人工湿地处理造纸废水新工艺研究
目前，我国有大中小型造纸厂总数10000余家，年排放废水量高达40多亿m3，占全国废水总排放量的十分之一，造纸废水中的BOD5年排放量200多万t，占全国废水总排放中BOD5的25%。因此，如何应用造纸废水治理技术，化害为利，回收、回用资源，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。
1.造纸废水的来源及特点
在制浆（化学法）和造纸生产过程中主要产生三类废水：黑（红）液、中段废水和纸机白水。黑（红）液主要是蒸煮制浆废水，中段水包括纸浆洗涤、筛选、漂白废水，纸机白水为抄纸车间废水。其中蒸煮废水的环境污染最严重，占整个造纸工业污染的90%。
黑液的主要成分是木质素、纤维素、半纤维素、单糖、有机酸及氢氧化钠等，可以综合回收其中的有用物质；中段废水污染物复杂，含有较高浓度的木质素、纤维素和树脂酸盐等较难生物降解的物质成分，而且富含漂白阶段产生的对环境危害大的有机氯化物，pH为9-11，悬浮物1000mg/l左右，COD600-2500mg/l，色度深；纸机白水采用沉淀或气浮的方法实现白水回用，固体渣也可再制浆。
2.人工湿地处理造纸废水的应用前景
2.1人工湿地应用背景
人工湿地技术是国际上近30年发展起来的一种废水处理新技术，自1974年第一个人工湿地污水处理的系统在西德建成以来，这方面的研究在世界范围内得到了迅速发展。制浆造纸废水成分复杂，有机物含量高，处理非常困难，采用常规的化学+生化处理的方法，不仅难以使处理的废水达到排放标准，而且处理成本高，一般的中小型企业，难以承担高昂的处理费用，导致一些企业偷排污水，造成严重的污染事故。人工湿地污水处理系统具有低投资、低运行费、低能耗、不需要复杂的维护、污染物质去除率较高的特点。因此，在一些地域广阔、滩涂较多的地方，可以因地制宜地建立人工湿地或利用现有的湿地，利用湿地系统的水草、芦苇等水生植物的生命活动代谢作用、地表系统自然净化功能、土地吸收和吸附作用等因素，对经隔栅、絮凝等初步处理或二级生物处理后的废水作深度处理，使之达到国家规定的排放标准。在新西兰人工湿地作为废水深度处理技术已被广泛采用，目前新西兰大约有80个人工湿地系统在使用，有些小规模的人工湿地已使用了近30年。
2.2 人工湿地处理造纸废水的原理
湿地是自然环境中自净能力很强的区域之一，它利用处于水陆交接相的复杂生态体系，由水、永久性或间歇性处于水饱和状态下的基质以及水生生物组成，它具有较大的活性与较高的生产能力。人工湿地是由人工优化模拟湿地系统而建造的具有自然生态系统综合降解净化功能，且可人为监督控制的处理系统。人工湿地对造纸废水具有独特而复杂的净化机理，它能利用基质—微生物—植物这个复合生态系统的物理、化学和生物的三重协调作用，通过共沉、过滤、吸附、离子交换、植物吸收和微生物分解来实现对造纸废水的高效净化，同时通过营养物质和水分的生物地球化学循环，促进绿色植物生长并使其增产，实现废水的资源化和无害化。人工湿地系统成熟后,湿地表面和植物根系中生长了大量的微生物，形成生物膜，经过隔栅、絮凝初步处理或二级生物处理后的造纸废水流经人工湿地系统时，大量的悬浮固体被填料和植物根系截留并沉积在基质中，其它污染物则通过生物降解和植物吸收等作用而被去除，通过定期更换和收割栽种在湿地床填料中的植物，最终使污染物从湿地系统中得到去除。
2.3人工湿地类型和特点
目前在国内外主要研究的人工湿地有：自由表面流人工湿地、水平潜流人工湿地和垂直潜流人工湿地三种。选用人工湿地类型时，应根据污水的水质和各个地方的实际情况来定。下面分别介绍三种湿地的处理原理及各自的特点。
2.3.1自由表面流人工湿地
自由表面流人工湿地，废水在湿地表面漫流，系统中氧的来源主要靠水体表面扩散、植物根系的传输和植物的光合作用，绝大部分有机物是由生长在植物水下茎、杆上的生物膜去除的。这种类型的人工湿地具有投资少、操作简单、运行费用低等优点，但占地面积较大，水力负荷率较小，不能充分利用填料及丰富的植物根系，去污能力有限，且运行受气候影响较大，夏季易孳生蚊蝇。张荣社等利用自由表面流人工湿地处理农业面源污水，研究结果表明水力停留时间(HRT) 2天以上，系统即可高效稳定运行，当水力停留时间为2和3天时，系统总氮去除率达到84.9%和85.6%。
2.3.2水平潜流人工湿地
水平潜流人工湿地，由一个或多个填料床组成，床体填充基质，床底设有防渗层，废水从一端水平流过填料床。这种类型的人工湿地的水力负荷比自由表面流人工湿地大，对BOD、COD、SS等污染指标的去除效果好，而且很少有恶臭和孳生蚊蝇现象，但容易发生堵塞现象，控制相对复杂。
2.3.3垂直潜流人工湿地
