造纸废水负荷与温度和天气状况的关系探讨

陶二盼 焦 东 陈小泉 沈文浩

(1.华南理工大学制浆造纸工程国家重点实验室，广东广州，510640;2.广州造纸股份有限公司，广东广州，511642)

据有关调查资料表明，2008年造纸行业的废水排放量占统计的39个行业工业废水排放量的18.9%，造纸行业的COD排放量占重点调查统计企业COD总排放量的32.8%［1］。可见制浆造纸企业是废水排放大户，其中间歇式活性污泥法 (SBR)工艺是一种常用的造纸废水处理工艺，该工艺过程是一个强耦合、多输入多输出的动态系统，通过计算机仿真模拟活性污泥法废水处理过程，进行活性污泥法废水处理工艺、过程控制算法和控制策略等研究，已逐渐成为活性污泥法废水处理的研究热点［2-4］。其中SBR入水总化学需氧量 (TCOD)浓度大小是衡量废水负荷的重要指标，它与天气状况及废水温度的关系引起了部分学者的关注。Alex J.等人［5］对于城市污水TCOD及其组分在阴天、雨天和晴天3种天气状况下的变化规律进行了分析探讨;Vanhooren H.等人［6］分析了雨天和晴天时城市污水成分在不同流量下的浓度变化，COD浓度会因为流量降低而有所增加。一些针对不同天气状况下环境变化规律的研究具有很好的参考作用，Nathan L.Howell等人［7］以休斯顿地区城市郊外河流中多氯联苯为研究对象，研究了在雨天和晴天两种天气状况下的浓度负荷变化规律;Dimitris K.Papanastasiou等人［8］对牲畜楼房内微粒在不同气候条件下的变化以及对牲畜健康的影响进行了研究;曹莹等人［9］对废水经过内循环厌氧反应器 (IC反应器)后TCOD的去除率进行了研究探讨;于鹏等人［10］以高效菌生物活性炭装置对造纸废水处理厂出水进行深度处理，证明了此工艺对TCOD有较好的去除率。

目前国内外对造纸废水SBR入水TCOD变化影响因素的研究较少，特别是针对造纸废水负荷与温度和天气状况关系的研究更少，本实验针对某造纸废水处理系统中影响SBR池入口废水TCOD值大小的因素进行研究。通过对入水TCOD与天气和温度关系的研究，一方面可以为废水处理控制系统提供除曝气量之外的另一个可控制因素——废水温度;另一方面为造纸废水处理过程计算机仿真系统提供数据来源。

1 数据来源和研究对象

本研究以某二次纤维造纸厂的活性污泥法废水处理系统为对象，处理的废水主要为脱墨制浆废水、抄纸白水的混合水，处理工艺过程包括厌氧系统和好氧系统，厌氧系统主要是由IC塔反应器实现厌氧处理，而活性污泥法废水好氧处理过程采用SBR工艺。造纸厂废水处理系统流程如图1所示。

图1 造纸厂废水处理系统流程图

从图1可以看出高浓度脱墨废水经过厌氧系统，再经IC反应器处理，抄纸废水在好氧系统中进行预处理，来自两个系统后的废水经混合进入SBR池的总管。实验中所有SBR池入水TCOD的数据均是在进入SBR池前的总管处取样，离线测量得到的。

2 结果与讨论

2.1 入水温度与大气温度的关系

图2 一年中造纸废水厂SBR入水温度与大气温度的变化曲线图

图2所示是该造纸厂废水处理系统一年的温度统计结果，图2反映了一年中SBR入水温度和大气温度月平均值的变化规律。SBR入水温度主要受入水(IC反应器的出水与好氧预处理的出水)温度和大气温度的影响。由于该造纸厂产生的待处理的废水大部分是高浓度脱墨废水，因此入水温度主要受IC反应器出水温度的影响。从图2可以看出，春季时入水温度在37℃左右，低于夏秋季节，而夏季平均水温达到42℃左右，秋季平均水温达40.7℃，冬季水温最低，约为36℃;另外可以看出，入水温度始终高于大气温度。

由图2还可以看出，冬季两条曲线的变化趋势不同，冬季的大气温度都在20℃以下，是逐渐升高的趋势，而SBR入水温度保持在36℃左右，出现这种变化趋势的决定因素是来自IC反应器脱墨废水的温度。该造纸厂数据显示IC反应器的水温一直控制在40℃左右，这个温度相对于冬季水温来说起决定作用;春季和夏季的大气平均温度在28℃左右，这与IC反应器的出水温度相差不大，此时SBR进水温度由这两个温度共同决定，并且这时大气温度的改变影响入水温度的变化。秋季的大气温度下降快速，而入水温度下降缓慢，入水温度的下降主要是因为当地大气温度较低引起的，而趋势较为缓和主要是IC反应器的水温较高所致。

图3列出了四季大气温度和入水温度的关系曲线图，对比几条曲线不难发现:在春季、夏季和秋季，两者基本成线性关系，分析表明SBR池入水温度与大气温度有关，入水温度随着大气温度的升高而升高;而在冬季，二者不符合线性关系，原因是冬季大气温度偏低，IC反应器的脱墨废水温度较高，入水温度主要受脱墨废水温度影响。从以上分析可以看出:在一年中大多数时间内，大气温度对入水温度是有影响的。

