造紙廢水負(fù)荷與溫度和天氣狀況的關(guān)系探討

陶二盼 焦 東 陳小泉 沈文浩

(1.華南理工大學(xué)制漿造紙工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東廣州，510640;2.廣州造紙股份有限公司，廣東廣州，511642)

據(jù)有關(guān)調(diào)查資料表明，2008年造紙行業(yè)的廢水排放量占統(tǒng)計(jì)的39個(gè)行業(yè)工業(yè)廢水排放量的18.9%，造紙行業(yè)的COD排放量占重點(diǎn)調(diào)查統(tǒng)計(jì)企業(yè)COD總排放量的32.8%［1］。可見制漿造紙企業(yè)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(guò)程是一個(gè)強(qiáng)耦合、多輸入多輸出的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真模擬活性污泥法廢水處理過(guò)程，進(jìn)行活性污泥法廢水處理工藝、過(guò)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(diǎn)［2-4］。其中SBR入水總化學(xué)需氧量 (TCOD)濃度大小是衡量廢水負(fù)荷的重要指標(biāo)，它與天氣狀況及廢水溫度的關(guān)系引起了部分學(xué)者的關(guān)注。Alex J.等人［5］對(duì)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(guī)律進(jìn)行了分析探討;Vanhooren H.等人［6］分析了雨天和晴天時(shí)城市污水成分在不同流量下的濃度變化，COD濃度會(huì)因?yàn)榱髁拷档投兴黾?。一些針?duì)不同天氣狀況下環(huán)境變化規(guī)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(qū)城市郊外河流中多氯聯(lián)苯為研究對(duì)象，研究了在雨天和晴天兩種天氣狀況下的濃度負(fù)荷變化規(guī)律;Dimitris K.Papanastasiou等人［8］對(duì)牲畜樓房?jī)?nèi)微粒在不同氣候條件下的變化以及對(duì)牲畜健康的影響進(jìn)行了研究;曹瑩等人［9］對(duì)廢水經(jīng)過(guò)內(nèi)循環(huán)厭氧反應(yīng)器 (IC反應(yīng)器)后TCOD的去除率進(jìn)行了研究探討;于鵬等人［10］以高效菌生物活性炭裝置對(duì)造紙廢水處理廠出水進(jìn)行深度處理，證明了此工藝對(duì)TCOD有較好的去除率。

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)造紙廢水SBR入水TCOD變化影響因素的研究較少，特別是針對(duì)造紙廢水負(fù)荷與溫度和天氣狀況關(guān)系的研究更少，本實(shí)驗(yàn)針對(duì)某造紙廢水處理系統(tǒng)中影響SBR池入口廢水TCOD值大小的因素進(jìn)行研究。通過(guò)對(duì)入水TCOD與天氣和溫度關(guān)系的研究，一方面可以為廢水處理控制系統(tǒng)提供除曝氣量之外的另一個(gè)可控制因素——廢水溫度;另一方面為造紙廢水處理過(guò)程計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)來(lái)源。

1 數(shù)據(jù)來(lái)源和研究對(duì)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(tǒng)為對(duì)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(guò)程包括厭氧系統(tǒng)和好氧系統(tǒng)，厭氧系統(tǒng)主要是由IC塔反應(yīng)器實(shí)現(xiàn)厭氧處理，而活性污泥法廢水好氧處理過(guò)程采用SBR工藝。造紙廠廢水處理系統(tǒng)流程如圖1所示。

圖1 造紙廠廢水處理系統(tǒng)流程圖

從圖1可以看出高濃度脫墨廢水經(jīng)過(guò)厭氧系統(tǒng)，再經(jīng)IC反應(yīng)器處理，抄紙廢水在好氧系統(tǒng)中進(jìn)行預(yù)處理，來(lái)自兩個(gè)系統(tǒng)后的廢水經(jīng)混合進(jìn)入SBR池的總管。實(shí)驗(yàn)中所有SBR池入水TCOD的數(shù)據(jù)均是在進(jìn)入SBR池前的總管處取樣，離線測(cè)量得到的。

2 結(jié)果與討論

2.1 入水溫度與大氣溫度的關(guān)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(tǒng)一年的溫度統(tǒng)計(jì)結(jié)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(guī)律。SBR入水溫度主要受入水(IC反應(yīng)器的出水與好氧預(yù)處理的出水)溫度和大氣溫度的影響。由于該造紙廠產(chǎn)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(yīng)器出水溫度的影響。從圖2可以看出，春季時(shí)入水溫度在37℃左右，低于夏秋季節(jié)，而夏季平均水溫達(dá)到42℃左右，秋季平均水溫達(dá)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(shì)不同，冬季的大氣溫度都在20℃以下，是逐漸升高的趨勢(shì)，而SBR入水溫度保持在36℃左右，出現(xiàn)這種變化趨勢(shì)的決定因素是來(lái)自IC反應(yīng)器脫墨廢水的溫度。該造紙廠數(shù)據(jù)顯示IC反應(yīng)器的水溫一直控制在40℃左右，這個(gè)溫度相對(duì)于冬季水溫來(lái)說(shuō)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(yīng)器的出水溫度相差不大，此時(shí)SBR進(jìn)水溫度由這兩個(gè)溫度共同決定，并且這時(shí)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?yàn)楫?dāng)?shù)卮髿鉁囟容^低引起的，而趨勢(shì)較為緩和主要是IC反應(yīng)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(guān)系曲線圖，對(duì)比幾條曲線不難發(fā)現(xiàn):在春季、夏季和秋季，兩者基本成線性關(guān)系，分析表明SBR池入水溫度與大氣溫度有關(guān)，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(guān)系，原因是冬季大氣溫度偏低，IC反應(yīng)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(shù)時(shí)間內(nèi)，大氣溫度對(duì)入水溫度是有影響的。

