卡魯塞爾氧化溝、淺層氣浮技術及其在木漿廢水處理中的應用

胡光勇 云南省普洱市景谷縣云南云景林紙股份有限公司 云南 普洱（666400）

云南云景林紙股份有限公司（簡稱云景林紙）是一家林漿紙一體化的現(xiàn)代企業(yè)，以松木、桉木、竹子和雜木為原料，采用硫酸鹽法制漿，產能達到25萬t漿，3萬t生活用紙。企業(yè)二期擴建改造后，制漿工藝采用三臺蒸煮鍋間歇蒸煮、一級三段篩選處理、氧脫木素、三段高溫漂白（Dht—EOP—D1）工藝技術。云景林紙的廢水主要來自制漿蒸煮、洗、選、漂工段、堿回收工段、備料工段污水以及各車間的生活廢水，由于生產原料的不同，廢水污染負荷波動大。廢水中含有大量的可溶性有機物，特別是制漿漂白廢水有一定量的木質素、纖維素和半纖維素及其衍生物，具有較高的CODcr、色度及水溫等特點。二期擴建配套污水處理系統(tǒng)采用卡魯塞爾氧化溝二級生化處理技術,以及淺層氣浮三級物化處理技術，經過兩年多的連續(xù)運行表明,處理后的終端廢水排放指標達到國家《造紙工業(yè)水污染物排放標準》（GB3544-2008）標準要求，廢水處理系統(tǒng)運行效果良好。

1 工藝流程

1.1 廢水源水質分析

云景林紙的廢水中污染物以生產原料（纖維素）為主，并含有部分其他的有機雜質和泥沙等無機物；廢水中難生化降解物質含量高，如木素和大分子碳水化合物等，色度高；流失的纖維素、半纖維素等多糖類物質是構成有機污染物的主要成分；其次是低含量有毒化學物質，如氯化物、木素衍生物和氯代酚類等。廢水中含有大量的可溶性有機物，同時還含有一定的纖維素和半纖維素、木質素及其衍生物，具有排放量大、污染負荷高、纖維懸浮物多等特點，主要含木質素、殘堿、硫化物、氯化物等污染物，屬于高濃度的有機廢水[1]。云景林紙卡魯塞爾氧化溝設計參數(shù)：處理能力Q=18000m3/d，廢水源水質參數(shù)：BOD＜500mg/L,CODcr＜1500mg/L,SS＜350mg/L,色度＜150倍，pH值：2-12，水溫＜65℃。出水水質:CODcr≤100mg/L，BOD≤20mg/L,SS≤50mg/L,色度＜50倍，pH值6～9。

1.2 工藝介紹

1.2.1 工藝流程

圖1工藝流程圖

1.2.2 工藝說明

（1）預處理

中段廢水經匯水管道進入預處理工序。廢水經過機械格柵過濾去除粗大雜物，然后進入中和池調節(jié)廢水的pH值，廢水自流至調節(jié)均質池調節(jié)廢水的水量和水質，后由冷卻提升泵提升至冷卻塔，降低水溫以滿足后續(xù)卡魯塞爾氧化溝進行生物處理。如果生產系統(tǒng)及廢水處理系統(tǒng)出現(xiàn)廢水水質較大波動時，廢水可經匯水管道直接進入事故應急池，待系統(tǒng)運行正常后由事故應急池用泵提升至廢水處理系統(tǒng)中。

