EGSB反應(yīng)器處理半化學(xué)草漿制漿廢水的研究

劉 春張安龍管秀瓊

(1.四川理工學(xué)院造紙科學(xué)技術(shù)研究所,四川自貢,643000;2.陜西科技大學(xué)造紙工程學(xué)院,陜西西安,710021)

EGSB反應(yīng)器處理半化學(xué)草漿制漿廢水的研究

劉 春1張安龍2管秀瓊1

(1.四川理工學(xué)院造紙科學(xué)技術(shù)研究所,四川自貢,643000;2.陜西科技大學(xué)造紙工程學(xué)院,陜西西安,710021)

對采用厭氧膨脹顆粒污泥床(EGSB)反應(yīng)器處理的半化學(xué)草漿制漿廢水的運行狀況進行了分析,結(jié)果表明,反應(yīng)器以VLR (容積負(fù)荷)2.192 kg COD/(m3·d)進行啟動,在以濃度和流量逐漸提升VLR的過程中,CODCr去除率一直保持在70%以上;最小水力停留時間(HRT)可縮短至4.9 h,最大VLR可達(dá)到25.820 kgCOD/(m3·d),CODCr去除率穩(wěn)定在68.8%～78.0%范圍內(nèi);當(dāng)出水pH值高于進水時,出水回流可以減少調(diào)節(jié)進水pH值的用堿量。

EGSB反應(yīng)器;半化學(xué)草漿制漿廢水;運行狀況;影響因素

半化學(xué)法制漿工藝漿料得率高,藥品消耗低,設(shè)備規(guī)模小。但由于這種制漿工藝漿料得率比化機漿的低,因此污染負(fù)荷較高,CODCr為400～600 kg/t漿,屬于中高濃有機廢水,且以草類為原料的半化學(xué)制漿廢水中含有相當(dāng)數(shù)量的苯環(huán)類、茚類等有毒有害物質(zhì)。

厭氧膨脹顆粒污泥床(EGSB)反應(yīng)器是在UASB的研究基礎(chǔ)上開發(fā)出來的第三代高效厭氧反應(yīng)器,因其具有占地面積小、混合傳質(zhì)效果好、抗沖擊能力強、且具有高的生物量及生物活性等優(yōu)點[1],被廣泛應(yīng)用于處理低溫低濃度廢水、中高濃度有機廢水、含硫酸鹽廢水、有毒、難降解廢水以及麥芽發(fā)酵廢水和酸油廢水等[2-5]。

本實驗通過考察水力停留時間(HRT)、液體上升流速(Vup)、容積負(fù)荷(VLR)、pH值等參數(shù)對COD去除效果的影響,研究EGSB反應(yīng)器在實驗室條件下處理半化學(xué)草漿制漿廢水的運行規(guī)律。

1 實 驗

1.1 實驗裝置

實驗用EGSB反應(yīng)器采用圓筒形有機玻璃制成, EGSB反應(yīng)器總高1313 mm,總有效容積19.65 L,反應(yīng)區(qū)高度1000 mm,有效容積為9.6 L,EGSB反應(yīng)器的高徑比10∶1。沿EGSB反應(yīng)器高度方向等距設(shè)置8個取樣孔。并在距三相分離器底部50 mm處設(shè)置回流循環(huán)口。廢水經(jīng)計量泵由底部進入EGSB反應(yīng)器,并從其頂部的三相分離器出水口流出,所產(chǎn)生的氣體先經(jīng)過水封后再由濕式氣體流量計計量。EGSB反應(yīng)器采取水浴保溫。結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 實驗用EGSB反應(yīng)器基本結(jié)構(gòu)及工藝流程

1.2 廢水來源及水質(zhì)

實驗用水取自陜西渭南康鈺紙業(yè)集水池,該廠以麥草為原料,采用石灰法制漿生產(chǎn)中低檔瓦楞原紙。因此實驗所用廢水為半化學(xué)草漿制漿廢水。廢水水質(zhì)見表1。

表1 半化學(xué)草漿制漿廢水水質(zhì)

