造紙廢水深度處理技術的應用研究進展

李志萍劉千鈞,2林親鐵孫 斌

(1.廣東工業大學環境科學與工程學院,廣東廣州,510006;

2.華南理工大學制漿造紙工程國家重點實驗室,廣東廣州,510640)

造紙廢水深度處理技術的應用研究進展

李志萍1劉千鈞1,2林親鐵1孫 斌1

(1.廣東工業大學環境科學與工程學院,廣東廣州,510006;

2.華南理工大學制漿造紙工程國家重點實驗室,廣東廣州,510640)

造紙工業廢水排放標準的日益嚴格,使造紙廢水的深度處理變得十分必要。目前國內外研究的造紙廢水深度處理方法多種多樣,但只有部分工藝在造紙企業廢水治理中得到應用。本文就深度處理方法(如物理化學法、生物化學法和物理化學-生物化學聯用法)的應用情況進行了綜述。

造紙廢水;深度處理

造紙工業不僅是用水大戶,還是產生工業水污染物的主要產業之一。隨著水資源日益緊缺、水污染物排放總量控制加嚴以及《制漿造紙工業水污染物排放標準》(G B3544—2008)的發布、實施,相對于原有標準,新標準CODCr、BOD5、SS的排放指標降低了約50%～70%。許多造紙企業現有的廢水排放水平與新排放標準相比存在相當大的差距。一般經過二級生化處理的造紙廢水大多數不能達到新標準的排放要求,主要存在CODCr>100 mg/L、色度仍然較高的問題,因此有必要對其進行深度處理以實現達標排放,甚至能夠回用。這對減少廢水的排放、削減企業的排污費、減少水資源的消耗方面具有十分重要的意義。

造紙廢水深度處理就是將二級生化處理出水再進一步用物理、化學或生物法處理,去除造紙廢水在二級處理中沒有除去的溶解性污染物及懸浮物,以達到更加嚴格的排放要求,甚至能夠實現水的回用。

1 廢水深度處理方法研究

1.1 物理化學法

在造紙廢水的深度處理中,物理化學法具有治理快、處理效果好等優點,一般采用的方法包括:高級氧化法、電化學法、絮凝沉淀法、膜分離法、吸附法等。

1.1.1 高級氧化法

高級氧化法是近年來興起的水處理技術,它能將水中的污染物直接氧化成無機物,如CO2和H2O,或轉化為易于生物降解的物質。在高級氧化過程中產生的·OH是一種強氧化劑,它可以氧化大部分有機物和還原性無機物。高級氧化法具有以下特點:氧化性強、反應快速、可降低TOC和DOC、提高生物降解性。該技術主要包括:臭氧(O3)氧化技術、過氧化氫(H2O2)氧化技術、O3/H2O2氧化技術、紫外光(UV)/H2O2氧化技術、O3/H2O2/UV氧化技術、二氧化鈦(TiO2)/UV氧化技術等。

光催化法可以大大降低紙板生產廢水的有機污染物負荷,在COD含量較高的封閉回路里,它的處理效果最好[1]。在優化的實驗條件下,用TiO2溶膠在太陽光下深度處理造紙中段廢水,可有效脫除廢水的顏色,CODCr的去除率高達90%。這個光降解體系除了可在陽光和熒光高壓汞燈下進行廢水的降解外,在陰天也具有一定的降解能力[2-3]。在以活性炭纖維(ACF)為載體的TiO2光降解體系中,廢水CODCr的去除率隨著TiO2/ACF的表面積增大而提高,40 min后CODCr可從215 mg/L降到100 mg/L以下并逐漸達到平衡,但若該體系循環再用時,TiO2/ACF的表面積過大反而會導致造紙廢液CODCr的上升[4]。

傳統臭氧法可用于造紙廢水的一級處理[5],其對有機物起到部分氧化作用,因而COD和TOC的去除率比較低,若將臭氧與催化劑聯合使用,則能保證有機物的完全礦化,尤其是COD和TOC。實驗表明,催化臭氧法適用于造紙廢水的三級處理,在處理過程中COD與TOC呈線性相關,處理效果不受廢水性質的影響[6-7]。

