人工湿地深度处理造纸污水尾水的工程应用

李 爽，耿 峰，刘侨博，左金龙，谭 冲

(1. 黑龙江省环境保护科学研究院，哈尔滨150056；2. 哈尔滨商业大学 食品工程学院，哈尔滨 150076；3. 哈尔滨商业大学 生命科学与环境科学研究中心，哈尔滨 150076)

造纸废水主要来自造纸工业生产中的制浆和抄纸两个生产过程.制浆是把植物原料中的纤维分离出来，制成浆料，再经漂白，这个过程会产生大量的造纸废水；抄纸是把浆料稀释、成型、压榨、烘干，制成纸张，这个过程也容易产生造纸废水.制浆产生的造纸废水，污染最为严重.洗浆时排出废水呈黑褐色，称为黑水，黑水中污染物质量浓度很高，BOD5高达5～40 g/L，含有大量纤维、无机盐和色素.漂白工序排出的造纸废水也含有大量的酸碱物质.抄纸机排出的造纸废水，称为白水，其中含有大量纤维和在生产过程中添加的填料和胶料[1-2].

造纸工业能耗、物耗高，是对环境污染严重的行业之一.其污染特性是废水排放量大，其中COD、悬浮物(SS)含量高，色度高、对周围水体环境危害严重[3-4].

人工湿地是一个综合的生态系统，它应用生态系统中物种共生、物质循环再生原理，结构与功能协调原则，在促进废水中污染物质良性循环的前提下，充分发挥资源的生产潜力，防止环境的再污染，获得污水处理与资源化的最佳效益.人工湿地处理系统具有缓冲容量大、处理效果好、工艺简单、投资省、运行费用低等特点，非常适合中、小规模的污水处理[5-8].

黑龙江省某造纸厂是全国大型制浆造纸企业之一，目前浆纸综合生产能力达到8万t/a.工厂现有造纸机8台、170 m3蒸煮锅3座、75 t和100t碱回收炉各一座，年回收碱2.5×104t；40 000 t/d造纸污水二级生化处理厂一座. 该污水处理厂运行情况较为稳定，现有处理设施出水难以达到新的排放要求(即《制浆造纸工业水污染物排放标准》(GB3544-2008)表2中要求).如果企业采用三级处理工艺，需要投资7 000万元人民币，运行费用较高.拟利用当地闲置的土地资源，建设人工湿地对造纸废水尾水深度处理，满足新的排放要求.

1 工艺流程及进出水水质

1.1 污水处理工艺流程

造纸污水处理工艺流程，见图1.

图1 造纸污水处理工艺流程

1.2 进水污水水质

人工湿地进水采用40 000 t/d造纸污水二级生化处理厂出水(尾水)，进水水质情况为COD平均进水质量浓度为150 mg/L，SS平均进水质量浓度为50 mg/L.

2 人工湿地主要参数

2.1 造纸污水深度处理装置工艺参数

造纸污水深度处理装置工艺参数，见表1.

表1 造纸污水深度处理装置工艺参数

2.2 人工湿地示意图

人工湿地示意图，见图2.

2.3 人工湿地堰坝设计

人工湿地处理系统所需要的堰坝涉及到污水处理所需的面积，缓冲区、预处理构筑物所占面积，污水储存、道路以及维护和管理建筑所需的面积等.对于堰坝的设计，初步按污水流量、污水储存需要以及初步确定的水力负荷率等因素确定.当最终确定所需堰坝布置时，按确定的人工湿地处理限制组分(LLC)，即污水所含组分中最能限制人工湿地处理的某种组分，求出所需堰坝的走向和结构.

堰坝布设的复杂性在于所需要的土地面积及土地使用的性质，必须综合考虑上述许多重点因素：地面坡度、土地使用情况、地貌以及土壤渗透性等.

人工湿地采用的堰坝设计参数，见表2.

图2 人工湿地示意图

设施名称延长米/m2高度/m1级堰坝3 8003.02级堰坝2 3002.03级堰坝1 8001.54级堰坝9001.0合 计8 800-

2.4 人工湿地净化机理

人工湿地对污水的处理过程，是物理、化学及生物作用共同作用的结果.基质、植物、微生物是人工湿地发挥净化作用的三个主要因素.在污水通过人工湿地的过程中，基质的吸附、过滤，植物的吸收、固定、转化、代谢及湿地微生物的分解、利用、异化等过程综合作用，互相关联影响着最终的净化效果.

人工湿地的净化机理，见表3.

表3 人工湿地的净化机理

2.5 人工湿地植物种类选择

湿地植物丰富的根系形成庞大的网络结构，直接吸收植物自身生长所必需的氮、磷等营养物质以合成植物体的组成部分.由于植物根系的输氧作用，湿地土壤中出现好氧区域和厌氧区域，为自养型好氧微生物硝酸菌、亚硝酸菌和异养型微生物反硝化细菌提供了良好的生物物化环境，而微生物硝化、反硝化作用对氮的去除起到了重要作用，磷细菌的代谢活动又可以对磷进行吸收和积累.

水生植物、特别是挺水植物是污水湿地处理系统中的一个重要组成部分.选择得恰当与否，将直接关系到人工湿地的处理效果.本工程中人工湿地的水生植物选用香蒲属(Typha spp.)、普通芦苇(Phrigmites Communis)、灯芯草属(Juncus spp.)、蔗草属(Scirpus spp.)和苔草属(Carex spp.)的有关品种.

2.6 生物倍增池设计

生物倍增池中由生物填料组成的可过水的幕墙构成，生物填料上附着丰富、高效的好氧、缺氧、厌氧微生物，通过其生物降解、吸附、过滤能力，高效去除BOD、SS、氨氮、磷等污染物，使水质得到彻底净化.其对重金属离子具有良好的去除效果，具体的作用如下：

1)生物吸附作用：生物填料表面附着的大量微生物经过一系列生物化学作用，使重金属离子被微生物细胞吸附，这些作用包括络合、鳌合、离子交换、吸附等.这些微生物从溶液中分离金属离子的机理有胞外富集和沉淀、细胞表面吸附和络合、胞内富集.

2)生物絮凝作用：生物填料表面的生物膜产生大量的生物絮凝剂，将重金属充分絮集.生物絮凝剂一般由多糖、蛋白质、DNA、纤维素、糖蛋白、聚氨基酸等高分子物质构成，分子中的氨基和羟基等多种官能团，能使水中胶体悬浮物相互凝聚沉淀.根据目前研究，生物絮凝剂可与Cu2+、Hg2+、Ag+、Au2+等重金属离子形成稳定鳌合物而沉淀下来.

2.7 工程造价及运行费用

工程总造价为893万元，具体内容见表4.

表4 工程总造价 单位：万元

工程运行费用，主要在机械曝气系统方面，具体费用见表5.

表5 工程运行费用

本工程总装机容量约为30 kW，能耗为180 kW·h/d，电费按0.5元/kW·h计，工程运行费用=180×0.5×0.8÷40 000=0.001 8元/m3.

2.8 出水水质

本工程出水水质情况为COD和平均出水质量浓度均低于90 mg/L，SS平均出水质量浓度低于20 mg/L.

3 结 语

采用人工湿地处理制浆造纸废水的尾水，充分利用当地闲置的土地资源，采用人工湿地工艺，进水水质COD为150 mg/L、SS为50 mg/L，出水水质COD低于50 mg/L、SS低于20 mg/L，出水水质满足《制浆造纸工业水污染物排放标准》(GB3544-2008)要求.该工程总造价893万元，工程运行费用0.001 8元/m3.

参考文献：

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