SBR污水生化技術在造紙廢水處理中的應用

韓志誠

（上海浦江造紙技術中心，上海 200331）

SBR污水生化技術在造紙廢水處理中的應用

韓志誠

（上海浦江造紙技術中心，上海 200331）

SBR意為序批式反應器，在空間上是理想的完全混合式反應器，在時間上是理想的推流式反應器，具有傳統(tǒng)的活性污泥法處理無法比擬的優(yōu)勢。該文結合實際案例分析了SBR污水生化技術的基本原理、運行過程、主要設備，以及在造紙廢水處理應用中的技術優(yōu)勢。

序批式反應器；污水生化；造紙廢水；應用

0 前言

制漿造紙工業(yè)是一個與國民經濟發(fā)展和社會文明建設息息相關的重要產業(yè)，在現代經濟中所發(fā)揮的作用已越來越多地引起世人矚目，被國際上公認為是“永不衰竭”的朝陽工業(yè)。當今，世界各國已將制漿造紙的生產和消費水平作為衡量一個國家現代化水平和文明程度的重要標志之一。

我國的制漿造紙工業(yè)在新中國成立以后，特別是改革開放30多年以來，取得了跨越式的快速發(fā)展。紙和紙板的產量和消費量已經連續(xù)多年超越美國，穩(wěn)居世界第1位。在發(fā)展的同時，我國造紙工業(yè)還加大環(huán)境治理力度，扎實推進節(jié)能減排，已建成的先進產能的質量、消耗定額、污染物排放負荷均達到國際先進水平。

但是，伴隨著中國城市化、工業(yè)化的加速，中國水資源人均占有量少、空間分布不平衡的問題越顯嚴重，水資源的需求缺口也日益增大。作為工業(yè)用水大戶的造紙工業(yè)水污染的處理仍然是任重而道遠。

1 造紙廢水

1.1 造紙廢水的來源

目前，造紙行業(yè)是世界六大工業(yè)污染源之一，造紙廢水按其產生環(huán)節(jié)分為：制漿廢液、中段水和紙機白水。其中，制漿廢液是制漿造紙工業(yè)的主要污染源之一。

制漿造紙工業(yè)的廢水及其污染負荷，隨原料種類、生產工藝以及產品品種的不同，存在很大的差異。即使采用同樣的原料、同樣的生產工藝、生產同樣的產品，由于技術和管理水平的差異，不同工廠的廢水排放量以及其中的污染物含量都會存在很大的差異。

1.2 造紙廢水的特點

（1）廢水排放量大：就噸漿紙綜合能耗和綜合水耗來看，國際上的先進水平為每生產1 t漿紙綜合取水量30～50 t，我國除少數企業(yè)或部分生產線達到國際先進水平外，大部分企業(yè)每噸漿紙的綜合取水量平均仍處于100 t左右，相應地廢水排放量遠超過工業(yè)化國家的廢水排放量。

（2）廢水種類多、濃度大：造紙廢水雖可分為制漿廢液、中段廢水及紙機白水等3種，但由于原料、制漿方法的不同及各種化學品的添加，造成不同的紙廠其廢水性質相去甚遠。

（3）廢水的水質波動大：造紙廢水中化學需氧量（COD）、懸浮物（SS）含量高，色度大，同時還含有大量的有機污染物和有毒有害物質。

1.3 造紙廢水的處理

造紙廢水COD濃度高，生化需氧量（BOD）含量大，其處理方法較一般工業(yè)廢水有所不同，因此世界各國都致力于研究解決該種廢水的污染問題。目前，已用于工廠實踐的廢水處理方法很多，但歸納起來造紙廢水的處理方法主要有物理法、化學法、生物法和物理化學法等幾種，實踐結果表明，相比較而言，生物法的應用最為廣泛，以生物法為主的方法來處理的造紙廢水在處理效果、處理費用等方面更勝一籌，已成為造紙廢水二級處理的主要方法之一。

隨著科技的不斷進展，制漿造紙廢水處理和資源化技術日新月異。傳統(tǒng)的廢水處理回用技術不斷被革新和發(fā)展，同時，出現了許多更新的、更先進的技術。序批式反應器（Sequencing Batch Reactor，SBR）污水生化工藝技術因具有傳統(tǒng)的活性污泥法處理工藝所不可比擬的優(yōu)勢，目前在造紙行業(yè)得到了廣泛的應用。

