造紙廢水的生物處理技術
摘要：應用生物技術治理環境污染，具有費用低、不產生二次污染的優點。該文介紹了造紙廢水的特點，綜述了生物技術在造紙廢水處理中的應用。
關鍵詞：造紙廢水；廢水處理；生物技術
在世界范圍內，造紙工業廢水是重要的污染源，如日本、美國分別將造紙工業廢水列為六大公害和五大公害之一。目前我國造紙工業廢水排放量及COD排放量均居我國各類工業排放量的首位，對水環境的污染不但是我國造紙工業污染防治的首要問題，也是全國工業廢水進行達標處理的首要問題。
據統計，我國造紙及紙制品工業廢水排放量占全國工業總排放量的18．6% ，排放廢水中COD約占全國工業COD總排放量的44．0%，其中經處理達標排放量占造紙工業廢水總排放量的49．3%。近幾年經多方不懈努力，造紙工業水污染防治已經取得了～定的成績，紙及紙板產量逐年增加，排放廢水中的COD已呈逐年降低趨勢，初步實現了“增產減污”的目標；但目前造紙行業還有約占排放總量50% 的廢水尚未進行達標處理，廢水污染防治任務還相當繁重。
造紙廢水COD濃度高，BOD含量大，其處理方法較一般工業廢水有所不同，目前，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，其中生物法的應用最為廣泛，已成為造紙廢水二級處理的主要方法之一。本文主要介紹應用于造紙廢水處理的各種生物處理技術。
1 造紙廢水的特點
造紙廢水是指化學法制漿產生的蒸煮廢液(又稱黑液、紅液)，洗漿漂白過程中產生的中段水及抄紙工序中產生的白水，它們都對環境有著嚴重的污染。
1．1 蒸煮廢液
蒸煮廢液是制漿蒸煮過程中產生的超高濃度廢液，包括堿法制漿的黑液和酸法制漿的紅液。一般每生產l t硫酸鹽漿就有1 t有機物和400 kg堿類、硫化物溶解于黑液中；生產1 t亞硫酸鹽漿約有900 kg有機物和200 kg氧化物(鈣、鎂等)和硫化物溶于紅液中[1]。
我國目前大部分造紙廠采用堿法制漿，所排放的黑液含有大量木質素和半纖維素等降解產物、色素、戊糖類、殘堿及其他溶出物，幾乎集中了造紙排放污染物的90%；其特征是pH為11～13，BOD為34 500～42 500 mg／L，COD為106 000～157 000 mg／L，固體懸浮物(ss)為23 500～27 800 mg／L 。
1．2 中段水
中段廢水是指經黑液提取后的蒸煮漿料在篩選、洗滌、漂白等過程中排出的廢水，顏色呈深黃色，這部分廢水水量較大，污染量占造紙排放污染總量的8% ～9%，噸漿COD負荷31O kg左右。中段水BOD和COD的比值在0．20到0．35之間。中段水中的有機物主要是木質素、纖維素、有機酸等，以可溶性COD為主。其中，對環境污染最嚴重的是漂白過程中產生的含氯廢水，如氯化漂白廢水、次氯酸鹽漂白廢水等。一般情況下其水質特征是pH為7～9，COD為1 200～3 000 mg／L，BOD為400～1 000 mg／L，SS為500～1 500 mg／L[2]。
1．3 白水
白水即抄紙工段廢水，它來源于造紙車間紙張抄造過程。白水主要含有細小纖維、填料、涂料和溶解了的木材成分，以及添加的膠料、濕強劑、防腐劑等，以不溶性COD為主，易于處理。一般情況下白水的特征是pH為6～8，COD僅為150～500 mg／L，SS為300～700 mg／L。白水水量較大，但其所含的有機污染負荷遠遠低于蒸煮黑液和中段廢水。現在幾乎所有的造紙廠造紙車間都采用了部分或全封閉系統以降低造紙耗水量，節約動力消耗，提高白水回用率，減少白水排放[3]。