2.2 TCOD与天气状况的关系

图3 四季大气温度与入水温度的关系曲线图

表1 不同天气状况、不同月份的TCOD及大气温度

表1列举了在造纸废水处理过程中，不同月份以及同一月份不同天气状况下的SBR入水TCOD总负荷大小及大气温度值。

2.2.1 稳定的大气温度、不同的天气状况

从表1中8月份阴天和晴天的温度数据可以看出，8月份大气温度变化不大，故可以排除大气温度的影响，只考虑不同天气状况对SBR入水负荷的影响。阴天时的TCOD较晴天时稍高，原因是阴天时气压较低，废水表面有比较丰富的泡沫，从而导致溶解氧 (DO)的降低，TCOD也因此受到影响。

2.2.2 同一种天气状况、不同的大气温度

表1中1月份、9月份和10月份均为晴天时的TCOD以及对应的大气温度数据显示，9月份和10月份的大气温度要比1月份温度高出约9℃，数据表明不仅仅是阴天会对入水TCOD有影响，大气温度也会对入水TCOD有影响，冬季大气温度与入水温度差别较大，有利于废水的前期处理，进而影响TCOD的大小。

2.2.3 不同的大气温度、不同的天气状况

表1中9月份雨天和晴天的数据显示，有少量时段雨天的TCOD较晴天时的低;从1月份晴天和雨天的数据可以看出，极少时段晴天的TCOD较雨天时的低;9月份主要以暴雨为主且雨量明显高于1月份，从这两组TCOD的数据可以看出，9月份雨天的平均TCOD为968 mg/L左右，1月份雨天的平均TCOD为608 mg/L左右。这些数据表明TCOD与有无降雨以及雨量大小没有必然关系，而与入水温度有关。9月份雨天的平均大气温度较1月份雨天的平均大气温度高13℃，9月份晴天的平均大气温度较1月份晴天的大气温度高15℃，大气温度影响着系统的入水温度，有利于前期TCOD的去除。这与城市污水有所不同，有无降雨以及雨量大小都会影响城市污水TCOD的值［4］。这种区别的主要原因是城市污水随着雨量的不同会对污水的流量造成很大的影响，城市夏季生活用水量较大，而造纸废水的处理过程几乎是封闭的，雨量不会对造纸废水的量造成影响。

2.3 TCOD与入水温度和大气温度的关系

在对造纸废水进行处理时应关注水温的变化，水温的高低影响溶解氧在水中的溶解度、可溶性有机物的溶解度、水体自净及其自净速率、细菌等微生物的繁殖及生长能力和速度。从图1可以看出，进入SBR总管前的废水分别来自IC反应器和集水池。根据IC反应器的工作原理可知，该反应器中废水COD的影响因素包括温度、水力停留时间 (HRT)、pH值、酸化现象等。因为厌氧污泥的活性受温度的影响，其中主要是厌氧微生物对温度变化较为敏感;如果HRT太短，系统中的污泥不能充分对废水中的有机物进行降解;IC反应器处理的高浓度脱墨废水，其中有机物浓度相对较高，因此要有足够的HRT，从而使有机物得到较为充分的降解;当反应器进水的pH值过低时，会影响微生物的生长，进而造成废水中的有机物降解不完全;挥发酸的积累会导致酸化现象的产生，酸化现象使系统的pH值降低，进而影响微生物的生长，形成了恶性循环。以上这些因素会影响厌氧系统TCOD的去除率。图1所示的流程图中抄纸废水经过初沉池和集水池后TCOD有一定的去除，而集水池主要是汇集、储存和均衡废水的水质和水量，对SBR的入水TCOD的影响可以忽略不计。

图4 一年中造纸厂废水温度与TCOD变化曲线图

图4所示为一年四季造纸厂废水温度与TCOD变化的关系。从图4可以看出，冬季时大气温度和入水温度均偏低，但是大气温度在这个季节中一直是上升趋势且温度值变化较大，变化值为6℃左右，但是入水温度在1月份到2月份稍有上升，2月份到3月份又有所降低，但其温度值变化微小，不排除这是测量误差;另外，从图3可以看出冬季TCOD的波动为150 mg/L左右，其波动与其他季节相比较小。由图2的分析结果可知，此时的废水温度受大气温度影响明显，前阶段的废水处理过程中TCOD的去除率比较理想。春、夏季TCOD大致由470 mg/L上升到900 mg/L，变化幅度较大，原因是这几个月入水温度较高，即IC反应器和好氧系统集水池的出水口温度较高，处理阶段TCOD的去除率比较低，即春、夏季的TCOD处于上升阶段。秋季大气温度较低影响了入水温度，使得经过IC反应器和好氧系统的废水TCOD的去除率有所增加，这时的TCOD有所下降。

从以上的分析结果可以看出，入水温度也是SBR池入水TCOD的影响因素，在实际的控制过程中，应对其加以考虑。

3 结论

以某二次纤维造纸厂废水处理系统为对象，研究了大气温度、间歇式活性污泥法 (SBR)入水温度和天气状况对其废水总化学需氧量 (TCOD)的影响。春季、夏季和秋季的大气温度和SBR入水温度几乎成线性变化关系，说明大气温度对SBR入水温度有影响。而SBR入水温度是SBR入水TCOD前期去除率的影响因素，冬季大气温度偏低，直接影响了废水处理系统的前期处理，春、夏、秋三季的TCOD比冬季高。当大气温度波动较小时，天气状况对TCOD有影响，阴天时TCOD值较晴天时高。造纸厂这种封闭的废水处理系统，与城市污水处理系统不同，造纸厂废水入水TCOD不受降雨量的影响。

在造纸厂废水处理过程中利用温度与入水TCOD的关系，可以在调节曝气量的同时，通过调节SBR入水温度来更好地实现废水处理控制，从而达到更优的处理效果。

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