2 SBR工藝的基本原理

傳統(tǒng)的活性污泥法是懸浮生長型好氧生物法?；钚晕勰嘤珊醚鹾图嫜跣晕⑸锛捌浯x的和吸附的有機物、無機物組成，具有降解廢水中有機物的能力，顯示生物化學活性。

活性污泥法凈化廢水包括吸附、代謝和固液分離等3個主要過程，系統(tǒng)由生物選擇池、曝氣反應池、二沉池及污泥回流設備組成，其基本流程見圖1。

圖1 傳統(tǒng)活性污泥法基本流程

SBR（Sequencing Batch Reactor Activated Sludge Process）的中文意義為序批式活性污泥法。顧名思義，即按順序、分批次處理廢水的活性污泥法。SBR集生物選擇、曝氣反應、泥水分離（沉淀澄清）等諸多功能于SBR反應池一身（以時間換空間），其廢水處理機制與普通活性污泥法完全相同。但區(qū)別在于污水不是按順序流經各個處理單元，而是放流到單一反應器內，按時間順序實現不同目的的操作，即：將傳統(tǒng)的活性污泥法的生物選擇、曝氣反應與沉淀澄清合而為一，在同一個池中進行生物選擇、曝氣及靜沉、排水多個過程，圖2為SBR系統(tǒng)（a）及其流程（b）。在SBR反應池的一個工作周期內，運行程序依次為進水、反應（曝氣）、沉淀和潷水。通過池內的大量微生物的生化降解和吸附作用，大幅度地去除污水中各種有機物，使污水得到比較徹底的凈化。

圖2 SBR系統(tǒng)及其流程

因此相較于傳統(tǒng)的活性污泥工藝（A/O、氧化溝等），SBR工藝在空間上是理想的完全混合式反應器，在時間上是理想的推流式反應器，具有傳統(tǒng)的活性污泥法處理無法比擬的技術優(yōu)勢。

3 SBR工藝的運行過程

SBR工藝的運行過程如圖3所示：每個SBR的運行按時間順序分為進水、曝氣反應、沉淀澄清和潷水排水等4個過程。這4個過程通常6 h完成1次循環(huán)，每天循環(huán)4次。每個SBR反應池每次處理一批廢水。在設定的循環(huán)周期內一批廢水進入一個SBR反應池，當一個SBR反應池進水時，其他SBR反應池進行不同的處理循環(huán)過程。

圖3 SBR工藝的運行過程

廢水在SBR反應池中與生化污泥和空氣混合得到處理。當生化反應完成時，停止曝氣，生化污泥沉降，處理后的澄清液由潷水器從SBR反應池表層排出，同時按一定比例排出過剩污泥。

表1列出了典型的SBR循環(huán)周期。SBR系統(tǒng)操作非常靈活，其每個處理單元的循環(huán)周期都可調整，以適應整個處理系統(tǒng)。

表1 典型的SBR循環(huán)周期

4 SBR工藝的主要設備

射流曝氣器是SBR工藝中的主要設備（見圖4）。

圖4 射流曝氣器

射流曝氣器將大量的循環(huán)水和低壓空氣在一個專利的噴嘴里混合。循環(huán)水主要是通過里面的噴嘴送入，產生高速渦流，同時空氣進入二級外部噴嘴。高速液流切割空氣形成氣液之間的渦流擴散。

溶氧最高的氣液混合流體從第2級噴嘴中釋放出來，將周圍液體卷入。氣液混合液具有橫向和豎向的能量，在池內形成劇烈的混合。

射流曝氣器具有以下特點。

（1）氧轉移率高。除了與空氣中的小氣泡在液體中擴散效率高，射流曝氣器的紊流狀態(tài)使氣液接觸面不斷更新，也有利于氧氣傳遞。氧轉移率參數是氧氣在污水和清水中傳遞系數的比值。與其他的大多數微孔擴散理論相比較，射流曝氣器氣液接觸面的不斷更新使其氧轉移效率更高。

