棉稈造紙廢水二沉池出水的處理工藝設計及運行效果

苗 飛 龐金釗 劉 忠 楊宗政 袁青彬

(天津科技大學，天津，300457)

棉稈造紙廢水二沉池出水的處理工藝設計及運行效果

苗 飛 龐金釗 劉 忠 楊宗政 袁青彬

(天津科技大學，天津，300457)

采用“二次混凝 (又名梯級混凝)和生物活性炭”聯(lián)合工藝處理棉稈造紙廢水的二沉池出水。結果表明，梯級混凝段，在實驗室最佳投藥量的基礎上，一級混凝對原水COD和色度的去除率分別為30%和28%;二級混凝對COD和色度的去除率分別為60%和70%;生物活性炭段對梯級混凝段出水COD和色度的去除率分別達到50%和70%。生物活性炭段出水完全能滿足該廠作為回用洗漿水的要求。

棉稈造紙;廢水;梯級混凝;生物活性炭

目前，棉稈造紙的工藝技術、設備條件都已成熟，棉稈資源的利用已被造紙行業(yè)廣泛關注［1-2］。棉稈的纖維含量高，其半化學機械漿得率約為60%～70%，是生產(chǎn)高強度瓦楞原紙的理想原料。新疆造紙行業(yè)已積極推進棉稈造紙的產(chǎn)業(yè)化，如新疆天宏正在籌備的50000 t高強度包裝紙板項目［3］，該項目利用棉稈為原料 (每年約需70000 t棉稈)，項目總投資14222萬元，項目建成后可實現(xiàn)年銷售收入15810萬元，利稅1385萬元，投資回收期8年(含建設期)。除本色紙外，雷建民等［4］利用棉稈為原料，采用CEH三段漂白，可以達到生產(chǎn)高檔文化用紙的技術要求。

與其他制漿廢水相比，高得率制漿廢水量大，污染負荷高，處理難度大。而棉稈高得率制漿廢水由于棉稈原料的特殊性，廢水中含有大量色素、果膠等物質，處理難度更大。研究優(yōu)化適用性強的廢水處理工藝，實現(xiàn)廢水的資源化和循環(huán)回用，是解決制漿造紙行業(yè)污染嚴重、用水量大問題的關鍵。本實驗采用二次混凝 (又稱梯級混凝)技術和生物活性炭聯(lián)合工藝處理了某棉稈造紙廠廢水的二沉池出水，以滿足該廠回用水要求，實現(xiàn)廢水的“零”排放。

1 廢水處理工藝流程

1.1 二沉池出水水質

二沉池出水水質見表1。

表1 廢水水質

1.2 工藝流程的確定

圖1為梯級混凝實驗工藝流程;圖2為常規(guī)混凝實驗流程。

由圖1和圖2可以看出，梯級混凝與常規(guī)混凝的主要區(qū)別在于梯級混凝充分利用了回流絮凝污泥中過量的PAC與APAM。由于在實際運行中，投加的藥劑量要多于實驗室計算量或者是部分藥劑未充分反應，所以在混凝過程中加入了回流的絮凝污泥，對廢水進行預處理。在第一階段，加入回流的絮凝污泥，利用其中的有效成分與絮凝體兩者的網(wǎng)捕作用及新生污泥的吸附作用，分離部分污染物，達到“廢物”的再利用，起到預處理的作用。第二階段，PAC在反應過程中形成［Al(H2O)6］3+、［Al(OH)(H2O)5］2+、［Al(OH)2(H2O)4］+、［Al3(OH)4(H2O)10］5+、 ［Al6(OH)15］3+、 ［(H2O)4AlAl(H2O)4］6+以及［Al6(OH)14］4+等各種帶正電的羥基絡合離子［5］，有較強的電中和作用;此外，PAC的晶形像是四面八方延伸的水草，枝杈多且分布密集［6］。因此，有很強的架橋作用，容易與中段廢水中的纖維、樹脂等污染物形成較大的絮凝體而沉降下來。由此可見，梯級混凝是在僅增加少量動力消耗的基礎進行了兩次混凝，提高了絮凝劑的利用率。

