带有升流式厌氧污泥反应床的纸浆厂废水零排放模型农光再

技术进步TEchnology82010带有升流式厌氧污泥反应床的纸浆厂废水零排放模型⊙农光再王双飞（广西大学轻工与食品工程学院，南宁530004）摘要：建立包括蒸煮车间、蒸发站、碱回收炉、升流式厌氧污泥反应床（UASB）和苛化车间的制浆厂废水零排放模型。通过模型分析和模拟运算，得到以下结论：(1）蒸煮能耗、木片固形物含量、纸浆固形物含量对排水量的影响较大，当浆蒸煮能耗小于或者等于4100MJ，木片固形物含量大于或者等于61.8%，纸浆固形物含量小于或者等于56.8%时，系统排水量小于或者等于0；(2）蒸煮能耗、纸浆得率、洗涤水量是影响系统热能剩余的主要因素，在蒸煮能耗1900～4400MJ，纸浆得率45%～60%，洗涤水量4000～9000kg范围内，系统热能剩余。关键词：纸浆；废水；零排放；升流式厌氧污泥反应床（UASB）；模型中图分类号:X793文献标志码:A文章编号:1007-9211(2010)05-0058-05农光再，在读博士研究生；主要研究造纸黑液的处理和应用。□通讯作者：王双飞，教授，博士生导师；E-mail:[e-mail]。据报道，造纸行业的吨纸浆消耗水量及废水排放量为1.5～60t[1，2]，大量造纸废水排放，对环境造成一定负面影响，同时浪费大量水资源，为此，减少制浆造纸废水排放成为研究热点[3,4]。制浆造纸废水循环利用，是减少废水排放的有效办法，将从根本上解决制浆造纸企业耗水量和污水排放量大的问题。目前国内已经有少部分废纸再生造纸厂采用全封闭式废水循环利用工艺，实现造纸废水零排放[5]。本文建立废水封闭循环利用的纸浆厂模型，拟通过物料平衡分析和计算机模拟运算，揭示实现废水零排放的前提条件及系统物料和热能流通情况。1的模型描述制浆厂废水零排放模型如图1，包括蒸煮车间、蒸发站、碱回收炉、升流式厌氧污泥反应床（UASB）和苛化车间。制浆厂废水零排放的工艺流程：(1）木片和蒸煮消耗的化学品进入蒸煮车间，利用碱回收炉产生的蒸汽为蒸煮热源，用10%的回收碱液、回用水和必须补充的化学品来蒸煮木片；蒸煮得到的浆料用回用水洗涤；经过洗涤和分离，得到本色浆（产品，含水50%～70%）和稀黑液。(2）稀黑液进入蒸发站，以碱回收炉产生的蒸汽为蒸发热源，利用多效蒸发器进行蒸发，得到60%～75%的浓黑液[6]和蒸发冷凝水（COD9000～21000mg/L[7]）；第1效蒸发器产生的蒸汽冷凝水，经过离子交换和除氧处理后，作为蒸发用水进入碱回收炉[9]。(3）在高温碱回收炉内，通过2次鼓风使浓黑液燃烧，消除浓黑液中的有机质，同时产生碱熔物、烟气和热量。热量经过锅炉体吸收，将回收的蒸汽冷凝水和部第31卷第5期2010年3月5技术进步7TEchnology2010分补充水转化为中压蒸汽，该蒸汽用作木片蒸煮和稀黑液蒸发的热能[8]。(4）蒸发稀黑液得到的蒸发冷凝水，进入升流式厌氧污泥反应床[9，10]，经过污泥反应床处理后，得到处理水（COD600～1100mg/L）；该处理水部分直接进入蒸煮车间，用作浆料洗涤水和木片蒸煮水，另一部分进入苛化车间，用于碱熔物溶解和生石灰消化。(5）在苛化车间，碱熔物经过水溶解和过滤得到绿液和绿泥；生石灰经过消化，得到消石灰；消石灰与绿液混合反应，经过过滤，得到碱液和白泥；碱液送回蒸煮车间，绿泥和白泥回收或综合利用。2的模拟方程建立2.1的排水量计算方程建立2.1.1的系统水平衡方程根据模型总图，进入系统的水量等于排出系统的水量，水平衡方程为:mw,wood+mw,add+mw,reaction=mw,pulp+mw,smoke+mw,l,mud+mw,dregs+mw,discharge(1)其中，mw,wood—木片中水分；mw,add—补充水量；mw,reaction—反应生成的水分；mw,pulp—纸浆带走的水量；mw,smoke—烟气中水分（排出）；mw,l,mud—湿白泥中水分；mw,dregs—绿泥中水分；mw,discharge—排水量。