孫 磊 元新艷

(1.宜興臺興環(huán)保有限公司，江蘇宜興，214204;2.中國科學(xué)院上海高等研究院，上海，201203)

一種白水深度處理的方法

孫 磊1元新艷2

(1.宜興臺興環(huán)保有限公司，江蘇宜興，214204;2.中國科學(xué)院上海高等研究院，上海，201203)

介紹了一種白水深度處理的方法，即同向流沉淀池的出水再經(jīng)過Amiad疊片自清洗過濾器(Arkal Disc)和微纖線盒式過濾器 (MT)深度處理，保證了出水SS濃度低于5 mg/L，滿足回用于冷卻循環(huán)水補(bǔ)充水的要求。同時(shí)，疊片自清洗過濾器和微纖線盒式過濾器的產(chǎn)水率分別為99%和98%，自清洗過濾器運(yùn)行過程中無需投加化學(xué)藥劑。

白水;深度處理;疊片自清洗過濾器;微纖線盒式過濾器

造紙廠廢水處理系統(tǒng)中最基本的3個(gè)步驟是收集、處理和處置。目前大部分紙廠采用的是廢水集中處理模式，這就需要配備相應(yīng)的輸水管道以及壓力提升泵房，使水處理的成本增高。事實(shí)上，收集運(yùn)輸過程中的能耗成本往往占廢水處理總預(yù)算額度的60%［1］。同時(shí)廢水集中處理所需的一次性投資很高，而且存在巨大的能耗浪費(fèi)。因此，分散式廢水處理，即廢水就地處理就地回用的意義就十分明顯了。

1 中試裝置與分析方法

1.1 項(xiàng)目介紹

中試在我國北方某紙廠進(jìn)行。該紙廠白水中富含流失的纖維、鈦白粉、化學(xué)助劑，由于化學(xué)助劑成分復(fù)雜，而且纖維細(xì)小、鈦白粉顆粒細(xì) (0.15～0.30 μm)、濃度低，采用傳統(tǒng)分散式處理工藝實(shí)現(xiàn)回用的難度很大。針對這一現(xiàn)狀，Amiad過濾系統(tǒng)公司采用了疊片自清洗過濾器 (Arkal Disc)以及微纖線盒式過濾器 (MT)聯(lián)用工藝，對該種白水進(jìn)行深度處理，保證了出水水質(zhì)優(yōu)于回用標(biāo)準(zhǔn)。該工藝為純物理分離方法，在處理過程中無需投加化學(xué)藥劑。該紙廠白水經(jīng)過深度處理后將作為冷卻循環(huán)水的補(bǔ)充水。冷卻循環(huán)水補(bǔ)充水中固體懸浮物 (SS)含量的國家標(biāo)準(zhǔn)為10 mg/L，該工藝的目標(biāo)是使得處理后的白水固含量降低到5 mg/L以下。

需要指出的是，造紙過程白水的排放量取決于造紙系統(tǒng)中白水的封閉循環(huán)程度。白水封閉循環(huán)程度越高，越容易造成系統(tǒng)中金屬離子、各種無機(jī)鹽等物質(zhì)積累及微生物的生長繁殖，從而影響到紙機(jī)的正常運(yùn)行與產(chǎn)品質(zhì)量，因此適當(dāng)?shù)嘏盼鄄⒏鼡Q新鮮水源很有必要。該中試工藝在適當(dāng)排污量的情況下，實(shí)現(xiàn)了對白水的有效處理并回用。

圖1 白水回用中試流程圖

1.2 處理工藝流程

采用同向流沉淀池與疊片自清洗過濾器以及微纖線盒式過濾器進(jìn)行聯(lián)用。同向流沉淀池以重力分離的方式將SS濃度降低到適合疊片自清洗過濾器工作的范圍，然后利用疊片自清洗過濾器與微纖線盒式過濾器對水中SS進(jìn)行進(jìn)一步去除，最終達(dá)到回用水標(biāo)準(zhǔn)。具體工藝流程如圖1所示。

