造紙污水深度處理工藝研究

張金蘭 金 明 吳費強

(開源環境科技集團有限公司 浙江 杭州 310000)

引言

造紙行業是我國工業中的用水大戶,也是造成我國工業水污染嚴重的主要原因之一。我國造紙工業的廢水排放量及污水中的COD排量,處于各類工業污水排放量的前列。造紙工業對水資源的污染,也成為了我國生態文明建設中工業污染防治的重點問題。據統計,我國各縣及縣以上的造紙工業廢水排放量,占全國工業廢水總排放量的10%～12%,其中經處理后排放量達標的工業污水,占造紙工業污水總排放量的49.3%。由此可見,加大對造紙廠工業污水深度處理工藝的研究力度,具有極高的現實意義。

1 造紙污水深度處理工藝選擇原則

關于工業造紙的污水深度處理工藝,主要是收集造紙產出的原污水,經由污水處理廠處理后的尾水,并對此類尾水進行二次深度清理。通常情況下,造紙工業產出的工業廢水具有遠期不可預見性,加上當前我國的節水要求,需要根據尾水的現實情況,確定污水處理廠的進水出水質。部分排放量或水質標準達標后的出水可制定中水回收方案,用以綠化生產、消防或道路沖洗用水,剩余部分污水可直接外排。在選擇工藝過程中,需要考慮到污水深度處理的建設及運行過程耗資量較大,且受外界環境或不確定因素影響較為嚴重,要求工作人員選擇深度處理工藝方案時,考慮到該處理廠的整體運行性能,并選用性價比最高的處理技術。結合我國現有的造紙廠污水深度處理標準及一般原則,站在全局角度上,選用更符合當地造紙污水規模及污水水質特征的工藝,提高深度處理工藝的可行性及性價比。在選擇深度處理工藝時,應遵循以下原則:

(1)選用成熟的技術,且確保該工藝的處理效果相對穩定,要求不同批次的出水水質標準或參數波動較小,且能滿足國家規定的污水排放指標。

(2)選用運行成本及投資建設費用較低,具有一定的經濟性的工藝,以盡量少的投資獲取更高的效益。

(3)選用運行穩定、管理方便,能夠處理一定程度上的意外問題,具備一定靈活性的工藝。另外,確保能根據不同的進水水質情況及出水水質要求,調整該工藝運行過程中的運行方式以及各個細節處的參數數據,從而確保深度處理工藝能發揮出最大應用價值。

(4)確定所選處理工藝的技術、原理及設備相對先進,且具有科學依據,能可靠、穩定地持續運轉。

(5)基于造紙污水深度處理工程的需求,要求該深度處理工藝具備一定的自動化水準,進一步提高深度處理工藝的整體管理質量的同時,也能降低人力成本與人工費用。

2 造紙污水深度處理工藝的常見方法

(1)物化法:造紙污水深度處理過程中的物化法,主要分為混凝沉淀加過濾法以及活性炭吸附法。其中混凝沉淀加過濾法在處理造紙污水時,很難控制出水水質的COD含量,在污水處理過程中極易伴生污泥。活性炭吸附法的處理效果相對穩定,但該工藝的投資以及運行成本相對較高,每噸水的運行費用超過0.8元。

(2)膜分離法:在前期投資時,每噸水約需要一千元,而后續運營時每噸水則需兩元左右的運行費用,但膜分離法處理效果較強,且污水凈化能力較高。

(3)高級氧化法:在前期投資時,每噸水約需要500-800元,而后續運營時每噸水則需1.5元以上的運行費用。

(4)物化生化組合工藝:通常情況下,該深度處理工藝中會使用多類技術,如將電化學技術與生物濾池技術融合在一起,形成組合式深度處理工藝。但有關該處理方式的實驗報告并不詳細,很難找到較大規模的工程應用資料。

當前,我國造紙污水深度處理工藝需要保證出水水質的COD≤60mg/L。而通常情況下,經由污水處理廠初次處理過后的尾水,往往能保障COD含量達到100mg/L。而將COD含量降至60mg/L的深度處理工藝研究,在我國起步較晚,這也是我國造紙污水深度處理工藝發展中面臨的主要挑戰,要求有關人員基于當前造紙污水深度處理現狀,探索處理效果穩定、投資較低、運行成本適宜且管理便利的造紙污水深度處理工藝。

3 造紙污水深度處理工藝解析

以某污水深度處理廠為例,預設該污水廠進水指標如下表1,深度處理出水水質標準如下表2。

表1 污水廠進水指標

表2 深度處理出水水質標準

3.1 深度處理工藝的選擇

分析本次污水處理的進水指標及出水水質標準得知,本次污水深度處理工藝需要去除對應的有機物及污水懸浮物。除此之外,要考慮到污水中含有的氨氮與磷元素,要求各污染物處理率達標(見下表3)。

