促进造纸工业可持续发展的水处理解决方案王峰

..国际造纸　2009年　第28卷　第1期前沿.热点Front.Focus最新应用技术ApplicationTechnology促进造纸工业可持续发展的水处理解决方案WaterTreatmentSolutionsforSustainablePaperProduction王　峰（WangFeng）（福伊特环境解决方案公司）摘　要：福伊特造纸环保解决方案部（VPES）正致力于可持续的水资源利用，并利用工艺用水中的有机废物负荷生产能源。VPES通过能源效率高的水处理解决方案和工艺用水回用克服清水的制约以及废水与生物污泥排放不断增加的费用。VPES结合其R2S反应器技术与石灰捕集器TM（LimeTrapTM），可帮助造纸工业控制废水COD负荷和钙浓度，进一步闭合水回路。全球的环保法规（尤其是欧盟的环保法规）不仅确立了造纸厂家必须不断改进其资源利用框架，而且还确立了废水处理以及废弃物与残余物管理的环保高标准。福伊特造纸一直高度重视回收技术，现已有福伊特造纸纤维系统回收技术。新成立的福伊特造纸环保解决方案部（VPES）正把这种回收措施扩展到水、残余物和废弃物领域。VPES与B+G原料处理技术公司（B+GMaterialHandlingtechnologies）、MeriWSR子系统公司（MeriWSRsubsystems）合作，可为原料管理，废水内部水回路处理、澄清及重新使用，污泥与废弃物处理生产绿色能源提供整合的系统模块。这些系统技术因为有了高效R2S反应器废水厌氧处理创新技术及可解决石灰沉淀问题的石灰捕集器TM而更加圆满。基于福伊特造纸有关整个造纸流程的专有技术，VPES可为造纸工业提供整合的环保解决方案。VPES的主要目标是提供能源效率高的工艺用水处理技术以及有助于利用废弃物来生产能源的创新概念，即一方面通过闭合水回路和工艺用水回用、利用工艺用水中的有机负荷生产能源，可持续地利用水资源；另一方面把生产当中的残余物转化成二次原料及能源。下面简要介绍VPES为造纸工业可持续发展提供的产品和系统技术。1　造纸工业经营环境分析近几年，与能源、处理和清水相关的费用一直持续上涨。一家现代化的纸板和包装纸厂的造纸费用构成如图1所示。由图1可见，能源、水和废水、以及废弃物与残余物处理的合计费用占生产总费用的42%以上，很具节省费用的潜力。此外，造纸工业水回路的进一步闭合，现代化纸板和包装纸厂的废水产生量已降至3~5m3/t纸。当今造纸工业面临的新挑战为：①工艺用水的COD浓度不断提高（达10000mg/L）；②钙浓度高（达1200mg/L）。2　不同工艺用水水质解决方案工艺用水的处理必须考虑水资源利用的可持续性以及能效。根据废水的水质和有机负荷的不同，有3种主要的处理概念（见图2）。（1）概念Ⅰ　好氧概念，有2个串联的曝气槽。这种概念通常用于低COD负荷的废水。随着溶解有机物含量的不断增加，待清除的生物污泥量也在增加。剩余利润4%其他5%原料32%能源31%废弃物和残余物7%水和废水4%人员费用17%图1　某现代化本色纸板和包装纸厂费用构成前沿.热点Front.Focus.8.WorldPulpandPaperVol.8,No.最新应用技术ApplicationTechnology这一概念的主要优点是其技术简单、运行容易而且设备费用低。其缺点是：①容易形成无法从废水中分离的漂浮污泥，对流程产生严重影响；②占用的空间场地大，造成土建施工费用高；③排出的CO2是3种概念中最多的。