人工濕地深度處理造紙污水尾水的工程應(yīng)用

李 爽，耿 峰，劉僑博，左金龍，譚 沖

(1. 黑龍江省環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院，哈爾濱150056；2. 哈爾濱商業(yè)大學(xué) 食品工程學(xué)院，哈爾濱 150076；3. 哈爾濱商業(yè)大學(xué) 生命科學(xué)與環(huán)境科學(xué)研究中心，哈爾濱 150076)

造紙廢水主要來自造紙工業(yè)生產(chǎn)中的制漿和抄紙兩個(gè)生產(chǎn)過程.制漿是把植物原料中的纖維分離出來，制成漿料，再經(jīng)漂白，這個(gè)過程會(huì)產(chǎn)生大量的造紙廢水；抄紙是把漿料稀釋、成型、壓榨、烘干，制成紙張，這個(gè)過程也容易產(chǎn)生造紙廢水.制漿產(chǎn)生的造紙廢水，污染最為嚴(yán)重.洗漿時(shí)排出廢水呈黑褐色，稱為黑水，黑水中污染物質(zhì)量濃度很高，BOD5高達(dá)5～40 g/L，含有大量纖維、無機(jī)鹽和色素.漂白工序排出的造紙廢水也含有大量的酸堿物質(zhì).抄紙機(jī)排出的造紙廢水，稱為白水，其中含有大量纖維和在生產(chǎn)過程中添加的填料和膠料[1-2].

造紙工業(yè)能耗、物耗高，是對(duì)環(huán)境污染嚴(yán)重的行業(yè)之一.其污染特性是廢水排放量大，其中COD、懸浮物(SS)含量高，色度高、對(duì)周圍水體環(huán)境危害嚴(yán)重[3-4].

人工濕地是一個(gè)綜合的生態(tài)系統(tǒng)，它應(yīng)用生態(tài)系統(tǒng)中物種共生、物質(zhì)循環(huán)再生原理，結(jié)構(gòu)與功能協(xié)調(diào)原則，在促進(jìn)廢水中污染物質(zhì)良性循環(huán)的前提下，充分發(fā)揮資源的生產(chǎn)潛力，防止環(huán)境的再污染，獲得污水處理與資源化的最佳效益.人工濕地處理系統(tǒng)具有緩沖容量大、處理效果好、工藝簡單、投資省、運(yùn)行費(fèi)用低等特點(diǎn)，非常適合中、小規(guī)模的污水處理[5-8].

黑龍江省某造紙廠是全國大型制漿造紙企業(yè)之一，目前漿紙綜合生產(chǎn)能力達(dá)到8萬t/a.工廠現(xiàn)有造紙機(jī)8臺(tái)、170 m3蒸煮鍋3座、75 t和100t堿回收爐各一座，年回收堿2.5×104t；40 000 t/d造紙污水二級(jí)生化處理廠一座. 該污水處理廠運(yùn)行情況較為穩(wěn)定，現(xiàn)有處理設(shè)施出水難以達(dá)到新的排放要求(即《制漿造紙工業(yè)水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB3544-2008)表2中要求).如果企業(yè)采用三級(jí)處理工藝，需要投資7 000萬元人民幣，運(yùn)行費(fèi)用較高.擬利用當(dāng)?shù)亻e置的土地資源，建設(shè)人工濕地對(duì)造紙廢水尾水深度處理，滿足新的排放要求.

1 工藝流程及進(jìn)出水水質(zhì)

1.1 污水處理工藝流程

造紙污水處理工藝流程，見圖1.

圖1 造紙污水處理工藝流程

1.2 進(jìn)水污水水質(zhì)

人工濕地進(jìn)水采用40 000 t/d造紙污水二級(jí)生化處理廠出水(尾水)，進(jìn)水水質(zhì)情況為COD平均進(jìn)水質(zhì)量濃度為150 mg/L，SS平均進(jìn)水質(zhì)量濃度為50 mg/L.

2 人工濕地主要參數(shù)

2.1 造紙污水深度處理裝置工藝參數(shù)

造紙污水深度處理裝置工藝參數(shù)，見表1.

表1 造紙污水深度處理裝置工藝參數(shù)

2.2 人工濕地示意圖

人工濕地示意圖，見圖2.

2.3 人工濕地堰壩設(shè)計(jì)

人工濕地處理系統(tǒng)所需要的堰壩涉及到污水處理所需的面積，緩沖區(qū)、預(yù)處理構(gòu)筑物所占面積，污水儲(chǔ)存、道路以及維護(hù)和管理建筑所需的面積等.對(duì)于堰壩的設(shè)計(jì)，初步按污水流量、污水儲(chǔ)存需要以及初步確定的水力負(fù)荷率等因素確定.當(dāng)最終確定所需堰壩布置時(shí)，按確定的人工濕地處理限制組分(LLC)，即污水所含組分中最能限制人工濕地處理的某種組分，求出所需堰壩的走向和結(jié)構(gòu).