1.2.1 疊片自清洗過濾器

疊片自清洗過濾器過濾精度為55 μm，為全塑系統(tǒng)，具有優(yōu)良的抗化學(xué)腐蝕性、耐酸、耐堿、耐鹽、耐溶劑的能力。在過濾時(shí)，液體由外緣通過溝槽流向疊片內(nèi)緣，在疊片外緣或者疊片內(nèi)部溝槽內(nèi)所有通過溝槽跑到下游的雜質(zhì)顆粒都會受到18道以上的過濾，因此尤其適合長、短纖維的攔截。反沖洗只需7～20 s左右即可完成，對于黏性雜質(zhì)也可達(dá)到高效反沖。在過濾器模塊組套內(nèi)，反洗過程輪流交替進(jìn)行，各單元工作、反洗狀態(tài)之間自動切換，確保連續(xù)出水，系統(tǒng)壓力損失小。

1.2.2 微纖線盒式過濾器 (或簡稱微米過濾器)

采用的微纖線盒式過濾器是Amiad專利技術(shù)，中試測試了7 μm和20 μm精度。該種線盒采用聚酯纖維線，按螺紋狀纏繞在開鑿的塑料片上，繞線層即為過濾層。依靠繞線的松緊程度不同，來實(shí)現(xiàn)不同的過濾精度。大顆粒的物質(zhì)將被線盒的外表面攔截，小顆粒的物質(zhì)和膠體將被吸附在繞線層的內(nèi)表面。微纖線盒式過濾器采用PLC控制，當(dāng)達(dá)到設(shè)定的壓力差或者是設(shè)定的清洗時(shí)間時(shí)開始自清洗。這時(shí)進(jìn)出口閥關(guān)閉，同時(shí)泄水閥和排污閥打開。自帶的高壓泵將加壓后的水打入梭形管，高壓水經(jīng)過這個(gè)管子通過噴嘴撞擊到繞線過濾單元的表面。從噴嘴噴出來的高壓水穿過繞線層撞擊到塑料盒反射回來，反射回來的水將污泥顆粒從繞線過濾單元上沖下并一起流經(jīng)過濾器本體再通過排污閥排出。高壓噴淋水和反射回來的水聯(lián)合作用保證了過濾單元的100%清洗。與傳統(tǒng)的膜過濾不同，微纖線盒式過濾模式不存在通量的下降，由于采取高壓噴淋的清洗方式，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)在不添加化學(xué)藥劑的情況下的正常運(yùn)行和自清洗。

1.3 試驗(yàn)方法

SS濃度及濁度根據(jù)APHA標(biāo)準(zhǔn)方法測定［2］。顆 粒 粒 度 分 布 采 用 MASTERSIZER2000型激光粒度分析儀測定。

2 結(jié)果與討論

2.1 中試水量平衡計(jì)算

由于此次中試為三段組合工藝，在中試階段為了驗(yàn)證每段處理單元在不同進(jìn)水流量下的處理效果，在每個(gè)處理單元上均設(shè)置了溢流口。即保證下一級處理單元的處理量小于上一級處理單元，以滿足中試參數(shù)變動的安全需要。

2.1.1 同向流沉淀池水量平衡

為了確定同向流沉淀池的工作效率，分別試驗(yàn)了6、8和10 m3/h產(chǎn)水能力，觀測出水水質(zhì)變化情況。同向流沉淀池水量平衡見式 (1)。同向流沉淀池水量平衡圖見圖2。試驗(yàn)沒有設(shè)計(jì)自動排泥系統(tǒng)，排泥均系人工手動操作。在不同產(chǎn)水能力條件下，排泥操作的時(shí)間間隔和排泥時(shí)間是確定的。實(shí)際生產(chǎn)設(shè)備將設(shè)計(jì)自動排泥系統(tǒng)，自動排泥將根據(jù)來水水質(zhì)和自動檢測裝置確定排泥操作。按照10 m3/h設(shè)計(jì)，排廢水大約為16%，同向流產(chǎn)水率約為84%。

