通過改變廢水系統的營養物質降低廢水處理成本

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通過改變廢水系統的營養物質降低廢水處理成本

許多造紙廠為了在目前經濟下行的逆境中求生存，嘗試改進和擴大其產品生產線，導致其產生了更多的廢水，并增加了處理這些廢水所需的化學品用量。如果不對廢水系統認真管理和周密規劃，這些廢水的排放可能達不到日益嚴格的環保要求。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養系統對有效管理細菌生態系統的重要作用，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養管理方式的有效性。

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

造紙廠的廢水一般會先經過機械處理工藝，然后采用生物或化學處理方法。根據廢水特性的不同制定了一些排放標準，如：生物需氧量（BOD）指的是微生物分解一定體積廢水中有機物質所消耗的溶解氧的數量；化學需氧量（COD）指的是間接測量水中需要被氧化的還原性物質的量；總懸浮固體（TSS）；總含氮量以及總含磷量。其他測試指標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某些天然微生物（如細菌、真菌、藻類和酶）生長的過程。在合適的條件下，微生物消耗、消化掉污染物，并將其轉化為少量的水和無害氣體，如二氧化碳和甲烷（根據過程而定）。

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含量的既經濟又環保的方法。最受紙漿廠歡迎的生物處理方法有活化淤泥法、厭氧池法、穩定塘法和其他改良方法。

2　廢水微生物和營養

微生物在地球上無處不在，制漿造紙廢水中也不例外。對微生物而言，要想完全有效地發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造一個穩定的生態系統并密切監視。這種生態系統的關鍵在于提供所需的大量營養物質（氮、磷、硫、鉀等），微量營養物質（鋅、錳、鉬等）和碳源，以保證微生物的存活、復制、消化和處理廢物的功能。

每一種維生素和礦物質都是微生物生長和新陳代謝的必需品，都有其獨特的功能。大多數的紙廠往往對此認識不足，其廢水運行系統主要營養物質經常不足而導致廢水系統運行狀況不穩定或有缺陷。

忽視廢水系統營養物質不平衡的后果非常嚴重。廢水系統缺乏營養的信號包括淤泥膨脹、產生氣泡、穩定性差、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，多數起泡和淤泥膨脹問題是過量絲狀細菌導致的，這些絲狀細菌在缺乏營養的環境中可以快速繁殖，降低系統的穩定性；因此，明白提供微生物可利用的營養元素可以改善運行過程并降低化學品的總需求量，這一點非常重要，不僅有利于微生物的健康生長，并帶來更加穩定有效的廢水處理系統。

廢水處理系統的更加穩定也為更高級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胞為食，對廢水的有效處理必不可少。缺乏這些更高形式的生命會產生淤泥，并暗示廢水有毒或缺乏需要的營養元素，將導致廢水系統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。益生菌產品包括工業級白色的Super Phos（SP），它是使用獲得專利的微碳技術（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化為非常小且富含氧的碳分子。微碳技術之后得到的微碳分子的相對分子質量很小，比表面積很大，且陽離子交換能力強，是一種超高效的載體，可以容易地將生物可利用的營養物質轉化為微生物。

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中使用純度85%工業級磷酸作為磷源。首先使用小型試驗判斷少量的SP是否可以取代紙廠現有的磷源。試驗使用5 L的反應槽，在1號澄清器入口取廢水3.58 L，以及返回的活化淤泥（Returned Activated Sludge，RAS）1.42 L。反應槽使用曝氣泵使溶解氧保持在2 mg/L。每次試驗持續7天，每天取2次樣本進行測試并取平均值。

分析每個樣本的COD、溶解氧濃度和總含磷量。2個試驗使用SP取代磷酸源的比例分別為1∶4和1∶5，同時使用現有的磷酸源開展對比試驗。

通過比較1號澄清器入口廢水的COD和對比試驗廢水的COD以及2次試驗的最終試驗結果，發現加入2種不同比例SP的廢水中的COD水平與對比試驗區別不大，見表1。

表1　1號澄清器入口廢水COD與測試日每天廢水平均COD的比較

總含硫量與1號澄清器入口的廢水、對比試驗的廢水和2次試驗的廢水相近，官方標準為0.5 mg/L，見表2。

表2　廢水的總含硫量

由表2可見，當SP用量為1∶4時，總含硫量值雖然略高于1號澄清器入口的廢水，卻也低于標準值。SP比例為1∶5時，總含硫量比1號澄清器入口的廢水還要低。

3.2案例2

該紙廠的漿年產量為180萬t，紙年產量為310 萬t，其廢水系統包括4條平行的序批式反應器，后面緊跟著日處理量50 000 m3的曝氣系統，其出水指標達到了當地和國家的廢水排放要求。

試驗選擇了3號和4號反應器，1號和2號反應器保持正常工作。3號反應器使用SP取代常規的液體磷酸，4號反應器作為對比試驗。試驗維持7天以上。

在這次試驗中，前3天SP以遞增的比例逐漸取代常規磷酸直到1∶4，從而將給3號反應器帶來的負面影響最小化，避免擾亂系統和使用過量。

監測2個反應器中的COD移除率，同時測量平均懸浮固體顆粒和平均SV30，用來評估SP的使用效率。結果發現，3號和4號反應器中的3個測量指標值都相近，3號反應器中COD的移除率要高出3百分點，見表3。

表3 3號和4號反應器的COD的移除率

3.3案例3

該紙廠現有的廢水處理系統每天使用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量，廢水COD為200 mg/L。該廠的目標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品的存貯空間，減少了移動和制備化學品的勞動力成本。另外，使用SP使其化學品成本降低了至少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，生長率也更快。

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

4　結論

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

（胡偉婷編譯）