（2）工藝適用性強。射流曝氣器可以在供氧和攪拌之間自動進行單獨控制。這使操作工可以根據需要調節(jié)空氣量的大小，而維持攪拌可以通過循環(huán)液。結合手工和自動控制，可以在低負荷時節(jié)省能耗。通過停止供氣維持攪拌，對厭氧/好氧交替循環(huán)的生化系統(tǒng)來說是非常理想的。

（3）攪拌均勻。射流曝氣產生的充分攪拌除了氣泡上升產生垂直方向的攪拌能量外，循環(huán)水還在水平方向產生能量。和一些空氣擴散系統(tǒng)不同，射流曝氣器不需要覆蓋整個池底就能充分攪拌，能節(jié)省很多安裝時間和安裝費用。

（4）空氣污染少。鑒于大氣質量標準越來越高，我們開始關心曝氣工藝中廢氣和水霧的產生。由于射流曝氣器的氧利用率高，產生的廢氣排放較少，只需要較少的廢氣收集和處理的設備及資金。

射流曝氣器是一種淹沒（液下）式設計，它不產生大多數表曝機所特有的已成二次污染的水霧及泡沫問題，降低了污水廠及其周圍環(huán)境的空氣污染。

（5）維修方便。射流曝氣器本身不需維修，且利用普通的附屬設備如離心水泵和離心風機。所有運轉部件都設在池外，維修方便。噴射器中的高速液體和氣體減少了堵塞的潛在可能性，且噴射器本身的結構決定其無堵塞、免維護的特性。

（6）使用壽命長。由于射流曝氣器具有特殊的機構，使用獨特的材料，并添加耐磨材料，因此使用壽命很長，最長可達20年以上。目前國內正在運行的射流曝氣器使用已超過10年，無任何維修記錄。

5 SBR工藝的技術優(yōu)勢

5.1 污泥活性高，出水水質好

SBR工藝為間歇進水和排放，時間上是理想的推流式，為非穩(wěn)態(tài)反應，其降解速率明顯具有零級反應和一級反應以及二者之間的混合級數反應動力學特性，因此降解速率與傳統(tǒng)活性污泥法相比要快得多，降解時間也要短得多，所以出水達標的可靠性很高（見圖5）。

圖5 出水水質對比

5.2 沉降、分離效果好

圖6顯示了懸浮物去除的對比情況。SBR反應池[圖6（b）]的沉降屬理想靜沉，沉降時沒有進水及曝氣，使用先進的潷水器排水。因此沉降效果及濃縮效果都高于傳統(tǒng)二沉池[圖6（a）]。SBR反應池污泥指數SVI一般在100左右。

5.3 耐沖擊負荷，處理能力強

圖6 懸浮物去除的對比情況

SBR反應池空間上是完全混合式，每次進反應池的污水體積只占反應池體積的1/3～1/5左右。當高濃度或有毒污水進入反應池時，立即被原有的反應池內的清水稀釋并與之完全混合，所以SBR工藝具有較強耐沖擊負荷能力。

5.4 防止污泥膨脹

構成活性污泥微生物的細菌可分為菌膠團形成菌與絲狀菌，當菌膠團形成菌占優(yōu)勢時，污泥的凝聚性、沉降濃縮性好，反之，當絲狀菌占優(yōu)勢，則污泥沉降性能惡化，發(fā)生污泥膨脹。

SBR集好氧和厭氧（缺氧）2類生物于一體，可充分發(fā)揮各種微生物的能力和潛力。在同一反應池中交替處于厭氧消化和好氧分解運行狀態(tài)，選擇優(yōu)勢菌種生長，抑制絲狀菌生長，有效防止污泥膨脹。

5.5 運行靈活

在同一周期中，各階段的運行時間和反應器內混合液體積的變化以及運行狀態(tài)可能根據具體污水性質、出水質量與運行功能要求等靈活掌握。

5.6 反應推動力大、效率高

底物和微生物濃度隨時間的變化造成時間上的理想推流狀態(tài)，反應時間和池容小得多。

5.7 簡化流程、減少占地、降低造價、運轉費用低

采用SBR法使工藝過程極為簡單，一個SBR構筑物取代了普通活性污泥法中的水解酸化池、曝氣池、二沉池和污泥回流系統(tǒng)，減少了構筑物的占地面積，可節(jié)約基建約30%。構筑物之間的連接管道、流體輸送設備減少，特別是省去了污泥回流系統(tǒng)和混合液回流系統(tǒng)，因而大大降低了工廠投資。