（2）生物處理

生化處理工序主要是由卡魯塞爾氧化溝、輻流式二沉池及污泥回流系統(tǒng)組成的溝內外循環(huán)處理系統(tǒng)。經預處理后的廢水，自流至卡魯塞爾氧化溝。在氧化溝內，由慢速表曝機曝氣并推動水流在溝內循環(huán)流動，形成曝氣機的前段好氧、后段缺氧（厭氧）。因此，卡式氧化溝工藝具有典型的缺氧—厭氧—好氧的交替循環(huán)過程。在卡式氧化溝的缺氧、厭氧區(qū)，通過厭氧反應，可以使中段廢水中難以降解的木素及其衍生物等大分子鏈物質部分分解為易于生化降解的小分子，這類小分子再通過好氧區(qū)，就比較容易降解去除。因此，卡式氧化溝工藝對于造紙廢水具有獨到的、較好的處理效果。氧化溝有較長的水力停留時間和較低的污泥負荷，因此也具有較強的耐水量、水質沖擊能力。廢水經氧化溝處理后，進入二沉池泥水分離，上清液出水進入深度處理單元進一步處理。大部分污泥回流至氧化溝起活性生化化學作用。少量的剩余污泥已經充分穩(wěn)定（泥齡30天以上），泵送至污泥濃縮池濃縮后進行脫水處理[2]。

（3）深度處理

二沉池出水進入氧化脫色池短暫停留，然后廢水流入氣浮提升池，經提升泵提升經過管道混合器加藥（絮凝劑）進入超效淺層氣浮分離系統(tǒng)進行固液分離，溶汽水采用氣浮處理后的清水，通過專用管道經過回流水泵加壓至0.5-0.6kpa左右與壓縮空氣一起進入強溶溶氣裝置中。使空氣在盡可能短的時間內均勻迅速的溶解于水中，使之達到飽和狀態(tài)。然后通過消能釋放裝置使微小氣泡穩(wěn)定釋放于氣浮池底部的進水管，并充分與原水混合（助凝劑），使其于水中的雜質顆粒和絮體顆粒相粘附。通過池體上部的布水裝置均勻地分布于整個池體斷面上，通過微細泡自身的浮力將雜質顆粒和絮體顆粒浮至水面上。浮渣由不停旋轉運動的螺旋狀除渣器刮起，靠重力通過專用管道自流進入浮渣池，泵送至污泥濃縮池濃縮后進行脫水處理。

2 卡魯塞爾氧化溝工藝及曝氣方式的特點

2.1 卡魯塞爾氧化溝工藝的特點

卡魯塞爾氧化溝工藝因其形成的獨特的流態(tài)和處理效果而受到重視和推廣。實踐證明卡魯塞爾氧化溝在工藝運行上可根據(jù)廢水處理的不同要求組合成不同比例的缺（厭）氧—好氧—缺（厭）氧的生物處理流程。這種流程在缺（厭）氧條件下能把大分子量的長鏈有機物裂解成易于生物降解的低分子有機物。制漿造紙的中段廢水的有機污染物CODcr組成，含有纖維素、多糖、單糖、葡萄糖等的碳水化合物。而纖維素、多糖等成分，均為不易被好氧生物降解的物質?？斎麪栄趸瘻瞎に囂幚淼娜保▍挘┭醵危梢园汛蠓肿恿康睦w維素和多糖的分子鏈斷裂，形成易好氧生物降解的低分子量糖類。卡魯塞爾氧化溝工藝的這一特性，特別有利于制漿造紙中段廢水的處理，提高了CODcr的總去除率。

