭氧處理。厭氧系統處理后的廢水經管道自流進入UASB出水池，在出水池中進行水質水量調節后，由泵送至A/O處理系統，在A/O處理系統中通過微生物的新陳代謝作用，將氨氮在好氧環境中轉化為硝酸鹽，在缺氧環境中進行反硝化作用脫氮，同時降解污水中的有機物，達到水質凈化的目的。出水自流進入二沉池進行泥水分離，部分污泥由污泥泵回流至缺氧池，上清液進入絮凝沉淀池，通過投加聚合硫酸鐵和PAM陰離子，并進行絮凝沉淀作用以進一步去除廢水中的CODCr、SS、色度等；出水進入芬頓反應池，通過投加雙氧水、硫酸亞鐵在酸性條件下反應，一方面，Fenton試劑在酸性條件下H2O2與Fe2+反應生成羥基自由基·OH，其強氧化性可氧化分解為有機物；另一方面，反應副產物Fe（OH）3膠體能夠起到絮凝、吸附的作用，將廢水中部分可以與Fe（OH）3膠體結合形成絮體的有機物通過沉淀作用去除，以達到進一步去除有機物的目的，從而使出水達標排放。

3.2 主要工藝單元工藝簡介

3.2.1 水解酸化工藝

水解（酸化）處理方法是厭氧處理的前期階段。Bryant提出的厭氧消化三階段理論顯示，第一階段為水解酸化階段，第二階段為產氫產乙酸階段，第三階段為產甲烷階段[6]。通過控制反應時間及反應條件，將厭氧處理控制在水解酸化階段，此階段利用厭氧菌胞外酶將復雜的有機物分解成簡單的有機物，從而改善廢水的可生化性。

不同的工藝組合，水解酸化可以起到不同的作用，如在水解酸化-好氧生物處理工藝中，水解酸化可起到提高可生化性廢水的作用；在混合厭氧硝化工藝中的水解酸化可為混合厭氧硝化過程的甲烷發酵提供底物；兩相厭氧硝化工藝則是為了將產酸相與產甲烷相分開，避免對各自反應產生影響而降低反應效率。在工業廢水中經常使用的水解酸化工藝，則是側重于該工藝具有可提高廢水可生化性的作用，從而為后續的生化處理提供良好的水質環境。

3.2.2 UASB厭氧工藝

UASB反應器是一種厭氧生物處理方法。污水從反應器底部進水，從上部排出，反應器底部有一個高濃度、高活性的污泥床，污水中大部分有機物在此期間經過厭氧發酵降解為甲烷和二氧化碳[7]。反應器內的污泥、沼氣及硝化液通過設置在反應器上部的三相分離器分離。沼氣通過反應器頂部的排氣孔排出；污泥在重力作用和三相分離器擋板的阻礙作用下，自動滑落到反應器的底部；硝化液則從反應器上部的澄清區排出。UASB具有不易堵塞、負荷能力較大、有機污染物去除率高、不需要攪拌等特點，適用于高濃度有機廢水的處理。

3.2.3 A/O工藝

1973年，南非的Barnard提出改良型 Ludzack-Ettinger 脫氮工藝，即廣泛應用的A/O工藝[6]。該工藝分為兩段，分別為A段和O段，原污水先進入A段，再進入O段，并將O段的混合液與沉淀池的污泥同時回流到A段。污泥回流和O段混合液的回流保證了A段和O段中有足夠數量的微生物，并使A段得到O段中硝化產生的硝酸鹽。由于原污水和O段混合液直接進入A段，為A段反硝化提供了盡可能多的碳源有機物，使反硝化反應能在A段中得以進行。A段進行反硝化后，污水可在O段中進行有機污染物的進一步降解和硝化作用。采用這樣一個生化過程，對有機污染物和氨氮等的去除效果十分明顯。

3.2.4 芬頓工藝

Fenton試劑是H2O2和Fe2+的組合。在pH值為2～5的條件下，利用Fe2+催化分解H2O2生成羥基自由基來降解有機物，同時Fe2+最終可被氧化為Fe3+，并產生Fe（OH）3膠體，利用它的絮凝作用還可降低水中的懸浮物[6]。

由于羥基自由基的氧化電位較高，氧化性強，數值為2.8 V，可氧化多種生物難降解有機物，適用于處理工業廢水，且已在水污染治理方面有了廣泛應用，并取得不錯的效果。Fenton試劑可單獨作為氧化劑處理廢水，也可以作為一個處理單元與其他處理工藝相結合，并根據其所設置位置的不同起到不同的作用。放在工藝前端作為預處理工藝，可降低廢水毒性或污染物含量以降低后續處理單元的難度；放在后端作為深度處理單元，可進一步分解前端工藝不能處理的污染物，以使工藝達標排放。

