厭氧內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器（IC反應(yīng)器）在造紙廢水處理中的應(yīng)用

李琛，從善暢，郝磊磊

（陜西理工學(xué)院化學(xué)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，陜西漢中723001）

厭氧內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器（IC反應(yīng)器）在造紙廢水處理中的應(yīng)用

李琛，從善暢，郝磊磊

（陜西理工學(xué)院化學(xué)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，陜西漢中723001）

詳細(xì)介紹了厭氧內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器（IC反應(yīng)器）的啟動(dòng)問題及其在造紙廢水處理中的應(yīng)用，并對(duì)該技術(shù)的應(yīng)用前景進(jìn)行了展望。

厭氧內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器（IC反應(yīng)器）；造紙廢水；廢水處理

厭氧內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器（Internal Circulation Reactor，簡稱IC反應(yīng)器）具有抗負(fù)荷能力強(qiáng)、具緩沖pH能力、容積負(fù)荷高、能耗低、運(yùn)行費(fèi)用低、處理容量大、啟動(dòng)速度快、占地面積少、運(yùn)行穩(wěn)定等特點(diǎn)，其主要組成部分有污泥膨脹床區(qū)、精處理反應(yīng)區(qū)、內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)和出水區(qū)，在造紙廢水處理領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用前景。

我國是一個(gè)造紙工業(yè)大國，在制造過程中產(chǎn)生的廢水量大，污染物濃度高，對(duì)水環(huán)境造成極其不利的影響。污水必須通過終端的廢水處理設(shè)施，達(dá)標(biāo)后排放，而厭氧技術(shù)比較適合處理高濃度的有機(jī)廢水。筆者在此詳細(xì)介紹IC反應(yīng)器的啟動(dòng)問題和它在造紙廢水中的應(yīng)用。

1 IC反應(yīng)器的啟動(dòng)

在IC反應(yīng)器整個(gè)處理工程中，反應(yīng)器的快速啟動(dòng)和反應(yīng)器中顆粒污泥的形成是整個(gè)過程的關(guān)鍵。

丁麗麗等［1］以UASB中的顆粒污泥為接種污泥，用于IC反應(yīng)器的啟動(dòng)，20 d內(nèi)IC反應(yīng)器完成初次啟動(dòng)，15 d內(nèi)完成IC反應(yīng)器的二次啟動(dòng)。該反應(yīng)器日處理污水CODCr容積負(fù)荷達(dá)12～15 Kg/（m3·d），CODCr去除率＞85%；在IC反應(yīng)器中的容積負(fù)荷增加到11 Kg CODCr/（m3·d）時(shí)，反應(yīng)器完成啟動(dòng)。IC反應(yīng)器啟動(dòng)結(jié)束后，使顆粒污泥的平均沉降速度由35.4 m/h增加到105.17 m/h，平均粒徑由0.88 mm增大為1.25 mm，最大比產(chǎn)甲烷活性增加為啟動(dòng)初期的4倍，達(dá)到382.98 mL/（g·d）。張杰等［2］以某養(yǎng)豬場沉淀池的深灰褐色絮狀污泥對(duì)IC反應(yīng)器進(jìn)行接種啟動(dòng)。IC反應(yīng)器在60 d左右完成啟動(dòng)，啟動(dòng)后污泥區(qū)污泥沉降性能良好，在污泥區(qū)，污泥由上部到下部粒徑明顯增大，反應(yīng)器內(nèi)污泥顆粒粒徑分布明顯改善，粒徑大于1 mm的顆粒污泥量約占81.3%左右。在進(jìn)水有機(jī)負(fù)荷率達(dá)到20.6 Kg CODCr/（m3·d），HRT不低于12 h時(shí)，利用該反應(yīng)器處理某養(yǎng)豬場污水時(shí)，CODCr去除率保持在90%以上，TN和TP去除率約為20.8%和34.6%。

