甘蔗渣制浆造纸废水处理厂的设计与实践

杨日升，林荣珍，马 步

（广西糖业集团有限公司，广西 南宁 530022）

0 前言

随着我国经济的不断发展，人民物质和文化的生活水平越来越高，人们对生活用纸的需求量也随着增大，生活用纸已经成为国民生活必需品。甘蔗渣浆是生产生活用纸的优质原料之一，甘蔗渣造纸具有重要生态环保意义，因此国家提倡和鼓励综合利用甘蔗渣造纸。但传统的蔗渣造纸是耗水大户，能耗高且化学品消耗大，产生大量污染物，对环境造成一定的危害。据2018/2019年广西糖业年报制糖期数据，广西全区甘蔗种植面积约1115万亩，年产原料蔗5473万吨，蔗渣打包量250万吨左右，可产漂白甘蔗渣绝干浆60多万吨。据统计造纸废水量占全国工业废水总排放量的18.0%，COD 排放总量占全国工业排放量23.0%［1］，因此做好甘蔗渣制浆造纸废水处理工作，成为发展甘蔗渣制浆造纸产业的必然需要。

甘蔗渣制浆造纸污水主要来源：甘蔗渣保存需要一直淋水保持含水分70%左右，淋水过程渗出含糖等有机成分的高浓度淋蔗渣废水、制浆过程产生大量中段废水，即含酸性废水、碱性废水，蔗渣洗涤污水、碱回收污水、生活污水等，这些废水直接排放会对环境造成严重污染，必须进行处理，达到国际制浆造纸业工业水污染排放标准要求才能排入接纳水体环境中，见表1。

表1 废水水质水量

1 污水处理工艺的选择

1.1 使用厌氧处理工艺处理高浓度淋蔗渣废水

高浓度淋蔗渣废水处理是蔗渣造纸清洁生产的一个重要方面，为保护蔗渣在堆放过程中纤维的完好性，提高蔗渣造纸的档次，蔗渣在堆放过程中需淋水，喷淋水会将蔗渣中的残糖置换出来，造成蔗渣喷淋水COD含量高，由于蔗渣中的残余糖分及有机物的发酵作用，使得淋蔗渣废水含有很高的有机污染物，废水中的COD 达8000~10000mg/L，B/C为0.55以上，适宜于生化处理。广西贵港某纸厂有淋蔗渣废水厌氧处理的成功先例，事实已证明选择厌氧处理淋蔗渣废水是切实可行的。厌氧处理淋蔗渣废水的过程，会产生大量的沼气，可用沼气代替部分煤烧锅炉发电，采用高效厌氧技术回收高浓度淋蔗渣废水的生物能沼气这一清洁能源，不仅有环境效益还有经济效益。

1.1.1 厌氧反应器的选择

厌氧处理高浓度有机废水的关键是厌氧反应器的选择，厌氧反应器的种类有接触式消化厌氧反应器、上流式厌氧污泥床反应器（UASB）、上流式厌氧过滤器（AF）、厌氧复合床反应器（USF）、颗粒污泥膨胀床反应器（EGSB）、内循环厌氧反应器（IC）等多种方式。厌氧反应工艺在发展历程上，出现过诸如接触反应、过滤膜法、流化床等许多种工艺，但70年代中期，荷兰瓦格宁根（Wageningen）大学的莱丁格（Lettinga）教授发明的以厌氧颗粒污泥为特征的UASB反应器，以其高负荷、高效率的特点，迅速得到了推广。UASB最早的工业应用是在制糖业，而在造纸行业，则是帕克公司于1983年首先应用于荷兰的Roermond造纸厂，并以其显著的成效受到了欢迎［2］，至今UASB工艺已在造纸行业厌氧污水处理中占75%以上的份额。而荷兰帕克公司以BIOPAQ为品牌的厌氧技术，达到了全球公认的最高水平。分析广西贵港某造纸厂在用IC反应器运行数据表明，IC厌氧反应5小时的停留时间可以达到室内24小时的反应效果。

