申请日2013.08.08
公开(公告)日2013.10.23
IPC分类号C02F9/14
摘要
烟草薄片生产废水的处理及再生循环利用方法，它包括以下步骤：除渣→化学脱钙→气浮→厌氧处理→电解→A/O处理→二次电解→膜处理/曝气生物滤池生化→三次电解→脱盐→再生水。本发明基于化学脱钙技术、生物化学技术、电化学技术、BAF技术和膜技术相结合，成本较低，效能较高，烟草薄片生产废水经过处理，75%～85%可以再生循环利用，既减少废水排放，避免废水对环境污染，又减少水资源浪费，还可以使再生的循环水成本低于自来水价格，经济合理，产生较好的经济效益。
权利要求书
1.烟草薄片生产废水的处理及再生循环利用方法，它包括以下步骤：
(1)除渣
烟草薄片生产废水经管道收集后排入机械粗格栅集水池，池内设置粗格栅，对污水的中粗大的浮漂物进行隔离去除，然后通过提升泵，将烟草薄片生产废水提升至旋转机械细格栅机内，通过滤网的过滤进一步去除水中大部分不可溶解性的悬浮物，产生的隔渣打包外运，废水则经过化学脱钙处理;
(2)化学脱钙
除渣后的出水经管道先流入调节池，再进入一级脱钙反应池，经加药装置在搅拌下先加入300~900mg/L的氢氧化钠溶液或石灰饱和澄清液调pH值至8.5～9.5，脱除假性硬度碳酸氢盐后，进入二级脱钙反应池，通入步骤(4)厌氧处理中UASB厌氧池产生的气体，使气体中CO2与钙镁离子反应生成碳酸盐沉淀，或者加入200~800mg/L的Na2CO3使pH值至8～9，碳酸根与钙镁离子反应生成碳酸盐沉淀，进入初沉池沉淀3～4小时;
(3)气浮
初沉池的上清液泵入过滤装置进行过滤分离，得滤液和沉淀，滤液流入混凝池，在搅拌条件下先加入5~10mg/L的PAC，最后加入2~3mg/L的阴离子聚苯烯酰胺，反应完全后进入气浮池进行气浮分离，过滤沉淀和浮渣经过泵和管道送入污泥池中，最后在污泥脱水装置中进行过滤分离，气浮池出水进入厌氧池，所述的过滤是离心过滤、真空过滤或者压滤的一种，离心过滤的离心机工作转速是3000～5000转/分钟，真空过滤和压滤的滤布孔径小于5um;
(4)厌氧处理
气浮池出水经提升泵提升进入UASB厌氧池，经过UASB厌氧池中厌氧菌、兼氧菌的吸附、发酵、产甲烷共同作用下将有机酸分解成甲烷和二氧化碳，产生的甲烷和二氧化碳经过气体收集装置收集后导入步骤(2)化学脱钙中的二级脱钙反应池，经二级脱钙反应池净化后回收沼气于贮气罐，废水则进入步骤(5)，厌氧处理的时间为44～56小时;
(5)电解
UASB厌氧池出水进入电解机a进行电解，电解机a的相邻两电极间的电压为2～12V，电流密度为30～260mA/cm2;
(6)A/O处理
电解出水依次进入缺氧池、好氧池和二沉池，且二沉池的部分污泥通过回流泵回流至缺氧池，利用缺氧、好氧微生物的交替作用下可进行脱氮除磷，并通过好氧处理进一步氧化分解废水中的有机物，深度去除COD和BOD，好氧池内均匀填满大量的生物悬浮填料，为好氧微生物提供栖息、生长繁殖的场所，以便微生物在填料表面形成生物膜，在好氧池底部设有曝气充氧搅拌系统，对污水进行充氧作用，使水中的溶解氧维持在2～4 mg/L，同时利用气体上升的作用，使池内的悬浮物与水更充分接触，另外通过气体和清水反冲洗的搅动作用，有效的对填料表面生长的老化生物膜进行冲刷，促使生物膜的更新换代，使生物膜维持较高的活性;
