簡述造紙廢水生物處理的技術(shù)與工藝
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論文導(dǎo)讀：生物處理是常用的制漿造紙廢水處理技術(shù)，已被許多工廠采用。上海新倫造紙廠采用SRB技術(shù)進(jìn)行廢水處理并實現(xiàn)達(dá)標(biāo)排放。生物法處理制漿造紙廢水具有效率高、成本低、二次污染少等優(yōu)點(diǎn),今后隨著造紙工業(yè)和生物技術(shù)的迅猛發(fā)展以及對環(huán)境質(zhì)量要求的提高,生物處理技術(shù)必將在制漿造紙工業(yè)廢水處理中得到更廣泛的應(yīng)用，研究高效、低耗、技術(shù)簡單的制漿造紙廢水生物處理技術(shù)是一個非常有前途的課題。
關(guān)鍵詞：生物技術(shù)，制漿造紙廢水，廢水處理
制漿造紙工業(yè)對環(huán)境所造成的污染問題日益突出，其廢水排放量占全國工業(yè)廢水排放總量的10%左右，污染嚴(yán)重，需要二次處理。隨著國家對環(huán)境保護(hù)的重視以及民眾環(huán)保意識的不斷提高，制漿造紙行業(yè)已將降低有害物質(zhì)作為重要課題。生物處理是常用的制漿造紙廢水處理技術(shù)，已被許多工廠采用。該技術(shù)的原理是利用厭氧和好氧微生物將廢水中的溶解性有機(jī)物分解為二氧化碳和水等穩(wěn)定的無機(jī)物，實現(xiàn)COD去除，達(dá)到凈化水體的目的。根據(jù)參與作用的微生物種類和供氧情況，分為好氧生物處理和厭氧生物處理及好氧厭氧組合處理三大類。生物處理方法運(yùn)行費(fèi)用低廉，與其他方法組合可以大大提高造紙廢水的處理效率。
1.好氧生物處理法
好氧生物處理法即在有氧條件下，好氧微生物(主要是好氧菌)以水中的多種有機(jī)污染物作為生長、繁殖和新陳代謝等生命活動的物質(zhì)與能量來源，同時達(dá)到去除BOD的方法。根據(jù)好氧微生物在水體中和工作方式不同，可分為活性污泥法和生物膜法兩類。
1．1 活性污泥法
經(jīng)初次沉淀后的廢水與由二次沉淀池來的回流污泥在曝氣池起端進(jìn)入池內(nèi)，通過擴(kuò)散或機(jī)械曝氣進(jìn)行充分混合與曝氣，并通過活性污泥的吸附、絮凝和氧化作用去除廢水中的有機(jī)物。該法適用于處理要求高而水質(zhì)較穩(wěn)定的廢水。
由于普通活性污泥法曝氣時間比較長，當(dāng)活性污泥繼續(xù)向前推進(jìn)到曝氣池末端時，廢水中有機(jī)物已幾乎被耗盡，污泥微生物進(jìn)入內(nèi)源代謝期，它的活動能力也相應(yīng)減弱，因此在沉淀池中容易沉淀，出水中殘剩的有機(jī)物數(shù)量少。處于饑餓狀態(tài)的污泥回流入曝氣池后又能夠強(qiáng)烈吸附和氧化有機(jī)物，所以普通活性污泥法的BOD和懸浮物去除率都很高，達(dá)到90～95%左右。
普通活性污泥法也有它的不足之處，主要是：①對水質(zhì)變化的適應(yīng)能力不強(qiáng)；②所供的氧不能充分利用，曝氣池相對龐大、占地多、能耗費(fèi)用高。有研究表明通過活性污泥工藝改良，可以明顯改善生物系統(tǒng)污泥沉降性能及處理效果。
（1）SBR工藝
SBR（Sequencung Batch Reactors）是近年來在國內(nèi)外廣泛重視和研究日趨增多的一種污水生物處理新技術(shù)。SRB反應(yīng)器的運(yùn)行通常包括5個階段：①進(jìn)水階段——加入基質(zhì)；②反應(yīng)階段——基質(zhì)降解；③沉淀階段——泥水分離；④排放階段——排上清液；⑤閑置階段——活性恢復(fù)。這5個階段都在曝氣池內(nèi)完成，從第一次進(jìn)水到第二次進(jìn)水稱為一個工作周期。
