摘要
对某企业二期中水回用系统进行改进。将原生化处理系统（A/O）改为两级处理，降低生化出水的污染物浓度，稳定出水CODCr约100 mg/L。同时将原低浓度直排管网废水进行再利用，经A/O池2次处理后也作为二期超滤系统的进水水源之一。一期原Fenton工艺及二期中水预处理均改为活性炭粉末吸附工艺。研究表明，一期系统优化及新建二期系统的设备投资费用约1220万元，土建投资约907万元，实际运行成本（除人工）约2.45元/t水。
造纸行业属于高水耗、高能耗行业[1-2]，因此某纸业公司自成立以来，在企业生产规模不断扩大的同时，积极通过清洁生产、节能降耗新技术的开发与应用，降低水资源消耗、提高水资源循环利用率，减少污染物排放量[3]。该纸企通过探索，实现了车间内部的水资源循环，提高了水资源循环利用率，降低了废水排放量。目前该纸业公司的吨纸废水排放已控制在5.3 t左右，处于国内同行业领先水平。但在车间内部水循环过程中，存在特征污染物累积，对纸品品质及后续废水处理的正常运行均造成了隐患。为进一步提高企业节水水平及降低吨纸废水排放量，应该考虑更深层次的水循环利用，即将车间排放的废水经过深度处理，去除特征污染物，达到回用水要求后（CODCr≤50 mg/L，电导率≤1200 μS/cm，悬浮物（SS）≤16 mg/L），代替部分清水回用至车间，从而进一步实现水资源循环利用率的提高及污染物的减排[4-6]。
目前，已建设回用规模为5000 m3/d的处理工程（一期），运行有波动，为实现企业“十四五”规划，拟建设中水回用工程（二期），回用规模5000 m3/d。为此，找出一期运行波动问题点进行优化改造，同时也为进行回用处理工程（二期）设计提供理论支撑。
目前，该纸业公司的主导产品为包装用纸系列，包括白牛卡纸、牛皮箱板纸、高强瓦楞原纸、高档绿色环保生活用纸等，总产量约106.8万t/a。
目前废水排放总量约929万m3/a，日排水量约27307 m3，折合废水吨纸排放量为8.69 m3/t纸。
根据现有处理设施设计处理规模，含包装用纸车间废水29000 m3/d及生活用纸车间废水3000 m3/d，合计32000 m3/d。对于包装用纸车间高浓度的废水（29000 m3/d），采用以“物化+厌氧+好氧”为主的处理工艺，厌氧出水由2套好氧系统（A/O及氧化沟）分别处理，各自的设计处理量分别为16000 m3/d。氧化沟系统二沉池出水7000 m3/d排入城镇污水管网，出水水质执行GB 8978—1996《污水综合排放标准》中的三级排放标准；剩下的9000 m3/d接入一期中水回用工程，采用“好氧+Fenton”的预处理工艺和“混凝沉淀+超滤（UF）+反渗透（RO）”的深度处理工艺。A/O好氧系统有2组处理设施，目前仅A/O池1运行，处理量13000 m3/d，该组二沉池出水直接排入城镇污水管网：另一组A/O池有2处于停滞阶段，其二沉池用于处理CODCr浓度约400～1000 mg/L，SS约200～500 mg/L的生活用纸废水（3000 m3/d）经初沉池沉淀后排入市政管网。
该纸企目前废水产生量约为28000～32000 m3/d，废水处理系统运行正常，出水达到预期设计要求，各单元出水水质见表1。
表1 某纸企废水处理系统运行现状一览表
Table 1 List of operating status of a paper interprice wastewater treatment system
| 处理单元 | CODCr/mg·L-1 | SS/mg·L-1 |
|---|
|
车间排水 |
5500~6500 |
2500~3000 |
|
物化出水 |
4500~5500 |
100~200 |
|
冷却塔出水 |
3000~3500 |
100~200 |
|
厌氧出水 |
900~1000 |
300~500 |
|
二沉池出水 |
150~250 |
20~50 |
|
超滤出水 |
150-250 |
5-10 |
|
RO系统出水（一期） |
20~30 |
15~20 |
图1为中水各工段CODCr浓度值。从图1可以看出，现有氧化沟好氧系统出水无法确保一期中水回用系统的稳定运行。中水回用超滤进水CODCr应小于90 mg/L，而由当前的运行数据可以看出，现有超滤进水CODCr基本大于200 mg/L，无法保证深度处理系统的稳定运行。
Fig. 1 CODCr concentration of each section
考虑运行成本及硫酸危化品当地管控严格，原Fenton工艺选择改性Fenton工艺，即在中性条件下运行。此法通过长期调试及运行表明，对CODCr去除效率较低，且很难控制硫酸亚铁的投加量，最终容易造成铁污堵塞超滤及反渗透膜的情况。基于此，对一期Fenton反应池内投加粉末木质活性炭吸附去除污染物，通过试验跟踪去除成效及成本分析见表2。从表2可以看出，木质活性炭对CODCr去除率接近40%，而改性Fenton对CODCr去除基本无明显效果，综合成本木质活性炭增加约53.8%，考虑到后期末端稳定的出水量及设备能耗利用率高，同时大幅度消减了Fenton污泥的处置费用，此增加成本可以接受。