楊世關(guān)等［3］使用UASB反應(yīng)器和IC反應(yīng)器分別對(duì)某養(yǎng)殖場的豬糞廢水進(jìn)行處理。以鄭州市某種豬場廢水一級(jí)沉淀池污泥為接種污泥，對(duì)IC反應(yīng)器進(jìn)行啟動(dòng)，污泥接種54 d后，IC反應(yīng)器污泥區(qū)污泥沉降性能良好，污泥顆粒直徑在1～4 mm之間，以2～3 mm粒徑的污泥為主，有粒徑大于5 mm的顆粒污泥產(chǎn)生；UASB污泥顆粒直徑在1～3 mm之間，以1～2 mm粒徑的污泥為主，未發(fā)現(xiàn)大于5 mm的顆粒污泥。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，與UASB反應(yīng)器相比，IC反應(yīng)器的水力條件有利于污泥的顆?；C反應(yīng)器內(nèi)水力條件的復(fù)雜性，使得其內(nèi)的污泥顆粒分布不均勻性明顯大于UASB反應(yīng)器。

張杰等［4］以某啤酒廠厭氧池污泥為接種污泥啟動(dòng)IC反應(yīng)器，模擬廢水進(jìn)水NH4+-N為120 mg/L，NO2--N為150 mg/L，實(shí)驗(yàn)研究了模擬廢水的厭氧氨氧化過程，考察了IC反應(yīng)器中ANAMMOX菌的活性和脫氮效率，在30±1℃的條件下，IC反應(yīng)器130 d后啟動(dòng)成功，反應(yīng)器內(nèi)形成1～2 mm的顆粒污泥，NH4+-N和NO2--N去除率分別約82.1%和94.5%。許英杰等［5］以鄭州市污水處理廠的厭氧脫水污泥和河南某酒精廠厭氧消化池的絮狀污泥為接種污泥，處理該酒精廠的玉米酒糟和薯干渣酒糟廢水，IC反應(yīng)器運(yùn)行36 d時(shí)出現(xiàn)顆粒污泥，180 d后成功啟動(dòng)。實(shí)驗(yàn)研究了反應(yīng)器內(nèi)污泥的SS和VSS、產(chǎn)甲烷活性、胞外多聚物濃度、輔酶F420含量、目標(biāo)污水的CODCr去除率等指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)條件下IC反應(yīng)器自啟動(dòng)36 d后開始出現(xiàn)顆粒污泥，運(yùn)行至180 d時(shí)反應(yīng)器中出現(xiàn)大量粒徑為0.5～2.5 mm的大顆粒污泥，在IC反應(yīng)器的第一反應(yīng)區(qū)和第二反應(yīng)區(qū)，以葡萄糖為基質(zhì)測得的產(chǎn)甲烷活性為327 mL/g VSS·d和129 mL/g VSS·d，活性良好。在進(jìn)水CODCr濃度為20000～30000 mg/L時(shí)，該IC反應(yīng)器的CODCr去除率不低于95%，出水CODCr不高于1000 mg/L。污泥的比CODCr去除率為0.78 g CODCr/g VSS·d。

梁允等［6］使用IC反應(yīng)器處理某酒精生產(chǎn)企業(yè)的綜合廢水，使用生活污水廠厭氧消化污泥接種IC反應(yīng)器，105 d完成反應(yīng)器的啟動(dòng)。進(jìn)水CODCr＝11500 mg/L，BOD5＝6000 mg/L，pH值為3.5～4.5。出水VFA的濃度在300 mg乙酸/L以下，CODCr去除率95%以上，pH值保持在6.5～7.8。啟動(dòng)完成后，反應(yīng)器內(nèi)部形成一定機(jī)械強(qiáng)度、沉淀性能良好、粒徑為1～4 mm的顆粒污泥。