(7)二次电解
二沉池出水再次进入电解机b进行电解，电解机b相邻两电极间的电压为2～6V，电流密度为20～200mA/cm2;
(8)膜处理或曝气生物滤池生化
二次电解后的废水进入膜处理装置或曝气生物滤池，通过膜处理装置的过滤分离或生物氧化降解作用对废水进行净化，进一步除去COD、SS和氨氮，得到净化废水，所述膜处理装置是MBR装置或超滤装置的一种;
(9)三次电解
废水经过膜处理或曝气生物滤池生化处理后，出水再经过电解机c处理，可进一步去除色度，并对废水进行杀菌消毒;
(10)脱盐
三次电解后的废水进入脱盐装置，分离得透析水和浓缩水，透析水进入再生水贮罐，浓缩水则一部分通过管道回流至步骤(2)化学脱钙中的调节池，剩余部分经排水渠排放，所述脱盐装置是反渗透系统、纳滤系统、电渗析或电容吸附去离子系统的一种;
(11)污泥处理
步骤(2)化学脱钙中的初沉池、步骤(3)气浮中的气浮池、步骤(4)厌氧处理中的UASB厌氧池、步骤(6)A/O处理中的缺氧池、好氧池和二沉池以及步骤(8)膜处理装置或曝气生化滤池生化处理产生的污泥都通过管道进入污泥池，然后经过污泥脱水装置的脱水作用使得污泥减容，脱水后泥饼进行焚烧处理，滤液则回流至步骤(2)化学脱钙中的调节池。
2.如权利要求1所述的烟草薄片生产废水的处理及再生循环利用方法，其特征在于：步骤(3)除渣中所述气浮为布气气浮法、电气浮法、生物及化学气浮法、溶气气浮法的一种。
3.如权利要求1所述的烟草薄片生产废水的处理及再生循环利用方法，其特征在于：步骤(5)、步骤(7)和步骤(9)的电解机a、电解机b和电解机c均设有电源和电解槽，所述电解槽内的电极为石墨、钛、铁、铝、锌、铜、铅、镍、钼、铬、合金和纳米催化惰性电极中的一种。
4.如权利要求3所述的烟草薄片生产废水的处理及再生循环利用方法，其特征在于：所述纳米催化惰性电极的表层涂覆有晶粒为10～35nm的金属氧化物惰性催化涂层，所述纳米催化惰性电极的基板为钛板或塑料板。
5.如权利要求1所述的烟草薄片生产废水的处理及再生循环利用方法，其特征在于：步骤(8)所述MBR装置的膜组件为中空纤维膜组件或平板膜组件的一种;中空纤维膜组件为聚偏氟乙烯中空纤维膜组件、聚丙烯中空纤维膜组件、聚砜中空纤维膜组件、聚醚砜组件、聚丙烯腈组件和聚氯乙烯中空纤维膜组件中的一种，膜孔径为0.10～0.2μm，工作压力为-1～-50kPa，工作温度为5～45℃。
6.如权利要求1所述的烟草薄片生产废水的处理及再生循环利用方法，其特征在于：步骤(8)所述超滤装置为浸没式超滤、柱式超滤、管式超滤、卷式超滤或板式超滤的一种，截留分子量为1000～100000MWCO，工作条件为：常温～45℃，浸没式超滤的工作压力为-1～-50kPa，柱式超滤、管式超滤、卷式超滤和板式超滤的工作压力为3～300kPa。
7.如权利要求1所述的烟草薄片生产废水的处理及再生循环利用方法，其特征在于：步骤(10)所述反渗透系统中的反渗透膜组件为卷式膜组件，膜材料为有机膜中醋酸纤维膜或复合膜，膜材料的截留分子量为50～200MWCO，进压为6.0～45.0bar，出压为4.5～33.5 bar，工作温度为20～45℃。