通过比较各种厌氧反应器的特点，本项目选择了广西某环境公司第三代IC内循环厌氧反应器UMIC作为厌氧处理的设备，厌氧COD 容积负荷高达30kg/m3d，设备内无运转部件，运行稳定。采用UMIC反应器可获得较高的COD去除率，可得到较高的沼气产量，在榨季每去除1kgCOD可获得0.46m3沼气能源，在非榨季每去除1kgCOD可获得约0.36m3沼气能源。反应器设计容积负荷为25kgCOD/m3/d，能在10kgCOD/m3/d以下或30～45kgCOD/m3/d的极端负荷下正常运行。

1.1.2 厌氧工艺实施流程

厌氧实施方案见表2。

表2 厌氧进水、出水水质及处理水量

厌氧反应器工艺流程主要包括集水井、斜网过滤、调节预酸化池、循环塔、UMIC反应器、气浮池、沼气处理、废气处理及化学品制备等工序。

集水井的池容为45m3。集水井装有一台液位计以连续监测其液位，污水自集水罐由调节预酸化进料泵提升至斜滤网过滤后进入预酸化池。

蔗渣污水需要利用斜滤网进行过滤处理，除掉部分悬浮物质，以减少对后续系统的冲击。斜滤网的孔径为80目，经过滤网被截留的大部分SS主要是蔗渣，过滤网面积为48m2。

厌氧处理的适宜温度为35~38℃，而蔗渣废水在冬季负荷最高，温度最低，碱回收车间有污冷凝水，温度高有利于调节温度，提高处理效果，加入碱回收车间有污冷凝水60m3/h。

废水经过两级厌氧处理。在第一级调节预酸化池中，废水水量水质得到调节并进行预酸化；在第二级UMIC内循环厌氧反应器中，大部分有机污染物被最终转化为沼气。

为了缓冲生产带来的废水水质水量波动，设计了具有2个小时停留时间的调节预酸化池，以平衡水质水量。依靠提升泵，废水进入厌氧处理系统。

污水自调节池输入1座直径为12.8m，高度为26m的UMIC反应器，变频控制UMIC反应器的进水，以保持一个恒定的输入流量。UMIC反应器的出水自顶部集水槽溢流出，在保证恒定的进水流量的条件下，一部分出水经分配立管与进水混合，另一部分出水进入循环塔。整个UMIC反应器内部没有运转部件，不消耗额外的电能。

厌氧反应器出水入循环塔，部分循环，部分至除气浮池的。直径为11.5m，高度为24m的循环塔有效容积为2000m3。循环塔能对UMIC反应器内的生化过程起到非常稳定的作用，让预酸化污水与UMIC反应器出水进行混合，不仅能大大降低碱用量，而且水量不足的阶段，依旧能保证顺利运行。

为保证后续好氧处理的高效性，设立涡凹气浮除悬浮物池除去厌氧产生的悬浮物，该池置于污泥池顶部，尺寸为15m×8m×15m，处理厌氧出水，除去SS及臭味，SS除去率≥95%，确保好氧生物处理稳定性。配置污泥刮渣机L=8m。

UMIC反应器在处理污水过程中产生沼气，产生的沼气量取决于UMIC反应器的COD负荷。沼气在UMIC反应器顶部的气液分离器收集进入沼气稳压柜，稳压柜顶部浮动，产生一个25~30Mbar的表压。沼气具有巨大的经济价值，可以净化后替代天然气。本工程沼气可用于替代部分煤用于锅炉，在榨季每天的沼气热量约等于20吨标煤。

1．2 使用活性污泥法处理废水

好氧工艺是传统的工艺，常用的有活性污泥法、SBR、CASS、生化生物滤池、水解-好氧等系统。对制浆造纸厂设计初期应用较多的百乐克、卡鲁塞尔氧化沟和SBR三种工艺进行参考和对比分析。

1.2.1 百乐克污水处理工艺

百乐克污水处理工艺是起源于欧洲的技术，采用低活性污泥工艺，由于微生物把污染物当作养料来吸收，废水中的污染物被相对极大量的微生物吸收分解，出水水质好，工艺设计简洁高效，不需要复杂的管理。项目设计污泥负荷为0.12kgBOD5/（kgMLSS·d），体积负荷为0.5kgBOD5/（m3·d），污泥浓度MLSS为4g/L，污泥龄为10天以上，好氧部分预算运行费用约为0.6元/吨水。