由預處理后的廢水，先進入氧化溝的缺（厭）氧段，缺（厭）氧段形成了動態(tài)酸化池。在水解酸化的作用下，pH值可降低，同時降解部分大分子有機物及斷裂大分子鏈。接著廢水和活性污泥的混合液經過倒傘表面曝氣機充氧后進入完全混合的好氧曝氣區(qū)，由于在缺（厭）氧段廢水中的氧含量極低，因而此時經過曝氣機時廢水的氧吸收效率很高，提高了曝氣充氧效率。在倒傘表面曝氣機產生的提升混合、推流和曝氣功能的作用下，充分吸氧的廢水和生物污泥的混合液被葉輪推動向前流動，與曝氣溶氧充分混合，形成氧化溝的好氧處理段，使大量有機物在好氧生物作用下降解成二氧化碳和水。由于卡魯塞爾氧化溝工藝活性污泥的含量高（達4000-6000mg/L）,隨著混合液的流動和活性污泥好氧處理的進行，混合液中的氧含量被快速消耗，當水中溶解氧低至0.5mg/L時混合液進入缺氧處理段，根據(jù)處理廢水的性質和要求不同，運行中調整曝氣和工藝運行，可使廢水混合液中溶氧進一步下降到0.2mg/L以下，從而形成深度缺（厭）氧的處理環(huán)境，此時在相應的生物體作用下會產生缺氧甚至水解酸化的初步厭氧反應，裂解不宜被好氧微生物分解的大分子有機污染物。隨后在經過倒傘表面曝氣機充氧后，又進入混合曝氣區(qū)形成的好氧處理段。從而在氧化溝中形成循環(huán)的缺（厭）氧—好氧處理區(qū)段，廢水混合液在推流過程中不斷經過循環(huán)，一方面能夠提高對高分子難降解的有機污染物的去除率，另一方面缺（厭）氧—好氧的處理循環(huán)運行控制條件下，能夠有效地避免污泥膨脹，確保出水穩(wěn)定。在卡魯塞爾氧化溝的出水區(qū)，處理后的廢水在電動調節(jié)堰板調節(jié)的水位出水，至二次沉淀池進行泥水分離。根據(jù)廢水的性質和處理情況決定回流活性污泥的總量，沉降分離后的活性污泥回流至氧化溝，其余剩余污泥送入污泥濃縮池，經濃縮后脫水外運。

2.2 曝氣方式和設備的特點

卡魯塞爾氧化溝采用表面曝氣方式，配備專業(yè)匹配設計的慢速倒傘表面曝氣機。其主要特點是：

（1）表面曝氣方式，沒有常規(guī)水下曝氣設備如曝氣頭的曝氣孔堵塞和維修困難等問題，特別適用于懸浮物含量較高的制漿造紙中段廢水處理的長期穩(wěn)定運行。

（2）倒傘表面曝氣機設備集曝氣、推流和提升混合三種功能于一身，處理效率高，完全滿足卡魯塞爾氧化溝工藝的要求，專業(yè)設計的葉輪形狀和卡魯塞爾氧化溝的溝型設計相匹配，實現(xiàn)了工藝和設備的完美結合，確保實現(xiàn)卡魯塞爾氧化溝獨特的工藝特性和運行處理效果。

（3）只需配備倒傘表面曝氣機，無需配備鼓風機、曝氣頭、水下推流設備等，簡化工藝運行與設備管理，節(jié)省設備投資，降低運行成本。

（4）倒傘表面曝氣機除葉輪外，其他主要部件均安置于池頂平臺上，不與污水接觸，工作環(huán)境合理，維護簡便，極少維修。

（5）倒傘表面曝氣機設備設計采用整體立軸方式布置，機械受力合理，設備使用壽命長且易于維修管理，確保長期穩(wěn)定運行。

3 高效淺層氣浮技術

3.1 超效淺層氣浮系統(tǒng)工作原理

污水處理方法，按其作用的原理和去除的對象可分為物理法、化學法和生物法等。溶氣氣浮就是設法在待處理的水中通入大量密集的微細氣泡，使其與雜質、絮?；ハ嗾掣叫纬烧w比重小于水的浮體，從而依靠浮力上至水面，以完成固、液，液、液分離的凈水方法。同時通過特殊結構的溶氣管產生的微細氣泡直徑可達到5μm,微氣泡的總面積呈幾何數(shù)增加，至少增加幾百倍，這些集成的大量微氣泡改變了水的表面張力，有利吸附有色基團及部分親水性膠體，使凈化效率得以大幅提高，同時PAC、PAM的投加量得以降低或無需投加。[3]

