造紙廢水的生物處理技術(shù)

摘要：應(yīng)用生物技術(shù)治理環(huán)境污染，具有費(fèi)用低、不產(chǎn)生二次污染的優(yōu)點(diǎn)。該文介紹了造紙廢水的特點(diǎn)，綜述了生物技術(shù)在造紙廢水處理中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：造紙廢水；廢水處理；生物技術(shù)

在世界范圍內(nèi)，造紙工業(yè)廢水是重要的污染源，如日本、美國(guó)分別將造紙工業(yè)廢水列為六大公害和五大公害之一。目前我國(guó)造紙工業(yè)廢水排放量及COD排放量均居我國(guó)各類(lèi)工業(yè)排放量的首位，對(duì)水環(huán)境的污染不但是我國(guó)造紙工業(yè)污染防治的首要問(wèn)題，也是全國(guó)工業(yè)廢水進(jìn)行達(dá)標(biāo)處理的首要問(wèn)題。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)造紙及紙制品工業(yè)廢水排放量占全國(guó)工業(yè)總排放量的18．6% ，排放廢水中COD約占全國(guó)工業(yè)COD總排放量的44．0%，其中經(jīng)處理達(dá)標(biāo)排放量占造紙工業(yè)廢水總排放量的49．3%。近幾年經(jīng)多方不懈努力，造紙工業(yè)水污染防治已經(jīng)取得了～定的成績(jī)，紙及紙板產(chǎn)量逐年增加，排放廢水中的COD已呈逐年降低趨勢(shì)，初步實(shí)現(xiàn)了“增產(chǎn)減污”的目標(biāo)；但目前造紙行業(yè)還有約占排放總量50% 的廢水尚未進(jìn)行達(dá)標(biāo)處理，廢水污染防治任務(wù)還相當(dāng)繁重。

造紙廢水COD濃度高，BOD含量大，其處理方法較一般工業(yè)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(xué)法、生物法和物理化學(xué)法，其中生物法的應(yīng)用最為廣泛，已成為造紙廢水二級(jí)處理的主要方法之一。本文主要介紹應(yīng)用于造紙廢水處理的各種生物處理技術(shù)。

1 造紙廢水的特點(diǎn)

造紙廢水是指化學(xué)法制漿產(chǎn)生的蒸煮廢液(又稱(chēng)黑液、紅液)，洗漿漂白過(guò)程中產(chǎn)生的中段水及抄紙工序中產(chǎn)生的白水，它們都對(duì)環(huán)境有著嚴(yán)重的污染。

1．1 蒸煮廢液

蒸煮廢液是制漿蒸煮過(guò)程中產(chǎn)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(chǎn)l t硫酸鹽漿就有1 t有機(jī)物和400 kg堿類(lèi)、硫化物溶解于黑液中；生產(chǎn)1 t亞硫酸鹽漿約有900 kg有機(jī)物和200 kg氧化物(鈣、鎂等)和硫化物溶于紅液中[1]。

我國(guó)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(zhì)素和半纖維素等降解產(chǎn)物、色素、戊糖類(lèi)、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(jīng)黑液提取后的蒸煮漿料在篩選、洗滌、漂白等過(guò)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(fù)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(jī)物主要是木質(zhì)素、纖維素、有機(jī)酸等，以可溶性COD為主。其中，對(duì)環(huán)境污染最嚴(yán)重的是漂白過(guò)程中產(chǎn)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(zhì)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(lái)源于造紙車(chē)間紙張抄造過(guò)程。白水主要含有細(xì)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(qiáng)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(jī)污染負(fù)荷遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于蒸煮黑液和中段廢水�，F(xiàn)在幾乎所有的造紙廠造紙車(chē)間都采用了部分或全封閉系統(tǒng)以降低造紙耗水量，節(jié)約動(dòng)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(shù)

造紙廢水的生物處理技術(shù)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(tài)的有機(jī)污染物被降解并轉(zhuǎn)化為無(wú)害穩(wěn)定的物質(zhì)，從而使廢水得以?xún)艋�。通過(guò)人為地創(chuàng)造適合于微生物生存和繁殖的環(huán)境，使之大量繁殖，以提高其氧化分解有機(jī)物的效率。根據(jù)使用微生物的種類(lèi)，可分為好氧法、厭氧法、生物酶法和光合細(xì)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(wú)氧的條件下，通過(guò)厭氧微生物降解代謝來(lái)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(jīng)濟(jì)效益，因此也具有重要的地位；目前開(kāi)發(fā)出的有厭氧塘法、厭氧濾床法、厭氧流動(dòng)床法、厭氧膨脹床法、厭氧旋轉(zhuǎn)圓盤(pán)法、厭氧池法、升流式厭氧污泥床(UASB)法等。生物酶法處理有機(jī)物的機(jī)理是先通過(guò)酶反應(yīng)形成游離基，然后游離基發(fā)生化學(xué)聚合反應(yīng)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(yīng)條件溫和、對(duì)廢水質(zhì)量及設(shè)備情況要求較低，反應(yīng)速度快，對(duì)溫度、濃度和有毒物質(zhì)適應(yīng)范圍廣，可以重復(fù)使用等優(yōu)點(diǎn)。光合細(xì)菌法處理造紙廢水，具有機(jī)污染物去除率高、設(shè)備簡(jiǎn)單、基建投資少、占地面積小、管理容易、運(yùn)行費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)，而且菌體污泥是對(duì)人畜無(wú)毒性、富含維生素的蛋白飼料。