百乐克工艺采用摆动式曝气链及微孔曝气头，充氧效率高，工艺设备较先进，处理能力强，出水水质好，运行费用少等优势。但该技术从广西南宁某造纸厂运行情况来看，曝气链有打结现象，且曝气头易堵塞不易处理，导致该工艺在该厂被推流曝气工艺所取代。

1.2.2 卡鲁塞尔氧化沟工艺

卡鲁塞尔氧化沟是采用荷兰的废水处理技术，是二级污水处理技术中最先进的生物处理系统之一，氧化沟技术历史悠久，已得到不断的完善和发展，卡鲁塞尔氧化沟废水处理工艺的特点是工艺简单、运行稳定、操作容易、无需污泥消化池。BOD去除率可以达到90%以上，进水和出水完全混合回流，能承受水质、水量大幅变化的冲击，对浓度较高的有机废水有较强的适应能力。主要因为氧化沟水力停留时间和泥龄长，循环稀释水量大。可以除磷脱氮，通过氧化沟中曝气机的开关控制好氧、缺氧环境的变化，达到除磷脱氮的目的，脱氮效率一般大于80%，但要达到较高的除磷效果则需要采取另外措施［3］。

该工艺基建投资相对较少。设计污泥负荷为0.26kgBOD5/（kgMLSS·d）， 容 积 负 荷 为 1.3 kgBOD5/（m3·d），污泥浓度MLSS为5g/L，污泥龄为5～8天，从参数看氧化沟污泥负荷高、污泥龄短、产泥量多、污泥处理费用较高，好氧部分预算运行费用约为0.6元/吨水。

1.2.3 SBR工艺

SBR工艺是序列间歇式活性污泥的简称，是一种按间歇曝气方式来运行的活性污泥污水处理工艺技术，SBR工艺将均化、初沉、生物降解、二沉池等功能集在一池内，无污泥回流系统。特点是理想的推流过程使生化反应动力增大，效率提高，池内厌氧、好氧处于交替状态，净化效果好，运行稳定，有良好的脱氮效果，污水在理想的静止状态下沉淀，效率高，出水水质好，具有较好水量、有机物抵抗能力。各工序可根据水质、水量进行调整，运行灵活，结构简单，便于操作和维护、管理，扩建和改造容易。设计、运行参数为污泥负荷0.14kgBOD5/（kgMLSS·d），污泥浓度MLSS为3g/L，泥龄是30天，单池每周期为12h。

SBR工艺所需要的池子较多，基建费用投入大。曝气管固定在水下，维修需要抽空池子，费时费力，如果采用悬吊式安装，工程量会相当大，不适合本规模污水处理现场情况。好氧部分预算运行费用约为0.7元/吨水。

1.2.4 好氧工艺的选择

经过对以上三种废水处理方案的汇总分析，理论上都可以达到出水要求。经多方考虑，选择了卡鲁塞尔氧化沟工艺，并对工艺进行了改良，增设了缺氧AB池，命名为AO-氧化沟工艺，采用了推流曝气方式进行充氧，增设了深度处理池，确保污水达标排放。

2 好氧项目的实施

2.1 工艺流程图

图1为好氧项目工艺流程图。

图1 工艺流程图

2.2 主要构筑物表和设备表

表3为项目主要构筑物，表4为项目主要设备。

2.3 设计处理量及最终出水水质标准

本项目好氧处理系统处理水量按45000m3/d 设计。主要污染物浓度指标见表5。

2.4 工艺分析

2.4.1 燃煤锅炉烟气预处理

中段废水中含有大量蔗渣纤维和木素等，色度高，有一定的毒性。在工艺选择上首先去除悬浮物，再利用燃煤锅炉烟气中的SO2、NOx、CO2等气体以废治废的方法降低废水色度，除去毒性物质。烟气与中段废水发生多种化学反应，可除去废水中的有机物及色度，从而达到以废治废相互净化的综合利用目的，使中段废水得到净化的同时烟气也得到脱硫除尘。