表2 不同深度处理效果对比表
Table 2 Comparison of different depth treatment
| 反应时间/h | 1#木质活性炭（0.12 g/L） | 2#硫酸亚铁（0.24 g/L）+双氧水（0.06 g/L） |
|---|
| CODCr/mg·L-1 | 去除率/% | 成本/元 | CODCr/mg·L-1 | 去除率/% | 成本/元 |
|---|
|
0 |
201 |
|
3240 |
212 |
|
2106 |
|
1 |
137 |
31.5 |
206 |
2.83 |
|
2 |
128.6 |
35.7 |
203 |
4.24 |
|
3 |
119.4 |
40.3 |
204 |
3.77 |
|
4 |
113.8 |
43.1 |
201 |
5.18 |
现有A/O好氧池有效容积13800 m3，分2条线运行并建有2座直径37 m的辐流式沉淀池。
（1）改造现有生化处理系统为两级处理，降低生化出水的污染物浓度[6]。现有厌氧池出水（29000 m3/d）中的13000 m3/d由A/O好氧处理系统处理，其中12000 m3/d接入好氧处理系统的一组（A/O池1+二沉池1），二沉池1出水中的7000 m3/d排入城镇污水管网，剩余的5000 m3/d和厌氧池出水1000 m3/d，以及经气浮池处理后的生活用纸废水3000 m3/d一同接入另一组（A/O池2+二沉池2）处理，二沉池2出水接入中水回用处理系统，改造好后的A/O好氧系统二沉池1、二沉池2预期出水CODCr分别为：300、100 mg/L。
（2）采用深度预处理工艺，进一步降低末端系统进水污染物浓度。针对一期Fenton预处理存在的运行条件控制要求高、操作难度大且会增加废水含盐量等问题，二期中水回用深度处理工艺拟设计为深度处理反应池+斜板沉淀池，深度处理投加的药剂为粉末木质活性炭。
（3）提高二期膜系统的产水水质，进一步保障回用水水质、水量的可靠性。膜系统主体工艺采用超滤+反渗透，回用水5000 m3/d全部来自反渗透出水，超滤和反渗透浓缩液排入城镇污水管网。
本工程选择沉淀池2出水作为中水回用处理系统进水，设计进水量9000 m3/d，出水量5000 m3/d。
设计中水回用处理系统进水水质见表3。
表3 设计进水水质指标一览表
Table 3 List of designed influent water quality
| 项目 | 数值 |
|---|
|
温度 |
20-35 |
|
pH值 |
6.5～8.0 |
|
CODCr/mg·L-1 |
≤100 |
|
电导率/μS·cm-1 |
≤5000 |
|
SS/mg·L-1 |
≤100 |
|
钙离子/mg·L-1 |
≤300 |
|
总硬度（以碳酸钙计）/mg·L-1 |
≤750 |
|
总碱度/mg·L-1 |
≤200 |
|
色度/倍 |
≤25 |
二期设计排放水包含沉淀池1排放水及系统内部RO及UF冲洗与浓缩液。排放满足GB 8976—1996《污水综合排放标准》的三级排放标准，该项目UF和RO浓水（废水膜处理过程产生的浓缩液）与厂区其他排放水混合后排放，水质指标见表4。
表4 设计排放水水质一览表
Table 4 List of designed discharge water quality
| 项目 | 数值 |
|---|
|
pH值 |
6.0～9.0 |
|
CODCr/mg·L-1 |
<500 |
|
SS/mg·L-1 |
<400 |
废水回用处理工程（二期）进水为厌氧池出水，采用“好氧+混凝沉淀+多介质过滤+UF+RO”工艺，处理工艺流程如图2所示。
Fig. 2 Flow chart of reclaimed water treatment process (Phase II)
工艺流程说明：
（1）厌氧池出水29000 m3/d分成2部分，16000 m3/d接入原氧化沟处理系统，剩下的13000 m3/d由A/O好氧处理系统进行处理。A/O好氧系统分2条线运行，其中12000 m3/d接入好氧处理系统的一组（A/O池1+沉淀池1），沉淀池1出水中的7000 m3/d排入城镇污水管网，剩余的5000 m3/d和厌氧池出水1000 m3/d，以及经气浮池处理的生活用纸废水3000 m3/d一同接入好氧处理系统的另一组（A/O池2+沉淀池2）处理，沉淀池2出水9000 m3/d接入中水回用处理系统深度处理反应池。
（2）反应池内通过投加粉末木质活性炭去除废水中的有机物及悬浮物，反应完成后的废水自流至斜板沉淀池进行泥水分离，上清液接入中间水池。
（3）中间水池出水经泵提升至多介质过滤器，进一步去除斜板沉淀池出水中的细小物质，以确保后续超滤反渗透系统水质过滤精度及保护膜过滤元件不受大颗粒物质的损坏。