3 生物處理技術(shù)在造紙廢水處理中的應(yīng)用

3．1 好氧生物處理技術(shù)

3．1．1 活性污泥法

活性污泥法是應(yīng)用最為廣泛的廢水生物處理技術(shù)，它是利用懸浮生長(zhǎng)的微生物絮體吸附、吸收、氧化和降解廢水中的有機(jī)污染物，使之轉(zhuǎn)化為無(wú)害的物質(zhì)，從而使廢水得以?xún)艋�的一種好氧生物處理法�；钚晕勰喾ㄖ饕�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(jī)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(yīng)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(chǎn)生的二氧化碳來(lái)控制pH，對(duì)設(shè)備腐蝕性小，該法對(duì)BOD，COD，SS的去除率分別達(dá)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(yùn)行的廢水處理工藝，它是在一個(gè)反應(yīng)器內(nèi)按時(shí)間順序先后完成普通連續(xù)流活性污泥法中多個(gè)處理單元所進(jìn)行的工藝環(huán)節(jié)。SBR法具有工藝簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、處理能力強(qiáng)、耐沖擊負(fù)荷、占地面積少、運(yùn)行方式靈活和不易發(fā)生污泥膨脹等優(yōu)點(diǎn)，是一種投資省、運(yùn)行費(fèi)用低、處理效率高的、適合于造紙工業(yè)廢水處理的新工藝[5]。方土等利用SBR工藝對(duì)造紙廢水進(jìn)行處理，連續(xù)運(yùn)行結(jié)果表明：COD去除率為82．5%，且運(yùn)行比較穩(wěn)定，處理效果良好，出水水質(zhì)達(dá)到國(guó)家規(guī)定的造紙行業(yè)廢水排放標(biāo)準(zhǔn)。SBR工藝對(duì)pH變化有一定適應(yīng)能力，且活性污泥沉降性能良好，均以菌膠團(tuán)為主，不易發(fā)生污泥膨脹[6]。

3．1．3 高效生物反應(yīng)器(HCR)廢水處理技術(shù)

高效生物反應(yīng)器(HCR)是活性污泥法的一種發(fā)展，其特點(diǎn)是高效、高濃、高負(fù)荷，占地小、污泥少、能耗低，很適合于COD濃度較高的造紙工業(yè)廢水的處理。這種反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)主要由一個(gè)環(huán)形的混凝土塔體、循環(huán)泵、射流噴嘴、導(dǎo)流反應(yīng)管、布?xì)?span id="w0gkq28" class=keyword>管等部件組成。HCR的反應(yīng)效率較常規(guī)活性污泥法高，接近到純氧曝氣的水平，其容積負(fù)荷可達(dá)50～70 kg(COD)／(m3·d)，是常規(guī)活性污泥法的l0 ～30． 倍；反應(yīng)時(shí)間為1～2 h，是常規(guī)活性污泥法的1／20～1／4；污泥負(fù)荷可達(dá)5～10 kg(COD)／[kg(懸浮固體)·d]，是常規(guī)活性污泥法的2～3倍；從而使HCR系統(tǒng)的反應(yīng)體積僅為常規(guī)活性污泥法的1／50～1／30，大大減少了占地面積。同時(shí)，HCR技術(shù)還可處理高濃度(COD可達(dá)13·000 mg／L)、低生化性(BOD：COD≤3)的廢水。用HCR處理半化學(xué)漿廢水，COD去除率均可達(dá)70%[7-8]。

3．2 厭氧生物處理技術(shù)

3．2．1 上流式厭氧污泥床(UASB)