表3 本次污水深度處理污染物處理率指標

通常情況下,在污水深度處理過程中,BOD5/COD>0.45,則證明污水可生化性較好,若該比值小于0.3,則較難生化,若該比值小于0.25,則不易生化。綜合分析,該污水處理項目進水BOD5/CODB值為0.125,不易生化,需采用物化處理法。

隨后,分析本次污水處理項目中采用生物除磷脫氮技術的可行性,該技術的可行性分析需計算BOD5:N:P的數值,該比值是影響生物除磷脫氮技術應用效果的核心因素,而其中氮與磷的處理率,將隨著BOD5:N、BOD5:P比值的增長而增大。根據科技理論分析,可得知,在BOD5:N>2.86時,可有效去除污水中的氮,但在BOD5:N>3時,污水處理廠可正常進行反硝化。而生物除磷則需要保障BOD5:P的比值在33-100之間,且BOD5:N≥4。

綜合分析本次污水處理項目的進水水質參數,進水BOD5:N=3.3,BOD5:P=50,符合使用生物除磷脫氮技術的標準。但在實際應用過程中,考慮到生物除磷脫氮技術的投資數額及運行成本相對較高,在實際應用過程中流程較為復雜。因此,該項目在實際應用過程中,除基礎物化流程外,應額外投加各類化學藥品去除水中污染物。

3.2 物化處理工藝的選擇

根據本次污水處理項目的進水水質特征及出水水質要求,選擇具有氧化及沉淀功能的物化處理工作,便可以有效達到深度處理污染物處理率指標的要求?；谏衔膶Ρ敬挝鬯幚眄椖康恼w分析,本次物化處理工藝可選用Fenton、復合無機絮凝加混凝、臭氧加活性炭等具有氧化及沉淀性能的工藝。經綜合考慮,本項目擬定Fenton、復合無機絮凝加混凝工藝為主要方案,而臭氧加活性炭作為備選方案。

3.2.1 Fenton工藝

Fenton工藝中主要使用Fenton試劑,即過氧化氫與催化劑Fe2+共同構成的氧化體系。Fenton工藝通常選擇在pH 3.5左右的環境內進行。在該pH值時,過氧化氫產生氫氧自由基的速率最大。Fenton試劑作為一種強氧化劑,適用于各類難治理的工業污水或對生物有毒害的工業廢水的處理工作。Fenton試劑的主要特征為反應迅速、反應所需的溫度與壓力條件相對緩和,且經由Fenton工藝處理的工業污水,無二次污染性。

在實際應用過程中,Fenton試劑極高的氧化特征,能夠對污水中各類復雜的化學有機物進行氧化處理,從而降解有機物。在實際應用過程中,間歇性處理方式可以為工業廢水提供一個較為平穩的廢水停留環境,能夠達成較好的處理效果。而污水處理過程中,其進水口會連續進水,在這一狀態下,則在動態的水流中完成反應,但此時水流處于紊流式混合狀態,并不利于生成化學反應,因此在連續進水的過程中,Fenton試劑的處理效率較低。此時需工作人員把握好試劑的投加量。在連續處理污水時,應加大Fenton試劑投入量(高于間歇式5%-10%左右,確保pH控制在3-5,具體數值可根據污水出水情況適當調整)。在生成反應的過程中,要求工作人員充分攪拌試劑污水,避免在污水處理過程中,存在水流死角或偏流等問題,導致污水處理效率不佳,適當延長并控制好污水停留時間,進一步提高Fenton工藝的污水處理效率。

3.2.2 復合無機絮凝加混凝工藝

在傳統的造紙污水深度處理工藝中,針對制漿中段水的處理,往往使用物化加兩級生化處理,再通過延時生化與物化等傳統工藝完成污水的深度處理。但如今,該項處理技術已經無法滿足我國現在的環保排放要求。在科學技術不斷發展的過程中,衍生出的復合無機絮凝加混凝工藝,可以有效處理制漿中斷水。該項技術在COD的去除率及色度去除率方面的表現良好,能夠滿足國家規定的污水排放需求。

該項工藝的COD去除率往往可達到60%-80%,且出水色度能保持在50倍-30倍以下。除此以外,在實際應用過程中,復合無機絮凝加混凝工藝中的混凝處理只起輔助作用,主要依靠徹底氧化及吸附處理去除色度以及COD含量。因此。該項工藝處理的污水伴生污泥量較少。同時,各類反應物進入沉淀池后,能快速分離泥水。在反應過程中形成的各類污泥會與上部分清液迅速分離,能夠進一步提高深度處理工作效率,也能夠降低沉淀池的建設投資資金。綜合考慮,復合無機絮凝加混凝工藝的運行費用及投資建設費用相對較低,在保障可污水處理可達到國家規定標準后,其綜合運行費用可達到1.3元/噸。