2.4.2 AB-O氧化沟工艺分析

2.4.2.1 AB-O氧化沟工艺特点

活性污泥法主要利用水中繁殖的大量生物凝聚成聚体，吸附和分解有机物，其过程复杂，主要包括吸附和氧化两个过程。吸附达到饱和后，污泥失去活性，经过氧化除去吸附的有机物后，污泥重现活性，恢复吸附和氧化能力。活性污泥法作为一种生物法，其处理效果受到很多条件的影响，其中最关键是曝气设备，曝气设备的供氧效率及维护是活性污泥法的关键因素。在氧化沟的基础上引进爱尔氧表曝机改良AB-O活性污泥法充分保证了混合的均匀，并产生一个足够大的水平流速以及一定的紊流以保证在流动过程中污泥不沉降。当污水环绕氧化沟流动时，微生物会降解有机物和含氮污物。在具备优良工艺性能的同时，通过采用专用的水力模型和设计，还可实现爱尔氧表曝机在充氧、推流和混合三方面能量的最优分配，从而使改良AB-O氧化沟系统具备良好的水力特。

表3 主要构筑物表

表4 主要设备表

表5 主要污染物浓度指标

因为AB-O氧化沟的进水与出水完全混合，沟中渠道的断面流量非常大，为进水流量的20~50倍，这样进水在很短时间内就可以与池内大量的水完全混合得到稀释，因而系统具有很强的抗冲击负荷能力，保证了系统运行处理的稳定性和可靠性。这对于制浆造纸等工业废水的处理尤为重要，因为在工业废水的排放中经常会出现冲击负荷的现象。由于AB-O氧化沟的这种特点，即便在进水负荷波动的情况下，它仍可保证稳定的出水水质。

2.4.2.2 AB-O氧化沟工艺优点

第一，构筑物少、流程简单，比传统活性污泥法少建污泥消化池、鼓风机房等。虽然改良型AB-O活性污泥法曝气时间长、容积大，但整个处理厂占地与传统活性污泥法相比并不增加。

第二，出水水质稳定可靠，前置AB反应段，满足COD、SS的排放标准要求，电耗少，运行费用低，对高浓度工业废水有稀释能力，即能承受水量、水质的冲击负荷，对不易生物降解的有机物也有较好的处理效果。

第三，前置AB工艺可以有效的解决活性污泥法常见的丝状菌膨胀问题。

第四，与不便维护的鼓风曝气头相比，表曝机坚固耐用，运行稳定可靠，维修容易。

2.4.2.3 AB工艺原理

防止污泥膨胀反应器的开发，源自于在许多工业废水处理厂的运行过程中经常受到污泥膨胀问题的困扰，结果导致生物质的流失和出水水质的恶化。沉降性能很差的丝状菌经常是造成这种现象的原因。经过长期的实验研究和广泛的工程经验，提出采用预曝气的方式来解决污泥膨胀的问题。在造纸废水处理工程中的实际应用表明采用AB段，防止污泥膨胀可彻底消除丝状菌的影响。AB 工艺的原理在于通过快速生长的微生物消耗易生物降解的COD，而将相对较难降解的COD 留至后续的处理单元，从而通过去除水中丝状菌赖以生存的易降解COD 而消除其过度生长。AB 段的另一个优点是它可以减少下一个生物处理构筑物－氧化池的容积。当采用氧化池并结合AB 段时其系统总容积比单独采用氧化池的容积减少约25%。另外，通过引入AB段还可使系统的污泥产量大大减少。除此之外，采用AB工艺还有以下优势。

第一，AB的建造简单，因而投资低廉。AB的建造十分容易并无需设置复杂和昂贵的内部结构，经过适当的设计，它能够与氧化沟工艺很好地结合。

第二，由于AB单元的设置消除了污泥膨胀的顾虑，在后续的氧化沟单元中可采用较高的污泥负荷（F/M比)而出水仍维持较好的水质，这大大减少了曝气所需的池容。

第三，在需氧量方面，由于AB工艺中的微生物主要是自由游动菌，其中的污水不像常规曝气池中那样“粘稠”，所以在AB单元中，氧的传递和转移速率较高，这将使得AB池的系数显著提高，当转化为标准状况需氧量SOR时，需氧量有所减少。由于在AB工艺中非常适宜的充氧条件（较高的系数），同时在氧化沟工艺中采用较高的设计负荷，可进一步降低系统的需氧量，最高达20%，从而降低了运行费用。