對于廢紙造紙廢水中有機碳的去除,光Fenton法則具有良好的處理效果[8]。將Fenton和光Fenton結合處理造紙漂白廢水是非常有效的,處理過程所采用的光源中,太陽光對TOC的去除效果更好。這一方法中,溫度起著重要作用,少量的O2就可確保反應的進程,而溶解的Fe2+不可超過400 mg/L[9]。Fenton法的處理效果好,但H2O2價格較高。在確保處理效果的前提下,若與其他處理工藝聯用,可以適當地降低成本。在造紙廢水的深度處理方面,填充電極反應器如采取曝氣,不僅可以延緩陽極的腐蝕速度,還可保證水質的穩定性[10]。

1.1.2 電化學法

電化學法是一種適應性強、高效、無二次污染的處理方法,它有各種不同的組合,如電氧化、電沉淀、電凝、電-Fenton。當pH值約為8時,用電化學法處理造紙廢水,COD和色度的去除率均隨著攪拌速度、電流密度、電解液濃度和溫度的增加而增大;電能消耗量隨著電解液濃度和攪拌速度增大而減小[11]。

電凝法在油廢水、染料廢水、城市污水等處理方面均能獲得很好的效果,而用于造紙黑液的處理則鮮有報道。當pH值為7、電解時間50 min、電流密度為14 mA/cm2以及以鋁為電極時,用電凝法處理黑液不但可以獲得較好的效果和重現性,而且可以適度地降低處理成本;除此之外,實驗中所觀察的電凝過程都符合Langmuir和Radke-Prausnitz等溫線[12-13]。

1.1.4 膜分離法

膜分離法是用一種特殊的半透膜將溶質和溶劑分隔開,使一側溶液中的某種溶質透過膜或者溶劑滲透出來,從而達到分離溶劑的目的。膜分為微濾膜、超濾膜、納濾膜、電滲析膜和反滲透膜。膜分離技術有能耗低、占地少、效率高、可靠度高等優點,因而膜分離技術在造紙廢水的深度處理方面具有廣泛的應用前景。

膜化學反應器深度處理造紙廢水,影響COD去除率的主要因素是初始pH值、高級氧化劑濃度、反應時間、反應溫度和曝氣強度,在最佳的實驗條件下,CODCr、色度的去除率達87.1%和95.0%,出水完全滿足回用要求[19]。比較活性炭吸附和超濾三級處理造紙廢水的效果得出:當膜的滲透壓為2.5 kg/cm2時,超濾對廢水COD、BOD和濁度的處理效果比前者更好;在不同pH值下,活性炭的吸附等溫線均符合Freundlich方程式[20]。

為了達到廢水回用的目的,紙機白水經物理化學法處理后,再經過濾和活性炭管吸附,廢水的CODCr可從640 mg/L降到9 mg/L,最終出水水質各項指標都達到回用標準[21]。用煤力發電廠產生的廢物——底灰處理CODCr<100 mg/L的造紙廢水,CODCr的去除率與底灰的顆粒大小成反比[22]。

1.2 生物化學法

生物化學法是指利用微生物的氧化還原作用、脫羧作用、脫氨作用、水解作用等生物化學過程把有機物逐步轉化為無機物,從而使廢水得到凈化。由于其具有費用低、不產生二次污染等優點,在制漿造紙工業及其廢液處理中的應用已引起水處理工作者的關注。

利用特種微生物處理造紙廢水是一個頗具前途的研究方向。1999年,有一則關于白腐菌Ceriporiopsis subver m isporaCZ-3有效降低制漿漂白廢水中污染物濃度的報道,該報道稱:在一定運行條件下,廢水的色度、CODCr、AOX和木素的去除率分別為90%、45%、62%和32%[23]。利用生物填料法(以白腐真菌和芽孢桿菌為填料)深度處理造紙廢水二級處理出水,色度去除率大于99%,CODCr從138.42 mg/L降到33.28 mg/L。黃孢原毛平革菌的脫色效果良好,而對COD的去除率不高,芽孢桿菌則能促進小分子礦化為CO2和H2O,所以選用這兩種菌為填料可以起到互補的作用[24]。3種白腐真菌(Pleurotus sajorcaju,Tram etes versicolor和Phanerochaete chrysosporium)和1種軟腐真菌(Rhizopus oryzae)被證實可用于漂