曾國敏等［7］研究了常溫下IC反應(yīng)器啟動(dòng)過程中的顆粒污泥性能。IC反應(yīng)器進(jìn)水濃度為3000 mg CODCr/L，水溫為14.5～26℃，25 d內(nèi)形成了顆粒污泥。結(jié)果表明，隨著運(yùn)行時(shí)間和容積負(fù)荷的增加，顆粒污泥粒徑逐漸增大。反應(yīng)器啟動(dòng)完成后，反應(yīng)器中大于2 mm的顆粒污泥增加到6.6%，小于0.3 mm的顆粒從57.7%減少到39.4%；VSS濃度從24.7 g/L上升到48.2 g/L；VSS/SS從34.4%增加到72.8%。顆粒污泥的沉降速度與顆粒粒徑成正比，0.3～3 mm的顆粒污泥的沉降速度介于34.05～109.75 m/h之間，具有良好的沉降性能。初始接種污泥幾乎沒有產(chǎn)甲烷活性，與第30 d的初期顆粒污泥相比，成熟的顆粒污泥的產(chǎn)甲烷活性提高了46.7%。

吳根義等［8］研究了附加氣IC反應(yīng)器的啟動(dòng)性能。采用強(qiáng)制氣體循環(huán)的試驗(yàn)性附加氣IC反應(yīng)器處理高濃度有機(jī)廢水，并與普通IC反應(yīng)器進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。結(jié)果表明，附加氣IC反應(yīng)器比普通IC反應(yīng)器在啟動(dòng)時(shí)間上縮短20%，最大有機(jī)負(fù)荷提高25%，CODCr去除率提高了，培養(yǎng)出的顆粒污泥活性更高，運(yùn)行穩(wěn)定性也隨之加大。

李海松等［9］對(duì)內(nèi)循環(huán)厭氧反應(yīng)器的啟動(dòng)進(jìn)行了研究?？偨Y(jié)了鄭州大學(xué)實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，對(duì)不同水質(zhì)條件下IC反應(yīng)器的啟動(dòng)進(jìn)行了比較。結(jié)果表明：金霉素廢水和酒精廢水采用的初始CODCr污泥負(fù)荷分別為0.050、0.075 Kg/（m3·d），每周分別將負(fù)荷提高到上一周的1.118、1.230倍，分別經(jīng)過168、112 d完成啟動(dòng)。啟動(dòng)完成后CODCr容積負(fù)荷分別達(dá)到5.02、11.48 Kg/（m3·d），CODCr去除率分別達(dá)到80%、95%。

唐源等［10］進(jìn)行了中低溫下IC反應(yīng)器的啟動(dòng)及污泥顆?；难芯?。結(jié)果表明：在運(yùn)行溫度為9～28℃的條件下，反應(yīng)器經(jīng)67 d完成啟動(dòng)，在22 d反應(yīng)器內(nèi)出現(xiàn)了顆粒污泥，隨著運(yùn)行時(shí)間和容積負(fù)荷的增加，顆粒污泥的粒徑不斷增大。為確保穩(wěn)定運(yùn)行，應(yīng)控制出水pH值為6.1～6.8、HRT為6～8 h、容積負(fù)荷為3.58～7.95 Kg CODCr/（m3·d）、出水VFA＜200 mg/L，最終的產(chǎn)氣量穩(wěn)定在約35 L/d，在進(jìn)水CODCr為2000 mg/L時(shí)，對(duì)COD的去除率能一直保持在80%以上。啟動(dòng)完成后，反應(yīng)器內(nèi)粒徑大于0.3 mm的顆粒污泥所占比例為41.2%，粒徑大于0.9 mm的中型顆粒污泥也從零增加到11.44%，顆粒粒徑趨向于均勻化。

戴松林等［11］通過采用強(qiáng)制外循環(huán)IC反應(yīng)器完成了造紙廢水的啟動(dòng)研究。結(jié)果表明：CODCr去除率維持在73%～75%之間，水力停留時(shí)間可縮短為3 h，CODCr容積負(fù)荷達(dá)25 Kg CODCr/（m3·d）。

