通过改变废水系统的营养物质降低废水处理成本

2016-04-27胡伟婷

造纸化学品 2016年1期

许多造纸厂为了在目前经济下行的逆境中求生存，尝试改进和扩大其产品生产线，导致其产生了更多的废水，并增加了处理这些废水所需的化学品用量。如果不对废水系统认真管理和周密规划，这些废水的排放可能达不到日益严格的环保要求。该文讨论了生物降解在处理废水中的重要性以及微生物和合理的营养系统对有效管理细菌生态系统的重要作用，并通过3家纸厂的案例研究，表明了废水生物降解中不同营养管理方式的有效性。

众所周知，制浆造纸工业是用水密集型行业，其取水量（生产1 t纸需要60 m3的水）在行业用水中排名第3。未经处理的纸厂废水富含难分解的化合物，会给环境带来污染。纸厂废水中有250种以上的化学品，包括树脂酸和固醇类有害物质。

造纸厂的废水一般会先经过机械处理工艺，然后采用生物或化学处理方法。根据废水特性的不同制定了一些排放标准，如：生物需氧量（BOD）指的是微生物分解一定体积废水中有机物质所消耗的溶解氧的数量；化学需氧量（COD）指的是间接测量水中需要被氧化的还原性物质的量；总悬浮固体（TSS）；总含氮量以及总含磷量。其他测试指标包括混合液悬浮固体颗粒（MLSS），指的是活性污泥处理过程中曝气池中悬浮颗粒的浓度；以及平均SV30（测量污泥沉降性的方法）。

1　生物降解

生物降解指使用污染物作为食物促进某些天然微生物（如细菌、真菌、藻类和酶）生长的过程。在合适的条件下，微生物消耗、消化掉污染物，并将其转化为少量的水和无害气体，如二氧化碳和甲烷（根据过程而定）。

与其他过程相比，生物降解是废水处理中一种可降低废水中BOD和COD含量的既经济又环保的方法。最受纸浆厂欢迎的生物处理方法有活化淤泥法、厌氧池法、稳定塘法和其他改良方法。

2　废水微生物和营养

微生物在地球上无处不在，制浆造纸废水中也不例外。对微生物而言，要想完全有效地发挥它们的生物分解作用，纸厂操作人员就有必要为微生物创造一个稳定的生态系统并密切监视。这种生态系统的关键在于提供所需的大量营养物质（氮、磷、硫、钾等），微量营养物质（锌、锰、钼等）和碳源，以保证微生物的存活、复制、消化和处理废物的功能。

每一种维生素和矿物质都是微生物生长和新陈代谢的必需品，都有其独特的功能。大多数的纸厂往往对此认识不足，其废水运行系统主要营养物质经常不足而导致废水系统运行状况不稳定或有缺陷。

忽视废水系统营养物质不平衡的后果非常严重。废水系统缺乏营养的信号包括淤泥膨胀、产生气泡、稳定性差、悬浮固体移除效率低、味道大、淤泥过多以及BOD或COD移除效率低等。举例来说，多数起泡和淤泥膨胀问题是过量丝状细菌导致的，这些丝状细菌在缺乏营养的环境中可以快速繁殖，降低系统的稳定性；因此，明白提供微生物可利用的营养元素可以改善运行过程并降低化学品的总需求量，这一点非常重要，不仅有利于微生物的健康生长，并带来更加稳定有效的废水处理系统。

废水处理系统的更加稳定也为更高级别的微生物带来可能，如变形虫、纤毛虫、轮虫等。这些更高的生命形式主要以松散菌细胞为食，对废水的有效处理必不可少。缺乏这些更高形式的生命会产生淤泥，并暗示废水有毒或缺乏需要的营养元素，将导致废水系统处理功能丧失并带来更高的处理成本。

3　案例研究

以下介绍3家中国造纸厂的生物降解过程中使用了一种特殊的益生菌配方溶液的案例研究。益生菌产品包括工业级白色的Super Phos（SP），它是使用获得专利的微碳技术（Micro Carbon Technology，MCT）混合磷酸和磷酸氢铵盐得到，MCT可以将柔软的腐殖材料转化为非常小且富含氧的碳分子。微碳技术之后得到的微碳分子的相对分子质量很小，比表面积很大，且阳离子交换能力强，是一种超高效的载体，可以容易地将生物可利用的营养物质转化为微生物。

3.1案例1

这家纸厂日处理废水30 000 m3，一般在其活化的淤泥污水处理系统中使用纯度85%工业级磷酸作为磷源。首先使用小型试验判断少量的SP是否可以取代纸厂现有的磷源。试验使用5 L的反应槽，在1号澄清器入口取废水3.58 L，以及返回的活化淤泥（Returned Activated Sludge，RAS）1.42 L。反应槽使用曝气泵使溶解氧保持在2 mg/L。每次试验持续7天，每天取2次样本进行测试并取平均值。

分析每个样本的COD、溶解氧浓度和总含磷量。2个试验使用SP取代磷酸源的比例分别为1∶4和1∶5，同时使用现有的磷酸源开展对比试验。

通过比较1号澄清器入口废水的COD和对比试验废水的COD以及2次试验的最终试验结果，发现加入2种不同比例SP的废水中的COD水平与对比试验区别不大，见表1。

表1　1号澄清器入口废水COD与测试日每天废水平均COD的比较

总含硫量与1号澄清器入口的废水、对比试验的废水和2次试验的废水相近，官方标准为0.5 mg/L，见表2。

表2　废水的总含硫量

由表2可见，当SP用量为1∶4时，总含硫量值虽然略高于1号澄清器入口的废水，却也低于标准值。SP比例为1∶5时，总含硫量比1号澄清器入口的废水还要低。

3.2案例2

该纸厂的浆年产量为180万t，纸年产量为310 万t，其废水系统包括4条平行的序批式反应器，后面紧跟着日处理量50 000 m3的曝气系统，其出水指标达到了当地和国家的废水排放要求。

试验选择了3号和4号反应器，1号和2号反应器保持正常工作。3号反应器使用SP取代常规的液体磷酸，4号反应器作为对比试验。试验维持7天以上。

在这次试验中，前3天SP以递增的比例逐渐取代常规磷酸直到1∶4，从而将给3号反应器带来的负面影响最小化，避免扰乱系统和使用过量。

监测2个反应器中的COD移除率，同时测量平均悬浮固体颗粒和平均SV30，用来评估SP的使用效率。结果发现，3号和4号反应器中的3个测量指标值都相近，3号反应器中COD的移除率要高出3百分点，见表3。

表3 3号和4号反应器的COD的移除率

3.3案例3

该纸厂现有的废水处理系统每天使用600 kg磷酸氢二胺作为磷源来保持废水处理中合适的微生物数量，废水COD为200 mg/L。该厂的目标是在保持处理效率不变的前提下降低废水处理成本。于是该纸厂使用75 kg/d的SP取代600 kg/d的磷酸氢二胺。这就大大降低了所需化学品的存贮空间，减少了移动和制备化学品的劳动力成本。另外，使用SP使其化学品成本降低了至少17%，而处理效率并没有降低，废水COD仍然为200 mg/L，且微生物更加活跃，生长率也更快。

3个样品的对比试验以及2次试验的样本均在100倍的放大倍率下观察均发现了更高的生命形式（轮虫、杆状菌和游泳型纤毛虫），表明3个样品都有着健康的微生物群，外观上也没有变化。