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水解酸化工艺处理制浆造纸废水效果分析

发布时间:2011-5-20 8:46:30  中国污水处理工程网

 1 水解酸化处理工艺简介

水解是指有机物进入微生物细胞前、在胞外进行的生物化学反应。微生物通过释放胞外自由酶或连接在细胞外壁上的固定酶来完成生物催化反应。

酸化是一类典型的发酵过程,微生物的代谢产物主要是各种有机酸。

水解和酸化是厌氧消化过程的两个阶段,但不同的工艺水解酸化的处理目的不同。对于部分工业废水,主要将其中难生物降解的有机物转化为易生物降解的有机物,去除部分CODCr并提高废水的可生化性,以利于后续的好氧处理。并降低好氧处理的能耗。厌氧消化工艺中的水解酸化的目的是为厌氧消化过程的产甲烷菌提供底物。

难降解高分子有机物因相对分子量巨大,不能透过细胞膜,因此不能为细菌直接利用。它们在水解阶段被细菌胞外酶分解为小分子。例如,纤维素被纤维素酶水解为纤维二糖与葡萄糖,淀粉被淀粉酶分解为麦芽糖和葡萄糖,蛋白质被蛋白质酶水解为短肽与氨基酸等。这些小分子的水解产物能够溶解于水并透过细胞膜为细菌所利用。水解过程通常较缓慢,多种因素如温度、有机物的组成、水解产物的浓度等均能影响水解的速度与水解的程度。

上述小分子的化合物在酸化菌的细胞内转化为更为简单的化合物并分泌到细胞外。酸化阶段的主要产物有挥发性脂肪酸、醇类、乳酸、二氧化碳、氢气、氨、硫化氢等,产物的组成取决于酸化降解的条件、底物种类和参与酸化的微生物种群。

2 水解酸化池工作原理

水解酸化主要用于有机物浓度较高、SS较高的污水处理工艺,是一个比较重要的工艺。如果后级接入好氧工艺,可以大大提高好氧池的容积负荷,提高去除效率。水中有机物为复杂结构时,水解酸化菌利用H2O电离的H+和-OH将有机物分子中的C-C打开,一端加入H+,一端加入-OH,可以将长链水解为短链、支链成直链、环状结构成直链或支链,提高污水的可生化性。水中SS高时,水解菌通过胞外粘膜将其捕捉,用外酶水解成分子断片再进入胞内代谢,不完全的代谢可以使SS成为溶解性有机物,出水就变的清澈了。这期间水解菌是利用了水解断键的有机物中共价键能量完成了生命的活动形式。同时可以查看中国污水处理工程网更多技术文档。

3 制浆造纸废水水解酸化处理

3.1 制浆废水成分及特点

造纸工业废水是指制浆造纸生产过程中所产生的废水。造纸工业生产分为两个主要工艺阶段,即制浆和抄纸。制浆是把植物原料中的纤维分离出来,制成浆料,再经漂白;抄纸则是把浆料稀释、成型、压榨、烘干制成纸张。这两项工艺都要耗用大量的水,其中大部分作为废水排出。

制浆造纸废水大致可分为:制浆蒸煮液、洗涤废水、漂白废水和纸机白水等。碱法纸浆蒸煮废液,又称“黑液”,是制浆厂的主要污染源。制浆造纸废水成分复杂,其组分不仅取决于纸浆的方法,也取决于所产品种和原料种类等多种因素。废水中的悬浮物质主要来自制浆造纸各工序流失的纤维、填料等;BOD主要来源于制浆蒸煮工序,如纤维素分解生成的糖类、醇类、有机酸等,在化学浆中,蒸煮废液的BOD5发生量占80%以上;COD和着色物质主要来源于制浆蒸煮工序的木素及其衍生物。制浆造纸废水的主要特点归纳如下:

(1) 污染物浓度高。尤其是制浆生产线废水,含有大量的原料溶出物和化学添加剂,其BOD5浓度甚至高达104mg/ L 以上。

(2) 难降解有机物成分多,可生化性差。木素、纤维素类等物质采用活性污泥法难以降解,如有的纸厂处理过的废水BOD5已降至10mg/ L 以下,但COD 仍达200mg/ L 以上,色度还很高。

(3) 废水成分复杂。除原料溶出物外,有的还含有硫化物、油墨、絮凝剂等
对生化处理不利的化学品。

(4) 废水流量和负荷波动幅度大,并伴有纤维、化学品溢泄。在有多条生产线的工厂这种现象更明显。水量和负荷波动对生化处理系统的稳定运行非常不利。

3.2 制浆造纸废水的处理

制浆造纸产生的废水若不经处理直接排放,将会造成严重的水体污染事件。实践表明,仅仅依靠单段或单级处理不能达标排放,如单级混凝工艺只能去除45%~55%CODcr,在此基础上,在混凝处理后再增加生物处理的工艺也就应运而生。而制浆废水COD含量较高,且大部分为可溶性的COD,采用传统的生物处理工艺难以达到有效处理的目的。因此,如何保证后续生化处理的连续稳定运行就成为实际生产中迫切需要解决的问题之一。采用水解酸化处理工艺是一条有效途径,在其常规的好氧处理前添加一个水解酸化预处理单元( 即HRT 较短的厌氧处理单元),可以在很大程度上提高生化处理的效果。下面将结合实例进行分析说明。

3.3 水解酸化处理造纸废水

制浆造纸废水应用该工艺的实例分析

实例一:

取某制浆造纸企业生产废水,于武汉森泰环保工程有限公司实验室进行实验,记录10天内进出水解酸化反应器的水质参数。

该厂制浆造纸废水,经过水解酸化反应器处理后,CODCr初步去除率为30.6%,我们取了10天的运行数据进行分析,出水CODCr含量明显降低,且波动趋势较小,水解酸化处理效果较稳定。 

经过水解酸化处理之后,废水的可生化性有了明显提高,BOD5/CODCr比值由0.311提高到了0.472,上升了16.1个百分点,而且水解酸化处理的效果稳定。

实例二:

取某制浆造纸企业生产废水,于武汉森泰环保工程有限公司实验室进行实验,记录10天内进出水解酸化反应器的水质参数,整理出废水CODcr的变化及废水可生化性参数。 

该厂制浆造纸废水,经过水解酸化反应器处理后,CODCr初步去除率为29.5%,我们取了10天的运行数据进行分析,出水CODCr含量明显降低,且波动趋势较小,水解酸化处理效果较稳定。 

经过水解酸化处理之后,废水的可生化性有了明显提高,BOD5/CODCr比值由0.366提高到了0.538,上升了17.2个百分点,而且水解酸化处理的效果稳定。

由以上两个废水处理实例可知,水解酸化处理工艺对制浆废水是非常适用的。水解酸化系统运行稳定后,加好氧系统进行后续处理将会取得更好的处理效果,以达到制浆造纸废水处理高标准、稳定达标排放的要求。

4 水解酸化处理对后续好氧工艺的影响

水解酸化处理工艺着眼于整个系统的处理效率和经济效率,放弃了厌氧反应中甲烷发酵阶段,利用厌氧反应中水解和产酸作用,使得污水、污泥同时得到处理。在整个过程中,大量悬浮物水解成可溶性物质,大分子降解为小分子,因此工艺过程中有许多不同于传统工艺的特点。且由于这些特点,单纯从出水水质COD、BOD5等去除率来评价水解反应器的作用是不全面的,应对后处理中各种现象进行分析,以全面评价水解反应在整个系统中的功能。

