TW201811684A - 用於牛卡紙之生產及纖維素乙醇之生產的處理包含纖維素之廢水污泥的方法 - Google Patents

Abstract

本發明製程係關於自諸如製漿廠或製漿造紙廠之廢水處理設施所產生之初沉污泥之處理。其進一步係關於在纖維素乙醇之生產中使用該初沉污泥之製程。其進一步係關於經處理之初沉污泥在再造牛卡紙之製造中之用途。

Description

用於牛卡紙之生產及纖維素乙醇之生產的處理包含纖維素之廢水污泥的方法

本發明係關於自廢水處理設施(例如，製漿廠或製漿造紙廠)所產生之初沉污泥之處理，其中纖維素纖維係固體廢棄物之重要部分。其進一步係關於在纖維素乙醇之生產中使用自廢水所得之初沉污泥之製程。其進一步係關於初沉污泥在再造牛卡紙之製造中之用途。 紙之製造涉及在水中摻和紙漿材料(通常纖維素纖維)與填充劑(例如，黏土)及其他添加劑，以產生在本文中稱為紙漿之原料漿液混合物。然後藉助造紙機處理紙漿以形成紙頁。然後自紙頁提取水並然後將紙頁壓製並乾燥，從而形成紙產品。所提取之水或工業流出物流含有一定量之廢棄固體，該等廢棄固體大多係纖維及填充劑材料。 將含有該等不能直接由(例如)造紙廠「回收(saveall)」裝置再循環之廢棄固體之工業流出物流藉由污水下水道系統傳輸至廢水處理工廠設施。端視廢水處理設施之特定設置，工業流出物流經過一系列操作，以將廢棄固體濃縮並脫水，從而產生污泥。最終，使工業流出物流通過壓濾機，在其中廢棄固體經濃縮為初沉污泥且來自該壓濾機之濾過廢水在曝氣池中經進一步處理，從而產生含有適於排放或再利用之生物廢棄物及水的二沉或細菌活化污泥。 然而，此流之最大部分係自廢水處理工廠所產生之初沉污泥。脫水後，固體含於經濃縮通常具有40%-60%固體之污泥中。此污泥之主要組分係纖維素纖維及諸如黏土及矽酸鹽之填充劑材料。 如上文所提及，自初沉污泥分離後，濾過水仍含有溶解或微細懸浮之有機物質，需要減少以安全排放。將此流在活化污泥製程中進一步處理並傳送至曝氣池。為生物製程之產物的二沉污泥通常在廢棄物掩埋場中加以處置。一些造紙製程再循環初沉污泥，然而，除強度性質之問題以外，已發現造紙污泥對上膠造成不利影響並引起施膠逆轉。 「污泥」係用於自製漿造紙所得之固體殘餘物的通用術語。污泥通常在處理來自工業設施之流出水之製程中的兩個步驟中產生。含有流出物流中之大部分懸浮固體之初沉污泥係由在初級澄清器處理之第一階段回收。初級澄清通常係藉由沉降或藉助壓濾機進行，但亦可藉由溶解空氣浮選法來實施。在沉降時，將欲處理之廢水泵送至大的沉降槽中，自槽底部去除固體。該等固體端視材料之特性可在1.5%至6.5%之範圍內。傳遞溢流或經澄清之水用於二級處理。 若使工業流出物通過壓濾機，則收集初沉污泥並將濾過流出物以管道輸送回至製程用於二級處理。 自初沉污泥之分離所得之廢水通常含有溶解之有機物質以及一部分微細懸浮固體。該等需要減少或消除，之後才可安全排放或再利用水流。二級處理通常係生物製程，其中微生物在消耗氧的同時將廢棄物轉化成二氧化碳及水。然後如在初級處理中一般，藉助澄清去除所得固體。將所得二沉或生物污泥傳送至沉降池。一般而言，與自第二階段所獲得之二沉或生物污泥相比，初沉污泥更易於脫水。通常將此二沉或生物污泥傳送至廢棄物掩埋場。 造紙業當前使用若干方法來處置紙漿及紙生產所生成之污泥，例如在夏天田地可及時土地揚灑，及在冬天期間蒸汽需求較大時焚化用於蒸汽生產。當前，由製漿廠或製漿造紙廠所生產之大多數污泥經脫水並掩埋。該等廢棄物掩埋場可為由廠建造並操作之工業廢棄物掩埋場，或其可為獨立自有，需要廠支付「傾倒費」用於污泥處理。當前廢棄物掩埋場將要飽和，而新的廢棄物掩埋場由於更嚴格的環境要求而難以選址及建造。 一些替代製程(例如，流化床系統)似乎對環境更友好。微生物處理仍相對新穎且仍未大規模使用。若可在廠附近發現使用者且若可取得長期合約，則污泥灰之替代用途(例如，磚及水泥)係極佳選擇。然而，自製漿造紙廠污泥所開發之新產品需要市場以使其在商業上可行。研發並創造沒有市場之產品沒有意義。 即使有若干應用可出於經濟益處使用初沉污泥中之纖維素纖維，例如用於乙醇生產或用於再造纖維素產品，但主要阻礙係初沉污泥中之纖維由自然存在於系統中之生物劑快速降解。此降低污泥中纖維之價值。為減輕纖維之生物降解，期望在分離之前將防腐劑添加至流出水。然而，在分離製程後，防腐劑亦將存在於廢水中且由此降低二級處理步驟中生物劑之功效。因此，期望獲得此種防腐劑：其將顯著減少初沉污泥中纖維素纖維之生物降解，而不影響廢水之二級生物處理步驟中COD減排之動力學。儘管已嘗試使用多種組合物及處理技術來處理污泥，但仍需要尋找新的製程及應用，其中初沉污泥可用作新產品之可再生來源，同時維持二級處理步驟之效能。

