楊木化機漿造紙廢水的治理工程實例及分析
制漿造紙工業是國民經濟的重要組成部分，也是水污染物排放量較大的行業。根據目前制漿工藝的生產水平，生產1 t紙漿，需耗費1.2~2 t原木片，產生60~100 m3的廢水。其產生的廢水水質、水量與生產工藝、原料、產品種類等密切相關。
一般來說，造紙廢水中的主要污染物有4類：（1）還原性物質，如木素、無機鹽等；（2）可生物降解類物質，有半纖維素、樹脂酸，低分子的糖、醇、有機酸等；（3）懸浮物，如細小纖維素、無機填料等；（4）色素類物質，有油墨、染料等。
該類廢水危害較大不能直接排放，需經嚴格的物理、化學和生物處理達到《制漿造紙工業水污染物排放標準》（GB 3544—2008）的水質要求后才能排放。
鄧州市華鑫紙業有限公司為“制漿和造紙聯合生產企業”，該企業針對其生產過程中產生的化機漿廢水有機污染物質濃度高、難降解、有毒等特點，采用“加酸、預曝氣+預酸化+IC反應器+氧化溝+混凝脫色”的工藝對其進行處理。其處理系統2006年建成投產，2019年進行升級改造，穩定運行至今，出水達標率較高。
筆者從治理方案、運行參數選擇以及運行策略優化、運行效果等方面對該廢水治理工程進行了介紹和分析，旨在為國內外相似廢水處理方法的選擇和工藝流程的確定提供實踐基礎。
1 工程概況
1.1 背景及設計規模
鄧州市華鑫紙業有限公司污水處理站于2006年建成，起初用于處理草漿（龍須草）制漿廢水和廢紙回收制漿廢水，后續由于市場需求變化以及經營戰略調整的需要，對原料結構進行調整，改建了化機漿制漿生產線。
目前，該企業滿負荷生產，廢水產生量約為3 200 m3/d。其中一部分是2 000 m3/d的化機漿廢水，化機漿廢水有機物濃度高，處理需配套建設1套厭氧反應系統，確保廢水處理后達標排放；另一部分是1 200 m3/d的再生紙脫墨廢水，經過預處理后進入一沉池。
1.2 水質及特點
受原料質量的影響，化機漿廢水的排放量和有機物濃度變化較大。其水質特點：COD高，木質素含量較高，且含有較多的細小纖維和膠狀物以及分散劑、松香等。廢水水質見表1。
2 化機漿廢水治理工藝
由于化機漿廢水中含有大量懸浮類物質，兼具高COD和低BOD的特點，為了有效減少廢水中的大量懸浮物和提高廢水可生化性，確定采用“加酸、預曝氣+預酸化+IC反應器+氧化溝+混凝脫色”的處理工藝。工藝流程見圖1。
3 廢水處理設施主要構筑物功能及參數
3.1 預處理
預曝氣池的作用是利用好氧剩余污泥的吸附及曝氣氧化作用，改善廢水中懸浮物的沉降性能，使廢水中的懸浮物能在初沉池中沉降分離，同時緩沖水量、調節水溫和pH。
化機漿廢水的pH通常在7.8左右，為了確保進入后續厭氧IC反應器的廢水的酸堿度符合要求，需投加少量酸以調整pH。因投加硫酸會生成硫化氫，抑制厭氧微生物的新陳代謝，導致系統運行效果變差，所以本項目投加鹽酸調控pH至6~7。
為了強化初沉池的沉淀效果，本工藝將好氧系統二沉池污泥回流至預曝氣池，使好氧污泥與廢水充分混合接觸，達到吸附、降解COD的作用，混合液沉降比SV保持在30%~50%。預曝氣池的水力停留時間為6 h，總池容積L×B×H=15 m×10 m×6 m=900 m3，采用鋼筋混凝土結構。
初沉池通過自然沉降，去除水中大部分的固體懸浮顆粒，減輕生物處理負荷。為了提高沉淀效果，向初沉池內投加絮凝劑PAC和助凝劑PAM，貯備液質量濃度分別為100 kg/m3和1 kg/m3，投加量由PLC自動控制系統調控。
該控制系統以進水流量和進水懸浮物質濃度為控制參數，以計量泵流量為被控參數，調控PAC和PAM投加量。初沉池沉淀時間2.5 h，表面負荷為1.8 m3/（m2·h）。池體直徑10 m，池深4.5 m，為鋼筋混凝土結構，采用周邊傳動刮吸泥機除泥。
預酸化池的功能是在兼性厭氧條件下，通過發酵細菌新陳代謝反應，將廢水中不溶性或高分子有機物質水解為溶解性小分子有機物，從而改善廢水的可生化性。
