陳學(xué)春 呂 斌 曹紅濤
(DHV(北京)環(huán)境工程有限公司,北京,100028)
卡魯塞爾氧化溝工藝在蔗渣制漿造紙廢水處理中的應(yīng)用
陳學(xué)春 呂 斌 曹紅濤
(DHV(北京)環(huán)境工程有限公司,北京,100028)
通過(guò)蔗渣制漿造紙廢水生化處理的項(xiàng)目實(shí)例,闡述了卡魯塞爾氧化溝工藝在設(shè)計(jì)和運(yùn)行上的特點(diǎn),特別是對(duì)蔗渣制漿造紙廢水好氧生化處理中如何防止污泥膨脹提出了一種新的解決方案。
蔗渣;制漿造紙;廢水處理;卡魯塞爾;污泥膨脹
近年來(lái),我國(guó)利用蔗渣制漿造紙得到了迅速發(fā)展,尤其在廣西地區(qū),由于甘蔗制糖業(yè)歷來(lái)是該地區(qū)的一項(xiàng)支柱產(chǎn)業(yè),在蔗渣制漿造紙方面有著得天獨(dú)厚的原料優(yōu)勢(shì)。經(jīng)過(guò)近幾年的發(fā)展,廣西在利用蔗渣制漿造紙并實(shí)現(xiàn)糖紙結(jié)合方面已有長(zhǎng)足的進(jìn)步,據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)蔗渣漿年產(chǎn)量達(dá)90萬(wàn)t以上。根據(jù)廣西食品工業(yè)調(diào)整和振興規(guī)劃,2015年全區(qū)蔗渣制漿、造紙能力將超過(guò)150萬(wàn)t/a,綜合利用率達(dá)到50%以上。
但是,在蔗渣制漿造紙的過(guò)程中也不可避免地產(chǎn)生了一些環(huán)保問(wèn)題,如黑液和中段廢水等的排放。早在21世紀(jì)初,何艷明等[1]就進(jìn)行了蔗渣堿法制漿黑液資源化治理的工業(yè)試驗(yàn)[2],并取得了顯著成果;國(guó)內(nèi)多家糖廠 (如廣西貴糖公司等)在蔗渣漿黑液提取和堿回收方面都已積累了不少成功經(jīng)驗(yàn)。因此在蔗渣制漿過(guò)程中的各種生產(chǎn)工藝及物料回收和資源化問(wèn)題已基本得到解決。然而隨著制漿造紙工藝的日趨先進(jìn)完善,生產(chǎn)過(guò)程中水的循環(huán)再利用率不斷提高,耗水量越來(lái)越少,使得廢水中的污染物濃度不斷增加,提高了廢水處理的難度。在蔗渣漿廢水處理方面,之前也進(jìn)行了不少工作。宋海農(nóng)等[3]對(duì)亞銨制漿廢水的可生物處理性進(jìn)行了研究,并證明在廢水生物處理段,通過(guò)調(diào)整進(jìn)水量、進(jìn)水負(fù)荷和停留時(shí)間等參數(shù)進(jìn)行工藝優(yōu)化,可使該廢水CODCr由3000 mg/L以上降到300 mg/L以下。黃鐘等[4]通過(guò)小試試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)采用厭氧-好氧結(jié)合的生化處理工藝,蔗渣濕法堆垛備料的洗滌廢水CODCr和BOD5去除率可達(dá)到95%以上。
卡魯塞爾氧化溝工藝作為一種成熟的二級(jí)生物處理技術(shù),以其優(yōu)良的出水水質(zhì)、穩(wěn)定可靠的運(yùn)行性能、良好的性價(jià)比以及維護(hù)簡(jiǎn)單方便等特點(diǎn)在制漿造紙廢水處理領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用,為多數(shù)使用者認(rèn)可和接受[5-7]。目前,在蔗渣制漿造紙廢水處理中也已越來(lái)越多地采用卡魯塞爾氧化溝工藝作為好氧處理系統(tǒng)的生物處理工藝。本文以一個(gè)項(xiàng)目為例來(lái)詳細(xì)闡述卡魯塞爾氧化溝工藝對(duì)蔗渣制漿造紙廢水處理的設(shè)計(jì)和運(yùn)行特點(diǎn)。
廣西某糖業(yè)集團(tuán)以蔗渣為原料,采用燒堿法制漿。蔗渣貯存采用濕法散堆,經(jīng)水洗、脫水后送蒸煮,所得粗漿經(jīng)洗滌、篩選、凈化、濃縮,并經(jīng)漂白后送抄紙工段。由制漿車間送來(lái)的漂白蔗渣漿經(jīng)打漿配漿后,通過(guò)漿料流送系統(tǒng)進(jìn)行沖漿、凈化、篩選,然后送紙機(jī)抄造。
蔗渣制漿造紙廢水主要分為兩部分:
(1)在濕法堆垛過(guò)程中對(duì)蔗渣噴淋洗滌而產(chǎn)生的噴淋洗滌廢水。其中含有大量糖分,屬高濃度有機(jī)廢水,CODCr為8000~10000 mg/L,BOD5為4000~6000 mg/L;
(2)制漿中段廢水及造紙白水。這兩種廢水一般可直接進(jìn)入好氧處理系統(tǒng)。混合后的進(jìn)水CODCr為1000~1500 mg/L,BOD5為400~500 mg/L。
本項(xiàng)目廢水處理站也相應(yīng)地由兩部分組成,厭氧處理系統(tǒng)主要處理高濃度的蔗渣噴淋洗滌水及備料工段產(chǎn)生的洗滌廢水,出水進(jìn)入后端好氧處理系統(tǒng);好氧處理系統(tǒng)則處理制漿中段廢水 (包括蒸發(fā)冷凝液、漂白廢水等)和少量的生活污水以及經(jīng)厭氧預(yù)處理后的出水。
好氧生物處理系統(tǒng)主要設(shè)計(jì)進(jìn)水水質(zhì)情況見(jiàn)表1。
表1 好氧生物處理系統(tǒng)主要設(shè)計(jì)進(jìn)水水質(zhì)
針對(duì)本項(xiàng)目水質(zhì)特點(diǎn),結(jié)合卡魯塞爾氧化溝系統(tǒng)特性并參照類似工程的經(jīng)驗(yàn),進(jìn)行好氧處理系統(tǒng)的工藝流程設(shè)計(jì)。具體流程見(jiàn)圖1。
圖1 堿法蔗渣漿廢水好氧生物處理系統(tǒng)工藝流程
作為好氧生化處理的核心,卡魯塞爾氧化溝的主要設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表2,卡魯塞爾氧化溝平面布置見(jiàn)圖2。
表2 卡魯塞爾氧化溝主要設(shè)計(jì)參數(shù)
圖2 卡魯塞爾氧化溝平面布置圖
設(shè)備安裝及聯(lián)動(dòng)測(cè)試結(jié)束后開(kāi)始進(jìn)行工藝調(diào)試。設(shè)備啟動(dòng)時(shí)投放市政污水處理廠活性污泥作為菌種。1周后進(jìn)行微生物鏡檢,污泥內(nèi)已出現(xiàn)大量的菌膠團(tuán)和諸如鐘蟲(chóng)、纖毛蟲(chóng)等原生動(dòng)物;同時(shí),污泥泥相較好。但是之后一段時(shí)間,進(jìn)水的pH值波動(dòng)范圍很大(7~12),并且廢水站的酸堿投加裝置沒(méi)有投入使用,同時(shí),預(yù)處理纖維回收單元規(guī)模不夠,初沉池內(nèi)大量纖維類污泥堆積,造成大量纖維類懸浮物進(jìn)入氧化溝,氧化溝內(nèi)的微生物出現(xiàn)解體以及大量死泥現(xiàn)象。
針對(duì)這種情況,一方面加強(qiáng)對(duì)中段廢水出水pH值的控制,以及對(duì)纖維回收單元的擴(kuò)建及改造;同時(shí),嚴(yán)格控制工藝條件,半個(gè)月之后,氧化溝內(nèi)的污泥逐漸恢復(fù)正常,MLSS達(dá)到4000 mg/L左右,微生物狀態(tài)良好,出水良好。
綜合3個(gè)月的運(yùn)行數(shù)據(jù),在滿足表1所示進(jìn)水負(fù)荷情況下,實(shí)際二沉池出水指標(biāo)及卡魯塞爾氧化溝系統(tǒng)去除率范圍如表3所示。
表3 實(shí)際二沉池出水污染物含量及去除率范圍
針對(duì)調(diào)試運(yùn)行中的事故狀況及所采取的相應(yīng)措施和最終出水結(jié)果,總結(jié)出一些運(yùn)行控制的準(zhǔn)則。
(1)強(qiáng)化公司內(nèi)各分廠、工段之間的溝通和協(xié)調(diào)。當(dāng)生產(chǎn)、動(dòng)力等工段出現(xiàn)異常 (如堿液、白泥的跑漏)、或要以批量方式排放廢水而給廢水處理站帶來(lái)沖擊負(fù)荷 (如沖洗有關(guān)生產(chǎn)罐、槽)、或投加某些特殊藥劑時(shí),應(yīng)提前告知廢水處理站,以便主動(dòng)采取相應(yīng)措施,防止沖擊負(fù)荷直接進(jìn)入而造成較大甚至不可挽回的影響。因微生物一旦出現(xiàn)受抑制或中毒等問(wèn)題時(shí),其恢復(fù)過(guò)程往往是較為緩慢的。
