35-5-开题报告- 造纸厂废水处理工艺设计和相关问题研究

开题报告造纸厂废水处理工艺设计和相关问题研究文献综述摘要造纸工业是一个耗水耗能工业，每产生1吨纸需耗水60m3。

同时，也是继石油、水泥、皮革、纺织和钢铁工业之后的第六大污染工业。

排放大量的气态、液态、固态污高，纤维悬浮物多，难生物降解有毒物含量高，染物进入环境。

其废水具有COD cr、BOD5色度大，有硫醇类恶臭气味等特点。

未经处理的废水排放到新鲜水体中，将对其环境和生态系统造成严重的影响。

因此，如何应用废水处理技术，最大限度降低造纸厂废水对环境的影响，对促进生态环境保护与造纸工业可持续发展，具有重要的现实意义。

本设计选取了光催化氧化法、膜技术、SBR法等三种造纸厂废水处理方法进行了比较，指出了其优缺点，说明SBR法的优越性，并对其流程进行了详细说明。

关键词造纸厂废水光催化氧化法膜技术 SBR法1 造纸厂废水处理工艺概述造纸行业是我国的一个支柱产业，目前的年总产量超过 3000 万吨，仅于美、日两国，位居世界第三位，高速的发展带来了严重的环境问题，根据统计数据表明，全国制浆造纸工业年排废水量为 2.4×109m3，列于化学工业和钢铁工业之后，约占全国工业废水排放总量的 11%，其中COD排放总量为 321.4 万吨，成为全国第一污染行业。

造纸是一项传统的工艺技术，是水、电、汽的消耗大户，但过去大家对环保问题和水的消耗并不重视，随着近年经济高速发展，工业发展造成水污染日益严重，水资源不足，大家开始节水并通过各种工艺处理造纸废水，如今大多数造纸废水都经过了处理回用，中小企业多采用气浮池，对其生产用水和纸浆进行回收。

造纸废水中主要含有硫化物、木质素、糖类、铬、硫醇等有害物质，这些有害物质是由冲洗、蒸煮、漂白等造纸生产过程所产生的。

造纸废水若不经过有效的处理就排放出去，会使得水域发臭、恶化水质，造成鱼贝类减产等严重后果[1]。

造纸废水处理就是采用各种方法将废水中所含的污染物质分离出来，或将其转化为无害和稳定的物质，从而使废水得以净化。

现代造纸废水处理技术将造纸废水处理方法大致分为物理法、生物化学法及物理化学法。

在实际应用中，物理化学和生物化学常常联合应用。

2 光催化氧化法目前国内外对造纸废水的处理主要是初级物化处理和二级生物处理过程，而三级深度处理（脱色）几乎没有被采用。

造纸废水经初级和二级处理后，能去除悬浮无机、有机化合物，部分可溶性易生物降解有机物， COD，BOD5去除率分别达22%-60%，47%-62%。

但可溶性难生物降解的有毒物质去除率低，处理水色度高，出水水质很难达到排放标准，因此对其进行深度处理将成为必要。

光催化氧化法的研究始于20世纪70年代， 1976年J．H．Carey等人首次报道了在紫外光照射下，具有光催化氧化作用的TiO2可使难降解有机化合物多氯联苯脱氯。

近30年的大量研究工作表明：光催化氧化法能有效的降解卤代脂肪烃、卤代芳烃、有机酸类、多环芳烃、杂环化合物、酚类等[2]。

2.1 光催化氧化处理废水的基本原理光催化氧化法是以n型半导体(如TiO2、ZnO、CdS、WO3、SnO2等)为催化剂，紫外光、模拟太阳光或自然光等作为光源，在水溶液中进行的非均相氧化反应。

光和催化剂是引发和促进光催化氧化反应的必要条件。

半导体材料具有能带结构，其价带(Valence band)与导带(Conduction band)之间由禁带（Band Gap）分开，其能量壁垒(即能阶Eg)很低，往往只有几个电子伏特[3]。