生物活性炭 (BAC)工藝是以粒狀活性炭為載體，通過富集或人工固定化微生物，在活性炭表面形成生物膜。由于活性炭具有極強的吸附性能，使其能夠迅速地吸附水中的溶解性有機物，為微生物提供了充足的養(yǎng)分。在有豐富溶解氧的情況下，微生物以有機物為養(yǎng)料生存和繁殖。生物活性炭法就是結合活性炭吸附與生物降解兩種作用去除污染物的水處理方法，去除途徑取決于污染物的可吸附性與可生物降解性。

1.3 實驗裝置簡介

圖3為梯級混凝設備簡圖。從圖3可看出，二級混凝反應設備的絮凝污泥通過氣提的方式回流到一級混凝設備。一級和二級混凝反應設備的直徑均為1．75 m、高均為3 m。

圖3 梯級混凝設備簡圖

圖4為生物活性炭設備簡圖。從圖4可知，設備內(nèi)部分為4格，分別為1個進水配水區(qū)、2個生物活性炭反應區(qū)和1個均衡區(qū)。2個生物活性炭反應區(qū)的橫截斷面尺寸為9．4 m ×2．2 m，高 2．5 m，炭床高1．3 m，裝填4～8目的粒狀活性炭，2個生物活性炭區(qū)同時曝氣，氣量控制在使活性炭呈懸浮狀即可，第一是充分保證生物降解對溶解氧的需求，第二是防止活性炭板結。

圖4 生物活性炭設備簡圖

2 實驗材料與方法

2.1實驗儀器和藥劑

DBJ-623六聯(lián)電動攪拌器;PHS-25酸度計;FA2004電子分析天平;721型可見分光光度計。GDS23B光電式渾濁度儀;10孔冷卻槽;30 mm比色皿;50 mL比色管;D試劑和E試劑 (5B-1F型COD快速測定儀專用藥劑);硫酸 (分析純);鹽酸 (分析純);氫氧化鈉 (分析純);聚合氯化鋁 (PAC)，配制成0．03 g/mL的溶液;陰離子型聚丙烯酰胺(APAM)，配制成0．01 g/mL的溶液。

2.2 檢測方法

COD：蘭州連華環(huán)保科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的5B-1F型COD快速測定儀。

色度：采用分光光度法［7］和稀釋倍數(shù)法。

3 運行結果分析

3.1 不同COD進水的實驗室最佳藥劑用量

中試試驗過程中，在實驗室做了不同COD廢水在保持較高去除率 (COD去除率60%)時的最佳藥劑用量，結果如圖5所示。圖5中進水COD值為多次取樣的平均值。

圖5 不同COD進水的實驗室最佳藥劑用量

由圖5可以看出，隨著進水COD的增加，PAC用量顯著增加。進水COD在200～600 mg/L之間時，PAC用量增加緩慢，而進水COD在600～1400 mg/L之間時，PAC用量相對增加的比較快。對進水COD在200～1400 mg/L之間時，PAC的用量在設定范圍內(nèi)都能對COD有較高的去除率，但PAC用量不能太低或太高，因為PAC用量不足時，絮凝處理不充分，并且PAC水解時產(chǎn)生的H+較多，導致廢水的pH值降低，改變了絮凝反應條件，抑制了PAC與廢水的反應，降低了廢水處理效率;而PAC用量過大時，廢水中微粒被過多的絮凝劑所包圍，失去同其他微粒結合的機會，因而不易凝聚。同時，水解產(chǎn)生較多的OH-，導致廢水的pH值增大，改變了絮凝反應條件，降低了處理效率。

3.2 不同COD進水的藥劑成本核算

在做藥劑成本核算時，按該企業(yè)購買價核算，PAC價格為1300元/t，APAM價格為20000元/t。不同COD進水的藥劑成本核算見圖6。

圖6 不同COD進水的藥劑成本核算

由圖6可以看出，隨著進水COD的增加，每噸廢水的加藥成本明顯增加。結合不同COD進水對應的實驗室最佳藥劑用量 (見圖5)可知;在進水COD值為200～600 mg/L時加藥成本增加緩慢，隨著進水COD值的增加，加藥成本增加得比較快。進水COD在200～1000 mg/L時，在實驗室最佳用藥量的基礎上，處理每噸廢水加藥成本在0．1～0．5元之間，處理費用不高。說明PAC和APAM復合絮凝劑對棉稈造紙廠二沉池出水的處理較理想。在中試試驗中，根據(jù)廢水進水COD的變化，只要保證合理的絮凝劑用量，滿足運行條件就能使絮凝處理保持較高的COD去除率。