3.2 超效淺層氣浮池溶氣系統(tǒng)原理

溶氣系統(tǒng)是整個氣浮工藝的關鍵部分，溶氣系統(tǒng)產生微細氣泡的質量直接影響氣浮效果。本系統(tǒng)的溶氣原理（見圖2），采用特殊的結構，超效微氧化強溶溶氣裝置的體積僅為溶氣罐體積的1/15（相同處理量相比），但溶氣質量、操作、維護都要遠遠優(yōu)于溶氣罐。在超效微氧化強溶溶氣裝置中,壓縮空氣被加到水中；通過溶氣水加壓至5.5kg/cm2；在超效微氧化強溶溶氣裝置里水在5.0kg/cm2壓力下停留10～15s,這樣空氣便溶解到水中；壓力水通過專用溶氣釋放裝置后，溶氣水被消能釋放，水中將釋放出多余的空氣，這樣在通過液體時小氣泡自然地形成，且氣泡非常小。新型溶氣釋放器采用國外先進技術，微氣泡直徑可達1～5μm，直徑1～3μm的氣泡占總數(shù)的80%以上，達到國內國際的先進水平，溶氣水和藥劑加入點的合理選用，保證實現(xiàn)共聚氣浮。

圖2氣浮工藝原理圖

4 實際運行效果

4.1 卡魯塞爾氧化溝運行實效

4.1.1 具有較強的耐沖擊負荷能力

從工藝特征分析，卡魯塞爾氧化溝是一個多溝串聯(lián)的生化處理系統(tǒng)，進入溝內的污水與溝內活性污泥混合后在氧化溝內作連續(xù)的循環(huán)流動。由于廢水在氧化溝內的停留時間較長，處理制漿造紙中段廢水停留時間在24h以上，而且表面曝氣機具有強大的攪拌和提升混合能力，因此，原水一進入氧化溝，就會被幾十倍甚至上百倍的循環(huán)流量所稀釋，沖擊負荷明顯降低。同時由于卡氏氧化溝特有的缺（厭）氧—好氧交替循環(huán)的工藝特征，具有提高污泥濃度的合理空間，制漿造紙廢水處理系統(tǒng)活性污泥的濃度在3000-6000mg/L，遠大于常規(guī)活性污泥處理工藝，因此同等條件下系統(tǒng)污泥負荷較低，耐沖擊負荷的能力提高。

4.1.2 運行效率高，工藝簡便

CODcr去除效率高，抗高負荷沖擊，工藝簡便，運行效果穩(wěn)定 見表1。在倒傘表曝機曝氣設備和氧化溝流態(tài)作用下，使循環(huán)的水流保持適宜的流速在氧化溝內循環(huán)流動，并在池內形成多重的缺（厭）氧/好氧處理區(qū)域，從而形成了獨特的生化處理環(huán)境和效果，實現(xiàn)了動態(tài)的水解酸化與好氧分解的有機結合，加強了對難降解有機物的去除，提高生化系統(tǒng)的有機物去除效率，確保達到最佳的生化處理效果。

4.1.3 機械設備少，易于控制

卡魯塞爾氧化溝溝形狹長，曝氣充氧采用曝氣、提升混合和推流特性的倒傘表曝機，整個系統(tǒng)機械設備少，一方面節(jié)約能耗及日常運行管理簡單方便，另一方面提高了運行可靠性。狹長的溝形與專用倒傘表面曝氣機的結合，在氧化溝內產生了可人工控制的缺（厭）氧/好氧區(qū)域，可根據(jù)廢水的情況在實際運行過程中對工藝運行方式進行調整，強化生化處理系統(tǒng)的污染物去除效率，大大節(jié)省了總的運行費用。

表1卡魯塞爾氧化溝效率表

4.2 氣浮工藝運行實效

本系統(tǒng)采用“淺池理論”、“零速度原理”和新容器原理設計，停留時間短，僅有3~5min，表面復合高達9.6~12m3/m2.h,占地面積小，池深僅為700-1000mm，出渣含固量可以高達2%~5%，懸浮物去除率可達98%，出水懸浮物可低于100mg/L,強制布水，進出水都有靜態(tài)的，微細氣泡于絮粒的粘附發(fā)生在包括接觸區(qū)在內的整個氣浮分離強制布水，容器管設計獨特，體積小，容器效率高，容器水和藥劑加入點的合理選用，保證實現(xiàn)共聚氣浮，設備輕巧、效率高、穩(wěn)定性高。氣浮效率見表2。