1.3 接種污泥

接種污泥采用顆粒污泥直接接種。顆粒污泥取自寶雞圣龍紙業(yè)廢水處理系統(tǒng)中的IC反應(yīng)器(PAQUES建造),該紙廠以麥草半化學(xué)漿生產(chǎn)高強瓦楞紙及紗管原紙。因此,所取顆粒污泥對實驗用水有良好的適應(yīng)性。顆粒污泥性質(zhì)如表2所示。

表2 接種顆粒污泥性質(zhì)

1.4 分析項目及方法[6]

化學(xué)需氧量COD采用重鉻酸鉀法;生化需氧量BOD5采用直接稀釋法;SS、VSS、TSS采用標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量法;pH值采用玻璃電極法。

2 結(jié)果與討論

2.1 EGSB反應(yīng)器的啟動

EGSB反應(yīng)器以20 g VSS/L接種量裝入種泥,然后用經(jīng)稀釋的取自渭南康鈺的麥草半化學(xué)漿廢水進行馴化。稀釋后CODCr濃度在1098 mg/L左右,用NaHCO3調(diào)節(jié)進水pH值為7.8～8.0,EGSB同時以m(CODCr)∶m(N)∶m(P)=200∶5∶1的比例向廢水中添加尿素和磷酸氫二鉀,啟動保溫裝置,保持EGSB反應(yīng)器內(nèi)溫度為35℃左右,HRT=12 h。由于接種污泥取自相同水質(zhì)系統(tǒng)的I C反應(yīng)器,但種泥在室溫下放置了一段時間,3天后才開始產(chǎn)氣,產(chǎn)氣量逐漸上升。這表明接種污泥由休眠期進入活化期。

第4天啟動回流水裝置,HRT降至6.4 h,以廢水濃度提升容積負(fù)荷,容積負(fù)荷的提高以測得出水CODCr去除率>70%,且出水VFA<5 mg/L為標(biāo)準(zhǔn)。67天后,全部以半化學(xué)草漿原水CODCr5274 mg/L進入EGSB反應(yīng)器。容積負(fù)荷相應(yīng)提高到19.78 kg COD/(m3·d)。提高原水比例的同時,水力上升流速相應(yīng)提高。相關(guān)數(shù)據(jù)見表3和表4。

運行初期,EGSB反應(yīng)器內(nèi)污泥床出現(xiàn)明顯的分層現(xiàn)象。其原因主要是因為污泥在由饑餓狀態(tài)的休眠期進入活性恢復(fù)后,迅速攝取營養(yǎng),底部污泥營養(yǎng)較充足,因而產(chǎn)氣量較大,此時較低的上流速度及上部較少的產(chǎn)氣量還不足以使污泥床完全膨脹,底部污泥所產(chǎn)氣體難以順利釋放,所以將污泥床抬起,形成了明顯的污泥床斷層現(xiàn)象。

隨著產(chǎn)氣的繼續(xù)進行,聚集的氣體量增加,氣壓增大,氣體沖出上部污泥層進入EGSB反應(yīng)器三相分離器集氣罩,一部分細(xì)小絮狀污泥隨回流水管洗出。隨著系統(tǒng)的穩(wěn)定運行,污泥床分層現(xiàn)象明顯減少,床層高度不斷增加,回流水管中帶泥現(xiàn)象減少。

表3 EGSB反應(yīng)器啟動期相關(guān)數(shù)據(jù)

表4 EGSB反應(yīng)器穩(wěn)定運行期相關(guān)數(shù)據(jù)