SRB每個工作周期中各個階段的運(yùn)行時間、運(yùn)行狀態(tài)可以根據(jù)污水性質(zhì)、排放規(guī)律與出水要求等進(jìn)行調(diào)整。其操作簡單，應(yīng)用靈活，經(jīng)濟(jì)可行，能有效地去除常規(guī)活性污泥法難以去除的污染物，并能有效地克服活性污泥法污泥膨脹等問題。甲醇去除率達(dá)100%，COD去除率88%。據(jù)某些專家估算，SRB法投資運(yùn)行成本要比常規(guī)活性污泥法節(jié)省30%。加拿大已成功應(yīng)用SRB技術(shù)處理造紙廠多種廢水；上海新倫造紙廠采用SRB技術(shù)進(jìn)行廢水處理并實現(xiàn)達(dá)標(biāo)排放。
�。�2）HCR工藝
HCR(High Performance Compact Reactor) 是好氧生物處理技術(shù)的一個飛躍，它融合了當(dāng)今的高速射流曝氣、物相強(qiáng)化傳遞、紊流剪切等技術(shù)，并具有深井曝氣和流化污泥床的特點(diǎn)。因此，其空氣氧的轉(zhuǎn)化率高，反應(yīng)器的容積負(fù)荷大，水力停留時間短，是當(dāng)前為西方國家所廣泛接受的一種高效好氧生物處理方法。
HCR系統(tǒng)主要包括：集成反應(yīng)器、兩相噴頭、沉淀池以及配套的管路和水泵等。集成反應(yīng)器為圓形容器，其外筒兩端被封閉，連接著各種管道；內(nèi)筒兩端開口，兩相噴頭安裝在反應(yīng)器上部的正中央。循環(huán)水泵提升高壓水流經(jīng)噴頭射入反應(yīng)器，由于負(fù)壓作用同時吸入大量空氣。水流和氣流的共同作用又使噴頭下方形成高速紊流剪切區(qū)，把吸入的氣體分散成細(xì)小的氣泡。富含溶解氧的混合污水經(jīng)導(dǎo)流筒達(dá)到反應(yīng)器底部后，又向上返流形成環(huán)流，再經(jīng)剪切向下射流，如此循環(huán)往復(fù)運(yùn)行。于是，污水被反復(fù)充氧，氣泡和微生物菌團(tuán)被不斷剪切細(xì)化，并形成致密細(xì)小的絮凝體。
據(jù)研究表明紙廠廢水采用HCR工藝處理，其中懸浮物去除率和脫色率均在95%以上，BOD和COD的去除率也都在80%以上，其主要運(yùn)行效果參數(shù)與傳統(tǒng)活性污泥法比較得出，HCR工藝在充氧速率、容積負(fù)荷、污泥負(fù)荷、沉淀池表面負(fù)荷、剩余污泥產(chǎn)率、水力停留時間等方面都具有明顯優(yōu)勢。
HCR工藝存在的問題：一是能耗，當(dāng)污水 COD去除率在80%及其以下時，所需能耗低且效益好；如果COD的去除率要求過高，其能耗就直線升高。因此，在實際工作中也不能盲目地選用HCR工藝。第二個問題是泡沫，HCR在處理某些廢水時，也和常規(guī)好氧工藝一樣會產(chǎn)生泡沫，設(shè)計時必須考慮這一因素。
1．2 生物膜法
生物膜法是一大類生物處理法的總稱，共同的特點(diǎn)是微生物附著在介質(zhì)(濾料)表面上，形成生物膜，污水同生物膜接觸后，溶解的有機(jī)物被微生物吸附轉(zhuǎn)化為H2O、 CO2、 NH3和微生物細(xì)胞物質(zhì)，污水得到凈化，所需氧氣一般直接來自大氣，生物膜法的處理效果和活性污泥法的處理效果差不多，與活性污泥法相比，其產(chǎn)生的污泥膨脹和剩余污泥量少，以及占地少和運(yùn)行管理簡便等優(yōu)點(diǎn)。