圖2 同向流沉淀池水量平衡圖

2.1.2 疊片自清洗過濾器水量平衡

同樣，疊片自清洗過濾器也試驗(yàn)了3種流量下的出水水質(zhì)。試驗(yàn)采用55 μm過濾精度，針對進(jìn)水SS濃度在30 mg/L左右，試驗(yàn)中每個(gè)處理單元的產(chǎn)水量為2.5～3.5 m3/h。根據(jù)試驗(yàn)情況，實(shí)際生產(chǎn)設(shè)備的疊片自清洗過濾器單個(gè)濾芯的處理流量為3 m3/h比較好，這樣能夠有效緩沖同向流沉淀池出水水質(zhì)的沖擊，而基本上保證下一級處理單元的進(jìn)水水質(zhì)，從而保證最后的出水水質(zhì)。疊片自清洗過濾器的水量平衡見式 (2)。疊片自清洗過濾器水量平衡圖見圖3。

Q2排是疊片自清洗過濾器的反沖洗排污量，反洗水量占處理水量的1%左右。這個(gè)比例根據(jù)來水SS的濃度而波動，也就是取決于同向流沉淀池的出水水質(zhì)。疊片平均產(chǎn)水率大約為99%。

圖3 疊片自清洗過濾器水量平衡圖

2.1.3 微纖線盒式過濾器水量平衡

此次中試的微纖線盒式過濾器為MT-3系列，內(nèi)含48片線盒。分別試驗(yàn)了7 μm和20 μm兩種過濾精度。由于7 μm線盒的水通量較低，而20 μm線盒的出水水質(zhì)較為穩(wěn)定且達(dá)到回用水預(yù)期的水質(zhì)要求，最終確定選擇20 μm線盒做重復(fù)性試驗(yàn)。其水量平衡見式 (3)，其水量平衡見圖4。微纖線盒式過濾器的產(chǎn)水量基本在2.1～2.6 m3/h之間波動，其出水水質(zhì)基本不受水量波動的影響。反洗耗水率約為2%，產(chǎn)水率為98%。

在實(shí)際生產(chǎn)中，通常會采用含有3640片線盒的微纖線盒式過濾器MTG。此次中試中MT-3樣機(jī)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)將對MTG整機(jī)的生產(chǎn)運(yùn)行具有很好的指導(dǎo)意義。

圖4 微纖線盒式過濾器水量平衡圖

2.1.4 總體水量平衡

由式 (1)～式 (3)可推算出，中試中的水量平衡關(guān)系式如式 (4)所示。在實(shí)際生產(chǎn)中，各處理單元除特殊情況均無溢流水，也就是說總進(jìn)出水量關(guān)系如式 (5)所示。其中微纖線盒式過濾器數(shù)據(jù)為20 μm精度的數(shù)據(jù)值。

實(shí)際生產(chǎn)中的各段產(chǎn)水率及總產(chǎn)水率計(jì)算如式(6)～式 (9)所示。

式中，η總為總產(chǎn)水率;η1為同向流沉淀池產(chǎn)水率;η2為疊片自清洗過濾器產(chǎn)水率;η3為微纖線盒式過濾器產(chǎn)水率。

根據(jù)該紙廠白水回用中試數(shù)據(jù)計(jì)算得出，η1=84%，η2=99%，η3=98%。因此系統(tǒng)總產(chǎn)水率約為80%。事實(shí)上，疊片自清洗過濾器以及微纖線盒式過濾器在此流程中排污量非常低。