在逐漸改變廢水比例及容積負(fù)荷提升的過程中, CODCr的去除率都是先稍有下降,然后再逐漸上升,基本維持在75%左右;連續(xù)幾天對出水VFA、堿度進行檢測,發(fā)現(xiàn)VFA均在5 mg/L以下、堿度在2200 mg/L左右;同時發(fā)現(xiàn),在每一種廢水比例運行的過程中,污泥膨脹率都有一個小→大→小的變化過程,其原因主要該階段初期的上升流速太低,而顆粒污泥較重,因此不能達(dá)到一個很好的膨脹狀態(tài);在提高上升流速以后,即增大廢水的回流比之后,顆粒污泥的膨脹率得到提高;在該階段的后期,污泥對廢水逐漸適應(yīng),顆粒污泥的沉降性也相應(yīng)增強,此時的上升流速仍然不能滿足顆粒污泥膨脹的需要,因此,在下一階段,上升流速必須再提高?？梢哉f,保證合適的上升流速是確保反應(yīng)器正常、高效運行的關(guān)鍵。啟動過程中EGSB反應(yīng)器運行狀態(tài)良好,產(chǎn)氣量大,原水運行時CODCr去除率穩(wěn)定在77.5%左右,標(biāo)志著EGSB反應(yīng)器啟動的完成。啟動期運行效果如圖2所示。

圖2 啟動運行期VLR與CODCr去除率的關(guān)系

2.2 EGSB反應(yīng)器的穩(wěn)定運行

穩(wěn)定運行期實際上是容積負(fù)荷的提升階段。由于實驗用造紙廢水屬中高濃廢水,CODCr最高為5274 mg/L,相應(yīng)的EGSB反應(yīng)器容積負(fù)荷為19.78 kg COD/(m3·d),故EGSB反應(yīng)器進入穩(wěn)定運行期后,主要以進水流量來調(diào)節(jié)容積負(fù)荷。由表4可以看出,從第75天開始至第112天共38天的負(fù)荷沖擊過程中,在每一個負(fù)荷沖擊段,CODCr去除率都是先稍有下降,然后再逐漸上升,基本維持在70%以上。

2.3 容積負(fù)荷、水力停留時間對處理效果的影響

EGSB反應(yīng)器的有機負(fù)荷(Organic Loading Rate,簡稱OLR)是影響污泥增長、污泥活性和有機物降解的重要因素,提高負(fù)荷可以加快污泥增長和有機物的降解,同時使EGSB反應(yīng)器的容積減小。但當(dāng)有機負(fù)荷過高時,可能發(fā)生甲烷化反應(yīng)和酸化反應(yīng)不平衡的問題,從而降低處理效果。有機負(fù)荷可以用容積負(fù)荷(VLR)和污泥負(fù)荷(SLR)兩種方法表示,本課題中的有機負(fù)荷均以容積負(fù)荷表示。

由圖2可以看出,整個實驗過程中,EGSB反應(yīng)器的容積負(fù)荷呈梯度增加,包括以廢水濃度和進水流量提升兩個階段。第1階段結(jié)束時CODCr去除率穩(wěn)定在78%左右,第2階段在進水濃度保持不變的情況下梯級增加進水流量,即縮短了HRT(見圖3),相應(yīng)的廢水在EGSB反應(yīng)器內(nèi)的上升流速也梯級上升,較高的液體上升流速和由于負(fù)荷提高而引起的產(chǎn)氣量的增加使得污泥床受到的攪動更加劇烈,污泥床不斷膨脹,顆粒污泥與廢水間的傳質(zhì)作用加強,因此盡管HRT縮短至5.8 h,CODCr去除率仍能夠維持在77.2%,隨著負(fù)荷繼續(xù)增加至26.73 kg COD/(m3·d),進水量為48 L/d,HRT為4.8 h,此時測得出水中SS突然增加,CODCr去除率也急劇下降至53.8%,反應(yīng)器中大量細(xì)小污泥隨出水流失。隨即減小進水量, CODCr去除率有所回升,達(dá)到68.8%。由此可知,用EGSB反應(yīng)器處理半化學(xué)草漿廢水時,容積負(fù)荷以不超過25.82 kg COD/(m3·d)為佳,HRT不小于4.9 h。通過及時采取相關(guān)措施后,系統(tǒng)很快恢復(fù)正常,由此可以看出,EGSB反應(yīng)器系統(tǒng)抗負(fù)荷沖擊能力強。