目前采用生物膜技術(shù)的工藝也很多，常用的有生物濾池、生物轉(zhuǎn)盤、接觸氧化法以及生物流化床或膨脹床等多種工藝，本論文主要介紹一下接觸氧化法以及生物流化床。
�。�1）生物流化床法
生物流化床是70年代開發(fā)的一種新型生物膜法處理工藝；以比重大于1的細(xì)小惰性顆粒如砂、焦碳、陶粒、活性炭等為載體；廢水以較高的上升流速使載體處于流化狀態(tài)；生物固體濃度很高，傳質(zhì)效率也很高，是一種高效的生物處理構(gòu)筑物。
生物流化床具有以下優(yōu)點(diǎn)：① 生物固體濃度高(10~20g/l)，因此容積負(fù)荷較高(7~8kgBOD5/m3.d以上)，水力停留時間可大大縮短，基建費(fèi)用較��；② 無污泥膨脹或其它生物膜法中的濾料堵塞；③ 能適應(yīng)不同濃度范圍的廢水，能適應(yīng)較大的沖擊負(fù)荷；④ 由于容積負(fù)荷和床體高度較大，占地面積較小。這些優(yōu)點(diǎn)使它越來越受到水處理界的重視，目前已在生活污水和多種工業(yè)廢水的處理上得到應(yīng)用。近年來，內(nèi)循環(huán)生物流化床研究得較多，還有人把流化床反應(yīng)器與膜分離技術(shù)結(jié)合起來，建立了好氧流化床膜反應(yīng)器，處理出水水質(zhì)較高。
（2）生物接觸氧化法
生物接觸氧化法是一種介于活性污泥法與生物膜法之間的生物處理工藝。兼有活性污泥法與生物膜法優(yōu)點(diǎn)，其機(jī)理是在曝氣反應(yīng)池內(nèi)設(shè)置填料，池內(nèi)既有活性污泥又有生物膜，形成密集的生物群體，較多的增加了廢水與生物接觸的面積，連續(xù)曝氣和生物膜的及時更新，增強(qiáng)了生物的活性�？萍颊撐�。生物接觸氧化池底曝氣對污水進(jìn)行充氧，并使池體內(nèi)污水處于流動狀態(tài)，以保證污水同浸沒在污水中的填料充分接觸，避免生物接觸氧化池中存在污水與填料接觸不均的缺陷。生物接觸氧化法中微生物所需的氧通過鼓風(fēng)曝氣供給，生物膜生長至一定厚度后，近填料壁的微生物由于缺氧而進(jìn)行厭氧代謝，產(chǎn)生的氣體及曝氣形成的沖刷作用會造成生物膜的脫落，并促進(jìn)新生物膜的生長，促進(jìn)生物膜的新陳代謝，脫落的生物膜將隨出水流出池外，廢水中污染物在此過程中被微生物分解消耗，從而使廢水得到凈化處理。
生物接觸氧化法具有以下特點(diǎn)：①由于填料比表面積大，池內(nèi)充氧條件良好，池內(nèi)單位容積的生物固體量較高，故生物接觸氧化池具有較高的容積負(fù)荷；②由于生物接觸氧化池內(nèi)生物固體量多，水流完全混合，故對水質(zhì)水量的驟變有較強(qiáng)的適應(yīng)能力；③剩余污泥量少，不存在污泥膨脹問題，運(yùn)行管理簡便；④處理能力高，處理效果穩(wěn)定�？萍颊撐�。
2．厭氧生物處理法
2．1 厭氧生物處理廢水的基本原理
厭氧發(fā)酵處理的基本原理是將溶解在廢水中的有機(jī)物，通過微生物作用使其轉(zhuǎn)化成為生物氣體，主要成分為甲烷，可作為工廠燃料燃燒以產(chǎn)生熱量加以利用。
由于一般處理廢水方法費(fèi)用較高，特別是好氧發(fā)酵的動力消耗大，而且還要花費(fèi)很多費(fèi)用來處理生物污泥；而在厭氧生物處理過程中,復(fù)雜的有機(jī)化合物被降解和轉(zhuǎn)化為簡單、穩(wěn)定的化合物,同時釋放能量,其中大部分能量以甲烷的形式出現(xiàn)。厭氧生物處理是一種有效、簡單、費(fèi)用低廉的低成本處理技術(shù)，是將廢水處理與能源回收相結(jié)合的一種技術(shù)；同時由于新的更加嚴(yán)格的環(huán)保法規(guī)對制漿和造紙工廠廢水排放的限制，所以這些因素都促使制漿和造紙工廠采用厭氧處理廢水。