8.如权利要求1所述的烟草薄片生产废水的处理及再生循环利用方法，其特征在于：步骤(10)所述纳滤系统中的纳滤膜组件为管式膜组件、卷式膜组件或平板膜组件的一种，工作压力为6～45bar，工作温度为20～45℃。
9.如权利要求1所述的烟草薄片生产废水的处理及再生循环利用方法，其特征在于：步骤(10)所述电渗析的工作条件是：操作电压压力0.5～3.0 kg/cm2，操作电压50～250V，电流强度1～3A。
10.如权利要求1所述的烟草薄片生产废水的处理及再生循环利用方法，其特征在于：步骤(10)所述电容吸附去离子系统的工作条件是直流电压为110V ～2×106V，电流强度小于或等于1A。
说明书
烟草薄片生产废水的处理及再生循环利用方法
技术领域
本发明涉及一种烟草薄片生产废水的处理及再生循环利用方法，特别是涉及一种基于化学脱钙技术、生物化学技术、电化学技术、BAF技术和膜技术的烟草薄片生产废水和烟草生产废水的处理及再生循环利用方法，属于环境工程的水污染治理领域。
背景技术
烟叶在生产时，原料并不能得到完全的利用，烟草从初加工到制成卷烟的生产过程中，会产生大约占原烟料总量1/3的碎料，这些烟草碎料无法直接作为原料再次制成卷烟产品。为了减少废料产生、实现碎料的综合利用，烟草薄片技术应运而生。烟草薄片，又名再造烟草(Reconstituted Tobacco)，是利用烟末、烟梗、碎烟片等烟草物质为原料制成片状或丝状的再生产品，用作卷烟填充料，降低卷烟中的焦油含量，减少吸烟给人体带来的健康危害。烟草薄片的使用具有提高烟丝质量、降低卷烟成本、节省原材料消耗、资源再利用等诸多优点。辊压法、稠浆法和造纸法是当前烟草薄片的主要生产方法。与辊压法和稠浆法薄片相比，造纸法薄片具有明显的优势：降低卷烟生产成本、产品质量稳定、填充值和成丝率高、耐机械加工性能好、提高了卷烟的燃烧速度并降低了焦油释放量、产品可塑性高且较易加工，是目前生产“健康型”香烟的有效工艺。正是由于造纸薄片具有辊压法和稠浆法无法比拟的优点，因此在国内外都得到了广泛推广。
造纸法烟草薄片生产过程中产生的废水既有造纸废水的共性如含有大量纤维，同时又有烟草废水色度高、可生化性较差、废水中含有对微生物生长不利的烟碱、烟焦油和钙镁含量高150～500mg/L等特点，主要污染指标如下表： 序号项目指标1化学需氧量(CODCr)1500~25000mg/L2五日生化需氧量(BOD5)600~10000mg/L3悬浮物(SS)700~15000mg/L4pH值5.5~6.55色度1000~25000倍6水温45~65℃7Ca2+150~500 mg/L
同时废水浓度波动较大，CODCr 从1500～25000mg/L，SS从700～15000mg/L，烟碱和焦油抑制微生物生长，钙镁含量高导致反应器结垢不能正常运行，属于高浓度难处理有机废水。
中国专利CN1683261A公开一种造纸法烟草薄片生产废水的处理方法，即混凝气浮+好氧氧化+机械过滤的烟草薄片生产废水的处理方法。