第四，因为AB工艺单元中微生物的典型种类和形态，即高活性的游离状态细菌，所以无污泥产生；再加上经AB工艺后，进入氧化沟的总COD负荷降低，这可使系统总的剩余污泥产量有所减少。

第五，由于丝状细菌的生长在AB工艺中受到了抑制，污泥的性质特别是其沉降性能在后续的反应器中得到显著提高。因而二沉池的设计可采用较高的表面负荷，所需的面积也可以进一步减少。

2.4.2.4 曝气系统选择

活性污泥池的需氧主要由三部分组成：去除BOD5所耗费的氧（0.5kgO2/kgBOD）、维持曝气池内污泥好氧所需要的氧（0.11kgO2/kg污泥）、氨氮硝化所需要的氧（4.7kgO2/kgNH3-N）［4］，其中氨氮硝化所需的氧接近于其余部分所需氧的总和。

确定需氧量后，选择供氧系统成为关键，目前主要的供氧系统有射流曝气、鼓风曝气和表曝三大类。三者比较，射流曝气的优势是噪音小，安装维修简易，其缺点是能耗大，以目前行业内较为常用的水下曝气机和射流器为例，一千瓦的电耗所提供的溶解氧仅为0.9kg；表曝有安装、维护方便优点但充氧效率也较低；而鼓风机+微孔曝气器的曝气系统充氧效率高，但存在微孔曝气器结垢、老化和破裂的问题，造成充氧量直线下降，安装维护困难。

推流曝气机是传统鼓风曝气和表面曝气组合的产物，安装方便，充氧效率高，不需建风机房，不存在膜片堵塞，效率下降及维护困难的弱点。因此本方案选用美国生产的爱尔氧海神推流曝气机作为充氧设备。

根据目前国外及国内造纸废水处理的实际，本项目采用悬挂式安装，将曝气机固定安装在池面结构梁上，节约曝气机附属设备浮艇等投资。爱尔氧设备构造简单、使用寿命长、操作维修简单方便，整机易损件仅有一个氧化锆轴套，一般5~6年需更换一次，维修费低。设备顶端螺旋桨通过中空轴与主机相连，并伸入水下，水下倾斜安装曝气池呈环流状态，废水得到充分的混合，曝气池无死角，好氧状态下池中各点的溶解氧基本均匀，也不会出现污泥沉积；电机水上安装，不存在潜水电机易烧毁的弊端；水下部分全为不锈钢，5年内几乎不用换零部件，因此维护费用极低。

2.4.2.5 AB-O氧化沟系统中充氧能力的计算

为了计算AB-O氧化沟工艺中曝气系统所需的充氧能力，首先必须确定系统的需氧量。在本项目AB-O氧化沟系统的设计中，采用了Beute方法对活性污泥系统的需氧量进行了计算。Beute法是一种对活性污泥系统的投入物和产出物进行氧量平衡的计算方法，其中考虑了COD的降解以及随剩余污泥所排放的COD数量。为了对需氧量进行计算，就需要知道COD降解和随剩余污泥所排出的COD有关数据。

水温对于系统的需氧量有着很大的影响。尽管本项目进入好氧处理系统的污水水温有时可高达40℃以上，设计中以此水温作为计算需氧量的最高水温。

2.4.2.6 AB-O氧化沟水力设计

水力设计是AB-O氧化沟系统的一个重要环节。AB-O氧化沟的布置形式与曝气机性能结合直接决定了系统的水力特性。在设计中充分考虑了曝气机的机械性能与沟型的匹配，将两者有机结合，可保证系统水力流态的长期稳定，并确保AB段与氧化沟段间水力设计和特性的一致及协调，满足处理工艺的要求并避免沉泥现象，保证氧化沟渠道断面的水流速度不小于0.3m/s。