2 造紙廢水的生物處理技術
造紙廢水的生物處理技術就是利用微生物的新陳代謝功能，使廢水中呈溶解和膠體狀態的有機污染物被降解并轉化為無害穩定的物質，從而使廢水得以凈化。通過人為地創造適合于微生物生存和繁殖的環境，使之大量繁殖，以提高其氧化分解有機物的效率。根據使用微生物的種類，可分為好氧法、厭氧法、生物酶法和光合細菌法等。
好氧法是利用好氧微生物在有氧條件下降解代謝處理廢水的方法，常用的好氧處理方法有活性污泥法、生物膜法、生物接觸氧化、生物流化床等方法。厭氧法是在無氧的條件下，通過厭氧微生物降解代謝來處理廢水的方法；厭氧法的操作條件要比好氧法苛刻，但具有更好的經濟效益，因此也具有重要的地位；目前開發出的有厭氧塘法、厭氧濾床法、厭氧流動床法、厭氧膨脹床法、厭氧旋轉圓盤法、厭氧池法、升流式厭氧污泥床(UASB)法等。生物酶法處理有機物的機理是先通過酶反應形成游離基，然后游離基發生化學聚合反應生成高分子化合物沉淀；與其他微生物處理相比，酶處理法具有催化效能高、反應條件溫和、對廢水質量及設備情況要求較低，反應速度快，對溫度、濃度和有毒物質適應范圍廣，可以重復使用等優點。光合細菌法處理造紙廢水，具有機污染物去除率高、設備簡單、基建投資少、占地面積小、管理容易、運行費用低等優點，而且菌體污泥是對人畜無毒性、富含維生素的蛋白飼料。
3 生物處理技術在造紙廢水處理中的應用
3．1 好氧生物處理技術
3．1．1 活性污泥法
活性污泥法是應用最為廣泛的廢水生物處理技術，它是利用懸浮生長的微生物絮體吸附、吸收、氧化和降解廢水中的有機污染物，使之轉化為無害的物質，從而使廢水得以凈化的一種好氧生物處理法。活性污泥法主要降低廢水的BOD值，其基本流程如圖1所示[4]。
 |
造紙廢水含有大量有機物，廢水可生化性較好，所以活性污泥法在造紙廢水處理中得到廣泛的應用。陳讓福等用好氧活性污泥法處理造紙廢水得到很好的效果，用鹽酸和石灰作用，產生的二氧化碳來控制pH，對設備腐蝕性小，該法對BOD，COD，SS的去除率分別達到88．5%，77．8% ，85．3%。
3．1．2 序批式活性污泥法(SBR)
序批式活性污泥法是一種間歇運行的廢水處理工藝，它是在一個反應器內按時間順序先后完成普通連續流活性污泥法中多個處理單元所進行的工藝環節。SBR法具有工藝簡單、經濟、處理能力強、耐沖擊負荷、占地面積少、運行方式靈活和不易發生污泥膨脹等優點，是一種投資省、運行費用低、處理效率高的、適合于造紙工業廢水處理的新工藝[5]。方土等利用SBR工藝對造紙廢水進行處理，連續運行結果表明：COD去除率為82．5%，且運行比較穩定，處理效果良好，出水水質達到國家規定的造紙行業廢水排放標準。SBR工藝對pH變化有一定適應能力，且活性污泥沉降性能良好，均以菌膠團為主，不易發生污泥膨脹[6]。
3．1．3 高效生物反應器(HCR)廢水處理技術
高效生物反應器(HCR)是活性污泥法的一種發展，其特點是高效、高濃、高負荷，占地小、污泥少、能耗低，很適合于COD濃度較高的造紙工業廢水的處理。這種反應器的結構主要由一個環形的混凝土塔體、循環泵、射流噴嘴、導流反應管、布氣管等部件組成。HCR的反應效率較常規活性污泥法高，接近到純氧曝氣的水平，其容積負荷可達50～70 kg(COD)／(m3·d)，是常規活性污泥法的l0 ～30． 倍；反應時間為1～2 h，是常規活性污泥法的1／20～1／4；污泥負荷可達5～10 kg(COD)／[kg(懸浮固體)·d]，是常規活性污泥法的2～3倍；從而使HCR系統的反應體積僅為常規活性污泥法的1／50～1／30，大大減少了占地面積。同時，HCR技術還可處理高濃度(COD可達13·000 mg／L)、低生化性(BOD：COD≤3)的廢水。用HCR處理半化學漿廢水，COD去除率均可達70%[7-8]。