中国专利CN102276093A公开一种造纸法烟草薄片生产废水的处理方法，该工艺包括以下步骤：将生产废水通过格栅粗滤，自流进入废水调节池;通过提升泵将废水调节池中的废水提升至混凝器中投加Ca-硅藻土系复合凝聚剂反应5-10min，然后投加聚合硫酸铁、聚丙烯酰胺分离剂进入静态反应池反应，反应时间为50-60min;将低浓度的有机废水的pH调节为偏酸性后泵入超声微电解反应器中，通过超声波和微电解共同反应，使废水中化学耗氧量物质快速消解，反应时间为30-60min;再将废水经过活性炭吸附和石英砂过滤;将调节池和静态反应池工段所产生的污泥经过叠螺污泥脱水处理后作为固体燃料使用。
中国专利CN10133045A中公开了造纸法烟草薄片生产废水经一至三级过滤后再分别回用于制浆工段，回用水采用定期排放于污水处理站的方法，但生产废水循环回用于生产将极大的影响薄片品质。
中国专利CN1683261A公开了造纸法烟草薄片生产废水先经混凝处理、气浮法除去其中固体悬浮物，然后送入曝气池通过好氧微生物去除大部分COD物质的方法。
以上方法对烟草薄片生产废水的处理都具有一定的效果，但存在工艺流程长、设备投资大、占地面积大，运行费用高等缺陷，更为严重的是由于废水中含有大量钙，直接导致生化处理系统和膜分离系统大量结垢，系统无法正常运行，现有的废水处理技术处理后的排放废水不能达到排放标准，更别提再生循环利用。
发明内容
本发明的目的在于针对现有的烟草生产废水处理方法中所存在的设工艺流程长、备投资大、占地面积大、运行费用高、生化处理系统和膜处理系统因为结垢不能正常运行，处理后的排放废水不达标、无法再生循环利用等缺陷，提供一种基于化学脱钙技术、生物化学技术、电化学技术、BAF技术和膜技术相结合，成本较低，效能较高，使之再生循环利用的烟草生产废水的处理方法。
本发明所述烟草薄片生产废水的处理及再生循环利用方法包括以下步骤：
(1)除渣
烟草薄片生产废水经管道收集后排入机械粗格栅集水池，池内设置粗格栅，对污水的中粗大的浮漂物进行隔离去除，然后通过提升泵，将烟草薄片生产废水提升至旋转机械细格栅机内，通过滤网的过滤进一步去除水中大部分不可溶解性的悬浮物，产生的隔渣打包外运，废水则经过化学脱钙处理;
(2)化学脱钙
除渣后的出水经管道先流入调节池，再进入一级脱钙反应池，经加药装置在搅拌下先加入300~900mg/L的氢氧化钠溶液或石灰饱和澄清液调pH值至8.5～9.5，脱除假性硬度(碳酸氢盐)后，进入二级脱钙反应池，通入步骤(4)厌氧处理中UASB厌氧池产生的气体，使气体中CO2与钙镁离子反应生成碳酸盐沉淀，或者加入200~800mg/L的Na2CO3使pH值至8～9，碳酸根与钙镁离子反应生成碳酸盐沉淀，进入初沉池沉淀3～4小时;
(3) 气浮
初沉池的上清液泵入过滤装置，得滤液和沉淀，滤液流入混凝池，在搅拌条件下先加入5~10mg/L的PAC，最后加入2~3mg/L的阴离子聚苯烯酰胺(PAM)，反应完全后进入气浮池进行气浮分离，过滤沉淀和浮渣(即污泥)经过泵和管道送入污泥池中，最后在污泥脱水装置中进行过滤分离，气浮池出水进入厌氧池;所述的过滤装置是离心过滤机、真空过滤机或压滤机的一种;
(4)厌氧处理
气浮池出水经提升泵提升进入UASB厌氧池，经过UASB厌氧池中厌氧菌、兼氧菌的吸附、发酵、产甲烷共同作用下将有机酸分解成甲烷和二氧化碳，产生的甲烷和二氧化碳经过气体收集装置收集后导入步骤(2)化学脱钙中的二级脱钙反应池，经二级脱钙反应池净化后回收沼气于贮气罐，废水则进入步骤(5);厌氧处理处理的时间为44～56小时。