设计中氧化沟段的MLSS含量如采用4.0~4.5g/L，占地面积还可进一步减少，而此时系统对于污水冲击负荷的生物缓冲能力也得以提高。

2.5 深度处理

由于2011年执行新的《制浆造纸工业污染物排放标准》，本项目的出水水质要求非常严格，要求确保出水COD≤100mg/L，仅靠生物处理工艺压力较大。因此，在生物处理工段后又设置了深度处理工段，对生物处理工段的出水进行进一步处理。目前，深度处理技术主要有fenton氧化、臭氧催化氧化、光催化氧化和电催化氧化等。

本项目深度处理工段的主要工艺采用fenton氧化絮凝沉淀工艺，其原理是利用氧化剂氧化不可降解的COD，在加入絮凝剂将氧化物絮凝沉淀后除去。该工艺是一种成熟的、广泛应用于制浆和造纸废水处理的技术。经氧化絮凝沉淀处理后，污水中各项污染物，如SS、COD和色度等将得到进一步的去除，使得最终出水水质满足有关的处理要求。由于前工段已将废水COD降至100mg/L左右，采用氧化絮凝沉淀工艺以较小的成本可将废水COD降至100mg/L以下。

深度处理工段所去除的浮渣被送至污泥缓冲池，与来自其它工段的污泥混合后，共同进入污泥处理工段的有关设备进行处理。

经深度处理后的污水进入三沉池沉淀，出水即可作为最终出水排放。其中一部分送至滤带冲洗水储池用于污泥处理工段带式压滤机滤带的清洗，一部分送回蔗渣料场淋蔗渣用。三沉池单元去除的污泥进入一个污泥浓缩池与来自初沉池的混合污泥混合后进行进一步的浓缩脱水处理。

2.6 污泥处理工艺

2.6.1 污泥的浓缩脱水

混合污泥的浓缩和脱水在污泥浓缩和脱水间内进行。含固率为1.4%~1.5%的混合污泥由螺杆泵输送，经絮凝剂投加和混合后至带式污泥浓缩脱水一体机上。本项目配置3台幅宽2500mm的带式压滤机。经处理脱水后污泥的干度即含固率可达20%以上。

2.6.2 污泥处置

本项目将脱水泥饼直接运至项目所在地周边甘蔗地还田，与杂草等混合厌氧堆肥，经无害化稳定后，用作农肥。简要的处理方式为：三分之一新污泥和三分之二已堆肥完成的污泥混合成行堆肥，自然好氧，周而复始循环，经堆肥后的污泥成为有用的肥料。

2.7 自控与仪表

整个污水处理厂采用DCS控制，设一个操作站和一个工程师站，对污水处理工艺过程进行实施控制。主要参数如设备开停、液位、流量、pH值、温度、产气量进行监测和控制，本污水处理实际控制点数在200点左右。

2.8 好氧项目运行情况

项目建成后总投资约2500万元，其中设备1200万元，土建费用1300万元。好氧运行项目装机容量为1200kW。运行过程进一步实施清污分流，深挖潜力，加大回用水量，采取多种节水措施等，用水量大幅降低。实际处理水量和出水水质见表6。

项目好氧部分水耗电0.274元/吨，吨水化学药品费用0.133元/m3，人工费0.11元/m3，好氧运行费用合计0.517元/m3。深度处理运行费用0.53元/m3。

3 结语

我国制浆造纸行业的持续健康发展受到高污染、高耗水制约，当前，造纸企业可以采用“格栅+厌氧+初沉+调节+曝气+二沉+化学氧化+三沉”工艺来处理甘蔗渣制浆造纸废水，运行结果表明，该工艺高效、安全可靠，出水水质能够稳定达标排放。但各种污水处理成本长期居高不下，导致制浆造纸厂环保治理负担过重，加上产品市场受到国际市场的冲击，国内众多制浆造纸厂经营困难，必须大力研发高效、低耗、低成本的废水深度处理技术。

表6 实际处理水量和出水水质表