3.3 可行性分析

①本工程實際每天產生10000 m3的廢水，廢水通過微濾機、格柵及調節池可去除廢水中的纖維物質及大顆粒懸浮物，同時可調節水質、水量，保證后續工藝的穩定進行；②水解酸化池+UASB反應池可去除大部分有機污染物，同時還可提高廢水的可生化性，以滿足后續生化處理的需求；③A/O工藝可有效去除大部分的有機物，同時在好氧條件下可將氨氮轉化為硝態氮，在缺氧條件下將硝態氮轉化為氮氣而去除，保證了氨氮與總氮的達標排放；④后續增加了絮凝沉淀+芬頓氧化+終沉池，可確保SS、TP、色度和難降解有機物的去除，以保證廢水的達標排放。

4 主要工藝設計參數

（1）調節池的主要功能為通過內設格柵攔截污水中較大的懸浮物，通過投加硫酸將pH值由11調至7.0～8.5，同時調節水量，以保證后續污水處理系統的正常運行，設計停留時間HRT=6 h。

（2）水解酸化池的主要功能是在兼氧菌和厭氧菌的作用下降解部分有機物，并將部分難降解的大分子有機物降解成小分子有機物，從而提高污水的可生化性，設計停留時間HRT=18 h。

（3）UASB反應器

功能：通過微生物的水解酸化作用將污水中難降解的有機物轉為易于生化降解的中間體，從而提高污水的可生化性。上升流速為0.7 m/h，容積負荷為2.5 kg CODCr/（m3·d）。

（4）A/O處理單元的主要功能是通過微生物的新陳代謝作用，在好氧條件下降解有機物的同時將氨氮轉化為硝酸鹽，在缺氧條件下進行反硝化作用將硝酸鹽轉化為氮氣，從而降低水中有機物、氨氮及總氮的含量，達到水質凈化的目的。缺氧池停留時間HRT=6 h；好氧停留時間HRT=24 h；硝化液回流比：100%～200%；污泥回流比：50%～100%；污泥濃度：2.5 g/L；污泥負荷：0.15 kg CODCr/kg MLSS·d。

（5）二沉池的主要功能：通過污泥與水的密度差，在重力作用下，使得泥水分泥，同時完成污泥回流與剩余污泥的排出。沉淀池表面負荷：0.55 m3/（m2·h）；停留時間HRT=6 h。

（6）絮凝沉淀池的主要功能是在絮凝池投加混凝劑（聚鐵、氯化鋁）和陰離子PAM，通過攪拌混合使污染物與投加的藥劑充分反應后形成絮體，形成絮凝的廢水進入沉淀池，通過沉淀作用將絮體與廢水分離，從而降低出水的CODCr、SS、TP、色度等。沉淀池設計表面負荷=0.55 m3/（m2·h）；停留時間HRT=6 h。

（7）芬頓反應池的功能是通過調節pH值，投加雙氧水和硫酸亞鐵，在酸性條件下，反應生成副產物Fe（OH）3膠體能夠起到絮凝、吸附的作用，將廢水中部分可以與Fe（OH）3膠體結合形成絮體的有機物通過沉淀作用去除，以達到進一步去除有機物的目的。設計反應時間為=1.5 h。

（8）終沉池主要功能通過投加氫氧化鈉回調廢水的pH值使出水pH值維持在6～9；同時去除水中Fe2+、Fe3+以降低廢水的色度，保證出水的達標排放。終沉池表面負荷：0.41 m3/（m2·h），設計停留時間HRT=3.4 h。

5 運行效果、運行中存在的問題分析及建議

（1）運行效果：實際運行出水水質詳見表3。

表3 實際運行效果

（2）運行過程存在的問題分析及建議：通過運行效果可以看出除TN外，其他污染物去除效果都較好，出水水質遠優于排放標準，TN雖已達到排放標準，但去除效果并不理想。根據A/O系統的設計參數，分析其缺氧段停留時間、好氧段氨氮轉化情況、回流比等因素可以看出，缺氧段停留時間為15 h，好氧段氨氮轉化效率已達98.36%，硝化液回流比為100%～200%，污泥回流比為50%～100%，根據回流比理論計算可得TN去除率在60%～75%，本項目TN去除率為63.33%，在理論去除率范圍內，為提高TN去除率，可考慮在實際運行中適當地提高硝化液及污泥回流比。

6 結論

本項目采用“水解酸化+UASB厭氧反應+A/O+混凝沉淀+芬頓反應+終沉池”為主體工藝處理造紙綜合廢水，實際運行結果表明，該工藝對廢水中的CODCr、SS、氨氮、TN、TP、色度去除率分別達到98.32%、98.33%、98.36%、63.33%、98.89%和97.92%，有良好的去除效果，且從項目建設以來運行效果穩定，說明該工藝運用于處理造紙綜合廢水效果良好。