（2）概念Ⅱ　动态床生物膜反应器（MBBR）+好氧处理段，用于处理COD浓度较高的废水和减轻漂浮污泥的问题。此概念包括1个MBBR反应器，紧随着1个曝气槽。虽然该系统占用的空间场地小，但仍比厌氧技术所需的空间场地大。这种废水处理解决方案的致命弱点在于对高浓碳酸钙废水的敏感性，这对此技术是很危险的。（3）概念Ⅲ　废水厌氧处理段+好氧处理段（见图3）。这种概念对于高COD负荷的废水而言是最受欢迎的，是3种概念中技术要求最高的。此外，它也是所有可能解决方案中占用空间场地最小的。它能在大幅度减少生物污泥产生量、产生可生产能源的燃气（沼气）的同时稳定流程。该流程包括1个厌氧反应器（可使COD负荷降低70%~80%）和1个好氧段（有助于使水处理点达到阈值）。此外，由于好氧段设计可降低来自厌氧反应器的残留COD负荷，能耗（主要是好氧装置的能耗）可得到优化从而大幅度降低。总之，降低污泥处理费用和生产绿色能源（来自厌氧反应器的沼气）补偿了高投资费用。3　R2S高效厌氧处理技术与R2S厌氧反应器突出的运行效率有关的关键因素有：①容量负荷高，可达30~35kgCOD/（m3.d），反应器结构紧凑；②组合式内/外再循环可获得恒定的水力条件（即上升流的流速），即使在输入流量波动或纸厂停机的情况下也是如此；③增强的进料系统可改善输入流量分布和获得颗粒污泥床最佳流态化；④流态化反应器为质量传递创造了最佳条件，实现颗粒污泥床内生物活性的最大化；⑤改善颗粒表面基质/气体交换，获得高而恒定的沼气产生率；⑥反应器底部的污泥清除系统可在正常运行条件下将高度矿化的重质污泥和沉淀物排出；⑦创新的结构特点有助于避免反应器内部和污水系统堵塞。R2S厌氧反应器在COD去除率恒定的情况下可达到很高的容量负荷。2007年，德国一家本色纸板和包装纸厂的R2S中试装置（有效容积30m3）就证明了这一点。图4的结果表明了R2S技术的适应力和在单位容量负荷方面进一步改进的潜力。该台中试装置的显著效果在如图4所示的第1台反应器（有效容积大于1500m3）上得到证明。该台反应器的容量负荷自2007年末投产起一直在不断提高，直至达到稳产的25kg/(m3.d)。该台反应器足以满足当前该纸厂的废水处理需要，所以1台老式的UASB反应器完全关闭。另有3台R2S反应器计划于2008年末启用。R2S厌氧反应器的一个非常重要的特点是其对再循环工艺用水中的钙浓度的适应性，其重质污泥清除系统可在不损失宝贵生物质的前提下，有效地将高度矿化的颗粒从系统中选择性地去除（见图5）。总之，R2S反应器是沼气高产情况下降低COD负荷的最佳解决方案，因而其有助于大幅度降低废水中的有机负荷（在BOD与COD的负荷比为2的情况下去除率可达到70%～80%），并同时生产绿色能800040002000本色纸板和包装纸厂脱墨浆白色新闻纸/超级压光纸厌氧菌/kalkfalle/好氧菌组合好氧菌高负荷段（如MBBR）薄页纸脱墨浆、混合浆、非脱墨浆特种纸原纸2个好氧段串联12006003001个好氧段钙浓度/mg.L-1COD浓度/mg.L-1351020单位水耗/L.kg-1图2　基于COD负荷和钙浓度的3种废水处理概念废水有机物水溶性物质有机酸、酒精、乙酸乙酸沼气水解段酸化段产乙酸段产沼气段水回路预酸化槽R2S反应器（厌氧段）沼气管道好氧段能源图3　概念Ⅲ——厌氧处理段+好氧处理段10090807060504030201001020304050607080单位容量负荷/kgCOD.m-3.d-1图4　COD去除率与单位容量负荷R2S02011（中试装置）R2S09024COD去除率/%..