2.2 中試處理結(jié)果分析

2.2.1 SS檢測結(jié)果分析

如圖5所示，同向流沉淀池出水SS濃度通常穩(wěn)定在20～40 mg/L之間，偶爾會超過100 mg/L。疊片過濾器出水SS濃度通常在5～15 mg/L之間，偶爾會超過30 mg/L。這樣的結(jié)果，基本達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)期的效果。在試驗(yàn)初期，同向流沉淀池停留時(shí)間較長，出水SS濃度接近5 mg/L，此后同向流沉淀池水力停留時(shí)間維持在45～60 min，出水SS濃度均值為25 mg/L。此后，試驗(yàn)進(jìn)行到第14天，同向流沉淀池出水SS濃度突然提高到100 mg/L以上，這是因?yàn)橥蛄鞒恋沓匕卜旁谑彝?，天氣突然轉(zhuǎn)冷的情況下，排泥軟管被凍住，在無法排泥的情況下，同向流沉淀池出現(xiàn)沉淀異常，造成出水水質(zhì)變差。隨著排泥軟管解凍，排泥恢復(fù)正常，同向流沉淀池出水SS濃度含量顯著降低。

圖5 各處理單元出水SS濃度對比

疊片自清洗過濾器作為第二級過濾單元，起到承上啟下的作用，對微纖線盒式過濾器進(jìn)行保護(hù)。從圖5中可知，疊片自清洗過濾器可有效地將SS濃度降低至10 mg/L左右，降低了SS濃度對微纖線盒式過濾器的沖擊。即使在同向流沉淀池因結(jié)冰異常時(shí)出水SS濃度高于100 mg/L的情況下，也能保證疊片過濾器出水SS濃度在10 mg/L左右。因此疊片自清洗過濾器以其運(yùn)行穩(wěn)定性在該套工藝中起到重要的作用。

微纖線盒式過濾器作為該套工藝的最后一環(huán)起到嚴(yán)格的把關(guān)作用，出水SS濃度始終低于5 mg/L，完全滿足冷卻循環(huán)水回用的要求。在此次中試中，分別采用了7 μm和20 μm過濾精度的微纖線盒式過濾器進(jìn)行了試驗(yàn)。并對不同處理量、不同進(jìn)水濃度下微纖線盒式過濾器的出水效果、反洗頻率進(jìn)行了深入的研究，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

由表1可知，中試對不同的進(jìn)水水質(zhì)、處理量下微纖線盒式過濾器的性能進(jìn)行了測試?？梢园l(fā)現(xiàn)，進(jìn)水濃度越高、處理量越大，反洗時(shí)間間隔越短，最終可通過樣機(jī)過濾單元的數(shù)量換算出整機(jī)的處理能力。

表1 不同工況下微纖線盒式過濾器運(yùn)行參數(shù)

2.2.2 濁度分析

試驗(yàn)過程中同時(shí)檢測了各處理單元的出水濁度，結(jié)果見圖6。同向流沉淀池和疊片自清洗過濾器的出水濁度波動范圍都比較大。而20 μm的微纖線盒式過濾器的出水濁度基本在10 NTU以下。與前面的SS濃度結(jié)果類似，微纖線盒式過濾器的出水濁度也比較穩(wěn)定，這樣就能夠保證回用水的水質(zhì)。

圖6 各處理單元出水濁度對比

2.3 疊片自清洗過濾器使用效果

經(jīng)過前期調(diào)試，考慮到反洗周期和出水效果，最終將試驗(yàn)裝置的水通量穩(wěn)定在7 m3/h。在水通量穩(wěn)定的條件下，反洗間隔基本都在1 h左右，出水的水質(zhì)基本穩(wěn)定。在偶爾同向流沉淀池由于管道凍結(jié)、出水水質(zhì)急劇惡化的情況下，疊片出水的懸浮物的增長幅度也遠(yuǎn)小于同向流的出水懸浮物增長幅度。這說明在疊片進(jìn)水懸浮物含量波動的情況下，出水的水質(zhì)還是能夠維持相對的穩(wěn)定，滿足微纖線盒式過濾器的進(jìn)水水質(zhì)要求。這是因?yàn)榀B片自清洗過濾器具備:①深層過濾方式，對纖維的攔截效果好;②疊片彈簧壓緊的自鎖形式，保證在壓差增加的情況下也不會出現(xiàn)漏濾現(xiàn)象。