2．2 厭氧生物處理廢水的新工藝與技術(shù)
目前采用厭氧技術(shù)處理廢水的工藝也很多，造紙業(yè)早使用的兩種厭氧系統(tǒng)：厭氧接觸工藝CSTR（continuous stirred tank）和上流式污泥床工藝UASB（Up-flow Anaerobic SludgeBed）。目前具有高傳質(zhì)效率和污泥濃度，高反應(yīng)器負(fù)荷的具有代表的新型反應(yīng)器有：流化床FB（Fluidised Bed）、膨脹顆粒污泥床EGSB（Expanded Granular SludgeBed）和內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器IC（InternalCirculation reactiors）。下面就介紹一下UASB和內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器IC兩種厭氧生物處理廢水的方法。
�。�1）UASB方法
在厭氧處理領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛的是UASB反應(yīng)器，它是由污泥反應(yīng)區(qū)、氣液固三相分離器（包括沉淀區(qū)）和氣室三部分組成。要處理的污水從厭氧污泥床底部流入與污泥層中污泥進(jìn)行混合接觸，污泥中的微生物分解污水中的有機(jī)物，把它轉(zhuǎn)化為沼氣。沼氣以微小氣泡形式不斷放出，微小氣泡在上升過程中，不斷合并，逐漸形成較大的氣泡，在污泥床上部由于沼氣的攪動形成一個污泥濃度較稀薄的污泥和水一起上升進(jìn)入三相分離器，沼氣碰到分離器下部的反射板時，折向反射板的四周，然后穿過水層進(jìn)入氣室，集中在氣室沼氣，用導(dǎo)管導(dǎo)出，固液混合液經(jīng)過反射進(jìn)入三相分離器的沉淀區(qū)，污水中的污泥發(fā)生絮凝，顆粒逐漸增大，并在重力作用下沉降。沉淀至斜壁上的污泥沼著斜壁滑回厭氧反應(yīng)區(qū)內(nèi)，使反應(yīng)區(qū)內(nèi)積累大量的污泥，與污泥分離后的處理出水從沉淀區(qū)溢流堰上部溢出，然后排出污泥床。
UASB的主要優(yōu)點(diǎn)是：
①UASB內(nèi)污泥濃度高，平均污泥濃度為20－40gVSS/1；②有機(jī)負(fù)荷高，水力停留時間短，采用中溫發(fā)酵時，容積負(fù)荷一般為10kgCOD/m3.d左右；③無混合攪拌設(shè)備，靠發(fā)酵過程中產(chǎn)生的沼氣的上升運(yùn)動，使污泥床上部的污泥處于懸浮狀態(tài)，對下部的污泥層也有一定程度的攪動；④污泥床不填載體，節(jié)省造價及避免因填料發(fā)生堵賽問題；⑤UASB內(nèi)設(shè)三相分離器，通常不設(shè)沉淀池，被沉淀區(qū)分離出來的污泥重新回到污泥床反應(yīng)區(qū)內(nèi)，通常可以不設(shè)污泥回流設(shè)備。
主要缺點(diǎn)是：
①進(jìn)水中懸浮物需要適當(dāng)控制，不宜過高，一般控制在100mg/l以下；②污泥床內(nèi)有短流現(xiàn)象，影響處理能力；③對水質(zhì)和負(fù)荷突然變化較敏感，耐沖擊力稍差。