3．2 厭氧生物處理技術
3．2．1 上流式厭氧污泥床(UASB)
UASB反應器屬于高效厭氧處理技術，該反應器是由污泥床、污泥層和氣液固三相分離器組合而成的。它可處理SS濃度在40～60 g／L，其中懸浮固體有機物(VSS)占60% ～90% ，顆粒直徑為0．5～4．0／lCl／n的高負荷黑液[9-10]。與其他厭氧反應器相比，UASB具有以下優點：(1)啟動速度快，處理時間短；(2)污泥產率低；(3)COD去除率高。UASB反應器目前已廣泛應用于處理包括制漿黑液在內的許多高負荷廢水[11-12]。荷蘭Paques公司生產的以UASB為核心的Biopoq厭氧裝置，其負荷率為20 kg(COD)／(m3.d)，水力停留時間小于1天，COD去除率為50%～80%，BOD去除率為75%～90%。我國王靜霞等人的實驗室研究結果表明，對化學熱磨機械漿(CTMP)廢水，COD和BOD去除率平均分別為59．0%和87．1% ；對堿性過氧化氫機械漿(APMP)廢水的COD去除率平均可達70．9%，BOD去除率平均可達93．0%[13] 。
3．2．2 厭氧濾池(AF)
厭氧濾池分升流式和降流式2種。目前降流式已取代了升流式，因為降流式避免了懸浮物的堵塞問題和短路問題，它特別適合于處理硫化合物含量高和低BOD／硫化值(小于l0～15：1)的造紙黑液[14]。同時，降流式厭氧濾池下部產生的沼氣有助于把上部產生的H S帶走，保護了對毒性敏感的甲烷細菌。比利時的LankenAF裝置被應用于CTMP廢水的處理，處理效果是：BOD的去除率達85%，COD去除率為70% ，負荷率為l2．7 kg(COD)／(m3·d)。
3．2．3 厭氧流化床(AFB)
厭氧流化床是使附著微生物的填充材料的有效表面積最大，而填充材料所占反應槽的體積最小，保證體系內附著的活性微生物濃度最大的反應器。實驗室和中試研究都表明用AFB處理制漿造紙廢水能達到比其他高效厭氧反應器高得多的負荷率，同時保持相似的處理效果。在法國經過1年中試后，生產型的AFB投入使用，其BOD和COD的去除率分別可達83．3%和72．2% ，負荷率可達35 kg(COD)／(m3·d)。周健等對中溫[(30±2)℃]條件下顆粒活性炭(GAC)載體厭氧流化床反應器處理硫酸鹽草漿廢水進行了研究，完成了微生物的馴化，并在此基礎上對厭氧流化床處理硫酸鹽草漿廢水的性能進行了研究，當進水COD濃度為2 000～5 000 mg／L，水力停留時間(HIlT)為3～9 h時，COD去除率為50．1%～ 70．2% ，容積產氣量1．46～3．00 in ／(in ·d)，有機容積負荷可達43．2 kg(COD)／(in ·d)[15]。
3．3 生物酶處理技術
生物酶處理有機物是先通過酶反應形成游離基，然后游離基發生化學聚合反應生成高分子化合物沉淀。李海英等進行了固定化微生物處理造紙漂白廢水的研究，結果表明：固定化細胞的酶活性及可吸附有機鹵素(AOX)去除率均高于自由菌液，對溫度和pH的適應范圍較寬；在對造紙漂白廢水為期1個月的連續處理試驗表明，在停留時間為2．4 h時，其去除率可穩定在65% ～81%[16]。喬慶霞等進行了選育優勢菌處理含氯漂白廢水的研究，實驗結果表明：優勢菌在漂白中段水相對濃度為50% 、pH為7．0、菌液量為2 mL時，對廢水中有機氯化物和COD的綜合處理效果較好[17]。