在廢水的處理過程中,催化和電氧化聯合,能夠起到協同作用,在pH值為3、電流密度為30 mA/ cm2、催化劑用量30 g/L的最佳條件下,CODCr可從1669 mg/L降至70 mg/L[14-15]。

1.1.3 絮凝沉淀法

對于制漿造紙廢水的三級處理,絮凝沉淀法已有廣泛應用[16]。絮凝沉淀法是由絮凝劑形成的聚合產物,通過一系列作用,對水中懸浮、膠狀的大分子質量污染物去除的方法。在最佳運行條件下,用絮凝-電浮選連續處理造紙廢水,廢水的CODCr可從1416 mg/L降至48.9 mg/L[17]。用磁體充當絮凝劑來吸附造紙廢液中會提高COD值的化學物質,然后經超導高梯度磁分離處理,處理后的廢水不但能在紙廠得到回用,其處理成本還比傳統活性污泥法低6～10倍[18]。白硫酸鹽漿廢水的深度處理,分別用這4種真菌治理造紙生化處理出水,廢水的相對吸光率降低程度明顯不同,但COD的降低率沒太大區別,在這4種菌中,只有Pleurotus sajorcaju不會增加廢水的毒性[25]。造紙廢水經厭氧處理后,用固定床反應器(變色栓菌為填料)進行處理,反應器中的錳過氧化酶和漆酶的活性比流化床反應器(香菇為填料)高,在運行的3個月里沒有補加葡萄糖和可溶性糖類,CODCr的去除率為32%[26-27]。

在造紙廢水的凈化中,活性污泥法因能高度去除有機污染物而得到廣泛應用。然而,活性污泥法對外部條件的波動很敏感,常會發生污泥膨脹、布滿泡沫等,這些結果通常會影響出水的水質。針對這些問題,傳統方法是通過投加化學藥劑或安裝選擇器來解決。就投加化學藥劑來說,雖然它的效果不錯,但若試劑加入停止,這些問題又會隨之出現,從而大大增加了處理成本。從動力學的研究得出:對絲狀菌而言,食物與微生物的比率(F/M)是一個至關重要的因素,故可以通過調節F/M來控制污泥膨脹問題,即在廢水處理過程中,令活性污泥微生物生活在食物充足和缺乏之間不斷轉變的環境,從而抑制絲狀菌的過度生長[28]。除此之外,在溫度30℃、MLSS(混合液懸浮固體濃度)為4500 mg/L、VER(體積交換率)為50%、每循環1次的好氧時間為5 h、每天循環2次的條件下,序批式反應器(SBR)也能解決污泥膨脹問題,最后,使SV I(污泥容積指數)達到較低值和水質達到排放標準(CODCr<100 mg/L)。在實驗持續運行4個月里,SBR運行穩定且沒有絲狀菌產生,對處理有機負荷高的造紙廢水有一定的參考價值[29]。有學者通過8年的實驗,發現活性污泥法聯合上流式厭氧污泥床處理造紙廢水的效果比單單使用活性污泥法更好,廢水經厭氧污泥床預處理后,污泥齡不但增加了3～4倍,其活性還得到了改善,避免了污泥易出現的波動性;CODCr能降低至80 mg/L,大大減少了電能和化學試劑的消耗,從而降低了運行成本[30]。

生物膜法靠在填料表面附著的生物黏膜降解廢水中的污染物,從而達到凈化的效果。該方法有硝化效果好、無污泥膨脹、管理簡單、耐沖擊負荷強等優點。在廢紙造紙廢水的深度處理中,采用絮凝-氣浮串聯生物膜法,中段廢水的回用率達到85%以上,出水水質也穩定達標,不過仍存在一些問題,如浮渣量較大、進入接觸氧化池的水可生化性差等[31]。