然而濁度的結(jié)果表明，疊片進(jìn)水濁度大幅度增加時(shí)，出水的濁度增加幅度也比較大?？赡艿脑蚴菓腋∥镏泻芯?xì)的鈦白粉顆粒，由于其粒度太小，當(dāng)過濾壓差增加時(shí)，原先攔截于疊片縫隙中的部分鈦白粉顆?？赡苄孤┏鋈?，從而引起濁度增長幅度較大。

同時(shí)，通過觀察整個(gè)過程中的反沖洗情況發(fā)現(xiàn)，每次反沖洗之后疊片過濾器中疊片的顏色基本能夠恢復(fù)到正常的顏色。連續(xù)運(yùn)行5天之后，出現(xiàn)了疊片清洗不徹底的情況，然后采用人工簡單沖洗就能恢復(fù)到原來的顏色。主要原因是:①試驗(yàn)采用的是本源反沖洗模式，盡管能夠獲得較好的反沖洗效果，但是還不是很徹底，所以實(shí)際生產(chǎn)中建議采取外源反沖洗模式，可以采用微纖線盒式過濾器的出水或者疊片自身的出水，經(jīng)過單獨(dú)的反沖洗泵增壓后反洗;②來水中由于含有造紙助劑，如PAC，PAC會在疊片的溝槽內(nèi)黏附，導(dǎo)致反沖洗不徹底。為了解決這個(gè)問題，實(shí)際生產(chǎn)中建議定期在反沖洗水中加少量的酸來增強(qiáng)反沖洗效果。而且添加少量的酸，對回用于真空泵冷卻會減輕結(jié)垢的風(fēng)險(xiǎn)。

資金在使用上產(chǎn)生的影響是非常主要的一個(gè)影響因素，這也屬于資金在進(jìn)行使用上存在的問題，在對危房改造過程中表現(xiàn)得尤為明顯。

由以上分析可以看出:①疊片自清洗過濾器的過濾效率是穩(wěn)定的;②疊片自清洗過濾器的出水水質(zhì)基本穩(wěn)定;③反沖洗效果可以通過改用外源反沖洗的方式進(jìn)一步提高。同時(shí)定期加酸進(jìn)行徹底清洗，這在國外類似的應(yīng)用中已經(jīng)成功運(yùn)用。

2.4 微纖線盒式過濾器使用效果

微纖線盒式過濾器本身具有2 μm、3 μm、7 μm、10 μm和20 μm多級過濾精度，隨著過濾精度的降低，相應(yīng)的過流量明顯提高。此次中試分別采用了7 μm和20 μm過濾精度的微纖線盒式過濾器進(jìn)行中試試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，選用20 μm過濾精度的微纖線盒式過濾器可滿足出水水質(zhì)要求，即出水SS濃度≤10 mg/L;濁度≤20 NTU。由試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，在相同反洗頻率下，選用20 μm過濾精度比選用7 μm過濾精度的過流量大1倍以上，因此更符合紙廠生產(chǎn)需要。

20 μm過濾精度的微纖線盒式過濾器出水，從表觀上看無懸浮物，水質(zhì)清澈。根據(jù)監(jiān)測結(jié)果發(fā)現(xiàn)，除極個(gè)別取樣SS濃度接近10 mg/L外，出水SS濃度基本在0.5～3.8 mg/L的范圍，遠(yuǎn)優(yōu)于中試設(shè)定的出水指標(biāo)。同樣，出水濁度除極個(gè)別取樣在20 NTU左右外，出水濁度也基本在6～12 NTU之間，優(yōu)于設(shè)定出水指標(biāo)。