（4）多介质过滤器出水进入UF系统，大幅降低反渗透膜的污染程度，使SDI指数及颗粒能充分保证反渗透的进水要求，延长反渗透膜的清洗周期和使用寿命，从而降低整体运行成本。
（5）UF出水进入UF出水池贮存并经泵提升至RO反渗透系统，脱除水中的可溶性盐分、胶体、有机物质等，进而降低废水中的电导率，出水进入回用水池并回用于生产车间。
（6）砂过滤器和UF系统反冲洗水回流至调节池。
（7）在膜处理单元中，超滤浓水和反渗透浓水与厂区其他低浓度废水混合排入市政污水管网。
各阶段处理后的水质见表5。
表5 处理水质效果
Table 6 Treatment result of different phases
| 处理单元 | CODCr/mg·L-1 | SS /mg·L-1 | 电导率 /μS·cm-1 |
|---|
| 厌氧池（13000 t/d） | 出水 | ≤1000 | ≤500 | <5000 |
|---|
|
A/O池1+沉淀池1（12000 t/d） |
进水 |
≤1000 |
≤500 |
<5000 |
|
出水 |
≤300 |
≤150 |
<5000 |
|
去除率/% |
70 |
70 |
|
|
A/O池2+沉淀池2（5000+1000+3000 t/d） |
进水 |
≤610 |
≤310 |
<5000 |
|
出水 |
≤100 |
≤100 |
<5000 |
|
去除率/% |
84 |
68 |
|
|
深度处理反应池+斜板沉淀池（9000 t/d） |
进水 |
≤100 |
≤100 |
<5000 |
|
出水 |
≤70 |
≤70 |
<5000 |
|
去除率/% |
30 |
30 |
|
|
UF+RO系统出水（5000 t/d） |
进水 |
≤70 |
≤70 |
<5000 |
|
出水 |
≤50 |
≤7 |
≤150 |
|
去除率/% |
30 |
90 |
97 |
|
回用水质要求 |
≤50 |
≤16 |
<1200 |
运行费用为中水回用处理工程（二期）设施运行费用，见表6。
表6 中回用水处理工程（二期）运行成本估算表（以最终出水量计）
Table 6 Estimated operation cost of reclaimed water treatment project (Phase II) (based on the final water production volume)
| 名称 | 耗量 | 规格 | 元/t水 |
|---|
| 数量 | 单位 | 单价 | 单位 |
|---|
|
化学品消耗 |
粉末活性炭 |
0.1800 |
kg/t水 |
4.50 |
元/kg |
0.8100 |
|
NaClO |
0.1804 |
kg/t水 |
1.0 |
元/kg |
0.1804 |
|
还原剂-NaHSO3 |
0.0037 |
kg/t水 |
1.0 |
元/kg |
0.0037 |
|
阻垢剂 |
0.0036 |
kg/t水 |
10 |
元/kg |
0.0360 |
|
NaOH |
0.0067 |
kg/t水 |
0.80 |
元/kg |
0.0053 |
|
盐酸 |
0.0018 |
kg/t水 |
0.80 |
元/kg |
0.0014 |
|
清洗剂 |
0.0002 |
kg/t水 |
1.0 |
元/kg |
0.0002 |
|
电费 |
1.45 |
kWh/t水 |
0.50 |
元/kWh |
0.725 |
|
设备耗材 |
120.6 |
万元/a |
350 |
天/a |
0 |
|
保安滤芯 |
12 |
万元/a |
40 |
元/支 |
0.0686 |
|
反渗透膜元件 |
48.6 |
万元/a |
4500 |
元/支 |
0.2777 |
|
超滤元件 |
60 |
万元/a |
12000 |
元/支 |
0.3428 |
|
总计 |
|
|
|
|
2.4511 |
设计好氧系统进水量16000 m3/d，中水回用处理系统9000 m3/d，设计排水量11000 m3/d，中水回用系统出水量5000 m3/d。总投资约2127.0万元，其中设备投资1220万元，土建投资907万元。运行成本（不含人工）约2.45元/t水。
基于一期系统进水水质波动性大，出水量不稳定等问题，通过将A/O好氧系统改为两级处理，降低生化出水的COD浓度；同时将生活用纸3000 t/天的低浓度废水，经好氧处理后也作为二期双膜系统的进水；中水回用前端深度处理工艺由Fenton改为深度处理反应池+斜板沉淀池，并投加0.12 g/L粉末活性炭，此法能去除进水40%左右的COD。最终稳定双膜法进水水质，满足生产回用水量及水质要求。一期系统优化改造及新建二期5000 t水/天系统，总投资约2127万元，运行成本（不含人工）约2.45元/t水。
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