2.1.2的浓黑液燃烧过程水平衡方程浓黑液燃烧过程中，炉膛燃烧体系的水分平衡为：mw,SBL+mw,reaction=mw,smoke(2)其中，mw,SBL—浓黑液中水分。2.1.3的排水量计算方程将方程（2）代入（1），得排水量计算方程：mw,discharge=(mw,pulp+mw,SBL+mw,l,mud+mw,dregs)-(mw,wood+mw,add)(3)其中，添加的水量等于蒸煮消耗的蒸汽，等于蒸煮能耗（Ecook）除以蒸汽汽化热（Hvoporization），表示为：mw,add=Ecook/Hvoporization(4)2.2的能量相关计算方程建立2.2.1的系统能量消耗不考虑电能消耗，纸浆厂系统能量消耗（Ecost）包括木片蒸煮能耗（Ecook）和黑液蒸发能耗（Eev），表示为：Ecost=Ecook+Eev(5)其中，木片蒸煮能耗与蒸煮的设备和蒸煮工艺相关，采用快速置换加热间歇蒸煮(RDH)新技术，与传统间歇蒸煮相比可节省蒸煮用汽60％～75％，生产lt干浆消耗热量1.9～2.4GJ[11]，考虑到传统蒸煮工艺，本文按1.9～4.4GJ进行计算。2.2.2的稀黑液蒸发能耗稀黑液蒸发能耗（Eev)等于蒸汽消耗量（msteam#1）和蒸汽汽化热（Hvoporization）的乘积，表示为：Eev=mstream#1×Hvoporization(6)其中，蒸汽消耗量等于蒸发水量（mw,ev）除以多效蒸发器的蒸发系数（Cev：蒸发水量与消耗蒸汽的比值）。mstream#1=mw,ev/Cev(7)2.2.3的碱回收炉的有效回收热量碱回收炉的回收热量（Eth,recycle）等于黑液质量（mBL）、黑液热值（HHVBL）和热效率（η）的乘积，表示为：Eth,recycle=mBL×HHVBL×η(8)2.2.4的系统能量剩余系统能量剩余量（Esurplus）等于能量回收量与能量消耗量的差值，表示为：Esurplus=Eth,recycle-Ecost(9)2.3的物料计算方程建立2.3.1的黑液固形物计算方程根据蒸煮、洗涤和浓缩过程的物料平衡，黑液固形物质量（mBL）等于干木片质量（mwood）、回收总碱量（malkali,re）和补充化学品质量（mchem,add）的和，减去纸浆质量（mpulp），表示为：mBL=mwood+malkali,re+mchem,add-mpulp(10)2.3.2的碱熔物计算方程图1制浆厂废水零排放模型处理水#3处理水#2排放水空气烟气白泥回收碱液苛化车间碱熔物蒸发冷凝水原色浆蒸汽冷凝水#1稀黑液碱回收炉蒸发站蒸煮车间木片化学品浓黑液蒸汽水处理水#1绿泥生石灰#2#1UASBMar.,2010Vol.31,No.5ChinaPulp&PaperIndustry5碱熔物是黑液中含有钠元素和硫元素转化生成为Na2CO3、Na2S和无机惰性成分[8]，Na2CO3经过苛化转化为再生的NaOH，Na2S保留在回收碱液中。根据物质转换计算，Na2CO3质量=1.33×回收NaOH质量，碱熔物中Na2S质量等于碱液中回收Na2S质量，根据实验和生产经验，无机惰性成分约为黑液固形物的0.2%[8]，所以：mash=1.33×mNaOH,re+mNaS,re+mBL×0.2%(11)其中，mash—碱熔物质量；mNaOH,re—回收氢氧化钠质量；mNaS,re—回收硫化钠质量。2.3.3的绿泥计算方程碱熔物溶解和过滤后，无机惰性成分转为绿泥（mdregs），所以：mdregs=mBL×0.2%(12)2.3.4的白泥计算方程白泥（ml,mud）主要是消石灰与绿液反应得到的碳酸钙沉淀，根据反应方程式计算：ml,mud=1.33×mNaOH,re(13)2.3.5的生石灰计算方程生石灰（mcalces）转化为消石灰，消石灰与绿液反应得到的碳酸钙沉淀，根据反应方程式计算：mcalces=0.7×mNaOH,re(14)3的计算机模拟运算和结果3.1的模拟运算方法采用MicrosoftExcels软件进行运算，并结合Origin软件进行分析。