王少艮 張會敏

(1.博天環(huán)境集團(tuán)股份有限公司，北京，100082;2.北京普世圣華科技有限公司，北京，100082)

1 造紙廢水處理的特點(diǎn)

隨著造紙工業(yè)的迅速發(fā)展，造紙廢水已成為重要污染源之一。據(jù)中國造紙協(xié)會調(diào)查資料，2011年全國紙及紙板生產(chǎn)企業(yè)有3500多家，造紙工業(yè)2010年廢水排放量為39.37億m3，占全國工業(yè)廢水總排放量的18.58%，排放廢水中化學(xué)需氧量 (CODCr)為95.2萬t，占全國工業(yè) CODCr總排放量的26.04%［1-2］。

造紙廢水排放量大、可生化性差、色度高、懸浮物含量大、成分復(fù)雜、難降解有機(jī)污染物濃度高，特別是含有木素、纖維素、半纖維素、單糖等，易造成嚴(yán)重污染，是難處理的高濃度有機(jī)廢水之一。

常見的造紙廢水處理方法主要有物理法、物理化學(xué)法、生化法等。隨著造紙行業(yè)污染物排放新標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施，諸多制漿造紙廢水處理和深度處理技術(shù)經(jīng)過了不斷的發(fā)展和工程實(shí)踐［3］，這些技術(shù)主要包括:混凝技術(shù)、吸附、膜分離、生化技術(shù) (厭氧生化，好氧生化)、電化學(xué)、高級氧化技術(shù)和組合技術(shù)等［4-5］。但總的來說，這些技術(shù)或處于研究階段，或成本太高，實(shí)際應(yīng)用的少。

目前廢水處理的方法中，生物處理是最為經(jīng)濟(jì)有效且必要的處理程序。生物處理主要分為好氧及厭氧兩大類別，就普及性、方便性及穩(wěn)定性而言，好氧處理占80%以上。好氧處理最關(guān)鍵的因素在于如何充分有效地將空氣中的氧氣轉(zhuǎn)移到水中，供給微生物分解污染物質(zhì)，以及如何產(chǎn)生良好且完全混合的攪拌，以避免污泥沉積。因此，曝氣設(shè)備的選擇，在生物處理領(lǐng)域起著至關(guān)重要的作用。

2 曝氣器的使用現(xiàn)狀

曝氣系統(tǒng)是生物處理系統(tǒng)的重要組成部分。常用曝氣設(shè)備主要包括鼓風(fēng)曝氣、射流曝氣和機(jī)械曝氣，詳見圖1所示。

在曝氣方式的選擇上，需要結(jié)合造紙廢水的特點(diǎn)慎重選擇。

圖1 曝氣設(shè)備分類

2.1 鼓風(fēng)曝氣

鼓風(fēng)曝氣是目前國內(nèi)最主流的曝氣方式，也是廢水處理廠諸多工藝中應(yīng)用最多、最成熟的曝氣工藝。由鼓風(fēng)機(jī)、空氣擴(kuò)散裝置和一系列連通的管道組成。理論上講，氣泡越小，氣液接觸面積越大，氧利用率越高，所以目前微孔曝氣器是最常用的鼓風(fēng)曝氣方式之一，但是在高濃度、高懸浮物、高硬度或者易結(jié)垢的廢水中，微孔曝氣器極易堵塞，造成維護(hù)和設(shè)備更換頻繁，增加了廢水處理運(yùn)行成本，甚至影響廢水處理廠的正常運(yùn)行。

孫英合等人［6］根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)指出:來自風(fēng)機(jī)的油污、廢水中的油脂、水中碳酸鹽垢、生物垢、管道銹蝕物等均會造成微孔曝氣器的堵塞。曝氣器一旦堵塞，必須進(jìn)行逐個清洗或更換。所以微孔曝氣保證使用期限較短，一般為2～3a［7］，膜易老化且易堵塞，運(yùn)行維護(hù)多有不便，且微孔出氣導(dǎo)致氣體阻力增加，要求鼓風(fēng)機(jī)壓力較高。