UASB工藝近年來在國內(nèi)外發(fā)展很快，應(yīng)用面很寬，在各個行業(yè)都有應(yīng)用，生產(chǎn)性規(guī)模不等�？萍颊撐摹嵺`證明，它是污水實現(xiàn)資源化的一種技術(shù)成熟可行的污水處理工藝，既解決了環(huán)境污染問題，又能取得較好的經(jīng)濟(jì)效益，具有廣闊的應(yīng)用前景。
（2）內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器IC
內(nèi)循環(huán)厭氧反應(yīng)器(Internal Circulation Reactiors 簡稱IC)是由荷蘭Paques公司于20世紀(jì)80年代中期在UASB反應(yīng)器的基礎(chǔ)上開發(fā)成功的高效厭氧反應(yīng)器。它也存在厭氧細(xì)菌聚集形成的“顆粒污泥”，也是上流式顆粒污泥處理系統(tǒng)。廢水在反應(yīng)器中也是自下而上流動，污染物被細(xì)菌吸附并降解，凈化過的水從反應(yīng)器上部流出。事實上，IC反應(yīng)器可以簡單化地理解為兩個上下組合在一起的UASB反應(yīng)器，一個是下部的高負(fù)荷部分，一個是上部的低負(fù)荷部分。IC反應(yīng)器與UASB的最大不同之處是，廢水處理中由COD轉(zhuǎn)化產(chǎn)生的生物氣的引出分為兩個階段，下部產(chǎn)生的氣體產(chǎn)生一個水和污泥的循環(huán)回流，由此引起的強(qiáng)烈的攪拌作用和高的上流速度，極大地改善了污染物從液相到顆粒污泥的傳質(zhì)過程，因此有極高的凈化效率，這是內(nèi)循環(huán)Internal Circulation reactiors一詞的由來。
內(nèi)循環(huán)(IC)厭氧反應(yīng)器目前已經(jīng)成功用于造紙工業(yè)廢水處理，與UASB相比它具有以下優(yōu)點(diǎn)：有更高的負(fù)荷和凈化效率，進(jìn)水有機(jī)負(fù)荷可超過普通厭氧反應(yīng)器的3倍以上；占地面積小，其體積相當(dāng)于普通反應(yīng)器的1/4-1/3左右，大大降低了反應(yīng)器的基建投資；抗低溫能力強(qiáng)，IC反應(yīng)器由于含有大量的微生物，溫度對厭氧消化的影響變得不再顯著和嚴(yán)重；具有緩沖pH的能力，內(nèi)循環(huán)流量相當(dāng)于第1厭氧區(qū)的出水回流，可利用COD轉(zhuǎn)化的堿度，對pH起緩沖作用，使反應(yīng)器內(nèi)pH保持最佳狀態(tài)，同時還可減少進(jìn)水的投堿量；內(nèi)部自動循環(huán)，不必外加動力，節(jié)省了動力消耗；出水穩(wěn)定性好；啟動周期短，IC反應(yīng)器啟動周期一般為1～2個月，而普通UASB啟動周期長達(dá)4～6個月；沼氣利用價值高，反應(yīng)器產(chǎn)生的生物氣純度高，CH4為70％～80％，CO2為20％～30％，其它有機(jī)物為1％～5％，可作為燃料加以利用。
結(jié)論：
制漿造紙廢水具有濃度高、水量大、色度深、含纖維懸浮物多、BOD和COD含量高等特點(diǎn)。生物法處理制漿造紙廢水具有效率高、成本低、二次污染少等優(yōu)點(diǎn),今后隨著造紙工業(yè)和生物技術(shù)的迅猛發(fā)展以及對環(huán)境質(zhì)量要求的提高,生物處理技術(shù)必將在制漿造紙工業(yè)廢水處理中得到更廣泛的應(yīng)用，研究高效、低耗、技術(shù)簡單的制漿造紙廢水生物處理技術(shù)是一個非常有前途的課題。
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