3．4 光合細菌處理技術
自然界中光合細菌(PSB)對污水的自然凈化起著重要作用。光合細菌中紅螺菌科(通稱紫色非硫細菌)的一些菌種，其細胞內具有能進行光合作用的載色體，可進行光合磷酸化反應和光氧化還原反應。在好氧黑暗條件下，紅螺菌的這種載色體不起作用，此時它通過三羧酸循環(即TCA循環)來進行有機酸代謝。在厭氧光照時又很快激活載色體，上述循環受阻，迅速轉換代謝途徑，并將有機酸異化與同化的氧化還原反應和光氧化還原反應緊密地銜接起來。這種隨著生長條件的變化而靈活地改變代謝類型的特性，促使PSB不像好氧活性污泥那樣受溶解氧的影響，可利用光能進行高效的基質代謝；又不像厭氧甲烷細菌對氧的存在非常敏感，即使環境中的氧增加，其降解活性不受影響。PSB在厭氧、好氧條件下均可降解有機化合物，PSB法處理草漿廢水已得到實質應用，取得了驚人的效果。
造紙廢水具有濃度高、色度深、水量大、含纖維懸浮物多、BOD和COD含量高等特點，其綜合治理一直是國內外造紙工業和環保界的研究熱點。生物法處理造紙廢水具有效率高、成本低、不產生二次污染等優點，今后隨著造紙工業和生物技術的迅猛發展以及對環境質量要求的提高，生物法是解決我國造紙工業水污染的最終出路，生物處理技術必將在制漿造紙工業廢水處理中得到更廣泛的應用。
參考文獻：
[1] 章進．造紙廢水治理與技術[J]．浙江造紙，1998(4)：15．
[2]杜仰民,造紙工業廢水治理進展與評述[J]工業水處理1997，17(3)：1．
[3] 武書彬．造紙工業水污染控制與治理技術[M]．北京：化學工業出版社，2001：335．
[4] 唐受印，戴友芝，汪大犟，等，廢水處理工程[M]．化學工業出版社，1998．
[5] 武桐，付軍，劉 翔．ABR·SBR法處理草漿造紙中段廢水試驗研究[J]．環境污染治理技術與設備，2004，5(1)：72-76．
[6] 方士，詹伯君，陳國喜，等．SBR工藝處理造紙廢水試驗研究[J]．水處理技術，1999，25(2)：122．
[7] 揚光譽．廣州造紙有限公司的廢水處理[J]．廣東造紙，1998(2)：31．
[8] 李顯康，蔡衛．介紹HCR廢水處理新技術的特點[J]．廣東造紙，1997(4)：24．
[9] 周健，楊平．制漿造紙工業廢水厭氧生物處理的研究及應用現狀[J]．四川輕化工學院學報，1996，9(1)：51．
[1O] 賀延齡．廢水的厭氧生物處理[M]．中國輕工業出版社，1999．
[11] 張建民,造紙黑液厭氧處理的研究[J]水處理技術，1997，23(60)86、
[12] 許曉路，申秀英．生物法在造紙廢水處理中的應用[J]．環境科學進展，1996，4(3)：52—57．
[13] 王靜霞，施英喬，劉光良，等．高得率漿廢水生物凈化處理系統研究[J]．林產化學與工業，1997，17(3)：53．
[14] 賈金平，葉建昌．造紙黑液處理技術的進展[J]．上海環境科學，2000，19(12)：565—567．
[15] 周鍵，楊平．厭氧流化床處理硫酸鹽草漿廢水的研究[J]．水處理技術，1997，23(6)：363．
[16] 李海英，李小明．固定化微生物處理造紙漂白廢水[J]．工業用水與廢水，2001，32(5)：19—22．
[17] 喬慶霞，陳敏，陳中豪．選育優勢菌處理含氯漂白廢水的研究[J]．中國造紙學報，2004，19(1)：53—56．
使用微信“掃一掃”功能添加“谷騰環保網”