本文提供處理含有纖維素纖維之工業流出物或廢水流及自流出物流產生初沉污泥用於生產纖維素乙醇之製程。 本文亦提供在再造牛卡紙或硬紙板(該等術語在下文中可互換使用)之製造中使用初沉污泥之製程。 更具體而言，製程涉及將包含氯化苄烷銨(benzalkonium chloride)、次氯酸鈉及土黴素之防腐劑添加至工業流出物流，將廢棄固體流出物流濃縮為初沉污泥及濾過廢水，該濾過廢水經進一步處理並澄清。然後可將該初沉污泥用於纖維素乙醇之生產中或再造硬紙板或牛卡紙之製造中。 最後，本文提供在廢水處理設施用防腐劑處理工業流出物流之製程，其中廢水設施之曝氣池或廢棄物處理池中之生物有機活性不受影響。

本申請案主張於2016年6月20日提出申請之美國專利申請案第15/186,608號之權益，其全部內容係以引用方式併入本文中 本發明製程提供在廢水處理設施對工業流出物流之處理，其中所產生之初沉污泥可用於纖維素乙醇之生產中。該製程亦容許將初沉污泥用於再造硬紙板或牛卡紙之製造中。本發明製程可用於含有至少20重量%之纖維素纖維之任何工業流出物流，例如由製漿廠或製漿造紙廠所產生之彼等中。 在本發明製程中，在廢水處理工廠，將包含氯化苄烷銨、次氯酸鈉及土黴素之調配物之防腐劑在產生初沉污泥之壓濾機之前或在壓濾機處或在其組合添加至工業流出物流。更具體而言，相對於總的活性物，氯化苄烷銨之量可為40%-75%，次氯酸鈉之量可為8%-20%且土黴素之量可為0.1%-1%。壓濾流出物，從而產生初沉污泥及經過濾之廢水流出物流。初沉污泥然後可用於纖維素乙醇或再造硬紙板之生產中。將經過濾之廢水流出物流在生物(活化污泥)製程中進一步處理，其中廢水中之殘餘有機物質由生物有機體消耗並經澄清，從而進一步自廢水分離生物廢棄固體。將經澄清之廢水排放回至環境中並使廢棄固體返回至曝氣槽，以作為活化污泥持續工作。過量之此污泥進入污泥增稠器且在離心後，產生通常傳送至廢棄物掩埋場之二沉或生物污泥。可使離心廢水回送至曝氣槽以再次處理。 在較佳製程中，參照圖1，工業流出物流(2)自工業設施(1)排放至廢水處理設施(23)。在此特定形式中，工業流出物流經過第一傾析器(3)，其開始濃縮廢棄固體。廢水經過額外處理，例如冷卻塔(13)、其中微生物有機體分解有機物質之曝氣池(14)、第二傾析器(15)、澄清器(21)並最終排放至(例如)河流(22)中。在圖1中，廢棄固體持續通過鼓式預增稠器(4)，該等鼓式預增稠器主要用於將造紙機損紙脫水並預增稠漿渣。防腐劑(8)可在壓濾機之前之系統中任一處或在壓濾機處或在其組合添加。在圖1中，防腐劑(8)係在鼓式預增稠器(4)及/或壓製區段(5)添加。將濾過流出物(7) (例如)在冷卻塔(13)後以管道輸送回至工業流出物流中用於二級處理。 將自壓濾機所得之污泥視為初沉污泥(6)，且可具有約30%至約60%固體之稠度，且其中纖維以乾重計佔污泥之至少約20%，可有約35%之纖維且可有以污泥乾重計約45%之纖維。 防腐劑(8)係包含氯化苄烷銨、次氯酸鈉及土黴素之調配物。