1.3 物理化學-生物化學聯合法

在廢水的處理方法中,生物化學法的處理成本低,但處理效果不如物理化學法,因此若將兩者聯合則不但可以保證廢水能達標排放,而且也可以適當地降低治理成本。利用電化學和曝氣生物濾池技術聯合深度處理制漿造紙綜合廢水是可行的,采用電化學技術進行預處理不僅可降低廢水的COD和色度,還提高了廢水的可生化性和可絮凝性,然后進一步依靠曝氣生物濾池深度處理技術去除廢水中的有機污染物,提高出水水質。經這個聯合技術處理后出水CODCr< 50 mg/L,色度<30倍,廢水CODCr的去除率達到85%以上,色度去除率達到90%以上,基本趨于穩定。而在一定條件下,用電化學技術深度處理廢水, CODCr、色度的去除率為70%和85%[32-33]。造紙廢水經聯合膜技術,即膜生物反應器-連續微濾-反滲透(MBR-CMF-RO)處理后,出水的CODCr<15 mg/L、濁度<0.1 NTU、色度<15倍和電導率<200μs/cm,廢水的回用率達60%以上。在這個聯合技術中, CMF主要起著確保RO運行穩定的作用[34]。有學者證實,填料序批式反應器-絮凝-過濾聯合處理法對深度處理可生物降解性差的廢水具有較好的潛力,絮凝過程中形成的含鋁污泥脫水后,能去除水中所含的鉛和其他污染物,該處理工藝可去除廢水的毒性,所產生的代謝物無毒性效果[35]。

2 深度處理技術的實際應用

近年來,鑒于相關法規的不斷嚴格、環境壓力的加大和資源短缺等問題,迫使歐洲的一些造紙企業紛紛采取可靠、有效的方法處理造紙廢水,如對廢水進行全封閉循環回用、深度處理后達標排放。位于奧地利的SCA GRAPH I C LAAKIRCHEN AG造紙廠,為了滿足對高白度紙張日益需求的市場,在制漿造紙過程中提高了螯合劑和增白劑的使用量,從而導致了廢水經生化處理后,COD仍然較高的問題。為解決這個問題,該廠對廢水進行了臭氧-生物過濾的深度處理,廢水經臭氧化處理后,出水流經生物濾池,將在前面處理中所產生的難降解物質進一步除去,最后就可以直接排入受納水體,在臭氧單元內COD降低率與每克COD中所溶解的臭氧量有關。在保持生產一定量高白度紙品的前提下,這個深度處理技術使該廠的廢水達到了嚴格的排放標準,采用的自動控制處理過程還顯著地降低了操作成本[36]。通過實驗比較,認為絮凝、氣浮和過濾3種方法相結合是三級處理方法的最佳搭配[37]。

瑞典某造紙廠應用氣浮和絮凝法聯合深度處理技術,出水水質CODCr<100 mg/L[38]。

Lucart是意大利一家以廢紙、舊報紙和廢紙板為原料的制漿造紙企業,產生的廢水預處理后用膜過濾,務求使凈化的廢水可在造紙的生產中得到回用。在適當的濁度、約5 m/s的流速、低壓RO的條件下運行,管狀微濾陶瓷膜能得到穩定的滲透率和低污染指數。廢水先通過微濾膜(MF)除去懸浮固體,再進行RO除去可溶性鹽類,RO出水鹽濃度為15 mg/L、電導率為70μS/cm、CODCr<30 mg/L、T OC約1 mg/L、回用率大于80%。Lucart已經對這個處理方法申請了專利。此外,試驗證實,螺旋狀平行逆流器都不適用于造紙廢水的過濾[39]。

三星重工采用電子束照射來治理造紙工業生化處理的出水,當功率為300 kW時,處理的廢水量達1.5萬m3/d,每處理1 m3廢水需1.03美元。該工藝的處理成本較活性污泥法、反滲透和蒸發方法低。在絮凝劑用量一定時,CODCr和BOD5都可以降到25 mg/L以下,水的回用率可從20%～30%提高到70%～80%[40]。

目前,國內也有深度處理技術在一些造紙企業中得到應用,并取得了較好的處理效果。2004年,無錫榮成紙業有限公司采用混凝法(聚合氯化鋁+聚丙烯酰胺(PAC+PAM))深度處理,每天根據原水水質的變化、曝氣池出水水質的波動對絮凝劑和助凝劑用量作適度調整,廢水CODCr可從120～150 mg/L降到70～90 mg/L,每噸水處理費用為0.277～0.360元,在實際運行中,都保持了良好的狀態[41]。

在增加生產線而保持廢水總排放量不變的前提下,某鈔票紙廠通過在原廢水生化處理設施后增添絮凝-沉淀-過濾一體化設備對造紙廢水進行深度處理。試運行后,廢水中SS和COD的去除效果較好,對可溶性BOD5的去除效果則一般,此出水水質已經可以達到生產車間的用水要求。不過該設備仍存在需解決的結構問題,生化處理效率會隨著回用水中惰性物質和鹽類的積累而下降[42]。