在處理過程中,復合無機絮凝加混凝工藝主要包括主反應區及沉淀區兩大部分。通常情況下,工作人員會先在污水中加入復合無機絮凝物,并使污水及復合無機絮凝共同進入主反應區,待污水充分與絮凝劑混合后可加入混凝劑,約十分鐘后即可送至沉淀區,執行泥水分離。由于該工藝的泥水分離速度較快,因此沉淀區選用直徑約三十厘米左右的輻流式沉淀池或氣浮均可。

3.2.3 臭氧加活性炭工藝

臭氧加活性炭工藝屬于一類生物活性炭處理法,且當前該處理工藝在我國的發展已相對成熟,該工藝主要借助臭氧的預氧化、砂濾池的活性作用、活性炭的生物作用及吸附作用。

在應用過程中,臭氧的預氧化作用可以增加水中的溶解氧,能夠氧化并分解水中的各類有機化合物,各類難以通過生物降解的高分子有機物,均可在這一環節中妥善處理。臭氧與氧化可以降低活性炭濾池的負荷,能夠將各類大分子的有機物變為小分子有機物。隨后此類小分子物質便可以被活性炭吸附,以達到凈水目的。臭氧還可以將各類可溶于水的錳和鐵轉化為不溶于水的氧化物,隨后便可在砂濾中清除此類物質。在與氧化后,砂濾池以及活性炭濾池能夠在相對良好的環境下運轉,可以避免出水發臭等情況。

砂濾池的生物活性作用,主要用于去除在臭氧與氧化作用中轉化并形成沉淀的鐵和錳,以及各類在氧化過程中生成的不溶水的絮狀有機物。在應用過程中,砂濾池中存在部分生物活性作用,會在一定程度上降低水中的溶解氧,要求工作人員根據實際情況及反應現狀,適時使用壓縮空氣,補充水中的溶解氧含量。

活性炭濾池的生物作用主要為,臭氧與氧化的水中含有氨或溶解氧等有機物,與臭氧及粒狀的活性炭接觸后,便會產生反應,此時溶解的臭氧會立即被碳元素分解。另外,在水中溶解氧含量充足時,各類硝化菌及好氧菌會在活性炭濾池中生長繁殖。隨后,降解活性炭吸附的各類有機物與氨,能夠提高活性炭濾池的吸附容量,也能延長活性炭的使用期限。此時,工作人員需要注意,在生物活性炭濾池中,若溶解氧含量不足(低于4mg/L),將促進厭氧菌生長,從而影響本次污水處理效果。

臭氧加活性炭工藝的吸附性較強,能夠借助臭氧的強氧化性及活性炭的吸附性,處理水中的各類污染物,該工藝的運作成本相對低廉,性價比較高,且工作效率極強。但使用生物活性炭處理工藝,對水質的pH值及重金屬含量有一定要求,需要工作人員斟酌選取。

3.3 深度處理方案的確定

通過上述分析,三種方案各具特色,均能有效達成污水處理的要求,具備一定的運行穩定性,且能保障出水水質,運行維護相對方便,整體建設成本較為合理,能夠保障經由深度處理后的水質符合國家排放標準。綜合考慮,復合無機絮凝劑加混凝處理工藝的占地面積雖然較大,但在整體投資及單位處理成本上占據一定優勢,因此,決定使用復合無機絮凝加混凝工藝作為本次污水處理工程的主要方案,工藝流程如下圖1。

圖1 復合無機絮凝加混凝工藝流程圖

本次深度處理過后,會產生部分伴生污泥,將其送至污水處理廠的污泥處理車間,在壓濾并脫水后外排即可。經測驗,該工藝處理效率較高,去除率見下表4。

表4 本次污水深度處理污染物去除率

4 結語

綜合而言,制漿造紙工業在生產過程中往往會產生大量污水,而此類污水對生態環境造成的負面影響極大。近些年,我國正大力發展生態環境建設工程,各污水處理單位必須認真研究深度處理工藝,加強對工業污水的管控力度,積極研發新技術,或在原有技術的基礎上進行創新升級或改造。針對造紙廠的工業污水處理,需要綜合分析污水進水水質情況及國家的造紙污水排放標準,隨后選用最適宜的深度處理工藝,對比各個深度處理工藝的處理效率、管理難度及性價比,選擇最適宜的工藝,提高深度處理的經濟價值、社會價值與生態價值。