表2氣浮效率表

5 結論

卡魯塞爾氧化溝運行負荷并非越低越好，運行表明，此氧化溝運行負荷按照設計能力的85%（水量：16000m3/d、CODcr＜1200mg/L）控制，運行處理效果最佳，污泥濃度控制在3000-6000mg/L。

總之，采用卡魯塞爾氧化溝工藝作為木漿廢水的生化處理段，工藝運行穩(wěn)定、可靠、管理方便，運行費用經濟。云景林紙廢水排放值達到：BOD5＜10mg/L、CODcr＜70mg/L、SS＜30mg/L、色度＜20倍、pH值6.5-8、噸漿紙廢水量＜40m3/t。

卡魯塞爾氧化溝在實際運行過程中也存在一些問題。

5.1 污泥膨脹控制

當廢水中的碳水化合物較多，N、P含量不平衡，pH值偏低，氧化溝中污泥負荷過高，溶解氧濃度不足，排泥不暢等易引發(fā)絲狀菌性污泥膨脹。[4]微生物的負荷高，細菌吸取了大量營養(yǎng)物質，由于代謝速度較慢，積累起大量高粘性的多糖類物質，使活性污泥的表面附著水增加，SVI值升高，致使污泥膨脹。針對污泥膨脹的不同原因，采取不同的解決辦法：由于缺氧造成的，就增加曝氣量或者減輕污染負荷，水溫高造成的就降低水溫，適當降低MLSS（控制污泥回流量），使需氧量減少；污泥濃度低負荷過高，提高MLSS，以調整負荷，必要時停止進水對生物處理系統(tǒng)連續(xù)曝氣；通過投加氮肥、磷肥，調整混合液中的營養(yǎng)物質平衡（BOD5:N:P=100:5:1）；pH值過低，投加堿調節(jié)。

5.2 泡沫控制

由于進水污染負荷高，含纖維素、半纖維素等多糖類物質，處理系統(tǒng)不能完全有效地將其除去，部分多糖類物質富集于污泥中，經倒傘充氧攪拌，產生大量泡沫；泥齡偏長，污泥老化，也易產生泡沫。[5]針對泡沫產生的起因，采取不同對策：用表面噴淋水或消泡劑去除泡沫，調整減小污染負荷。

5.3 污泥上浮控制

水溫過熱，超過45℃使活性污泥中大部份微生物死亡而上??；曝氣時間過長，在池中發(fā)生高度硝化作用，使硝酸鹽濃度高，在二沉池發(fā)生反硝化作用，產生氮氣，使污泥上浮[4]；pH值過高或過低，影響活性污泥微生物胞外酶及存在于細胞質和細胞壁里酶的催化作用以及微生物對營養(yǎng)物質的吸收，微生物死亡以致發(fā)生污泥上浮。針對污泥上浮的起因，采取相應對策，設法改善池內條件控制活性污泥上浮。

〔1〕王如一,方偉忠.制漿造紙廢水深度處理技術的發(fā)展〔J〕.湖南造紙,2010,02：25～27.

〔2〕馬延中,荊柯舜,王國卿,張勇,王波.氨綸化工廢水處理的工藝實踐〔J〕.山東化工,2008,07：15

〔3〕陸吉明.無錫滬東麥斯特全新深度處理技術及應用[J].造紙信息，2009，03：10

〔4〕張曉紅.卡魯塞爾氧化溝技術研究 [J].科技致富向導，2010，11：05

〔5〕陸子程.氧化溝工藝在污水處理廠中的應用[J].黑龍江科技信息，2013，07：25