3.3 梯級混凝段對廢水COD和色度的去除

由于該企業(yè)廢水的COD值變化較大，在梯級混凝段設備運行期間，監(jiān)測了不同梯級混凝段進水與出水的COD值和色度。梯級混凝廢水COD的去除率見圖7;梯級混凝段廢水色度的去除率見圖8。

圖7 梯級混凝段廢水COD的去除率

由圖7可知，梯級混凝過程中，在不同COD負荷進水的情況下，一級混凝對COD的去除率約在30%，二級混凝對COD的去除率約在60%。這是因為一級反應器內(nèi)加入了二級反應器的回流絮凝污泥，廢水利用其中的有效成分與絮凝體兩者的架橋卷掃網(wǎng)捕作用及新生絮凝體的吸附作用，分離部分污染物，達到“廢物”的再利用，起到預處理的作用。二級反應器內(nèi)，當PAC加入水中后，立即在水中形成聚合陽離子，同時水中也形成了各種帶不同正電荷的高聚羥鋁配離子。廢水中污染物的膠粒表面直接吸附了帶相反電荷的聚合陽離子或高分子物質后，表面電位就得以降低。同時，當投加的PAC高分子鏈一端吸附了廢水中的某一膠粒后，另一端又可吸附另一膠粒，形成“膠粒-PAC高分子-膠?！钡男跄w，使膠粒與膠粒之間橋聯(lián)為絮團。由此可見，梯級混凝是在僅增加少量動力消耗的基礎進行了兩次混凝，提高了絮凝劑的利用率。

圖8 梯級混凝段廢水色度的去除率

由圖8可知，在梯級混凝過程中，一級混凝廢水色度的去除率約為28%，二級混凝廢水色度的去除率約為70%。這是因為混凝脫色是利用絮凝劑將廢水中的成色物質絮凝沉淀，其作用機理可認為無機絮凝劑主要是依靠中和粒子上的電荷而凝聚，而有機絮凝劑則主要依靠架橋作用使粒子沉降。這樣一級反應器里回流的絮凝污泥中PAC和APAM量較少，所以電中和作用相應也小。而二級反應器為主反應器，加入的PAC在反應過程中形成各種帶正電的羥基絡合離子，有較強的電中和作用，中和粒子上的電荷而凝聚沉淀，所以二級反應器對廢水色度的去除率比較高。

3.4 生物活性炭段對COD和色度的去除

由于該企業(yè)的廢水COD值變化較大，在生物活性炭系統(tǒng)運行期間，監(jiān)測了不同生物活性炭段進水和出水的COD值、色度和pH值，其結果見圖9和圖10。

由圖9可以看出，隨進水COD負荷的升高，其COD的去除率增大。說明進水COD較低的廢水中含有難被活性炭吸附降解的有機物，故生物活性炭對COD去除的就少。隨著進水COD負荷的增加，廢水中的有機污染物增多，相應的COD去除率也高。當進水COD值在100～200 mg/L時，生物活性炭段出水COD值基本可以保持低于100mg/L，在當進水COD值在200～425 mg/L時，COD的平均去除率大約在50%左右。

圖10 生物活性炭對廢水色度的去除效果

圖9 生物活性炭對廢水COD的去除效果

由圖10可以看出，在不同COD負荷進水的條件下，進水COD高，廢水色度大，生物活性炭對廢水色度的去除率高。色度越低的廢水，色度去除的越少，說明廢水中含有很難被生物活性炭吸附降解的發(fā)色物;當進水色度在350～400倍時，生物活性炭段對色度的去除率約在70%左右。