圖3 啟動運行期HRT與CODCr去除率的關(guān)系

HRT對于厭氧工藝的影響是通過上升流速來表現(xiàn)的。一方面高的液體流速增加廢水系統(tǒng)內(nèi)進水區(qū)的擾動,因此增加了生物污泥與進水有機物之間的接觸,對去除率的提高起到積極作用;另一方面,為了保持系統(tǒng)中足夠的污泥,上升流速不能超過一定的限值,EGSB反應(yīng)器的高度也就會受到限制。這時HRT與液體上升流速之間就存在一個矛盾點。EGSB反應(yīng)器采用高的高徑比及出水回流,在達(dá)到較高的上升流速的同時,能夠保持一定的HRT,從而保證了EGSB反應(yīng)器的處理效果。

2.4 pH值的變化情況

實驗以EGSB反應(yīng)器啟動運行過程中每一個負(fù)荷提升期為一階段,測定了隨時間變化的進、出水pH值的變化情況,具體結(jié)果見圖4和圖5。進水pH值基本控制在7.8左右。這主要是因為從厭氧消化過程中pH值的變化趨勢來看,溶液酸化(pH值下降)的速率很快,需要的時間較短;而使酸性液(pH值小于7)恢復(fù)到堿性(pH值大于7)的速率卻很慢,需要的時間也較長[7]。因此將實驗啟動、運行過程中進水pH值控制在7.8左右,對保證EGSB反應(yīng)器運行的穩(wěn)定性有重要意義。

圖5是在EGSB反應(yīng)器啟動成功后第75天至第85天中沿EGSB反應(yīng)器高度分布水樣的pH值的變化情況。每兩天取一組數(shù)值。由圖5可以看出,廢水的pH值在EGSB反應(yīng)器的高度分布上呈急劇下降→緩慢下降→上升的變化趨勢?？赡茉驗?當(dāng)廢水進入EGSB反應(yīng)器底部時,適應(yīng)環(huán)境快、代謝能力強的產(chǎn)酸細(xì)菌迅速將廢水中的有機物轉(zhuǎn)化為脂肪酸,而適應(yīng)環(huán)境慢、代謝能力弱的產(chǎn)甲烷細(xì)菌一時無法將這些脂肪酸吸收利用,致使脂肪酸累積起來,導(dǎo)致溶液的pH值迅速下降;隨著產(chǎn)酸速率的降低,產(chǎn)甲烷細(xì)菌利用脂肪酸的速率相對提高,溶液中pH值的下降趨勢開始減緩,直至轉(zhuǎn)為上升趨勢。同時還可以看出,在有機物負(fù)荷率一定時,出水的pH值將很快趨向某一固定值(一般為數(shù)天時間),此時為8.1。

EGSB反應(yīng)器的出水pH值反映了EGSB反應(yīng)器內(nèi)VFA的積累程度,也能間接反映出EGSB反應(yīng)器內(nèi)堿度的大小。由圖4和圖5還可以看出,出水堿度高于進水堿度。這也可以從某種意義上說明EGSB反應(yīng)器增加出水回流裝置的優(yōu)勢所在:①提高上升流速,改善泥水混合效果;稀釋進水CODCr濃度,降低底部污泥負(fù)荷;②將高堿度的出水重新利用,節(jié)省了進水中堿性物質(zhì)的投加量。另外,有關(guān)研究表明[8],進出水具有一定的堿度差,證明EGSB反應(yīng)器的容積負(fù)荷仍存在繼續(xù)增長的空間。圖5中進、出水pH值差呈越來越小的趨勢,這與前面2.3節(jié)提到的容積負(fù)荷提高的幅度越來越小一致。

3 結(jié) 論

3.1 通過對厭氧膨脹顆粒污泥床(EGSB)反應(yīng)器啟動階段和穩(wěn)定運行的研究表明,EGSB反應(yīng)器以2.192 kg COD/(m3·d)的容積負(fù)荷進行啟動,在以濃度和流量逐漸提升容積負(fù)荷的過程中,CODCr去除率一直保持在70%以上。最小水力停留時間可縮短至4.9 h,最大容積負(fù)荷可達(dá)到25.82 kg COD/(m3· d),CODCr去除率穩(wěn)定在68.8%～78.0%范圍內(nèi)。

3.2 當(dāng)進水pH值保持在7.8左右時,CODCr的去除率都處于較高水平,且EGSB反應(yīng)器出水回流的特殊結(jié)構(gòu),使高堿度的出水與原水混合后再進入EGSB反應(yīng)器底部,減少了調(diào)節(jié)進水pH值的堿用量。

[1] Lettinga G,Field J.Advanced Anaerobic Wastewater Treatment in The Near Future[J].Wat Sci Tech,1997(35):5.