李志建［12］研究了IC反應(yīng)器的啟動(dòng)問題。結(jié)果表明：IC厭氧反應(yīng)器直接以8 Kg CODCr/（m3·d），可在20 d內(nèi)短期完成啟動(dòng)，IC厭氧反應(yīng)器最小水力停留時(shí)間可縮短至5.3 h，最大容積負(fù)荷可達(dá)32 Kg CODCr/（m3·d），CODCr去除率穩(wěn)定在79%～86%范圍內(nèi)，表明該裝置對(duì)有機(jī)物有較高的處理能力。待反應(yīng)器運(yùn)行結(jié)束后，VSS/TSS由80%增加到91.7%，顆粒污泥的活性也得到了顯著提高。

由此可以認(rèn)為，IC反應(yīng)器啟動(dòng)后形成的顆粒粒徑多在1 mm以上，最大可達(dá)5 mm。接種污泥的性質(zhì)對(duì)IC反應(yīng)器的啟動(dòng)具有巨大的影響作用。在實(shí)際工程應(yīng)用中，通常使用UASB厭氧顆粒污泥進(jìn)行接種，能有效縮短啟動(dòng)時(shí)間，另外，也可以使用絮狀污泥進(jìn)行接種，與UASB厭氧顆粒污泥相比，速度較慢，且穩(wěn)定性也有待研究。

2 IC反應(yīng)器在造紙廢水處理中的應(yīng)用

比利時(shí)的VPK Ondegem造紙廠［13］利用IC反應(yīng)器作為二次纖維制漿廢水封閉循環(huán)廢水處理系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，廢水經(jīng)IC反應(yīng)器和曝氣池處理后，CODCr去除率可達(dá)到50%，滿足了造紙廠回用水水質(zhì)指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了造紙廢水零排放的突破。此后，IC反應(yīng)器在造紙廠廢水零排放中得以推廣應(yīng)用。荷蘭一家紙板廠采用IC反應(yīng)器+氣提反應(yīng)器處理該廠生產(chǎn)廢水，廢水的BOD5和CODCr的去除率分別達(dá)到90%以上和99%；廢水在廠內(nèi)循環(huán)使用，實(shí)現(xiàn)了造紙廢水零排放。西班牙的Papeleradelad dequeria造紙廠同樣采用IC反應(yīng)器+氣提反應(yīng)器對(duì)該廠生產(chǎn)廢水進(jìn)行處理，IC反應(yīng)器設(shè)計(jì)最大容積負(fù)荷為27 Kg CODCr/（m3·d），在9～24 Kg COD/（m3·d）的容積負(fù)荷下運(yùn)行時(shí)，CODCr去除率在61%～86%之間，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)廢水的回用［13-15］。