国际造纸　2009年　第28卷　第1期前沿.热点Front.Focus最新应用技术ApplicationTechnology源，即消除污染的同时改善总能量平衡。4　应对封闭水回路面临的碳酸钙问题整条生产线上的石灰沉淀，与其说是环保方面的问题不如说是运行性能与效率方面的问题。管道堵塞、被堵塞好氧装置的能耗增加、泵浦受损、厌氧反应器内颗粒矿化等都会导致系统运行效率不高，从而导致能源、原料和清水消耗量增加，即石灰沉淀问题会加重生产流程的环保负担。碳酸钙随废纸和清水的输入进入造纸流程。单位水耗低和内部水循环回路使石灰沉淀的可能性增加。碳酸钙沉淀通常是造纸厂内进一步封闭水循环回路的限制因素。R2S反应器是一种高效反应器，不管工艺用水回路中的钙浓度有多高，其都可以稳定运行。因其所具有的入口系统和有效的内/外再循环，R2S可在最佳混合与流态化下达到非常高的COD去除率。此外，R2S的重质污泥清除系统使该反应器能够排出矿化的颗粒（即死掉的生命体，其整个表面被巨大的石灰壳包裹），使反应器内部保留那些具有高比例有机物的颗粒。石灰捕集器TM通过控制石灰沉淀及浮选分离，成为摆脱碳酸钙问题困扰的的另一途径。石灰捕集器TM技术的作用主要有：①控制碳酸钙的石灰沉淀和结晶；②计量加入NaOH改变CO2平衡；③微泡法收集石灰晶体，通过浮选在沉淀前将其分离；④浮选同时进行“瞬间氧化”，减轻异味。石灰捕集器TM和R2S厌氧反应器相组合（见图6），为现代化纸厂提高性能和加强水回路管理展示了新的前景：①COD及BOD去除率高达80%，且可对水的硬度进行受控调节；②微泡曝气提高好氧处理效率；③石灰捕集器内的瞬间氧化减轻异味；④工艺用水回路的内部生物过滤。可通过中试装置对R2S厌氧技术和石灰捕集器TM进行试验。利用R2S和石灰捕集器TM中试装置可实现：（1）通过R2S厌氧技术检测COD及BOD的去除率。（2）通过安装石灰捕集器TM分析消除石灰的潜力，并确定需加入NaOH的用量。（3）检验石灰捕集器TM出来的澄清水重新应用于生产的可能性。R2S中试装置的一些实际情况：（1）R2S反应器安装在1.02m集装箱内；湿部/再循环槽和干部/废气燃烧器安装在0.51m集装箱内。（2）反应器容积约为30m3。（3）最大处理能力：＞1200kgCOD/d，＞30m3废水/h。（4）框架为镀锌低碳钢；反应器、再循环槽、废气燃烧器均为不锈钢。5　结　语福伊特造纸环保解决方案部（VPES）可将外围系统（残余物与废弃物处理）、内部水回路管理及废水处理无缝整合为一个现代化的系统概念。这样可将废弃物和污泥作为二次燃料进行焚烧产生能源。另外，厌氧生物处理可产生沼气（主要是甲烷）形成额外的能源。这种基于创新技术、配有整合的外围子系统、适用于相关环保领域的现代化系统概念可以形成“一体化工厂”，将大大提高生产效益。（责任编辑：郭彩云）5000450040003500300025002000150010005000有机固形物CaCO3选择性地去除CaCO3而不损失生物质07-05-2107-06-0407-07-1607-08-1307-09-1007-10-0807-11-0507-12-0307-12-3108-01-2808-02-251009080706050403020100反应器中的含量/kg污泥中的有机固形物含量/%图5　R2S02011(中试装置)重质污泥的选择性去除日期R2S厌氧反应器石灰去除石灰捕集器TM苛性钠（NaOH）图6　R2S反应器与石灰捕集器TM组合的工作原理