更具體而言，相對於總的活性物，氯化苄烷銨之量可為40%-75%，次氯酸鈉之量可為8%-20%且土黴素之量可為0.1%-1%。在圖1中，防腐劑係在鼓式預增稠器(4)及/或壓濾機(5)添加。然而，其可在彼等地點之前之其他位置添加。防腐劑可以以污泥之乾重計約100百萬分率(ppm)至約1000 ppm之量添加。 在圖1中，將濾過流出物(7)以管道輸送回至系統中並再與來自第一傾析器(3)及冷卻塔(13)之廢水混合。流出物持續通過曝氣池(14)，其提供去除有機組分並移動固體以產生受控混合模式之有效方式，並通過第二傾析器(15)。該第二傾析器(15)進一步自廢水分離固體廢棄物，從而產生經進一步處理之污泥及澄清流出物(21)。然後澄清流出物(21)經排放至(例如)河流(22)中。 將返回至曝氣槽之過量之此污泥(16)進一步增稠(17)，然後泵送至貯留槽(18)中，且在進入離心機後產生二沉污泥。二沉污泥可在排放至廢棄物掩埋場中之前視情況經防腐劑處理。圖1顯示在二沉污泥增稠器(17)之前及之後所添加之可選防腐劑。可選防腐劑可用於幫助使細菌計數保持在可接受之程度。通常，當使用平板培養法時，細菌計數應不超過100,000。 工業廢棄物設施可以多種不同方式構形。舉例而言，可將濾過流出物(7)以及來自離心機(19)之流出物在冷卻塔(13)之前在均壓罐(未顯示)處以管道輸送回至系統中。自冷卻塔起，流出物將經過如所述之相同製程，其中流出物經過曝氣單元(14)，隨後經過第二傾析器(15)，其中污泥再循環(16)回至曝氣單元(14)，且任何過量之污泥進入二沉污泥增稠器(17)及離心機(19)，從而產生二沉或活化污泥，通常將其傳送至廢棄物掩埋場(20)。然後可使來自離心機(19)之流出物在冷卻塔之前或之後再循環回至製程中。 如上文所提及，在第二傾析器(15)後，在二沉污泥增稠器(17)中所收集之廢棄固體可視情況在經過二沉污泥增稠器(17)之前、期間或之後或在其組合經處理。在較佳實施例中，具有防腐劑之二沉污泥之劑量可為約0 ppm至約1,200 ppm。 以下實例進一步闡釋本發明製程，且其並不意欲以任何方式限制所主張製程之範疇。實例 實例 1 實施以下措施以評估防腐劑控制細菌之效率。自製漿造紙廠廢水收集初沉污泥試樣，並藉由下文所述之平板培養法進行分析，培養基意指用於總細菌生長之培養PCA (平板計數瓊脂)。 培養平板法或平板培養揭示能夠在適當培養基中並在適宜培育條件下繁殖並形成菌落之微生物之數目。所產生之每一菌落皆係源自於功能單元。試樣之製備 將100 g初沉污泥添加至2個200 ml錐形瓶中。試樣1係不使用防腐劑之初沉污泥，且試樣2係含500 ppm防腐劑之初沉污泥。對於每一錐形瓶，藉由將9毫升(ml)蒸餾水添加至每個試管製備6個滅菌試管。將1 ml試樣1及1 ml試樣2分別轉移至第一試管。攪動第一試管並將1 ml試樣移出並置於下一個或第二試管中並攪動，且自第二試管取1 ml試樣並置於第三試管中，且如此繼續至第六試管(參見圖2)。