2.2 TCOD與天氣狀況的關(guān)系

圖3 四季大氣溫度與入水溫度的關(guān)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(guò)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(fù)荷大小及大氣溫度值。

2.2.1 穩(wěn)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(shù)據(jù)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(duì)SBR入水負(fù)荷的影響。陰天時(shí)的TCOD較晴天時(shí)稍高，原因是陰天時(shí)氣壓較低，廢水表面有比較豐富的泡沫，從而導(dǎo)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(shí)的TCOD以及對(duì)應(yīng)的大氣溫度數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)表明不僅僅是陰天會(huì)對(duì)入水TCOD有影響，大氣溫度也會(huì)對(duì)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(jìn)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(shù)據(jù)顯示，有少量時(shí)段雨天的TCOD較晴天時(shí)的低;從1月份晴天和雨天的數(shù)據(jù)可以看出，極少時(shí)段晴天的TCOD較雨天時(shí)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)表明TCOD與有無(wú)降雨以及雨量大小沒有必然關(guān)系，而與入水溫度有關(guān)。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(tǒng)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(wú)降雨以及雨量大小都會(huì)影響城市污水TCOD的值［4］。這種區(qū)別的主要原因是城市污水隨著雨量的不同會(huì)對(duì)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(guò)程幾乎是封閉的，雨量不會(huì)對(duì)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(guān)系

在對(duì)造紙廢水進(jìn)行處理時(shí)應(yīng)關(guān)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(jī)物的溶解度、水體自凈及其自凈速率、細(xì)菌等微生物的繁殖及生長(zhǎng)能力和速度。從圖1可以看出，進(jìn)入SBR總管前的廢水分別來(lái)自IC反應(yīng)器和集水池。根據(jù)IC反應(yīng)器的工作原理可知，該反應(yīng)器中廢水COD的影響因素包括溫度、水力停留時(shí)間 (HRT)、pH值、酸化現(xiàn)象等。因?yàn)閰捬跷勰嗟幕钚允軠囟鹊挠绊懀渲兄饕菂捬跷⑸飳?duì)溫度變化較為敏感;如果HRT太短，系統(tǒng)中的污泥不能充分對(duì)廢水中的有機(jī)物進(jìn)行降解;IC反應(yīng)器處理的高濃度脫墨廢水，其中有機(jī)物濃度相對(duì)較高，因此要有足夠的HRT，從而使有機(jī)物得到較為充分的降解;當(dāng)反應(yīng)器進(jìn)水的pH值過(guò)低時(shí)，會(huì)影響微生物的生長(zhǎng)，進(jìn)而造成廢水中的有機(jī)物降解不完全;揮發(fā)酸的積累會(huì)導(dǎo)致酸化現(xiàn)象的產(chǎn)生，酸化現(xiàn)象使系統(tǒng)的pH值降低，進(jìn)而影響微生物的生長(zhǎng)，形成了惡性循環(huán)。以上這些因素會(huì)影響厭氧系統(tǒng)TCOD的去除率。圖1所示的流程圖中抄紙廢水經(jīng)過(guò)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(chǔ)存和均衡廢水的水質(zhì)和水量，對(duì)SBR的入水TCOD的影響可以忽略不計(jì)。

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(guān)系。從圖4可以看出，冬季時(shí)大氣溫度和入水溫度均偏低，但是大氣溫度在這個(gè)季節(jié)中一直是上升趨勢(shì)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(cè)量誤差;另外，從圖3可以看出冬季TCOD的波動(dòng)為150 mg/L左右，其波動(dòng)與其他季節(jié)相比較小。由圖2的分析結(jié)果可知，此時(shí)的廢水溫度受大氣溫度影響明顯，前階段的廢水處理過(guò)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(gè)月入水溫度較高，即IC反應(yīng)器和好氧系統(tǒng)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(jīng)過(guò)IC反應(yīng)器和好氧系統(tǒng)的廢水TCOD的去除率有所增加，這時(shí)的TCOD有所下降。

從以上的分析結(jié)果可以看出，入水溫度也是SBR池入水TCOD的影響因素，在實(shí)際的控制過(guò)程中，應(yīng)對(duì)其加以考慮。

3 結(jié)論

以某二次纖維造紙廠廢水處理系統(tǒng)為對(duì)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(duì)其廢水總化學(xué)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(guān)系，說(shuō)明大氣溫度對(duì)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(tǒng)的前期處理，春、夏、秋三季的TCOD比冬季高。當(dāng)大氣溫度波動(dòng)較小時(shí)，天氣狀況對(duì)TCOD有影響，陰天時(shí)TCOD值較晴天時(shí)高。造紙廠這種封閉的廢水處理系統(tǒng)，與城市污水處理系統(tǒng)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(guò)程中利用溫度與入水TCOD的關(guān)系，可以在調(diào)節(jié)曝氣量的同時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)SBR入水溫度來(lái)更好地實(shí)現(xiàn)廢水處理控制，從而達(dá)到更優(yōu)的處理效果。

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