化機漿廢水有機物濃度高，氮磷含量較低，為了滿足微生物營養需求，向預酸化池內投加營養鹽，生物氮（尿素）投加量為30 mg/L，使廢水中營養物質質量比達到BOD5∶N∶P=（200~300）∶5∶1，滿足厭氧微生物代謝和生長需求。預酸化池的運行效果以預酸化度來衡量和控制，設計范圍為20%~40%。預酸化池水力停留時間為6 h，總池容積L×B×H=14 m×10 m×6.5 m=900 m3，池體采用鋼筋混凝土結構。
3.2 生化處理部分
3.2.1 厭氧處理
目前該企業使用的是第三代內循環（IC）厭氧反應器。IC反應器包括微生物的水解發酵-產氫產乙酸-產甲烷3階段反應，相應的微生物包括發酵細菌、產氫產乙酸菌和產甲烷菌，前2種統稱為產酸菌。與產酸菌相比，產甲烷菌對溫度、pH及有毒物質等生態因子非常敏感。
環境因素的改變會破壞產甲烷菌和產酸菌之間的平衡，使部分發酵產物等不能被產甲烷菌及時利用而在反應器內大量積累，導致產甲烷菌正常代謝受阻，最終影響沼氣產率，降低COD去除率。
IC反應器運行溫度控制在35~38 ℃，進水COD<10 000 mg/L，滿負荷運行沼氣產量可達5 000 m3/d。IC反應器COD容積負荷為10 kg/（m3·d），有效水力停留時間為3 d。反應器直徑為10 m，高度為24 m，有效容積為1 800 m3，鋼結構反應器。
沼氣系統：單位COD沼氣產率為0.3 m3/kg，沼氣柜容積為100 m3，產生的沼氣經沼氣穩壓柜送鍋爐燃燒。
顆粒污泥系統：其作用是保證IC反應器內的生物量。運行期間IC反應器中顆粒污泥生成量少，將二沉池污泥定期排入厭氧污泥池，經2~3周厭氧反應后，用螺桿泵投加至IC反應器。此運行可產生如下效能：① 補充反應器碳源；② 確保好氧污泥厭氧穩定化處理。
3.2.2 一沉池
IC反應器出水和再生紙漿產生的脫墨廢水同時進入一沉池。再生紙漿脫墨廢水水量約1 200 m3/d，其COD較低，主要含有細小纖維、染料和懸浮物等，其中油墨和短纖維含量較高。
再生紙漿脫墨廢水可稀釋厭氧系統出水，使得廢水中的COD降低。一沉池為輻流式沉淀池，表面負荷0.68 m3/（m2·h），池體直徑40 m，采用半橋式刮泥機除泥。
3.2.3 好氧處理
該企業好氧系統采用Carrousel改良型氧化溝，可同步硝化反硝化，未設置硝化液回流系統，采用低壓射流的方式曝氣。
該氧化溝設有6個好氧區、4個缺氧區、2個厭氧區，在去除有機污染物的同時，兼具脫氮除磷的效果。根據研究報道，廢水中氮、磷含量偏低，在微生物新陳代謝期間，多糖類代謝中間產物的產量會升高并釋放，污泥將可能發生菌膠團膨脹。為避免上述情況發生，反應過程中需投加氮、磷營養元素。
氧化溝內好氧微生物通過呼吸作用使廢水中的有機物轉化成為二氧化碳和水，將NH4+轉化為亞硝態氮和硝態氮，從而使廢水中的COD和氨氮達標排放。在好氧系統中，溶解氧控制在2~4 mg/L，污泥質量濃度保持在4~8 g/L ，污泥（以MLSS計）COD負荷為0.068~0.135 kg/（kg·d），SVI為130~140 mL/g，生物氮（尿素）投加量為75 mg/L，生物磷（磷酸二銨）投加量為15 mg/L。氧化溝的水力停留時間為36 h，有效容積24 000 m3，池體為鋼筋混凝土結構。采用羅茨鼓風機供氣，功率為90 kW，風量50 m3/min，壓力為0.7 kPa。
3.3 深度處理
深度處理系統采用混凝脫色法，脫色階段采用氧化脫色劑，PAM作為絮凝劑對脫色后的廢水進行絮凝沉淀反應，脫色劑投加量為1.25 g/L，PAM投加量為2 mg/L。三沉池為鋼筋混凝土結構，水力停留時間3.5 h，采用全橋刮吸泥機排泥。
4 主要構筑物的運行效果
4.1 預酸化池
預酸化池近1 a的運行效果見圖2。
從圖2可以看出，預酸化池出水低級揮發性脂肪酸（VFA）濃度在34~67 mmol/L之間，平均酸化度為36%，有利于后續厭氧反應器的運行。