由圖9和圖10可以看出，生物活性炭段進水的COD值在100～425 mg/L，色度在50～400倍之間時，廢水經(jīng)過生物活性炭處理后，生物活性炭段出水COD值90～180 mg/L，色度10～70倍。出水完全能滿足該企業(yè)回用洗漿水的要求 (該企業(yè)回用洗漿水要求為：COD值＜400 mg/L，色度＜300倍)。

且從圖9和圖10還可以看出，生物活性炭段進水的COD較高，其COD和色度的去除率都高，反之則低，COD與色度的去除率基本同步。結合前面梯級混凝段對廢水COD和色度的去除，表明該棉稈造紙廠二沉池出水中，有機發(fā)色基團對廢水中的COD貢獻率較高。

4結論

采用“二次混凝 (又名梯級混凝)和生物活性炭”聯(lián)合工藝處理棉稈造紙廢水的二沉池出水，得出以下結論：

4.1 梯級混凝段用絮凝劑PAC和助凝劑APAM對棉稈造紙廢水二沉池出水進行處理，一級混凝對二沉池出水COD和色度的去除率分別為30%和28%;二級混凝對COD和色度的去除率分別為60%和70%。

4.2 生物活性炭段對梯級混凝段出水的COD和色度的去除率分別達到50%和70%。

4.3 從該工藝對廢水COD和色度去除率曲線上可以看出，COD和色度具有同步去除的特點。

4.4 “梯級混凝和生物活性炭”聯(lián)合工藝處理棉稈造紙廢水二沉池出水，對廢水COD和色度都有較好的去除效果，廢水處理后的出水COD值為90～180 mg/L，色度為10～70倍，完全能滿足該企業(yè)回用洗滌水的要求。

［1］ 姚振倫．棉稈亞硫酸銨法抄造瓦楞原紙及瓦楞面板試驗［J］．中國造紙，1982，1(5)：39．

［2］ 王 鍵，詹懷宇，楊桂花，等．棉稈硫酸鹽法和燒堿-蒽醌法蒸煮歷程的研究［J］．中國造紙學報，2005，20(1)：21．

［3］ 馮建敏，鄧 宇．微波輻射對麥草漿蒸煮黑液的作用研究［J］．輻射研究與輻射學報，2005，23(5)：270．

［4］ 雷建民．全棉稈制文化用紙工藝的探索［J］．紙和造紙，1996(4)：44．

［5］ 高寶玉，岳欽艷，王占生，等．聚硅氯化鋁(PASC)混凝劑的混凝性能［J］．環(huán)境科學，2000，21(2)：46．

［6］ 劉 紅，梁 晶，邵 俊，等．造紙中段水的絮凝吸附處理［J］．化學工程師，2006，20(6)：13．

［7］ 郜洪文．分光光度法測定工業(yè)廢水色度研究［J］．環(huán)境工程，1993，11(5)：44．

(責任編輯：常 青)

Treatment of Effluent from Second Sedimentation Pond of Cotton Stalk Papermaking Wastewater Treatment

MIAO Fei*PANG Jin-zhao LIU Zhong YANG Zong-zheng YUAN Qing-bin
(Tianjin University of Science＆ Technology，Tianjin，300222)
(*E-mail：miaofei1981@yahoo．com．cn)

The combined second coagulation cascade and flocculation and biological activated carbon process for treatment of the effluent from the second sedimentation pond of waste water treatment of cotton stalk papermaking was tested．The effluent from second pond was 50 t/d，the feasibility of the process was studied by investigating the removal of COD and chromaticity．Test coagulation cascade results showed that with optimal chemicals dosages，the removals of COD and chromaticity were 30%and 28%for coagulation treatment and 60% and 70% for coagufloculation treatment respectively．Removals of COD and chromaticity were 50%and 70%respectively by biological activated carbon treatment．Biological activated carbon treated water can completely meet the requirement of washing even can satisfy the paper machine operation．

papermaking with cotton pole;step coagulation;biological activated carbon

X793

A

0254-508X(2011)03-0029-05

苗 飛先生，在讀碩士研究生;主要研究方向：海水淡化與污水處理。

2010-11-15(修改稿)

本項目獲天津市教委“雙五項目”支持，合同號：SW2008001。