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    造纸工业环保技术与装备的最新发展

    阅读次数:     发布时间:2019-12-17 08:12:57

           1 造纸工业废水污染现状及危害性

           制浆造纸工业废水不仅污染负荷高,而且成分复杂。在制浆造纸废水中已经有超过250种的有机物质被鉴别出来,除包括醇类、酯类、醛类、酮类和脂肪酸类等可以在物化、生化处理过程中得到有效降解的有机物,还包括具有很好的化学稳定性且难以在物化、生化处理过程中彻底去除的木素脱除物及添加的涂料、废纸油墨等芳香族有机污染物。此类物质在造纸废水二级生化出水中占难降解污染物的80%以上,是形成COD使得造纸废水难以达标排放的主要原因。其中多氯联苯等难降解毒性污染物(Persistent Organic Pollutants, POPs)由于具有生物毒性,是造纸废水形成生态环境毒性危害的重要因素。

           2 造纸工业废水处理新装备

           2.1 造纸工业废水处理技术方案

           针对造纸废水COD浓度高、成分复杂、可生化性低的特征,现行技术手段主要以物化处理为先行处理方式,通过利用混凝、絮凝沉淀、气浮等过程,去除废水中胶体及颗粒物,进而降低SS。经物化处理的污水再采用低能耗、低污泥产率、高有机负荷、运行较稳定的厌氧生物技术增强其可生化性。经厌氧系统处理后废水COD显著降低,且BOD/COD维持在0.35~0.65,可生化性显著提高。之后通过传统的活性污泥法、SBR法及其改良方法,利用好氧生物技术对厌氧出水进行处理后COD可降至200mg/L以下。最后,利用臭氧氧化、Fenton、电化学氧化等高级氧化手段,进一步去除水体中污染物,实现达标排放。

           然而,现行的造纸废水处理工艺各环节通常含有大量亟待解决的问题,如物化处理方式效率低下,操作频繁且复杂;厌氧系统效率低,出水跑泥;高级氧化法成本高;整体工艺控制系统薄弱,消耗大量人力物力等。因此,在现行的技术改良中,研究重点主要围绕物化、厌氧、高级氧化、智能控制方向展开。

           2.2 物化处理装备及新发展

           现行物化法主要以投资额小、成本低的混凝沉淀、气浮等传统处理方式为主要措施。为解决传统物化设备的弊端,一些相关企业、设计人员致力于提高物化一体化设备的开发及提升传统设施处理性能的工作,这些设备型号命名、样式种类较多,改良效果也不尽相同,但基本都是以上述两种传统工艺为基础发展而来。如通过改变雷诺系数,增加气浮面积;采取地埋方法,保证冬季处理效果等。

           表1 新型一体化技术与传统物化处理效果比较

      混淋沉淀池 浅层气浮 一体化技术
    处理量/(m³/d) 10000 10000 10000
    基建投资/万元 50-60 20-40 20-30
    设备投资/万元 60-80 150-170 80-100
    占地面积/㎡ 500 250 300
    成本/(元/吨) 0.15-0.28 0.32-0.42 0.10-0.13
    操作情况 操作简单,絮凝沉淀时间长,池底部沉渣出现厌氧发酵,无法回用 溶气、刮泥、底部清淤等操作复杂,沉渣中含有大量气泡,滤水性差 操作简单,沉渣有较好的滤水性能
    COD去除率/% 68 60 78
    SS去除率/% 75 70 90

           表1 为新型一体化技术与传统物化处理效果比较,其SS去除率超过90%、操作简便、吨水处理成本仅0.10~0.13元、COD去除率超过75%,相比传统工艺都有很大改善。

           2.3 厌氧处理工艺装备及新发展

           UASB发展几十年来其弊端也难以满足当前污水处理需求,其反应器内部传质效率较差、污泥负荷较低、启动周期长等问题也越发暴露,且没有实现功能分区,导致不同阶段生化反应存在相互抑制的可能。高效IC反应器于20世纪90年代迅速发展,其结构由上下两个UASB反应室组成。

           现行技术方案中对IC反应器的开发、改良受到了业界广泛关注。如多级内循环MIC反应器、加气循环IC反应器、外循环反应器的开发,这些反应器的启动时间、去除率都较传统IC反应器有显著改善。一种新型厌氧反应器并成功应用于实际工程。该设备在厌氧反应器内部进行区域分割,形成产酸、产甲烷两相分离。通过生物相分离器将厌氧过程产酸相、产甲烷相分开,避免产酸相中间产物直接接触毒害产甲烷微生物。将产酸相pH值控制在5~6,解决传统厌氧产酸相以丁酸、丙酸为主,易对微生物产生毒害导致厌氧系统酸化崩溃的问题,实现乙醇型的水解酸化反应。酸化反应室上部污泥浓度可维持在60g/L,高于同类技术的40g/L,CODcr的降解效率超过80%,高于同类技术的50%~70%。
     