表面平板培養法 - 「塗佈平板」 在高壓釜中(此亦可藉由微波完成)合併培養基(將材料自固相轉為液相)；將試樣1及試樣2各自之管型(cast)培養物分佈於皮氏培養皿(petri dish)中並使其固定；對於所製備之所有稀釋液，用吸量管在皮氏培養皿之表面上添加0.1毫升(ml)各試樣；使用滅菌Drigalsky條帶將試樣塗佈在皮氏培養皿中合併培養基之表面上。將培養物在35℃下培育48小時至72小時，直至菌落完全出現為止(此通常係在48小時至72小時後)，並在菌落計數器中計數所形成之菌落。 測試結果已顯示，無防腐劑之初沉污泥具有300,000之細菌計數，而經本發明防腐劑處理之初沉污泥具有5,000之細菌計數。與不添加防腐劑之初沉污泥相比，本發明防腐劑藉由使細菌群體減少百倍抑制細菌生長。實例 2 - DO 含量之量測 廢水流出物工廠使用曝氣槽來使微生物懸浮於廢水中。離開初級處理階段後，將污水泵送至曝氣槽中。向污泥加載微生物並將其與空氣或純氧混合。在將空氣迫入曝氣塘中時，其增加該等微生物之活性並幫助保持有機廢棄物充分混合。將溶解氧(DO)添加至曝氣塘，以藉由將氧提供至需氧微生物來增強氧化過程，故其可成功地使有機廢棄物轉變為無機副產物或「活化」污泥。大多數工廠維持約1.5毫克/公升(mg/L)至約3.5mg/L之DO，故活化污泥內所含之微生物亦可得到氧。 使用來自Emerson Process Management之溶解氧感測器499ADO型實施以下測試。氧擴散穿過感測器之透氣膜並在陰極經還原。此在陽極與陰極之間產生電流，藉由Emerson Process Management製造之54eA型電流分析儀量測該電流。 監測該製程之曝氣系統之DO含量增加或下降。若在曝氣系統中無任何改變之情形下，DO之含量突然增加至大於3.5 mg/L，則此係濾過流出物中之殘餘防腐劑正在影響活化污泥中細菌之存活率之跡象。在使用防腐劑之本發明測試中，平均DO係3.0 mg/L，此指示防腐劑不影響活化污泥中細菌之存活率。實例 3 - BOD 含量之量測 生化需氧量(BOD) (亦稱為生物需氧量)係在一定溫度下經特定時間段，需氧生物有機體分解存在於給定水試樣中之有機物質所需(亦即，需求)之溶解氧之量。BOD值最常以在20℃下培育5天期間每公升試樣所消耗氧之毫克數(下文中稱為BOD₅ )來表示，且其通常用作水之有機污染程度之代用值。 BOD₅ 可用作廢水處理工廠效率之規範。其在美國潔淨水法案(U.S. Clean Water Act)中列示為常規污染物。稀釋方法 水和廢水檢驗標準方法(Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater)中之方法5210B係由美國國家環境保護局(U.S. Environmental Protection Agency (EPA))認可之標準方法。為獲得廢水流出物試樣中之BOD及溶解氧(DO)濃度，在如上文所製備之試樣之培育期之前及之後量測試樣，並依照試樣對應稀釋因子(即試管稀釋液1-6)適當調整。 分析係使用300毫升(ml)培育瓶實施，其中在緩衝稀釋水中投用菌種微生物並在20℃下在暗室中儲存5天，以防止經由光合作用產生DO。