SBR工藝不需要二沉池和污泥回流系統(tǒng)，還能節(jié)省能耗。在進水開始一段時間可以不曝氣，使其處于厭氧狀態(tài)，具有較強的水解功能；曝氣時，溶解氧濃度梯度大，氧傳質的推動力高，運行費用減少。

5.8 污泥脫水容易，自動化程度高

污泥齡長，污泥生成量少，污泥穩(wěn)定程度高，污泥脫水容易。自動化程度高，節(jié)省人工費用。

6 SBR工藝的工程實績

廣西南寧天然紙業(yè)有限公司位于廣西南寧中國-東盟經濟園區(qū)內，是一家以漂白甘蔗漿為主要原料，加入部分木漿生產生活用紙的企業(yè)，公司計劃完善前三期項目廢水處理設施，新建一套處理能力為10 000 t/d的廢水生化處理系統(tǒng)。原有氣浮和脈沖等物化處理系統(tǒng)繼續(xù)使用，其處理后出水進入新建的生化系統(tǒng)進一步處理，達標排放。

采用加拿大ADI公司先進污水處理技術的上海愛地環(huán)保技術有限公司，經過對該公司現有的污水處理流程的充分調研和污水水質情況的充分了解后，決定生化系統(tǒng)采用SBR污水生化工藝技術。

6.1 設計進水參數

設計廢水處理總量為10 000 m3/d，進入好氧系統(tǒng)（SBR）的水質見表2。

表2 進入好氧系統(tǒng)（SBR）的水質

6.2 設計出水要求

好氧系統(tǒng)（SBR）出水主要污染物排放標準見表3。

項目建成投產后，運行良好，達到了預期的設計效果。

經過長時間的運行測試，當進水COD穩(wěn)定在500 mg/L左右時，SBR出水的COD穩(wěn)定在60 mg/L左右，滿足設計要求。

表3 好氧系統(tǒng)（SBR）出水主要污染物排放標準

圖7～10為SBR運行各個階段SBR反應池水面的照片，由照片可以清晰地看出，污泥的活性、沉降性能非常好。

圖7 SBR進水時水面照片

圖8 SBR曝氣時水面照片

圖9 SBR沉淀時水面照片

圖10 SBR潷水時水面照片

7 結語

與傳統(tǒng)污水處理工藝不同，SBR污水生化技術采用時間分割的操作方式替代傳統(tǒng)的空間分割的操作方式，非穩(wěn)定生化反應替代傳統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)生化反應，靜置理想沉淀替代傳統(tǒng)的動態(tài)沉淀。它的主要特征是在運行上的有序和間歇操作。SBR污水生化技術的核心是SBR反應池，該池集均化、初沉、生物降解和二沉等功能于一池，無污泥回流系統(tǒng)。SBR污水生化技術和傳統(tǒng)的活性污泥法相比有獨特的優(yōu)勢，在造紙行業(yè)污水處理中必將有廣闊的應用空間。

Application of SBR Sewage Biochemical Technology in Papermaking Wastewater Treatment

HAN Zhin-cheng
（Shanghai Pujiang Technique Center of Paper Industry，Shanghai 200331，China）

SBR represents for the sequencing batch reactor，and is the ideal continuous-stirred-tank reactor in space，the ideal plug-flow reactor in time.Compared with the traditional activated sludge process，it has the incomparable advantages.The article analyses the SBR sewage biochemical technology’s basic principle，operation process，main equipment，and the technical advantages in the application in papermaking wastewater treatment with practical cases.

sequencing batch reactor；sewage biochemical；papermaking wastewater；application

X793

A

1007-2225（2017）01-0018-06

韓志誠先生（1956-），教授級高級工程師；長期從事食品卡、涂布白卡紙、卡紙、紙板等生產管理和科研開發(fā)工作，具有豐富的實際工作經驗，多年來發(fā)表論文10多篇，2004年獲上海市科技進步二等獎，2010年獲上海市科技進步三等獎，1991年獲輕工業(yè)部科技進步三等獎；E-mail：sptcpi@163.com。

2016-12-19

本文文獻格式：韓志誠．SBR污水生化技術在造紙廢水處理中的應用[J]．造紙化學品，2017，29（1）∶18-23．