           表2 为该技术与常规UASB、IC反应器效率对比
     

      新型厌氧技术 UASB厌氧反应器 IC厌氧反应器
    污泥浓度 60g/L 40g/L 40g/L
    容积负荷 50kgCOD/m³.d 50kgCOD/m³.d 50kgCOD/m³.d
    占地面积 较大
    运行能耗
    是否跑泥 不跑泥 容易跑泥 容易跑泥
    污泥钙化 钙化污泥自动与正常颗粒污泥分离 钙化污泥不容易与正常颗粒污泥分离 钙化污泥不容易与正常颗粒污泥分离
    运行投加碱量 较多 较多
    毒性抑制耐受力 较强
    耐冲击负荷 较强
    维修操作 简单 较复杂 简单
    副产品可用性 颗粒污泥、沼气 沼气 沼气
    布水均匀性 较差 一般
     
           2.4 新型高级氧化处理工艺及装备

           ● 传统Fenton高级氧化技术

           Fenton高级氧化法是在酸性条件下,H2O2在Fe2+存在下生成强氧化性的羟基自由基(·OH),并引发更多的活性氧,以实现对有机物的降解。

           然而,传统Fenton法,主要表现在以下几个方面:(1)只能在pH值小于4的酸性条件下发挥氧化作用;(2)处理操作复杂、 成本高、铁泥产生量大;(3)处理废水时芳香族污染物无法被有效分解,寻求新的可有效降解芳香族污染物的理论与方法至关重要。

           ● 过硫酸盐高级氧化法(PS)

           随着硫酸根自由基的物化性质被深刻揭示,以硫酸根自由基为氧化剂实现高级氧化过程,为造纸废水的处理提供了新的思路。国内外学者发现采用过硫酸钠在过渡金属离子的活化作用下,通过SO4-与有机化合物间的加成取代、电子转移、断键、开环等作用,可使废水中难降解的大分子有机物氧化降解成小分子物质,甚至直接分解成为CO2和H2O,达到造纸废水深度处理的要求。


           表3Fenton 氧化工艺与PS高级氧化工艺的对比
     

      Fenton氧化技术 PS高级氧化技术
    COD去除率/%
     
    62.1%(pH=3) 59.4%(pH=3)
    7.5%(pH=7) 47.3%(pH=7)
    色度去除率/%
     
    84.4%(pH=3) 82.5%(pH=7)
    17.1%(pH=7) 77.0%(pH=7)
    适宜的PH值范 强酸性 中性至近中性
    反应体系控制要求
     
    处理效果受反应体系影响显著,过高或过低Fe2+ 和H2O2浓度均会导致处理效果显著降低,实际应用中不容易把握工艺条件 反应体系对处理效果有一定的影响,Fe2+ 和H2O2浓度达到一定要求后处理效果趋于稳定,实际应用中便于操作
    反应速率 稍慢,但最终去除率高
     
           2.5  造纸废水处理的智能控制系统

           提高废水处理质量除工艺改良以外,通过改进废水处理过程的自动化监测控制水平,实现智能化控制是另一重要手段。

           通过引入一种实数编码的遗传算法,对神经网络软测量模型进行优化,优化后软测量模型的预测仿真性能有所提高。另外,将有效性函数 B(c)引入到模糊 C 均值聚类算法中,形成了自适应模糊 C 均值聚类算法,实现了 ANFIS软测量模型模糊规则数的自动寻优。

           3 造纸工业废气处理技术与装备

           目前主要处理工艺为在产生废气的车间或设备顶部设置排风管道,收集生产中产生的废气至过滤吸附塔,利用过滤吸附塔中活性炭有效吸附去除废气。针对于现有造纸废气处理方案及处理效果,较为可行的方案是对于废水处理规模比较小、产气量少,可采用火炬燃烧方式。废水处理规模大、产气量高,可通过燃气发电或燃气锅炉作为能源回收利用。

           4 造纸工业环保技术及装备的创新发展方向

           4.1 MOFs催化PS氧化体系靶向降解造纸废水中难降解有机污染物

           通过控制MOFs不饱和配位金属中心调控自由基产生数量,利用功能单体和三维孔穴的作用高度靶向识别污染物,调控功能化MOFs实现PS体系自由基并对造纸废水芳香族物质进行靶向降解,这是造纸废水深度处理技术发展的重要趋势。

           4.2 造纸废水处理智能化与大数据云服务平台研发

           随着人民生活对环境要求的提高,工业排污数据透明化也将逐步得到公众的关注,因此开发大数据云服务平台的研发是发展的必然趋势。通过此平台,技术团队可及时监控废水各项指标运行情况、环保部门可及时对排污企业实施有效监管,此外人民群众也可从此平台中对实际污染进行监督。从而达到废水排放及各项指标的可视化、透明化目的。

           总之,随着造纸废水处理工艺的不断发展以及废水排放标准的不断提升,处理设备也必将不断更新换代。然而,现行的处理设备在降低处理成本以及提高处理效率中依然具有巨大的经济、社会需求。因此,推动制浆造纸废水处理工艺的研发与改进迫在眉睫、势在必行。