在試樣培育期間溶解氧(DO)消耗之稀釋度通常介於初始DO之40%與70%之間。除BOD試樣之多個稀釋液以外，亦可使用稀釋水空白試樣、葡萄糖麩胺酸(GGA)對照及菌種對照。使用稀釋水空白試樣來確定用於稀釋其他試樣之稀釋水之品質。由於稀釋水中之雜質可能引起結果之顯著變化，故此係必要的。GGA對照係測定菌種品質之標準化溶液，其中其推薦BOD₅ 濃度係198mg/L ± 30.5mg/L。為量測碳質BOD (cBOD)，在將稀釋水添加至試樣後添加硝化作用抑制劑。該抑制劑阻礙供應氮質BOD (nBOD)之氨氮之氧化。當實施BOD₅ 測試時，習用實踐僅量測cBOD，此乃因氮質需求不反映有機物質之需氧量。此係由於nBOD係藉由蛋白質之分解生成，而cBOD係藉由有機分子之分解產生。 大多數原始河流將具有低於1 mg/L之5天碳質BOD₅ 。中度污染之河流可具有2 mg/L至8 mg/L範圍內之BOD₅ 值。藉由三階段處理製程有效處理之城市污水將具有約20 mg/L或更小之BOD₅ 值。 在將防腐劑添加至系統之前及之後在設施處監測BOD。測試顯示在廢水處理製程開始時平均BOD為619 mg/L，且在最終處理流出物中係9 mg/L，亦即BOD降低大於98%。 若最終流出物中BOD之含量突然變得大於參照值，則其將指示防腐劑正在影響活化污泥中細菌之存活率，但若BOD之含量符合參照值，則此將指示防腐劑不影響細菌計數。當BOD之降低大於98%且最終流出物中BOD之含量遠低於參照值時，此指示防腐劑一般不影響活化污泥及處理中細菌之存活率。實例 4 - 氮 ( 氨 ) 含量之量測 氨氮可藉由比色方法直接測定。然而，用於廢水流出物之批准方法係將氨初餾至用於比色、滴定或離子選擇電極測定之酸吸收溶液中。若省略初餾步驟，則必須在實驗室中可獲得指示不需要此步驟之比較數據。 EPA之標準方法351.2可用於量測總凱氏氮(Total Kjeldahl Nitrogen，TKN)，其係測定生物污泥之試樣中所含有機氮與氨氮二者之分析。該分析涉及初步消化，以將有機氮轉化為氨，然後將全部氨蒸餾至酸吸收溶液中並藉由適當方法、例如上文所提及之方法測定氨。 對廢水處理設施之最終流出物中總氮之含量進行測試。對於排放至環境中，可接受之含量必須低於30 mg/L，且氨氮之含量必須低於20 mg/L。測試顯示當使用本發明防腐劑時，最終處理流出物中氨氮之平均含量係2.6 mg/L之含量，遠低於可接受之含量。 若最終流出物中之氮含量突然保持高於典型值，則此指示，濾過流出物中之殘餘防腐劑正在影響活化污泥中細菌之存活率。若氮之含量極低，且BDO之含量低，則指示濾過流出物中防腐劑之含量足夠。在本發明測試中，氨氮之含量遠遠小於參照，即2.6 mg/L相對於20 mg/L。結果證明，本發明防腐劑一般不影響活化污泥及廢水處理中細菌之存活率。 本申請案在上文中引用之任何參考文獻(包括書籍、專利、公開申請案、期刊論文及其他出版物)皆係全文以引用方式併入本文中。