3 可行性分析

造紙白水經(jīng)處理后作為真空泵循環(huán)用水回用，根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)，水中SS濃度應(yīng)小于5 mg/L，而此次中試的最終出水SS濃度在0.5～3.8 mg/L之間，完全滿足回用標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)，該工藝出水中微量的SS，根據(jù)推斷應(yīng)以鈦白粉為主，將含少量鈦白粉的處理水用于紙機(jī)噴淋，同樣可以實(shí)現(xiàn)回用后的三不影響，即產(chǎn)品質(zhì)量不受影響、設(shè)備不受影響、操作環(huán)境不受影響。

同時(shí)，該套系統(tǒng)的產(chǎn)水率在80%左右，在造紙系統(tǒng)白水的封閉循環(huán)中，回用水中將補(bǔ)充20%的清水以達(dá)到水量平衡。為保證產(chǎn)品質(zhì)量、設(shè)備及操作環(huán)境不受影響也需要對系統(tǒng)進(jìn)行少量的清水補(bǔ)充。因此該套系統(tǒng)的產(chǎn)水率完全可以接受。

由于該紙廠目前真空泵循環(huán)以及噴淋水均采用清水，在實(shí)現(xiàn)白水回用后經(jīng)濟(jì)效益將非常明顯。保守估計(jì)，以100 m3/h的水量取代清水進(jìn)行回用，按當(dāng)?shù)毓I(yè)用水9.5元/t計(jì)算，則一年節(jié)約清水費(fèi)用約為830萬元，設(shè)備投資回收期僅為一個(gè)季度。從中可以發(fā)現(xiàn)，采取該工藝投資回報(bào)期短，具備極強(qiáng)的經(jīng)濟(jì)可行性。

4 后期工作

在生產(chǎn)應(yīng)用中，最終將采用多圓盤過濾器+疊片自清洗過濾器+微纖線盒式過濾器三級聯(lián)用的處理方法，達(dá)到回收紙漿并將處理后白水直接回用的目的。當(dāng)然，處理后的白水也可用作高壓噴淋水，在這種回用模式下，回用水對紙張質(zhì)量的長期影響需后期繼續(xù)跟蹤研究。

［1］ May A Massoud，Akram Tarhini，Joumana A Nasr．Decentralized approaches to wastewater treatment and management:applicability in developing countries［J］．J．Environ．Manage．，2009，90(1):652．

［2］ APHA．Standard methods for the examination of water and wastewater［M］．20th edition．Washington，D．C．:American Public Health Association，1998．CPP

A New Advanced Treatment Process of White Water

SUN Lei1，*YUAN Xin-yan2
(1．Yixing Taixing Environtec．Co．，Ltd．，Yixing，Jiangsu Province，214204;2．Shanghai Advanced Research Institute，Chinese Academy of Sciences，Shanghai，201203)

Decentralized white water advanced treatment and recycle on the spot of paper mill can realize energy saving and reducing investment．The pilot trial adopted parallel flow sedimentation tank to simulate multi-disc filter，its effluent further passed through the Arkal disc filter and Amiad Microfiber filter(MT)to implement advanced treatment．The SS in the final effluent could maintain less than 5 mg/L and meet the supplementary water requirment of recycled cooling water．Meanwhile，water production rate of Arkal disc and MT could reach 99%and 98%respectively．in automatic filter working process，no chemical were added．This treatment process is regarded as novel white water advanced purification technology．

white water;disc self-cleaning filter;microfiber filter

X793

B

0254-508X(2012)03-0049-05

孫 磊先生，博士;主要研究方向:過濾系統(tǒng)的優(yōu)化和升級。

(*E-mail:lei@taixing．cc)

2011-08-31(修改稿)

(責(zé)任編輯:郭彩云)