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通過改變廢水系統(tǒng)的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)降低廢水處理成本

許多造紙廠為了在目前經(jīng)濟(jì)下行的逆境中求生存，嘗試改進(jìn)和擴(kuò)大其產(chǎn)品生產(chǎn)線，導(dǎo)致其產(chǎn)生了更多的廢水，并增加了處理這些廢水所需的化學(xué)品用量。如果不對(duì)廢水系統(tǒng)認(rèn)真管理和周密規(guī)劃，這些廢水的排放可能達(dá)不到日益嚴(yán)格的環(huán)保要求。該文討論了生物降解在處理廢水中的重要性以及微生物和合理的營(yíng)養(yǎng)系統(tǒng)對(duì)有效管理細(xì)菌生態(tài)系統(tǒng)的重要作用，并通過3家紙廠的案例研究，表明了廢水生物降解中不同營(yíng)養(yǎng)管理方式的有效性。

眾所周知，制漿造紙工業(yè)是用水密集型行業(yè)，其取水量（生產(chǎn)1 t紙需要60 m3的水）在行業(yè)用水中排名第3。未經(jīng)處理的紙廠廢水富含難分解的化合物，會(huì)給環(huán)境帶來污染。紙廠廢水中有250種以上的化學(xué)品，包括樹脂酸和固醇類有害物質(zhì)。

造紙廠的廢水一般會(huì)先經(jīng)過機(jī)械處理工藝，然后采用生物或化學(xué)處理方法。根據(jù)廢水特性的不同制定了一些排放標(biāo)準(zhǔn)，如：生物需氧量（BOD）指的是微生物分解一定體積廢水中有機(jī)物質(zhì)所消耗的溶解氧的數(shù)量；化學(xué)需氧量（COD）指的是間接測(cè)量水中需要被氧化的還原性物質(zhì)的量；總懸浮固體（TSS）；總含氮量以及總含磷量。其他測(cè)試指標(biāo)包括混合液懸浮固體顆粒（MLSS），指的是活性污泥處理過程中曝氣池中懸浮顆粒的濃度；以及平均SV30（測(cè)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為食物促進(jìn)某些天然微生物（如細(xì)菌、真菌、藻類和酶）生長(zhǎng)的過程。在合適的條件下，微生物消耗、消化掉污染物，并將其轉(zhuǎn)化為少量的水和無害氣體，如二氧化碳和甲烷（根據(jù)過程而定）。

與其他過程相比，生物降解是廢水處理中一種可降低廢水中BOD和COD含量的既經(jīng)濟(jì)又環(huán)保的方法。最受紙漿廠歡迎的生物處理方法有活化淤泥法、厭氧池法、穩(wěn)定塘法和其他改良方法。

2　廢水微生物和營(yíng)養(yǎng)

微生物在地球上無處不在，制漿造紙廢水中也不例外。對(duì)微生物而言，要想完全有效地發(fā)揮它們的生物分解作用，紙廠操作人員就有必要為微生物創(chuàng)造一個(gè)穩(wěn)定的生態(tài)系統(tǒng)并密切監(jiān)視。這種生態(tài)系統(tǒng)的關(guān)鍵在于提供所需的大量營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)（氮、磷、硫、鉀等），微量營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)（鋅、錳、鉬等）和碳源，以保證微生物的存活、復(fù)制、消化和處理廢物的功能。

每一種維生素和礦物質(zhì)都是微生物生長(zhǎng)和新陳代謝的必需品，都有其獨(dú)特的功能。大多數(shù)的紙廠往往對(duì)此認(rèn)識(shí)不足，其廢水運(yùn)行系統(tǒng)主要營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)經(jīng)常不足而導(dǎo)致廢水系統(tǒng)運(yùn)行狀況不穩(wěn)定或有缺陷。

忽視廢水系統(tǒng)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)不平衡的后果非常嚴(yán)重。廢水系統(tǒng)缺乏營(yíng)養(yǎng)的信號(hào)包括淤泥膨脹、產(chǎn)生氣泡、穩(wěn)定性差、懸浮固體移除效率低、味道大、淤泥過多以及BOD或COD移除效率低等。舉例來說，多數(shù)起泡和淤泥膨脹問題是過量絲狀細(xì)菌導(dǎo)致的，這些絲狀細(xì)菌在缺乏營(yíng)養(yǎng)的環(huán)境中可以快速繁殖，降低系統(tǒng)的穩(wěn)定性；因此，明白提供微生物可利用的營(yíng)養(yǎng)元素可以改善運(yùn)行過程并降低化學(xué)品的總需求量，這一點(diǎn)非常重要，不僅有利于微生物的健康生長(zhǎng)，并帶來更加穩(wěn)定有效的廢水處理系統(tǒng)。

廢水處理系統(tǒng)的更加穩(wěn)定也為更高級(jí)別的微生物帶來可能，如變形蟲、纖毛蟲、輪蟲等。這些更高的生命形式主要以松散菌細(xì)胞為食，對(duì)廢水的有效處理必不可少。缺乏這些更高形式的生命會(huì)產(chǎn)生淤泥，并暗示廢水有毒或缺乏需要的營(yíng)養(yǎng)元素，將導(dǎo)致廢水系統(tǒng)處理功能喪失并帶來更高的處理成本。