1‧‧‧工業設施
2‧‧‧工業流出物流
3‧‧‧第一傾析器
4‧‧‧鼓式預增稠器
5‧‧‧壓濾機、壓製區段
6‧‧‧初沉污泥
7‧‧‧濾過流出物
8‧‧‧防腐劑
13‧‧‧冷卻塔
14‧‧‧曝氣池、曝氣單元
15‧‧‧第二傾析器
16‧‧‧返回至曝氣槽之過量污泥、再循環污泥
17‧‧‧二沉污泥增稠器、增稠
18‧‧‧貯留槽
19‧‧‧離心機
20‧‧‧廢棄物掩埋場
21‧‧‧澄清器、澄清流出物
22‧‧‧河流
23‧‧‧廢水處理設施

圖1顯示典型廢水處理設施之示意圖。 圖2顯示試樣之製備。

Claims (24)

1. 一種自工業水流出物製備欲用於製造纖維素乙醇之初沉污泥之方法，其包括用包含氯化苄烷銨、次氯酸鈉及土黴素之化學組合物處理該流出物之步驟。
2. 如請求項1之方法，其中該初沉污泥之固體包含至少20重量%之纖維素纖維，可包含至少30重量%之纖維且可包含至少40重量%之纖維素纖維。
3. 如請求項1或2之方法，其中將防腐劑以約100百萬分率(ppm)至約1,000 ppm之量添加至該流出物流。
4. 如請求項1至3中任一項之方法，其中該初沉污泥具有至少40重量%總固體。
5. 如請求項1至4中任一項之方法，其中相對於總的活性物，氯化苄烷銨之量係40%至75%，次氯酸鈉之量係8%至20%且土黴素之量係0.1%至1%。
6. 如請求項1至5中任一項之方法，其中在壓濾機之前將該防腐劑添加至該流出物流。
7. 如請求項1至6中任一項之方法，其中在該壓濾機處將該防腐劑添加至該工業流出物流。
8. 如請求項1至7中任一項之方法，其中該初沉污泥中之細菌計數小於100,000。
9. 如請求項1至8中任一項之方法，其進一步包含視情況將該防腐劑添加至二沉污泥。
10. 如請求項1至9中任一項之方法，其中曝氣池中之生物有機體活性不受該防腐劑影響。
11. 如請求項1至10中任一項之方法，其中該工業流出物流係來自製漿廠或製漿造紙廠。
12. 一種製備纖維素乙醇之方法，其包含製備如請求項1所定義之來自工業流出物流之初沉污泥，及在乙醇之生產中使用所得之初沉污泥。
13. 如請求項12之方法，其中該初沉污泥之固體包含至少20重量%之纖維素纖維。
14. 一種包含氯化苄烷銨、次氯酸鈉及土黴素之化學組合物之用途，其用於處理來自製漿廠或製漿造紙廠之工業廢棄流出物。
15. 一種自工業廢棄流出物製備欲用於製造再造牛卡紙之初沉污泥之方法，其包括用包含氯化苄烷銨、次氯酸鈉及土黴素之化學組合物處理該流出物之步驟。
16. 如請求項15之方法，其中該初沉污泥之固體包含至少20重量%之纖維素纖維。
17. 如請求項15或16之方法，其中將該防腐劑以約100百萬分率(ppm)至約1000 ppm之量添加至該廢棄流出物流。
18. 如請求項15至17中任一項之方法，其中該初沉污泥具有至少40重量%固體。
19. 如請求項15至18中任一項之方法，其中相對於總的活性物，氯化苄烷銨之量係40%至75%，次氯酸鈉之量係8%至20%且土黴素之量係0.1%至1%。
20. 如請求項15至19中任一項之方法，其中在壓製區段之前將該防腐劑添加至該工業流出物流。
21. 如請求項15至19中任一項之方法，其中在該壓製區段處將該防腐劑添加至該工業流出物流。
22. 如請求項15至21中任一項方法，其進一步包含視情況將該防腐劑添加至該活化污泥。
23. 如請求項15至22中任一項之方法，其中曝氣池中之生物有機體活性不受該防腐劑影響。
24. 如請求項15至23中任一項之方法，其中該工業流出物流係來自製漿廠或製漿造紙廠。