4.1有机物含量显著减少

水解酸化池的第一个特点是对于有机污染物(特别是悬浮物)相对高的去除率,COD平均去除率为30%-60%,而悬浮性COD去除率更高,为60%-80%;色度去除效果好,出水悬浮物的浓度低于50mg/L,这些因素对于各种后续处理是非常有利的。结合国内外的工程实例进行分析,如采用活性污泥法后处理,由于有机物的绝对数量减少,与传统的活性污泥工艺相比,停留时间也可减少50%。这样基建总投资、能耗和运行费用可分别节省30%左右。有废水需要处理的单位,也可以到污水宝项目服务平台咨询具备类似污水处理经验的企业。

由于水解酸化工艺对有机污染物的去除率高,国内多家制浆造纸纸业纷纷引进水解酸化处理技术对废水处理工艺进行改进。如山东太阳纸业股份有限公司,采用水解酸化工艺改造该企业南厂5万方/天的废纸浆废水处理工程,使出水COD<60mg/L,SS<20mg/L,并将出水大部分回用作为车间生产用水和电厂冷却水,逐步实现废水的封闭循环;山东博汇纸业股份有限公司采用水解酸化技术处理制浆造纸废水,处理系统初期运行实现终沉池出水COD在150~280mg/L,色度50倍左右,后期整套系统处理效果逐渐提高且运行稳定,废水处理工程效果得到业主好评。此外还有山东泉林纸业有限公司、东莞建晖纸业有限公司和广东理文造纸有限公司相继采用水解酸化技术对废水处理工艺进行了改造,都实现了出水稳定达标排放。

4.2 B/C值和溶解性有机物比例显著增加

不同条件下造纸废水经水解酸化处理后,出水BOD5/CODCr值有所提高,一般可提高0.15左右。BOD5/CODCr比值的提高说明废水可生化性的提高,这是水解酸化处理的第二个显著特点。水解酸化处理把废水中难降解的高分子物质转化为较小的分子,从而提高了废水的可生化性,为后续好氧处理创造了有利条件,达到了低能耗、高去除率的效果。

一般经初沉池后出水溶解性COD、BOD5的比例变化较小。经水解酸化处理后,溶解性有机物比例发生了很大变化,水解出水溶解性COD比例可提高1倍。经过水解后的小分子有机物更容易被微生物代谢消耗,加速了有机物的降解。这表明水解酸化池相对于曝气池起到了预处理的作用,使得经水解处理后出水变得更易于被好氧菌降解。

5 结论

水解酸化系统主要作用是分解大分子有机物,改善废水可生化性,提高抗冲击负荷能力,稳定出水水质,使好氧系统高效率除去污染物,并削减污泥量等。

经以上理论分析和实践总结工作,得出水解酸化+好氧处理工艺具有以下优点:

(1) 水解酸化系统是一个巨大的缓冲体系,对水质、水量在设计能力20%左右的变化有很强的缓冲能力,能稳定好氧进水水质,保证好氧系统正常运行。

(2) 水解酸化系统对制浆造纸废水COD有30%~60%的去除率,而且产生比好氧污泥少得多的厌氧污泥(仅为好氧污泥的1/10~1/5),并产生部分沼气,可作为能源回收利用。只需要提供一次提升动力的能耗就可得到高COD去除率,具有简单、经济、可靠等优点,是节能降耗的技术保障。

(3) 水解酸化系统可以提高BOD5/CODCr比0.15个单位左右,提高了废水的可生化性,降低运行费用,并且提高好氧处理效率15%左右。

(4) 水解酸化系统可把好氧产生的剩余污泥作为厌氧系统的营养料,提高厌氧菌群的协同代谢作用,减少污泥处置费用。

(5) 水解酸化系统因其停留时间较长,对木质素、纤维素和半纤维素类天然大分子有机物有开链、分解成小分子有机物的能力,故水解酸化处理工艺对制浆造纸废水非常适用。

(6) 水解酸化系统对制浆废水色度去除效果好、可减少后续处理工艺的加药量,节省了废水深度处理成本,能使制浆造纸废水处理系统走上经济、可靠、节能、稳定达标的道路。(作者: 邵云海 王静)

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