[2] 石憲奎,倪 文,王凱軍.EGSB處理玉米淀粉生產(chǎn)廢水中試研究[J].環(huán)境工程,2005,23(1):17.

[3] Mario Kato T,Jim Field A.The anaerobic treatment of low strength wastewaters in UASB and EGSB reactors[J].Wat Sci Tech,1997 (36):375.

[4] Van Der Last A R M,Lettinga G.Anaerobic treatment of domestic sewage undermoderate Climatic(Dutch)conditions using upflow reactors at increased superficial velocities[J].Wat Sci Tech,1992,25 (7):167.

[5] Rebac S,et al.High-rate anaerobic treatmentofmaltingwastewater in a pilot-scale EGSB system under psychrophilic conditions[J].ChemTech Biotechnol,1997,68:135.

[6] 國家環(huán)境保護局.水和廢水檢測分析方法[M].4版.北京:中國環(huán)境科學(xué)出版社,2002.

[7] 王紹文,羅志騰,錢 雷.高濃度有機廢水處理技術(shù)與工程應(yīng)用[M].北京:冶金工業(yè)出版社,2003.

[8] 劉 巍.水解+厭氧膜生物反應(yīng)器處理造紙中段廢水[D].西安:西安建筑科技大學(xué),2006.

Abstract:The study resultsof the treatmentof effluent from semi-chemical straw pulpingwith expanded granule sludge bed(EGSB)reactor indicated that the EGSB reactor started-up at the volume loading rate of 2.192 kg COD/(m3·d),its CODCrremoval rate maintains above 70%in the process of increasing volume loading rate gradually.The min imum HRT can be shorten to 4.9 h,the maximum VLR can be reached to 25.820 kg COD/(m3·d)and the CODCrremoval rate can be kept on 68.8%～78.0%;The consumption of alkali using for influent pH adjustment can be reduced by circulating the effluentwhen the pH value of the effluent is higher than that of the influent.

Keywords:expanded granule sludge bed reactor;semi-chemcial straw pulping effluent;running status;influencing factor

(責(zé)任編輯:趙旸宇)

更 正

《中國造紙學(xué)報》2010年第1期發(fā)表的的論文“圓網(wǎng)紙機紙頁成形原理及成形區(qū)設(shè)計的研究”,因作者原因出現(xiàn)幾處錯誤,現(xiàn)更正如下:

1.方程式(3)中的積分符號的下限Φ2應(yīng)改為Φ0,即為下式:

2.方程式(5)中的小括號設(shè)置有誤,應(yīng)為下式:

3.文中“5.1切線法”的兩公式中的小括號設(shè)置不對,且(Φc-Φ0)改為(Φc+Φ0),應(yīng)為下式:

4.方程式(17)中的2KB改為KB,應(yīng)為下式:

由此給讀者帶來的不便請諒解。

Study on the Treatment of Effluent from Sem i-chem ical Straw Pulp ing with Expanded Granule Sludge Bed Reactor

L IU Chun1,＊ZHANG An-long2GUAN Xiu-qiong1
(1.Research Institute of Paper Science&Technology,Sichuan University of Science and Engineering,Zigong,Sichuan Province,643000;2.College of Paper making Engineering,Shaanxi University of Science and Technology,Xi'an,Shaanxi Province,710021)
(＊E-mail:liuchun163@126.com)

X793

A

1000-6842(2010)03-0042-05

2010-03-23(修改稿)

劉 春,女,1982年生;助教;主要研究方向:造紙工業(yè)廢水處理技術(shù)。

E-mail:liuchun163@126.com