2.2 射流曝氣

射流式水下曝氣機(jī)，因其劇烈的混摻效果，氧利用率高，但壓力損失大，能耗較高，水和空氣混合后向單方向曝氣，這樣易造成廢水池中溶解氧不均勻。實(shí)際運(yùn)行中，射流曝氣水深范圍通常在6～10 m。水太淺，射流曝氣的動力效率和氧利用率沒有優(yōu)勢;水太深，雖然可以節(jié)省占地，但是土建造價將上升［7］。

近年來供氣式射流曝氣器在化工和造紙領(lǐng)域有了較多應(yīng)用，特別是在序列間歇式活性污泥法 (SBR)工藝中，射流曝氣器配套鼓風(fēng)機(jī)和循環(huán)泵［8］。鼓風(fēng)機(jī)與循環(huán)泵同時開啟，具有充氧和攪拌功能;關(guān)閉鼓風(fēng)機(jī)開啟循環(huán)泵，則具有攪拌功能，適合于SBR工藝的硝化階段。該曝氣器具有不易堵塞，服務(wù)面積大，使用壽命長等優(yōu)勢，但是循環(huán)水泵功耗較高也是影響系統(tǒng)運(yùn)行成本的一個重要因素。

2.3 機(jī)械曝氣

機(jī)械曝氣設(shè)備曝氣池深度有限、占地面積較大，另外水體的湍流程度不夠，進(jìn)入水體的氣泡體積很大，雖然污泥處于懸浮流動狀態(tài)，但是微觀氣泡分布不均勻。另外設(shè)備體積龐大，輸入電能中相當(dāng)一部分消耗在機(jī)器自身的運(yùn)轉(zhuǎn)中，而且運(yùn)行時產(chǎn)生較多的水霧和飛沫，易造成二次污染。

2.4 綜合比較

各種曝氣設(shè)備各有其優(yōu)勢和不足，都有其最佳應(yīng)用領(lǐng)域。在造紙廢水處理中，尋找一種構(gòu)造簡單、不易堵塞、氧的轉(zhuǎn)移系數(shù)和利用率高、耗電省的高效曝氣設(shè)備，直接關(guān)系到廢水處理工程的投資和運(yùn)行成本、能耗、維修成本及水處理效果等［9］，因而需要慎重選擇。

王玉慧等人［10］結(jié)合造紙廢水處理工程經(jīng)驗(yàn)實(shí)例指出，在造紙工程曝氣系統(tǒng)中不建議采用表面曝氣類系統(tǒng)，因?yàn)槠涑溲跣实?，極易產(chǎn)生泡沫。其次，造紙廢水懸浮物濃度高，特別是細(xì)小纖維含量高。根據(jù)目前國內(nèi)幾個造紙廢水處理站曝氣池的運(yùn)行情況看，確有因單純追求高充氧率而采用固定式安裝的微孔曝氣器，結(jié)果運(yùn)行一段時間后，個別曝氣器孔堵塞或破裂，致使池內(nèi)曝氣不均勻，出水水質(zhì)不達(dá)標(biāo)，且檢修困難。

劉俊超［8］在總結(jié)用SBR處理造紙廢水時指出，出口孔徑5 mm的玻璃鋼射流曝氣器，降低了堵塞和腐蝕的機(jī)會，大大減少了維護(hù)工作量，但因?yàn)樵黾恿搜h(huán)泵，從而提高了系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用。

旋流曝氣器是一種新型的水力剪切型曝氣器，屬于大孔通道，最小孔徑大于10 mm，但配合旋混結(jié)構(gòu)，氧利用率高于20%，因而該曝氣器具有服務(wù)面積大、阻力小、運(yùn)行穩(wěn)定可靠、不易堵塞、使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)。與微孔曝氣相比，使用壽命長，不怕堵塞和結(jié)垢;與射流曝氣相比，省去了循環(huán)泵的投資和運(yùn)行成本，因而非常適用于高懸浮物的造紙廢水處理系統(tǒng)。

3 旋流曝氣器

旋流曝氣器包括進(jìn)氣管、帶螺旋葉片的螺旋器、及內(nèi)部具有通道的曝氣筒體，筒體上部交錯排布著蘑菇頭狀第一切割器和第二切割器。旋流曝氣器采用工程塑料 (ABS)注塑成型，安裝方便，防腐能力強(qiáng)。