(5)电解
UASB厌氧池出水进入电解机a进行电解，电解机a的相邻两电极间的电压为2～12V，电流密度为30～260mA/cm2;
(6)A/O处理
电解出水依次进入缺氧池、好氧池和二沉池，且二沉池的部分污泥通过回流泵回流至缺氧池，利用缺氧、好氧微生物的交替作用下可进行脱氮除磷，并通过好氧处理进一步氧化分解废水中的有机物，深度去除COD和BOD，好氧池内均匀填满大量的生物悬浮填料，为好氧微生物提供栖息、生长繁殖的场所，以便微生物在填料表面形成生物膜，在好氧池底部设有曝气充氧搅拌系统，对污水进行充氧作用，使水中的溶解氧维持在2～4 mg/L，同时利用气体上升的作用，使池内的悬浮物与水更充分接触，另外通过气体和清水反冲洗的搅动作用，可以有效的对填料表面生长的老化生物膜进行冲刷，促使生物膜的更新换代，使生物膜维持较高的活性;
(7)二次电解
二沉池出水再次进入电解机b进行电解，电解机b相邻两电极间的电压为2～6V，电流密度为20～200mA/cm2;
(8)膜处理或曝气生物滤池生化(BAF生化)
二次电解后的废水进入膜处理装置或曝气生物滤池，通过膜处理装置的过滤分离或生物氧化降解作用对废水进行净化，进一步除去COD、SS和氨氮，得到净化废水;所述膜处理装置是膜生物反应器(MBR装置)或超滤装置的一种;
(9)三次电解
废水经过膜处理或曝气生物滤池生化处理后，出水再经过电解机c处理，可进一步去除色度，并对废水进行杀菌消毒;
(10)脱盐
三次电解后的废水进入脱盐装置，分离得透析水和浓缩水，透析水进入再生水贮罐，浓缩水则一部分通过管道回流至步骤(2)化学脱钙中的调节池，剩余部分经排水渠排放;所述脱盐装置是反渗透系统、纳滤系统、电渗析或电容吸附去离子系统的一种;
(11)污泥处理
步骤(2)化学脱钙中的初沉池、步骤(3)气浮中的过滤装置和气浮池、步骤(4)厌氧处理中UASB厌氧池、步骤(6)A/O处理中缺氧池、好氧池和二沉池以及步骤(8)膜处理装置或曝气生化滤池生化处理产生的污泥都通过管道进入污泥池，然后经过污泥压滤机的脱水作用使得污泥减容，脱水后泥饼进行焚烧处理，滤液则回流至步骤(2)化学脱钙中的调节池。
步骤(2)化学脱钙的第二步是将UASB厌氧池产生的沼气(含有甲烷、二氧化碳、硫化氢、硫醇类化合物、氨气等)通往二级脱钙池，使气体中CO2与钙镁离子反应生成碳酸盐沉淀的同时，沼气中的硫化氢、硫醇类化合物、氨气等与钙镁离子反应，使沼气也获得净化，净化后的沼气可以收集于贮气罐中进一步利用。
步骤(3)气浮中所述的气浮为布气气浮法、电气浮法、生物及化学气浮法、溶气气浮法的一种。
步骤(3)气浮中所述的过滤是离心过滤、真空过滤或者压滤的一种;离心过滤的离心机工作转速是3000～5000转/分钟;真空过滤和压滤的滤布孔径小于5um。
步骤(5)、步骤(7)和步骤(9)的电解机a、电解机b和电解机c均设有电源和电解槽，所述电解槽内的电极材料为石墨、钛、铁、铝、锌、铜、铅、镍、钼、铬、合金和纳米催化惰性材料中的一种;所述纳米催化惰性电极的表层涂覆有晶粒为10～35nm的金属氧化物惰性催化涂层，所述纳米催化惰性电极的基板为钛板或塑料板。