UASB反應(yīng)器屬于高效厭氧處理技術(shù)，該反應(yīng)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(jī)物(VSS)占60% ～90% ，顆粒直徑為0．5～4．0／lCl／n的高負(fù)荷黑液[9-10]。與其他厭氧反應(yīng)器相比，UASB具有以下優(yōu)點(diǎn)：(1)啟動(dòng)速度快，處理時(shí)間短；(2)污泥產(chǎn)率低；(3)COD去除率高。UASB反應(yīng)器目前已廣泛應(yīng)用于處理包括制漿黑液在內(nèi)的許多高負(fù)荷廢水[11-12]。荷蘭Paques公司生產(chǎn)的以UASB為核心的Biopoq厭氧裝置，其負(fù)荷率為20 kg(COD)／(m3.d)，水力停留時(shí)間小于1天，COD去除率為50%～80%，BOD去除率為75%～90%。我國(guó)王靜霞等人的實(shí)驗(yàn)室研究結(jié)果表明，對(duì)化學(xué)熱磨機(jī)械漿(CTMP)廢水，COD和BOD去除率平均分別為59．0%和87．1% ；對(duì)堿性過(guò)氧化氫機(jī)械漿(APMP)廢水的COD去除率平均可達(dá)70．9%，BOD去除率平均可達(dá)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?yàn)榻盗魇奖苊饬藨腋∥锏亩氯麊?wèn)題和短路問(wèn)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(shí)，降流式厭氧濾池下部產(chǎn)生的沼氣有助于把上部產(chǎn)生的H S帶走，保護(hù)了對(duì)毒性敏感的甲烷細(xì)菌。比利時(shí)的LankenAF裝置被應(yīng)用于CTMP廢水的處理，處理效果是：BOD的去除率達(dá)85%，COD去除率為70% ，負(fù)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(yīng)槽的體積最小，保證體系內(nèi)附著的活性微生物濃度最大的反應(yīng)器。實(shí)驗(yàn)室和中試研究都表明用AFB處理制漿造紙廢水能達(dá)到比其他高效厭氧反應(yīng)器高得多的負(fù)荷率，同時(shí)保持相似的處理效果。在法國(guó)經(jīng)過(guò)1年中試后，生產(chǎn)型的AFB投入使用，其BOD和COD的去除率分別可達(dá)83．3%和72．2% ，負(fù)荷率可達(dá)35 kg(COD)／(m3·d)。周健等對(duì)中溫[(30±2)℃]條件下顆粒活性炭(GAC)載體厭氧流化床反應(yīng)器處理硫酸鹽草漿廢水進(jìn)行了研究，完成了微生物的馴化，并在此基礎(chǔ)上對(duì)厭氧流化床處理硫酸鹽草漿廢水的性能進(jìn)行了研究，當(dāng)進(jìn)水COD濃度為2 000～5 000 mg／L，水力停留時(shí)間(HIlT)為3～9 h時(shí)，COD去除率為50．1%～ 70．2% ，容積產(chǎn)氣量1．46～3．00 in ／(in ·d)，有機(jī)容積負(fù)荷可達(dá)43．2 kg(COD)／(in ·d)[15]。

 3．3 生物酶處理技術(shù)

 生物酶處理有機(jī)物是先通過(guò)酶反應(yīng)形成游離基，然后游離基發(fā)生化學(xué)聚合反應(yīng)生成高分子化合物沉淀。李海英等進(jìn)行了固定化微生物處理造紙漂白廢水的研究，結(jié)果表明：固定化細(xì)胞的酶活性及可吸附有機(jī)鹵素(AOX)去除率均高于自由菌液，對(duì)溫度和pH的適應(yīng)范圍較寬；在對(duì)造紙漂白廢水為期1個(gè)月的連續(xù)處理試驗(yàn)表明，在停留時(shí)間為2．4 h時(shí)，其去除率可穩(wěn)定在65% ～81%[16]。喬慶霞等進(jìn)行了選育優(yōu)勢(shì)菌處理含氯漂白廢水的研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：優(yōu)勢(shì)菌在漂白中段水相對(duì)濃度為50% 、pH為7．0、菌液量為2 mL時(shí)，對(duì)廢水中有機(jī)氯化物和COD的綜合處理效果較好[17]。

3．4 光合細(xì)菌處理技術(shù)

自然界中光合細(xì)菌(PSB)對(duì)污水的自然凈化起著重要作用。光合細(xì)菌中紅螺菌科(通稱(chēng)紫色非硫細(xì)菌)的一些菌種，其細(xì)胞內(nèi)具有能進(jìn)行光合作用的載色體，可進(jìn)行光合磷酸化反應(yīng)和光氧化還原反應(yīng)。在好氧黑暗條件下，紅螺菌的這種載色體不起作用，此時(shí)它通過(guò)三羧酸循環(huán)(即TCA循環(huán))來(lái)進(jìn)行有機(jī)酸代謝。在厭氧光照時(shí)又很快激活載色體，上述循環(huán)受阻，迅速轉(zhuǎn)換代謝途徑，并將有機(jī)酸異化與同化的氧化還原反應(yīng)和光氧化還原反應(yīng)緊密地銜接起來(lái)。這種隨著生長(zhǎng)條件的變化而靈活地改變代謝類(lèi)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(jìn)行高效的基質(zhì)代謝；又不像厭氧甲烷細(xì)菌對(duì)氧的存在非常敏感，即使環(huán)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(jī)化合物，PSB法處理草漿廢水已得到實(shí)質(zhì)應(yīng)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(diǎn)，其綜合治理一直是國(guó)內(nèi)外造紙工業(yè)和環(huán)保界的研究熱點(diǎn)。生物法處理造紙廢水具有效率高、成本低、不產(chǎn)生二次污染等優(yōu)點(diǎn)，今后隨著造紙工業(yè)和生物技術(shù)的迅猛發(fā)展以及對(duì)環(huán)境質(zhì)量要求的提高，生物法是解決我國(guó)造紙工業(yè)水污染的最終出路，生物處理技術(shù)必將在制漿造紙工業(yè)廢水處理中得到更廣泛的應(yīng)用。

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