当有能量大于禁带宽度的紫外光照射半导体时，半导体的价带电子e-就会被激发到导带，同时在价带上产生相应的空穴h+，这样就在催化剂粒子表面产生了电子—空穴对(electronhole pair) [4]。

空穴具有很强的得电子能力，能够直接氧化还原性物质，或者与溶液中的溶解O2、H2O发生反应，产生具有高度化学活性的·OH等。

将废水中的有机污染物最终氧化为CO2、H2O和N2，达到降低废水CODcr的目的[5][6][7]。

2.2 存在的问题利用光催化氧化技术处理造纸废水，其方法简单，占地面积小，能避免传统处理方法所带来的二次污染问题，是一种很有发展前途的水处理技术，但作为近十几年发展起来的新的研究领域，光催氧化法还基本上停留在理论研究阶段，要将这种技术投入到实际应用中还存在一定的问题：（1）催化剂回收难。

目前光催化氧化技术所采用的多为悬浮相体系，虽然降解效率高，但因催化剂粉末颗粒细小，回收很困难，易造成随水流失浪费。

（2）光催化氧化过程中活性电子和带电荷的空穴极易复合，使光量子利用率较低。

（3）对于造纸废水而言，因其色度大，不利于光线的透过，催化效果低。

3 膜技术膜技术一般指以压力为推动力，特定膜材料为过滤介质的液相分离技术。

自从1748年Friar Abbe Nollet首次用动物膀胱进行透析，到1954年第一家制膜公司Willpos Corp 成立至今，膜研究取得的长足进步已使其深化为微滤（MF）、超滤（UF）、纳滤（NF）、反渗透（RO）、电渗析技术，可将微粒、小粒子、分子、离子进行有效分离，膜材料亦丰富为醋酸纤维素膜（CA）、聚砜（GR）、氟聚合物膜（FS）、再生纤维素膜（RC）、各种复合膜（HR/HC）、陶瓷膜、生物膜等。

近年来，对气体分离（GS）[8]和渗透蒸发（PVAP）[9]膜技术的研究与应用亦十分踊跃。

膜分离技术具有无相变、能耗低、设备简单、操作过程易控制等明显优点，已在石化、电子、食品、生物工程、医疗、环保等领域得到广泛应用。

3.1 膜生物反应器膜生物反应器（Membrane Bioreactor，简称MBR）是膜组件（MF、UF或NF）与生物反应器相结合的一个生化反应系统。

根据膜组件在生物反应器中作用的不同，MBR可分为分离膜生物反应器、曝气膜生物反应器和萃取膜生物反应器[10] [11]。

目前，研究与应用较多的是废水处理中的分离膜MBR，该体系中膜组件的作用相当于生物处理系统中的二沉池，将活性污泥分离后送回生物反应器，维持高MLSS浓度，提高难降解物的去除率。

管运涛[12]博士等人采用两相厌氧膜生物系统处理造纸废水（稀黑液），膜组件为外压式0.1μm（MF）孔径聚丙烯中空纤维膜，膜组件置于产酸相和甲烷反应器之间，生物反浓度1500mg/L，活性污泥VSS=26.4g/L，反应器VSS 应器温度（35±0.5）o C，进水CODcr去除率可达73.1%，同条件接种量为10g/L。

上述条件下研究结果表明：MBR系统CODcr常规两相厌氧生物系统（BS）的CODcr去除率为48.6%；MBR系统酸化率为20.1%、酸化水平为7.5%，BS系统分别为7.0%和5.0%；MBR系统在厌氧污泥活性和系统运行稳定性方面优于BS系统。

韩怀芬[13]等应用好氧MBR处理造纸综合废水（黑液、中段水、白水）。

采用聚乙烯15-25μm孔径微滤管式膜，膜组件由4根φ24mm⨯250mm管式膜组成，膜总面积482.3cm2；曝气池体积7L，MLSS初始浓度2008mg/L ；系统HRT=18h。