(2)進(jìn)水pH值控制。預(yù)處理均衡池中廢水pH值應(yīng)控制在6~9之間,盡可能不要低于5或高于10。如進(jìn)水pH值低于5或高于10時(shí),應(yīng)通過(guò)進(jìn)水井閥門切換,將廢水超越至事故池。事故池應(yīng)保持??諣顟B(tài),進(jìn)入其中的事故廢水通過(guò)轉(zhuǎn)送泵以較小流量(一般為正常進(jìn)水流量的10%左右)送至均衡池。一旦進(jìn)水急劇惡化,可考慮暫停進(jìn)水提升泵,利用均衡池調(diào)蓄緩沖能力盡快調(diào)節(jié)pH值,待正常后再啟動(dòng)提升泵。
(3)關(guān)注預(yù)處理工段纖維回收單元的回收能力。尤其是制漿工藝以及污水廠運(yùn)行啟動(dòng)初期,避免紙漿纖維回收不完全,大量纖維進(jìn)入到初沉池以及曝氣工段,影響工藝及設(shè)備的運(yùn)行。
(4)在進(jìn)水負(fù)荷比設(shè)計(jì)值低的情況下,可將卡魯塞爾氧化溝中MLSS水平適當(dāng)降低,污泥負(fù)荷不宜低于 0.04 kg BOD5/(kg MLSS·d)或 0.1 kg CODCr/(kg MLSS·d),較為適合的負(fù)荷范圍為0.08~0.16 kg BOD5/(kg MLSS·d)或 0.2~0.4 kg CODCr/(kg MLSS·d)。當(dāng)進(jìn)水難降解物質(zhì)較多時(shí) (表現(xiàn)為進(jìn)水BOD5/CODCr比較低,或出水CODCr較高,原因包括生產(chǎn)工段出現(xiàn)事故、或車間進(jìn)行檢修、清洗等),負(fù)荷可控制得低些。反之,則負(fù)荷可相應(yīng)提高。
(5)在確定適當(dāng)負(fù)荷的基礎(chǔ)上,可確定卡魯塞爾氧化溝系統(tǒng)剩余污泥排放量,根據(jù)剩余污泥量確定是否需要排泥,排泥最好以小流量在一定范圍內(nèi)連續(xù)進(jìn)行,其間注意監(jiān)測(cè)氧化溝中MLSS的水平,并進(jìn)一步確定污泥齡的范圍是否在設(shè)計(jì)值左右 (設(shè)計(jì)值為9天)。
(6)控制氧化溝中表曝機(jī)的運(yùn)行狀態(tài),使整個(gè)氧化溝中平均DO(溶解氧)水平在1.5~2.5 mg/L。
(7)回流污泥的控制,一般情況下可取回流比100%~120%。但如果活性污泥在氧化溝與二沉池之間的分配明顯不平衡時(shí),可對(duì)其適當(dāng)進(jìn)行調(diào)整。運(yùn)行過(guò)程中曾發(fā)現(xiàn)氧化溝MLSS僅為1 g/L,而二沉池污泥井MLSS濃度高達(dá)8 g/L的情況,說(shuō)明整個(gè)系統(tǒng)的活性污泥大多分布在二沉池中,而氧化溝活性污泥量則較少;將污泥回流比調(diào)至200%,經(jīng)一個(gè)晚上運(yùn)行后,氧化溝中MLSS上升為2 g/L,而回流污泥濃度則有所下降 (SV30顯著降低)。
(8)營(yíng)養(yǎng)鹽的補(bǔ)充投加。按照BOD5(初沉池出水)∶N∶P=100∶5∶1計(jì)算所需投加的 N、P 量,并以二沉池出水 N 2~4 mg/L、P 0.5~1.5 mg/L進(jìn)行校核。
(9)注意監(jiān)測(cè)水質(zhì)。當(dāng)某些指標(biāo)出現(xiàn)較大變動(dòng)時(shí) (如出水CODCr增加較多、或MLSS水平較快降低時(shí)),應(yīng)適當(dāng)增加取樣檢測(cè)頻率,更重要的是盡快分析原因,采取相應(yīng)措施 (分析檢測(cè)僅僅是手段,而不是目的。其最大作用在于為操作者提供數(shù)據(jù)以進(jìn)行分析和判斷并采取正確的調(diào)整/修正措施)。
本項(xiàng)目的運(yùn)行實(shí)踐表明,卡魯塞爾氧化溝系統(tǒng)對(duì)堿法蔗渣漿廢水具有良好的處理能力。正常運(yùn)行時(shí),CODCr的去除率可以穩(wěn)定達(dá)到80%。
由于卡魯塞爾氧化溝系統(tǒng)的進(jìn)口區(qū)具有完全混合的水力流態(tài),而且與進(jìn)水相比,溝中渠道的循環(huán)流動(dòng)的斷面流量非常大 (為進(jìn)水流量的30~50倍),這樣進(jìn)水在很短時(shí)間內(nèi)就可以與池內(nèi)的大量的水完全混合,得到稀釋,因而系統(tǒng)具有很強(qiáng)的抗沖擊負(fù)荷能力,保證了系統(tǒng)運(yùn)行處理的穩(wěn)定性和可靠性。即便在進(jìn)水負(fù)荷波動(dòng)的情況下,它仍可保證穩(wěn)定的出水水質(zhì)。這一點(diǎn)在其他采用卡魯塞爾工藝的制漿造紙廢水處理系統(tǒng)中也得到了驗(yàn)證[5-7]。