堰壩布設(shè)的復(fù)雜性在于所需要的土地面積及土地使用的性質(zhì)，必須綜合考慮上述許多重點(diǎn)因素：地面坡度、土地使用情況、地貌以及土壤滲透性等.

人工濕地采用的堰壩設(shè)計(jì)參數(shù)，見表2.

圖2 人工濕地示意圖

設(shè)施名稱延長米/m2高度/m1級(jí)堰壩3 8003.02級(jí)堰壩2 3002.03級(jí)堰壩1 8001.54級(jí)堰壩9001.0合 計(jì)8 800-

2.4 人工濕地凈化機(jī)理

人工濕地對(duì)污水的處理過程，是物理、化學(xué)及生物作用共同作用的結(jié)果.基質(zhì)、植物、微生物是人工濕地發(fā)揮凈化作用的三個(gè)主要因素.在污水通過人工濕地的過程中，基質(zhì)的吸附、過濾，植物的吸收、固定、轉(zhuǎn)化、代謝及濕地微生物的分解、利用、異化等過程綜合作用，互相關(guān)聯(lián)影響著最終的凈化效果.

人工濕地的凈化機(jī)理，見表3.

表3 人工濕地的凈化機(jī)理

2.5 人工濕地植物種類選擇

濕地植物豐富的根系形成龐大的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，直接吸收植物自身生長所必需的氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)以合成植物體的組成部分.由于植物根系的輸氧作用，濕地土壤中出現(xiàn)好氧區(qū)域和厭氧區(qū)域，為自養(yǎng)型好氧微生物硝酸菌、亞硝酸菌和異養(yǎng)型微生物反硝化細(xì)菌提供了良好的生物物化環(huán)境，而微生物硝化、反硝化作用對(duì)氮的去除起到了重要作用，磷細(xì)菌的代謝活動(dòng)又可以對(duì)磷進(jìn)行吸收和積累.

水生植物、特別是挺水植物是污水濕地處理系統(tǒng)中的一個(gè)重要組成部分.選擇得恰當(dāng)與否，將直接關(guān)系到人工濕地的處理效果.本工程中人工濕地的水生植物選用香蒲屬(Typha spp.)、普通蘆葦(Phrigmites Communis)、燈芯草屬(Juncus spp.)、蔗草屬(Scirpus spp.)和苔草屬(Carex spp.)的有關(guān)品種.

2.6 生物倍增池設(shè)計(jì)

生物倍增池中由生物填料組成的可過水的幕墻構(gòu)成，生物填料上附著豐富、高效的好氧、缺氧、厭氧微生物，通過其生物降解、吸附、過濾能力，高效去除BOD、SS、氨氮、磷等污染物，使水質(zhì)得到徹底凈化.其對(duì)重金屬離子具有良好的去除效果，具體的作用如下：

1)生物吸附作用：生物填料表面附著的大量微生物經(jīng)過一系列生物化學(xué)作用，使重金屬離子被微生物細(xì)胞吸附，這些作用包括絡(luò)合、鰲合、離子交換、吸附等.這些微生物從溶液中分離金屬離子的機(jī)理有胞外富集和沉淀、細(xì)胞表面吸附和絡(luò)合、胞內(nèi)富集.

2)生物絮凝作用：生物填料表面的生物膜產(chǎn)生大量的生物絮凝劑，將重金屬充分絮集.生物絮凝劑一般由多糖、蛋白質(zhì)、DNA、纖維素、糖蛋白、聚氨基酸等高分子物質(zhì)構(gòu)成，分子中的氨基和羥基等多種官能團(tuán)，能使水中膠體懸浮物相互凝聚沉淀.根據(jù)目前研究，生物絮凝劑可與Cu2+、Hg2+、Ag+、Au2+等重金屬離子形成穩(wěn)定鰲合物而沉淀下來.

2.7 工程造價(jià)及運(yùn)行費(fèi)用

工程總造價(jià)為893萬元，具體內(nèi)容見表4.

表4 工程總造價(jià) 單位：萬元

工程運(yùn)行費(fèi)用，主要在機(jī)械曝氣系統(tǒng)方面，具體費(fèi)用見表5.

表5 工程運(yùn)行費(fèi)用

本工程總裝機(jī)容量約為30 kW，能耗為180 kW·h/d，電費(fèi)按0.5元/kW·h計(jì)，工程運(yùn)行費(fèi)用=180×0.5×0.8÷40 000=0.001 8元/m3.

2.8 出水水質(zhì)

本工程出水水質(zhì)情況為COD和平均出水質(zhì)量濃度均低于90 mg/L，SS平均出水質(zhì)量濃度低于20 mg/L.

3 結(jié) 語

采用人工濕地處理制漿造紙廢水的尾水，充分利用當(dāng)?shù)亻e置的土地資源，采用人工濕地工藝，進(jìn)水水質(zhì)COD為150 mg/L、SS為50 mg/L，出水水質(zhì)COD低于50 mg/L、SS低于20 mg/L，出水水質(zhì)滿足《制漿造紙工業(yè)水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB3544-2008)要求.該工程總造價(jià)893萬元，工程運(yùn)行費(fèi)用0.001 8元/m3.

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