步骤(8)所述MBR装置的膜组件为中空纤维膜组件或平板膜组件的一种;中空纤维膜组件为聚偏氟乙烯中空纤维膜组件、聚丙烯中空纤维膜组件、聚砜中空纤维膜组件、聚醚砜组件、聚丙烯腈组件和聚氯乙烯中空纤维膜组件中的一种，膜孔径为0.10～0.2μm，工作压力为-1～-50kPa，工作温度为5～45℃;所述超滤装置为浸没式超滤、柱式超滤、管式超滤、卷式超滤或板式超滤的一种，截留分子量为1000～100000MWCO，工作条件为：常温～45℃，浸没式超滤的工作压力为-1～-50kPa，柱式超滤、管式超滤、卷式超滤和板式超滤的工作压力为3～300kPa。
步骤(10)所述反渗透系统中的反渗透膜组件为卷式膜组件，膜材料为有机膜中醋酸纤维膜或复合膜，膜材料的截留分子量为50～200MWCO，进压可为6.0～45.0bar，出压可为4.5～33.5 bar，工作温度为20～45℃，最佳温度为25～35℃;所述纳滤系统中的纳滤膜组件为管式膜组件、卷式膜组件或平板膜组件的一种，工作压力为6～45bar，工作温度为20～45℃，最佳温度为25～35℃;所述电渗析的工作条件是操作电压压力0.5～3.0 kg/cm2，操作电压50～250V，电流强度1～3A;所述电容吸附去离子系统的工作条件是直流电压为110V ～2×106V，电流强度小于或等于1A。
废水经过以上处理的效果如表1所示：
表1烟草薄片生产废水各处理工序的效果
本发明与现有技术比较，具有以下突出优点：
(1)通过化学脱钙系统的一级脱钙反应脱除假性硬度(碳酸氢盐)后，再经过二级脱钙反应池使碳酸根与钙镁离子反应生成碳酸盐沉淀，然后在混凝池中碳酸盐沉淀脱稳、与阴离子聚苯烯酰胺(PAM)等助凝剂互相絮凝，聚集成粗大的矾花颗粒，在初沉池中沉降下来，最终有效脱除烟草薄片生产废水中的高浓度钙、镁离子，去除率达50~90%，降低水的硬度，使得 Ca2+低于80 mg/L，防止反应器结垢，保证后续生化处理、电解工艺和脱盐工艺顺利、稳定运行。
(2)在化学脱钙后，通过离心分离或真空过滤或压滤后，使废水中的COD下降至7000mg/L以下。
(3)经UASB厌氧处理系统处理后，废水中的COD、BOD等指标大幅度降低，产生的气体经过气体收集装置收集后导入化学脱钙中的二级脱钙反应池，使气体中CO2与钙镁离子反应生成碳酸盐沉淀，一方面回收气体中CO2，使得气体得到有效利用;另一方面通过二级脱钙反应池去除气体中的H2S，净化气体，沼气再通过贮气罐收集利用或高空排放。
(3)经过除渣和化学脱钙系统处理后，废水中的SS去除率达95%以上，调节池内的SS大大减少，避免污泥在调节池内的沉积，减轻平时运行清泥工作量。
(4)通过纳米催化电解产生的强氧化性自由基使废水中的难生化大分子化合物开环断链，变成可生化的小分子，进一步提高B/C值，改善后续生化处理的条件，并脱除废水中的色度和臭味，降低氨氮、COD等指标。
(5)经过A/O生化池，通过厌氧好氧的交替作用，可对污水进行脱氮除磷。
(6)经过曝气生化滤池生化处理后，通过好氧微生物的氧化分解作用彻底分解水中污染物质，使得出水水质稳定，达标排放。
(7)烟草薄片生产废水经过处理，75%～85%可以再生循环利用，既减少废水排放，避免废水对环境污染，又减少水资源浪费，还可以使再生的循环水成本低于自来水价格，经济合理，产生较好的经济效益。