工作時，位于旋流曝氣器底部的空氣入口，在曝氣時氣流以很高的速度上升，帶動周圍的泥水混合物一起上升，經(jīng)過螺旋器、第一切割器、第二切割器的層層分割，氣泡被切割為小氣泡，且與周圍的泥水混合物充分混合，增加了氧氣的傳質(zhì)速率和氧利用率。

與其他曝氣設(shè)備相比，RF型旋流曝氣器 (見圖2)具有以下幾個顯著優(yōu)勢:

圖2 RF型旋流曝氣器結(jié)構(gòu)及外形

(1)適用范圍廣?？捎糜谑姓⒐I(yè)等各種廢水，特別適用于造紙、化工、石油、煤炭類行業(yè)。

(2)氧轉(zhuǎn)移效率高?？諝夂退欤啻畏鬯?、切割混合，在水深4.5～6.0 m時，氧利用率可達(dá)20% ～25%。

(3)服務(wù)面積大。曝氣器筒體屬大孔通道，再配合旋混結(jié)構(gòu)，服務(wù)面積可達(dá)5～7 m2/個，在相同工況下，使用數(shù)量較微孔曝氣盤片可節(jié)省90%以上。

(4)整體注塑，一次成型，堅固耐用，使用壽命可達(dá)10年以上。

(5)運(yùn)行成本低。

(6)大孔通道曝氣器，無堵塞，可間歇運(yùn)行。

(7)運(yùn)行時產(chǎn)生強(qiáng)大攪動，水流強(qiáng)力循環(huán)遍布水池，池底無淤泥堆積。

4 經(jīng)濟(jì)技術(shù)性能對比分析

在造紙廢水處理工程運(yùn)行和實(shí)踐過程中，很多項(xiàng)目因原設(shè)計微孔曝氣系統(tǒng)無法使用而更換為旋流曝氣器。其中重慶某造紙廠，主要從事化學(xué)漿的生產(chǎn)和經(jīng)營，廢水產(chǎn)生量 10000 m3/d，進(jìn) 水 CODCr為1500 mg/L，可生化性差。要求處理后達(dá)到回用水標(biāo)準(zhǔn)，采用了混凝沉淀+化學(xué)氧化+活性污泥法工藝。其中曝氣池尺寸為38.0 m×22.0 m ×9.0 m，有效水深8 m。以該項(xiàng)目為例對微孔曝氣、旋流曝氣和供氣式射流曝氣進(jìn)行經(jīng)濟(jì)技術(shù)性能對比分析，對比結(jié)果見表1。

5 工程應(yīng)用實(shí)例

經(jīng)過了慎重對比分析和考察，該項(xiàng)目最終選擇了旋流曝氣器，自2006年運(yùn)行以來，設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定，無需檢修，曝氣效果穩(wěn)定，在保持穩(wěn)定的溶解氧和生化系統(tǒng)運(yùn)行效果的情況下，無需調(diào)高風(fēng)量，也未發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)能耗升高現(xiàn)象，因而可以確定其氧利用率和壓力損失一直保持在穩(wěn)定狀態(tài)。

2011年該廠的另外一個造紙廢水處理場也將原有曝氣器改為旋流曝氣器。圖3和圖4為該項(xiàng)目改造現(xiàn)場及曝氣效果圖。

目前，該曝氣器已經(jīng)成功應(yīng)用于多個造紙廢水處理工程，項(xiàng)目一直運(yùn)行良好，曝氣器免維護(hù)，水質(zhì)處理效果良好。

6 結(jié)語

在造紙廢水處理系統(tǒng)中，曝氣設(shè)備的選擇是系統(tǒng)的核心，它直接影響到系統(tǒng)的運(yùn)行成本和處理效果。旋流曝氣器集空氣和水旋混、多次粉碎、切割于一體，充分利用了動能，不需額外增加攪拌動力，攪拌性能好，產(chǎn)生的氣泡均勻，氧利用率高。不僅繼承了傳統(tǒng)水力剪切型曝氣器不宜堵塞的優(yōu)點(diǎn)，而且克服了微孔曝氣、射流曝氣和機(jī)械曝氣設(shè)備在造紙工業(yè)應(yīng)用中的不足，是非常適合于造紙廢水特征的一款新型高效曝氣設(shè)備，具有服務(wù)面積大、阻力小、運(yùn)行穩(wěn)定可靠、不易堵塞、使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)。

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