VFA濃度在一定范圍內出現波動，可能是進水負荷和進水堿度的波動導致的。根據研究報道，進水負荷增大，水解速度加快；而進水堿度的變化會影響微生物生長繁殖和VFA在水中的解離度。當進水階段鹽酸投加量適宜使進水呈弱酸性時，VFA濃度較高；加酸量過少使進水呈弱堿性時，VFA濃度會出現下降；當廢水呈中性時，VFA濃度最低。
4.2 IC反應器運行效果
IC反應器于2019年建成，調試階段外購絕干厭氧顆粒污泥35 t，間歇性投加廢水，進水負荷由10%逐步增加至40%、60%、80%，接種約45 d。直至厭氧污泥顆粒結構正常，形態如豌豆，處理出水水質滿足后續處理達標排放所需，即污泥馴化成功。IC反應器的運行效果見圖3。
從圖3可以看出，進水COD在7 500~10 000 mg/L之間，平均進水COD為9 051 mg/L，出水COD在2 100~3 500 mg/L范圍內波動，COD去除率可穩定在60%~70%，平均COD去除率可達到65.36%。
4.3 氧化溝系統運行效果
好氧系統于2006年建成，調試期間，外購同類型造紙廠污水處理站好氧活性污泥干污泥約20 t，直接投放至氧化溝，歷時2個月，污泥馴化成功。氧化溝系統的運行效果見圖4。
從圖4可知，進入氧化溝的COD在1 000~3 000 mg/L之間，平均進水COD為2 058 mg/L，平均COD去除率達到90.9%，平均出水COD為160 mg/L。由于曝氣池規模較大，水力停留時間長，抗沖擊負荷能力較強，進水COD的變化對曝氣池的影響不大。好氧處理后的廢水經過深度處理后，出水COD穩定在60~80 mg/L。
4.4 各單元構筑物運行效果
各單元構筑物的運行效果見表2。
1 a的運行結果表明，采用該套工藝方案和設計運行參數處理化機漿廢水，可獲得較好的處理效果。
化機漿廢水碳源充足但缺乏氮磷，為滿足厭氧和好氧階段微生物的生長需求，需通過投加生物氮和生物磷來確保生物處理階段的處理效果。
因此，未對氨氮和總磷的去除情況進行介紹。根據運行經驗，工業廢水中色度的產生多是因為廢水中含有的有機物或金屬離子等，化機漿廢水中含有大量有機物，因此色度較高。當廢水COD被降解而濃度下降時，色度也隨之減少，因此未檢測色度，而是選擇以COD為檢測指標。
5 處理工藝運行成本分析
該工藝對藥品的消耗如下：鹽酸1.5 t/d，PAM 50 kg/d，PAC 1.2 t/d，生物氮150 kg/d，生物磷30 kg/d，脫色劑4~5 t/d，藥品總費用約9 115元/d。機電設備費用約1 000元/d。廢水處理成本約6.1元/t。
6 結 論
（1）通過數據分析和運行情況統計可知，采用“加酸、預曝氣+預酸化+IC反應器+氧化溝+混凝脫色”的工藝對化機漿廢水進行處理是可行的。
其中，預曝氣池對COD、SS的平均去除率分別為6.82%、11.83%；初沉池對COD、SS的平均去除率分別為4.47%、66.17%；預酸化池對COD、SS的平均去除率分別為6.9%、5.42%；IC反應器對COD、SS的平均去除率分別為65.36%、49.11%；生物選擇池對COD、SS的平均去除率分別25.13%、4.93%；氧化溝對COD、SS的平均去除率分別為90.9%、61.07%；三沉池對COD、SS的平均去除率分別為49.33%、64.98%，最終出水COD約為75 mg/L，出水SS約為23.5 mg/L，達到《制漿造紙工業水污染物排放標準》（GB 3544—2008）的排放標準。
（2）該工程仍存在一些可以技改和優化的地方，比如預酸化池COD去除率偏低的情況。對此，建議對池體的結構和池形進行改良，采用完全混合式水解酸化池；對混合反應的流態流速進行控制，增加沉淀池并回流污泥等。
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