在采用濕法堆垛備料的蔗渣制漿造紙項(xiàng)目中,進(jìn)入好氧生化系統(tǒng)的廢水中仍含有大量揮發(fā)性有機(jī)酸、醇類和硫化物等易生物降解的物質(zhì)。這些物質(zhì)會(huì)引起好氧處理系統(tǒng)中絲狀微生物的過(guò)度繁殖,造成污泥結(jié)構(gòu)的變化,導(dǎo)致污泥膨脹現(xiàn)象。污泥膨脹不僅會(huì)引起出水中的SS急劇升高,水質(zhì)惡化,而且造成處理系統(tǒng)中生物質(zhì) (MLSS)的流失,使系統(tǒng)性能逐步降低。
通過(guò)觀察和試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)在卡魯塞爾氧化溝前采用經(jīng)適當(dāng)設(shè)計(jì)的預(yù)曝氣單元,能夠有效地防止這種絲狀菌過(guò)度生長(zhǎng)而引起的污泥膨脹,同時(shí)完全去除硫化物。這就是防止污泥膨脹反應(yīng)器 (AB段)的應(yīng)用基礎(chǔ)。其機(jī)理在于:在AB段中,存在著大量高活性的游離微生物,它們可大量吸收廢水中容易降解的COD,將其分解并利用,同時(shí)維持自身的快速生長(zhǎng)。而在這種特定條件和環(huán)境下,由于大量易降解基質(zhì)被快速消耗,使得依靠這些基質(zhì)得以生存的、生長(zhǎng)緩慢的絲狀菌難以存活,其生長(zhǎng)受到很大抑制。絲狀菌在后續(xù)的活性污泥反應(yīng)器 (卡魯塞爾氧化溝)中缺乏必要的食料,數(shù)量無(wú)法占主導(dǎo)優(yōu)勢(shì),因而從根本上消除了污泥膨脹的原因。此外,水中的硫化物通過(guò)氧化作用也得到了有效去除。
水力設(shè)計(jì)是卡魯塞爾氧化溝系統(tǒng)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。水力設(shè)計(jì)的好壞,與系統(tǒng)中的混合流態(tài)、進(jìn)水稀釋效果、處理性能和是否出現(xiàn)沉泥等問(wèn)題有很大影響。需要依靠大量的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的積累和對(duì)于水力形態(tài)的深入研究,才能形成一個(gè)完善的水力系統(tǒng)??斎麪栄趸瘻系牟贾眯问?(如長(zhǎng)度、渠道寬度、水深、導(dǎo)流墻的設(shè)置位置和形狀等)以及這種布置與表曝機(jī)性能 (輸入系統(tǒng)中的能量、倒傘葉輪的直徑、形狀、轉(zhuǎn)速、浸沒(méi)深度等)的結(jié)合直接決定了系統(tǒng)的水力特性。
卡魯塞爾氧化溝溝道斷面的平均流速正常情況下不得低于0.3 m/s。主要原因是:
·其斷面流量需維持一個(gè)較高的水平 (一般為進(jìn)水流量的30~50倍),以保證完全混合的流態(tài)以及進(jìn)水與溝道中循環(huán)流的充分混合及稀釋 (因而其具有很高的抗沖擊負(fù)荷能力);
·較高的水流速度保證了污水在從進(jìn)入到流出氧化溝期間與系統(tǒng)中水量的充分混合 (其水力停留時(shí)間一般為水流在氧化溝中循環(huán)1周所用時(shí)間的數(shù)十倍,也就是說(shuō),污水從進(jìn)入到流出要在溝中往復(fù)循環(huán)數(shù)十周),從而在溝中形成完全混合的流態(tài),并獲得很好的污染物去除效果;
·系統(tǒng)中要具有一定的湍動(dòng)流態(tài)以維持正常的混合效果;
·較高的水流速度以防止氧化溝中出現(xiàn)沉泥等現(xiàn)象。
圖3 卡魯塞爾氧化溝水力模型軟件
隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和計(jì)算能力的不斷提高,以及模擬軟件和算法的進(jìn)步,目前已可以通過(guò)CFD(Computational Fluid Dynamics,計(jì)算流體動(dòng)力學(xué))技術(shù)對(duì)各種流體動(dòng)力學(xué)過(guò)程進(jìn)行三維空間的模擬 (見(jiàn)圖3)。并已可對(duì)卡魯塞爾氧化溝中的流態(tài)和狀況進(jìn)行水力學(xué)校核。通過(guò)這種校核可以實(shí)現(xiàn):
