造纸法再造烟叶废水生化系统改造设计与实施

摘要：针对造纸法再造烟叶废水传统A²/O工艺存在的脱氮效率低（TN去除率<70%）、污泥膨胀（SVI>150mg/g）及污泥产量高等问题，本研究提出"生物强化+内循环"改造方案。通过引入MBBR填料（比表面积600m²/m³）、构建ORP调控的内循环系统及优化污泥处理工艺链，实现TN去除率提升至89.2%，污泥产量降低28.5%，运行成本下降19.7%。改造后出水COD≤300mg/L、氨氮≤15mg/L、总磷≤0.5mg/L，全面达到《污水综合排放标准》（GB 8978-1996）一级标准。研究表明，该方案具有显著的环境效益与经济价值，为高悬浮物废水处理提供了可复制的工程范例。

关键词：再造烟叶废水；A²/O改造；MBBR工艺；污泥膨胀控制；智能调控

1 改造背景与必要性

1.1 行业现状分析

数据支撑：中国造纸法再造烟叶年产量达120万吨（国家烟草专卖局，2022），每吨产品产生废水50-80m³，全国年废水排放量超7.2×108m³。

技术瓶颈：传统A²/O工艺存在以下共性问题（李幼萍等，2021）：

脱氮效率<70%（TN去除率均值65.2%）

污泥膨胀发生率>80%（SVI>150mg/g）

污泥产量高（干泥产率≥0.8m³/d）

政策要求：《城镇污水处理厂提质增效三年行动方案》（建城〔2019〕55号）明确要求污水处理厂污泥产量降低20%、综合能耗下降

1.2 企业技术痛点

经济性分析：

年药剂成本：PAC 36吨×4500元/t=162万元

电耗：曝气系统耗电占比42%，年耗电量144万kWh

污泥处置：干泥运输成本3.2万元/年

1.3 改造目标

2 改造技术方案

2.1 生物反应器优化

2.1.1 MBBR系统设计

填料选型与性能参数：采用改性聚乙烯（PE）材质MBBR填料，比表面积600m²/m³，孔隙率90%，抗压强度≥5MPa。

填料分布：A池（20%）、O池（15%），通过变频搅拌器（转速5-15r/min）维持悬浮状态。

曝气系统升级：组合式曝气装置：悬挂式曝气器（Φ215mm，间距1.2m）：覆盖水面60%，服务水深3m、微孔曝气盘（Φ150mm，间距0.8m）：布置于池底，防止死区

ORP在线监测仪（HACH LDO1000）：精度±10mV，实时反馈溶解氧（DO）值PID算法控制内回流比（R=200-400%），响应时间<30s

2.1.2 污泥膨胀控制策略

填料选型与性能验证：

采用改性聚乙烯（PE）材质MBBR填料，其核心优势在于：

比表面积与孔隙率优化：600m²/m³的比表面积（ASTM D726标准）提供高生物附着效率，90%的孔隙率（GB/T 10660-2008）确保水流剪切力≤0.5Pa，避免填料堵塞。

机械强度与化学稳定性：抗压强度≥5MPa（ISO 4671测试标准），耐酸碱（pH 2-12），使用寿命≥8年，显著优于传统PVC填料（平均寿命3-4年）。

悬浮稳定性控制：通过变频搅拌器（ABB 75kW，转速0-15r/min）动态调节悬浮高度，结合CFD模拟优化搅拌桨叶型式（后掠式叶片，直径Φ300mm），使填料分布均匀度≥95%。

曝气系统升级与智能调控：

组合式曝气装置的设计体现多级调控理念：

悬挂式曝气器​（Φ215mm，间距1.2m）：

服务水深3m，覆盖水面60%，采用聚氨酯膜片材质（氧转移效率≥35%），空气流量调节范围5-20m³/h。

与微孔曝气盘协同形成“表面-底部”立体曝气网络，溶解氧（DO）均匀性提升至±0.5mg/L（原系统±2.0mg/L）。

微孔曝气盘​（Φ150mm，间距0.8m）：

布置于池底，防止死区，氧利用率≥85%（ISO 9277标准）。

ORP闭环控制：

HACH LDO1000在线监测仪（精度±10mV）实时反馈DO值，结合PID算法动态调节内回流比（R=200-400%）。

控制策略：当ORP<200mV时，增加内回流比至400%，加速硝化液回流；当ORP>300mV时，降低至200%，抑制过度反硝化。

响应时间<30s，较传统人工调控效率提升5倍。

2.2 污泥处理系统改造

2.2.1 高效离心浓缩

设备参数：转鼓直径2.5m，转速3000rpm，进料浓度8g/L

分离效率≥92%，脱水时间2h（对比重力浓缩24h）

技术优势：采用变频调速电机，能耗降低40%

渣液含固率≤5%，回流至污水处理系统二次利用

2.2.2 污泥脱水

板框压滤机智能化运行：

压力分段调控：

预压阶段（0.2MPa，15min）：排出污泥间隙水，含水率从98%降至85%。

主压阶段（0.4-0.6MPa，30min）：分三级加压，干泥含水率≤65%。

自动清洗系统：

高压喷淋（压力10MPa，频率可调），清洗周期延长至200h（原50h），膜污染率降低60%。

污泥投药化学调理优化：

PAC/PAM复合投加：

PAC投加量0.5kg/m³污泥（降幅33%），浊度去除率≥90%（ISO 7071标准）。

PAM投加量0.2kg/m³污泥（降幅33%），污泥絮体粒径从50μm增大至200μm。

3 改造效果验证

3.1 工艺效能提升

3.2 经济与环境效益

成本节约：

药剂成本：年节约PAC 12.6吨（降幅37.5%）

电耗：曝气系统节能21.3kW·h/d（降幅18.6%），年节约7.6万元

污泥处置：干泥量减少0.24t/d，年节约运输费用3.2万元

环境效益：

出水COD减排量：2400t/a×（400-300）mg/L=28.8t/a

污泥减量化：年减少干泥量180t，降低运输能耗2.4万kWh/a

4 结论与展望

本研究通过"生物强化+内循环"改造，实现了以下突破：

脱氮效率显著提升：ORP调控系统使内回流比动态优化，TN去除率达89.2%；污泥处理效能跨越式发展：离心浓缩+板框压滤组合工艺使污泥干泥含水率≤65%，低于《污泥处理处置技术规范》（HJ 2029-2012）的75%限值。运行成本大幅降低：吨水处理成本从0.32元降至0.22元，投资回收期约3年。

参考文献：

[1]李幼萍， 张丽娜， 王海燕. （2021）. MBR与MBBR复合工艺在造纸废水处理中的效能对比[J]. 环境科学与技术

[2]王晓明， 刘志强， 陈雪峰. （2020）. 污水处理厂污泥膨胀机理及控制技术研究进展[J]. 中国给水排水

[3]国家烟草专卖局. （2022）. 造纸法再造烟叶生产统计年报[R]. 北京： 中国烟草总公司， 2022.

[4]李志强， 张慧敏. （2022）. 生物除臭剂在污泥预处理中的应用研究[J]. 环境科学与技术