垂直潜流人工湿地，污水从湿地表面纵向流向填料床的底部，系统中氧的来源主要是通过大气扩散和植物传输。垂直流人工湿地系统的水流状态是维持系统正常运行、使系统充分发挥净化效果的重要因素，水流状态对净化效率影响较大。这种类型的人工湿地的硝化能力高于水平潜流人工湿地，可用于处理氨氮含量较高的污水，但对有机物的处理能力不如水平潜流人工湿地系统，且落干/淹水时间较长，控制相对复杂，夏季易生蚊蝇。
2.4人工湿地处理造纸废水的优势和存在的问题
人工湿地污水处理系统具有出水水质稳定，对有机物、N和P去除能力强，基建运行费用低，易于维护，耐冲击负荷强，适于处理间歇排放的污水，并具有美学价值等优点，但也还存在一些有待进一步解决的问题。
2.4.1人工湿地处理造纸废水的优势
人工湿地系统相对于其它的处理方法而言，有如下优点:
(1)建造费用便宜，易于管理、维护，技术含量低，可缓冲水力和污染负荷的冲击;人工湿地工艺无需曝气、投加药剂和回流污泥，也没有剩余污泥产生，因而可大大节省运行费用。
(2)制浆造纸企业是用水大户，耗水费用在成本中的比例不容忽视，现在广泛提倡废水回用、封闭循环和造纸废水零排放。人工湿地处理后的出水水质较好，可以根据出水水质情况和用水要求进行回用或灌溉，也可用于农、林、牧、副、渔业，亦可用于娱乐业。因此，人工湿地不但解决了废水的出路问题，而且变废为宝，节约成本，产生一定的经济效益。
(3)现在造纸界广泛提倡林-纸一体化，是国家行业发展的方向，制浆造纸企业可以在人工湿地系统中种植速生木材、芦苇等造纸原料。经过初级处理后造纸废水富含有机物和氮磷等营养物质，可作为水生植物的养分，因此经湿地处理后的水，是一种重要的新资源。刘鹏飞等[11]用制浆造纸废水灌溉芦苇的试验，结果表明经过中和的废水排入芦苇塘水域内，不仅废水水质得到很大改善，而且土壤中植物所需要的氮、磷、钾、钙、镁、有机质等有所增加，提高了土壤肥力，同时芦苇生命活动中释放出二氧化碳，中和了废水碱性，防止土壤盐碱化。灌区芦苇生长繁茂，明显看到植株高而粗，较非灌区产量大大提高。其它的湿地植物也可回收利用，如用其生产沼气、生产饲料等。因此采用人工湿地，在解决了废水污染问题的同时，因地制宜，营造一些人工景观，出水及水生植物可综合利用，降低造纸业的运行费用。
(4)人工湿地经过系统规划建成后，不但给周围环境增加了绿色，改善生态环境，为野生动物增加了栖息场所，提高区域景观价值，给人们带来了美的享受;而且人工湿地还可作为环境教育与宣传的基地，助于改变人们的生态观念，提倡节约水资源、重复利用可再生资源的理念，使人们建立起尊重自然的崭新生活观。
3.4.2人工湿地处理造纸废水存在的问题
(1)人工湿地系统土地需求量大，环境潮湿，容易孳生蚊虫，而且目前对人工湿地缺乏精确的设计运行参数、长期运行系统的详细资料、人工湿地设计管理知识和经验，缺乏对热带湿地生态及本地湿地物种的了解，在生物和水力复杂性、重要工艺动力学等方面的理解也很有限。另外，人工湿地系统达到稳定成熟的时间长，据已有数据，在系统建成几年后才达到完全稳定运行的状态，要使湿地系统达到其最优效率，则需2-3个生长周期。
②应用人工湿地系统遇到的另一个主要问题是:人工湿地的堵塞。堵塞使得废水的有效停留时间减少，原来的流动路径短路，废水在湿地表面径流，影响湿地长期运行的稳定性，甚至使湿地系统失去其应有的功能。造成人工湿地堵塞的因素是多方面的，一般通过废水的前处理，减少进水中难降解的悬浮物的浓度，防止发生堵塞; Ryszard Blaze-jewski等认为厌氧条件加速了系统的堵塞，因而间歇的投水方式和适当的湿地干化期对于系统避免堵塞也是必要的。
有机物的堵塞过程可分为下面三个阶段:第一个阶段是渗透速率接近系统开始运行时的渗透速率，但呈现逐渐下降趋势;接着是一个实质性的平稳下降阶段;最后是间歇的系统堵塞阶段直至持续堵塞发生。通过选择含难降解化合物水平较低的植物品种、定期收割植物的地上部分以及定期去除系统表面积累的有机物粘膜，来减少由植物造成有机物堵塞。
4.总结
4.1粉煤灰处理造纸废水的发展方向
粉煤灰原料来源广泛、价格低廉，可以用来去除水中的污染物。根据粉煤灰的物理化学特性进行改性，工艺简单，利用改性后的粉煤灰处理造纸废水，不仅处理效果好，而且还为粉煤灰的综合利用开启了新的方向，具有以废制废，节约资源等优点。国内外研究表明，粉煤灰中含有较多的活性氧化铝和氧化硅等，具有较强的吸附能力，可广泛应用于废水的处理。
4.2人工湿地处理造纸废水的应用前景
对小区域来说，废水经过化学池、氧化塘处理后，人工湿地处理作为一种深度处理方法非常实用有效。人工湿地系统是一个完整的生态系统，形成了内部的良好循环并具有较好的经济效益、生态效益和环境效益，是正在不断得到研究应用和发展的污水处理实用新技术。这项技术适合我国国情，尤其适合广大城镇和农村地区的中小型造纸企业的污水处理，具有极其广阔的应用前景。
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