该MBR系统经运行，其MLSS增值至14152mg/L；好氧反应器CODcr 去除率由28.3%上升至70.7%；膜组件的CODcr去除率由26.0%上升至79.4%；MBR系统CODcr去除率由47.0%上升至94.0%。

与此对照，该废水用活性污泥法处理，CODcr去除率约65%，且HRT须维持在30h以上。

3.2 膜污染各种膜技术存在的明显问题是膜的污染和通量下降。

王锦等将膜的污染分为3类：沉淀污染、吸附污染、生物污染[14]。

纸厂废水污染物浓度高，其中所含的硫酸盐、氢氧化物、碳酸盐、金属离子可造成沉淀污染；所含的木素、纤维素、多糖等有机物易造成吸附污染，文献指出：多羟基芳香族化合物比多糖吸附污染严重得多[15]，由此可知木素造成的膜吸附污染是严重的；造纸废水有机物量大、流程长、易滋生微生物，造成微生物在膜上的粘附和生长。

因微生物具有对营养、水分及其他条件变化迅速生化和基因调节的能力，这种生物污染比无机物的沉淀污染及胶体物的吸附污染更严重。

4 SBR工艺及概述SBR（Sequencing Batch Reactors）系统的研究起源于20世纪20年代，主要用于间歇排放的工厂，该工艺具有工艺简单、运行稳定等优点，但随着工业化的迅猛发展和城市化进程的加快，生活污水和工业废水排放量剧增，SBR工艺需多系统交替运行，当时的自控技术还比较落后，进水、曝气、沉淀、排水等操作都依靠人工完成，运行十分烦琐，使得SBR逐渐被连续式活性污泥法所替代。

随着不易堵塞曝气器和浮动式滗水器的出现及自动化技术的进步，SBR工艺的优势得到充分的发挥，并迅速应用于工业实践。

4.1 SBR工艺SBR反应器的运行通常包括5个阶段：1、进水阶段--加入基质；2、反应阶段--基质降解；3、沉淀阶段--泥水分离；4、排放阶段--排上清液；5、闲置阶段--活性恢复。

这5个阶段都在曝气池内完成，从第一次进水到第二次进水称为一个工作周期。

进水阶段所用时间需根据实际排水情况和设备条件确定。

进水阶段，曝气池在一定程度上起到均衡污水水质和水量的作用，因而，SBR对水质、水量的波动有一定的适应性。

反应阶段是SBR最主要的阶段，污染物在此阶段通过微生物的降解作用得以去除。

根据污水处理要求的不同调整相应的技术参数，并可根据水质及排放标准确定反应阶段的时间及是否采用连续曝气的方式。

沉淀阶段相当于传统活性污泥法的二次沉淀池的功能停止曝气和搅拌，使混合液处于静止状态，完成泥水分离，静态沉淀的效果良好。

经过沉淀后分离出的上清液即可排放，排放结束时水位下降至设计最低水位。

然后曝气池处于闲置阶段，可通过曝气使有机物进一步分解，并等待下一个周期的开始。

SBR每个工作周期中各个阶段的运行时间、运行状态可以根据污水性质、排放规律与出水要求等进行调整。

还可根据实际情况省去某个阶段（例如闲置阶段），或者把反应阶段与进水阶段合并，即开始进水就进行曝气，可一直持续到反应阶段结束。

在反应阶段，可以自始至终曝气，也可曝气与搅拌交替运行，控制十分灵活、方便。

4.2 SBR的优点SBR其本身的优点如下：（1）不设初沉池、二沉池、污泥回流系统。

调节池投资省，占地面积小，维护管理方便。

（2）曝气时间短，处理效率高。

（3）出水水质好，在完全混合池中，采用专用的滗水器排水装置。

（4）耐冲击负荷能力强：在曝气阶段是完全混合反应器；SBR法中可调节排水与进水的比例。

（5）可脱氮除磷。

（6）适应性强，运行灵活，运行费用低。

4.3 SBR的缺点SBR其本身的缺点如下：（1）连续进水时，对于单一SBR反应器需要较大的调节池。