福建南紙股份公司［16-20］1999年投資建設(shè)的日處理30000 m3DIP和TMP高濃度混合廢水的IC反應(yīng)器于2000年順利建成。在36±1℃的條件下，用高24 m、直徑11 m的IC反應(yīng)器對(duì)該廠葦漿稀黑液和制漿廢水進(jìn)行混合處理，其中硫酸鹽法（KP）葦漿稀黑液的CODCr濃度為5800 mg/L，堿性過氧化氫機(jī)械漿（APMP）產(chǎn)生的制漿廢水的CODCr濃度為11000 mg/L，在IC反應(yīng)器容積負(fù)荷為12～15 Kg CODCr/（m3·d）時(shí)，該混合廢水的CODCr、BOD5的去除率分別達(dá)到65%和85%，產(chǎn)氣率在0.40～0.42 m3/Kg CODCr，出水水質(zhì)實(shí)現(xiàn)達(dá)標(biāo)（《造紙工業(yè)水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)（GB3544-2001）》）排放。岳陽紙業(yè)公司［21］用高22 m、直徑11 m的IC反應(yīng)器對(duì)該廠堿性過氧化氫機(jī)械漿（APMP）和堿回收車間的高濃廢水進(jìn)行處理，在處理負(fù)荷為65.8 Kg CODCr/（m3·d）時(shí)，IC反應(yīng)器出水CODCr去除率不低于72%，再經(jīng)好氧污水處理廠處理后，可實(shí)現(xiàn)達(dá)標(biāo)（《造紙工業(yè)水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)（GB3544-2001）》）排放。李志建等［22］在35±1℃的條件下用IC反應(yīng)器對(duì)某紙業(yè)公司堿法麥草漿綜合廢水（制漿工段黑液與中段水體積比為1∶1.2）進(jìn)行處理，實(shí)驗(yàn)初期通過逐步增加綜合廢水比例的方法對(duì)IC反應(yīng)器進(jìn)行啟動(dòng)，38 d實(shí)現(xiàn)反應(yīng)器的啟動(dòng)。在CODCr濃度為6000 mg/L、HRT（水力停留時(shí)間）為8 h、CODCr容積負(fù)荷為18 g CODCr/（L·d）的條件下，CODCr去除率、BOD5去除率、產(chǎn)氣率分別為63%、78%和0.23 L CH4/g CODCr。無錫榮成紙業(yè)［23］采用初次沉淀+水解預(yù)酸化+IC+好氧+混凝沉淀工藝處理廢水。在預(yù)酸化過程中投加氫氧化鈉調(diào)節(jié)pH值在7～7.5之間，停留時(shí)間約為4 h，IC停留時(shí)間約為5 h，IC在進(jìn)水CODCr濃度為2200 mg/L左右時(shí)，出水控制在CODCr濃度為500～600 mg/L，整個(gè)系統(tǒng)經(jīng)過一年多的運(yùn)轉(zhuǎn)，效果很好，同時(shí)系統(tǒng)抗沖擊負(fù)荷能力很強(qiáng)。

福建省南紙股份有限公司［24］首先使用預(yù)酸化池和IC反應(yīng)器對(duì)高濃度的TMP（熱磨機(jī)械漿）和DIP（脫墨漿）廢水進(jìn)行處理，然后與低濃度的BKP（化漿）、GP（磨石磨木漿）廢水混合后進(jìn)行好氧處理。該系統(tǒng)對(duì)廢水的處理效果良好，運(yùn)行穩(wěn)定，CODCr和SS的去除率均可達(dá)到95%以上，出水可實(shí)現(xiàn)達(dá)標(biāo)（《造紙工業(yè)水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)（GB3544-2001）》）排放。李志建［25］通過逐步提高造紙綜合廢水比例的方法對(duì)IC反應(yīng)器進(jìn)行快速啟動(dòng)，在啟動(dòng)的過程中，廢水CODCr去除率由63.4%逐步下降到41.7%（此時(shí)綜合廢水比例為40%）后又逐漸回升到63%，BOD5去除率為78 %左右。未降解的CODCr多以木質(zhì)素等不可生物降解物組成，在進(jìn)水負(fù)荷波動(dòng)較大的情況下，IC反應(yīng)器的出水CODCr濃度因反應(yīng)器內(nèi)的內(nèi)循環(huán)結(jié)構(gòu)的調(diào)節(jié)作用而相對(duì)平穩(wěn)。

3 展望

IC反應(yīng)器作為一種新型的高效厭氧反應(yīng)器，具有占地面積小、投資少、容積負(fù)荷高、處理容量大、運(yùn)行穩(wěn)定、過程自動(dòng)化易于實(shí)現(xiàn)、工業(yè)放大應(yīng)用廣泛等特點(diǎn)，在有機(jī)廢水處理和資源化利用方面越來越廣泛地應(yīng)用，具有廣闊的應(yīng)用前景，值得進(jìn)一步研究開發(fā)和推廣。今后的研究重點(diǎn)有如下幾點(diǎn)：（1）顆粒污泥的培養(yǎng)和IC反應(yīng)器的快速啟動(dòng)；（2）反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化與自動(dòng)控制的研究。

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10.3969/j.issn.1007-2217.2012.02.002

2011-09-22