某特種紙公司的造紙廢水采用生化處理-中速過濾器-常規凈化處理-活性炭深度處理-氯氣殺菌消毒進行處理,廢水的CODCr可從500 mg/L降到23.5 mg/L,色度由300倍降至10.2倍。該系統具有出水水質穩定且能得到很好的回用、運行成本低、經濟效益顯著的優點[43]。

2007年,磁整理-梯級反應混凝-生物炭深度處理工藝在山東晨鳴紙業集團投產運行,該項目處理能力為3000 m3/d,對廢水負荷沖擊具有一定的抵抗能力。自投產運行以來,已穩定運行了2個多月。當進水CODCr為250～300 mg/L時,經該工藝處理后,出水CODCr為40～50mg/L、色度≤10倍,SS≤10mg/L,還可回用于制漿造紙過程[44]。

江蘇射陽雙燈造紙廠依據建造的人工濕地和豐富的灘涂資源對廠內生化出水進行深度處理,出水達到排放標準[45]。漳州市天寶造紙廠利用小型水葫蘆-水草人工濕地處理廢紙制漿造紙廢水[46],在一定條件下,BOD5、CODCr、SS的去除率分別為98%、93%和89%。寶雞隴縣東南造紙廠采用生物塘-人工濕地處理技術,實踐證明,生物塘CODCr去除率可達90%以上,人工濕地CODCr的去除率達45%[47]。河南省新密市新鑫紙業有限公司應用接觸氧化-人工濕地處理造紙廢水,進水pH值為6.95～8.00,CODCr、BOD5和SS的去除率達95.7%、97.0%和92.8%,出水水質可回用于生產或用于灌溉[48]。

3 存在的問題與發展前景

在造紙廢水的深度處理中,各種處理方法都存在著不足。物理化學法中的絮凝法需要投加大量的試劑;膜分離技術容易出現膜污染和濃差極化問題;吸附劑的應用需要考慮它的吸附容量和再生;電化學法消耗的電能較大。生化法應用時需要考慮的主要問題有:生物填料法中菌種的篩選、培養和環境適應性;活性污泥法的污泥膨脹、生物活性和污泥量等。

目前,單一地使用一類技術徹底去除造紙廢水中的污染物成本還比較高,與產業化應用還有一定距離。因此在選擇處理工藝時,應充分考慮各種方法的優缺點,采用各種工藝聯合處理,這樣既能有效地提高處理效率,又能降低處理成本,因此幾種處理工藝聯合應用將有非常廣闊的發展前景。

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Abstract:W ith increasingly strict discharge standard ofwastewater in paper industries is adopted,it's necessary to execute advanced treatment to effluents from papermill.Atpresent,there aremany kinds of advanced treatmentprocesses that have been studied both at home and abroad.However,onlypartsof them have been used in paper enterprises.In thispaper,the application of advanced treatments is discussed, such as physical-chemical process,biochemical process and physical-chemical combined with biochemical process.

Keywords:papermill effluent;advanced treatment

(責任編輯:梁 川)

The Application Study Progress of Advanced Treat ment Technology of PapermakingWastewater

L I Zhi-ping1,＊L IU Qian-jun1,2L IN Qin-tie1SUN Bin1

(1.Faculty of Environm ental Science and Engineering,Guangdong University of Technology,Guangzhou, Guangdong Province,510006;2.State Key Lab of Pulp and Paper Engineering,South China University of Technology,Guangzhou,Guangdong Province,510640)
(＊E-mail:lipingzhil.sky@163.com)

X793

A

1000-6842(2010)01-0102-06

2009-10-26(修改稿)

本課題為中國博士后科學基金(20060390201),制漿造紙工程國家重點實驗室開放基金(200701),廣東工業大學博士啟動基金(053010),

國家“十一五”水體污染控制與治理科技重大專項東江項目(2009ZX07211-005-03),廣東省產學研項目(2009B090300342)資助課題。

李志萍,女,1984年生;碩士研究生;目前主要從事造紙廢水深度處理的研究工作。

E-mail:lipingzhil.sky@163.com