3　案例研究

以下介紹3家中國(guó)造紙廠的生物降解過程中使用了一種特殊的益生菌配方溶液的案例研究。益生菌產(chǎn)品包括工業(yè)級(jí)白色的Super Phos（SP），它是使用獲得專利的微碳技術(shù)（Micro Carbon Technology，MCT）混合磷酸和磷酸氫銨鹽得到，MCT可以將柔軟的腐殖材料轉(zhuǎn)化為非常小且富含氧的碳分子。微碳技術(shù)之后得到的微碳分子的相對(duì)分子質(zhì)量很小，比表面積很大，且陽(yáng)離子交換能力強(qiáng)，是一種超高效的載體，可以容易地將生物可利用的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)轉(zhuǎn)化為微生物。

3.1案例1

這家紙廠日處理廢水30 000 m3，一般在其活化的淤泥污水處理系統(tǒng)中使用純度85%工業(yè)級(jí)磷酸作為磷源。首先使用小型試驗(yàn)判斷少量的SP是否可以取代紙廠現(xiàn)有的磷源。試驗(yàn)使用5 L的反應(yīng)槽，在1號(hào)澄清器入口取廢水3.58 L，以及返回的活化淤泥（Returned Activated Sludge，RAS）1.42 L。反應(yīng)槽使用曝氣泵使溶解氧保持在2 mg/L。每次試驗(yàn)持續(xù)7天，每天取2次樣本進(jìn)行測(cè)試并取平均值。

分析每個(gè)樣本的COD、溶解氧濃度和總含磷量。2個(gè)試驗(yàn)使用SP取代磷酸源的比例分別為1∶4和1∶5，同時(shí)使用現(xiàn)有的磷酸源開展對(duì)比試驗(yàn)。

通過比較1號(hào)澄清器入口廢水的COD和對(duì)比試驗(yàn)廢水的COD以及2次試驗(yàn)的最終試驗(yàn)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)加入2種不同比例SP的廢水中的COD水平與對(duì)比試驗(yàn)區(qū)別不大，見表1。

表1　1號(hào)澄清器入口廢水COD與測(cè)試日每天廢水平均COD的比較

總含硫量與1號(hào)澄清器入口的廢水、對(duì)比試驗(yàn)的廢水和2次試驗(yàn)的廢水相近，官方標(biāo)準(zhǔn)為0.5 mg/L，見表2。

表2　廢水的總含硫量

由表2可見，當(dāng)SP用量為1∶4時(shí)，總含硫量值雖然略高于1號(hào)澄清器入口的廢水，卻也低于標(biāo)準(zhǔn)值。SP比例為1∶5時(shí)，總含硫量比1號(hào)澄清器入口的廢水還要低。

3.2案例2

該紙廠的漿年產(chǎn)量為180萬t，紙年產(chǎn)量為310 萬t，其廢水系統(tǒng)包括4條平行的序批式反應(yīng)器，后面緊跟著日處理量50 000 m3的曝氣系統(tǒng)，其出水指標(biāo)達(dá)到了當(dāng)?shù)睾蛧?guó)家的廢水排放要求。

試驗(yàn)選擇了3號(hào)和4號(hào)反應(yīng)器，1號(hào)和2號(hào)反應(yīng)器保持正常工作。3號(hào)反應(yīng)器使用SP取代常規(guī)的液體磷酸，4號(hào)反應(yīng)器作為對(duì)比試驗(yàn)。試驗(yàn)維持7天以上。

在這次試驗(yàn)中，前3天SP以遞增的比例逐漸取代常規(guī)磷酸直到1∶4，從而將給3號(hào)反應(yīng)器帶來的負(fù)面影響最小化，避免擾亂系統(tǒng)和使用過量。

監(jiān)測(cè)2個(gè)反應(yīng)器中的COD移除率，同時(shí)測(cè)量平均懸浮固體顆粒和平均SV30，用來評(píng)估SP的使用效率。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，3號(hào)和4號(hào)反應(yīng)器中的3個(gè)測(cè)量指標(biāo)值都相近，3號(hào)反應(yīng)器中COD的移除率要高出3百分點(diǎn)，見表3。

表3 3號(hào)和4號(hào)反應(yīng)器的COD的移除率

3.3案例3

該紙廠現(xiàn)有的廢水處理系統(tǒng)每天使用600 kg磷酸氫二胺作為磷源來保持廢水處理中合適的微生物數(shù)量，廢水COD為200 mg/L。該廠的目標(biāo)是在保持處理效率不變的前提下降低廢水處理成本。于是該紙廠使用75 kg/d的SP取代600 kg/d的磷酸氫二胺。這就大大降低了所需化學(xué)品的存貯空間，減少了移動(dòng)和制備化學(xué)品的勞動(dòng)力成本。另外，使用SP使其化學(xué)品成本降低了至少17%，而處理效率并沒有降低，廢水COD仍然為200 mg/L，且微生物更加活躍，生長(zhǎng)率也更快。

3個(gè)樣品的對(duì)比試驗(yàn)以及2次試驗(yàn)的樣本均在100倍的放大倍率下觀察均發(fā)現(xiàn)了更高的生命形式（輪蟲、桿狀菌和游泳型纖毛蟲），表明3個(gè)樣品都有著健康的微生物群，外觀上也沒有變化。

4　結(jié)論

與紙廠的其他系統(tǒng)比較，廢水處理系統(tǒng)引起的關(guān)注尚不夠。通過維持健康的微生物群，紙廠要確保廢水處理系統(tǒng)是在最佳狀態(tài)下。生物可利用的磷對(duì)建立和維持一個(gè)穩(wěn)定的微生物群必不可少，使用微碳技術(shù)得到的SP磷源不僅能改善系統(tǒng)性能，大大降低所用磷的體積和廢水中的磷含量，并在保持系統(tǒng)運(yùn)行有效性的前提下降低了成本。

（胡偉婷編譯）