(1）变量界定纸浆干度0.3～0.55；干浆得率0.45～0.6；原料干度0.5～1.0；吨浆洗涤水（#3回用水）4000～9000kg；吨浆蒸煮蒸汽消耗1900～4400MJ；黑液浓度0.6～0.85。(2）常数确定蒸汽汽化热2253.4kJ/kg；黑液热值：143MJ/kg；烧碱与原料比0.2；硫化度0.3；碱回收率0.92；蒸煮液比5.0；碱回收炉热效率0.62。(3）运算过程以原料干度为0.8，湿浆干度为0.4，纸浆得率0.5，蒸煮用碱比率0.2，硫化度为0.3，碱回收率0.92，硫化物回收率0.93，蒸煮液与料比5.0，黑液浓度0.75，蒸发系数3.6，蒸煮能耗为2400MJ，吨浆洗涤水4000kg为运算基数，考察系统物料流通，接着改变变量数值，考察变量因素对排水量和系统热能剩余的影响。3.2的影响排水量的主要因素3.2.1的蒸煮能耗对排水量的影响蒸煮的能耗越大，消耗蒸汽的量越大。由于加热蒸汽与木片直接接触，蒸汽冷凝水直接进入水循环体系，使排水量增大，所以随蒸煮能耗增大，系统排水量增大。蒸煮能耗与排水量的关系如图2。图2显示，当1t浆蒸煮能耗小于或者等于4100MJ，相当于消耗蒸汽1819.47kg时，系统排水量小于或者等于0。3.2.2的木片固形物含量对排水量的影响由于木片中的水分直接进入水循环体系，使排水量增大，所以木片固形物含量增大，系统排水量减小。木片固形物含量与排水量关系如图3。图3显示当木片固形物含量大于或者等于61.8%时，系统排水量小于或者等于0。3.2.3的纸浆固形物含量对排水量的影响由于纸浆中的水分脱离水循环体系，纸浆固形物含量减小，携带的水量增大，导致系统排水量减小。纸浆固形物含量与排水量关系如图4。图4显示，当纸浆固形物含量小于或者等于56.8%时，系统排水量小于0。3.2.4的浓黑液浓度对排水量的影响浓黑液中的水分将进入碱回收炉，并通过烟气管道脱离水体系，所以，浓黑液的浓度增大，携带的水分减小，从而导致系统排放水量增大。浓黑液浓度与排水量关系如图5。图5显示，浓黑液的浓度增大使系统排放水量增大，但是，浓黑液浓度在50%～85%范围内，系统排水量小于0，可见浓黑液浓度对排水量的影响不大。图2蒸煮能耗与排水量关系1.52.02.53.03.54.04.5-1000-800-600-400-2000200排水量kg蒸煮能耗106kJ技术进步TEchnology82010第31卷第5期2010年3月60煮能耗为1900～4400MJ，相当于消耗蒸汽843.17～1520.61kg范围内，系统热能剩余8033.5～4839MJ，相当于剩余蒸汽3565.05～2147.44kg。3.4的系统内物料流通状况根据模型图，生产1000kg绝干浆，系统物料流通如表1。模拟得到黑液干量、蒸煮蒸汽消耗量、碱熔物质量、白泥质量和生石灰质量与实际生产用量相当[8]，切合生产实际。模拟得到的蒸发冷凝水量为13058kg，大于当前实际生产的9000～11000kg，是由于浆料洗涤水完全进入稀黑液的缘故。4的模型技术评估(1）采用多级压榨提取黑液、多效蒸发浓缩稀黑液和碱回收技术，是造纸行业的传统技术，可靠成熟[8]。(2）采用的UASB处理造纸废水，是造纸工业的新兴技术，已经在造纸行业推广应用，技术成熟[9,10]。(3）采用UASB处理水替代工艺水进行木片蒸煮、碱熔物的溶解和生石灰消化，与传统的碱法工艺有所区别，是否达到生产要求，需要通过试验验证。3.2.5的纸浆得率对排水量的影响纸浆得率增大，黑液产量减小，浓黑液携带的水分减少，而使系统排水量增大。纸浆得率与排水量关系如图6。图6显示，纸浆得率增大使系统排放水量增大，但是，纸浆得率在45%～60%范围内，系统排水量小于0，可见纸浆得率对排水量的影响不大。3.3的影响系统能量剩余的主要因素3.3.