·在設(shè)計(jì)及工程的前期階段,對(duì)卡魯塞爾氧化溝系統(tǒng)的溝形設(shè)計(jì)及表曝機(jī)的設(shè)置/配置進(jìn)行設(shè)計(jì)指導(dǎo)和優(yōu)化,從而使溝形參數(shù) (長(zhǎng)、寬、深、溝道數(shù)、導(dǎo)流墻等)與設(shè)備 (表曝機(jī)、推進(jìn)器、攪拌器等)性能實(shí)現(xiàn)最優(yōu)組合;
·對(duì)于一定的溝形和設(shè)備配置,模擬各種不同組合的設(shè)備運(yùn)行情況下溝中的水力流態(tài) (斷面平均流速、混合條件等),從而進(jìn)行水力校核,確定各種情況下系統(tǒng)的水力特性。
這對(duì)卡魯塞爾工藝的設(shè)計(jì)理論及設(shè)計(jì)內(nèi)容的深化都起到了積極的推動(dòng)作用。
對(duì)于含有大量易生物降解的COD成分和容易引起污泥膨脹的蔗渣制漿造紙廢水的處理,采用帶有AB段的卡魯塞爾氧化溝系統(tǒng)是一種非常好的方式。一方面,AB段的采用可有效防止污泥膨脹現(xiàn)象,并為處理工藝帶來(lái)諸多益處 (如總?cè)莘e和剩余污泥產(chǎn)量的減少);另一方面,卡魯塞爾工藝的很多優(yōu)點(diǎn)都得以保留 (優(yōu)良的處理性能和高質(zhì)量的出水,運(yùn)行穩(wěn)定性,對(duì)于波動(dòng)和沖擊負(fù)荷的承受力等),并通過(guò)AB段的采用而得以加強(qiáng)。兩者的優(yōu)點(diǎn)在該工藝中相得益彰,充分保證了良好的處理效果。
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Application of Carrousel Oxidation Ditch in Bagasse Pulping&Papermaking Wastewater Treatment
CHEN Xue-chun*LV Bin CAO Hong-tao
(DHV Beijing Environmental Engineering Co.,Ltd.,Beijing,100028)
(*E-mail:cherry.chen@dhv.com)
Due to more and more enterprises produce pulp and paper with bagasse as material,higher requirement to wastewater treatment of bagasse pulping and papermaking is put forward accordingly.Carrousel oxidation ditch process has been commonly applied in this field,and has been getting popular gradually in recent years.Via the project example of bio-treatment of bagasse pulping wastewater,the characteristics of Carrousel process are expatiated in terms of its design and operation.Especially a new solution is presented for preventing sludge bulking in aeration bio-treatment system of bagasse pulping wastewater.
bagasse;pulping&papermaking;wastewater;carrousel;sludge bulking
X793
B
0254-508X(2011)08-0047-05
陳學(xué)春女士,總工程師;主要從事市政污水、工業(yè)廢水等領(lǐng)域的項(xiàng)目設(shè)計(jì)工作。
2011-05-04(修改稿)
(責(zé)任編輯:常 青)