IC厭氧反應器-改良型氧化溝-淺層氣浮工藝處理制漿造紙廢水

張安龍 張 佳

(陜西科技大學，陜西西安，710021)

IC厭氧反應器-改良型氧化溝-淺層氣浮工藝處理制漿造紙廢水

張安龍 張 佳

(陜西科技大學，陜西西安，710021)

采用IC厭氧反應器-改良型氧化溝-淺層氣浮工藝處理制漿造紙廢水，介紹和分析了整個工藝的主要構筑物及其調(diào)試運行方法。當進水CODCr為4000 mg/L、BOD5為1350 mg/L、SS為2000 mg/L時，出水CODCr≤60 mg/L、BOD5≤20 mg/L、SS≤30 mg/L，達到GB3544—2008造紙工業(yè)水污染物排放標準的污染物排放限值。

IC厭氧反應器;改良型氧化溝;淺層氣浮;制漿造紙廢水;調(diào)試

河南省某采用廢紙制漿造紙的企業(yè)新擴建污水處理廠和制漿造紙車間，該項目設計日生產(chǎn)能力為600 t，噸紙用水量不超過20 m3。該廠以國內(nèi)廢舊瓦楞箱紙板 (70%)和進口廢舊瓦楞箱紙板 (30%)為原料，生產(chǎn)各種規(guī)格的高強瓦楞原紙和箱紙板。生產(chǎn)車間由制漿工段、抄紙工段和完成工段組成。廢水主要來自廢紙制漿車間和少量造紙車間的生產(chǎn)排水。考慮廢水流量的波動和處理系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性，本工程按15000 m3/d的處理規(guī)模進行設計。廢水水質(zhì)為:CODCr濃度為4000 mg/L，BOD5濃度為1350 mg/L，SS濃度為2000 mg/L，pH值6.5～7.5。

1 工藝流程及主要構筑物設計參數(shù)

1.1 工藝選擇及流程

以廢舊瓦楞箱紙板為原料的制漿造紙廢水中懸浮物含量高，主要含有無機鹽、細小纖維、無機填料等，廢水處理技術難度大。針對該類型廢水特點和工程具體情況，確定采用厭氧-好氧-深度處理工藝作為該廠廢水處理的主要工藝。主體工藝為:IC厭氧反應器-低壓射流曝氣改良型氧化溝-淺層氣浮，工藝流程見圖1所示。

1.1.1 預處理系統(tǒng)

預處理系統(tǒng)由格柵、斜網(wǎng)和預酸化調(diào)節(jié)池組成。高濃度的有機廢水經(jīng)過格柵初步截留較大的懸浮物或漂浮物，隨后進入斜網(wǎng)間，回收一些較大的纖維性懸浮物，這些纖維根據(jù)質(zhì)量不同回用到生產(chǎn)車間的不同工段，從而降低生產(chǎn)成本，斜濾網(wǎng)的孔徑為80目。斜網(wǎng)出水自流進入初沉池，隨后進入預酸化調(diào)節(jié)池，在正常水溫和兼氧狀態(tài)下，微生物將進水中顆粒物質(zhì)和膠體物質(zhì)迅速截流吸附，在大量水解酸化菌作用下，將大分子難溶性有機物轉變?yōu)橐咨锝到獾男》肿?、溶解性物質(zhì)，提高了廢水的可生化性，利于后續(xù)處理。同時，水解酸化還可以有效消除廢水對厭氧菌的毒性或抑制性，保證厭氧反應器的正常穩(wěn)定運行［1］。

圖1 廢水處理工藝流程

1.1.2 厭氧系統(tǒng)

厭氧系統(tǒng)采用IC厭氧反應器。反應器自下而上共分為5個區(qū)，即混合區(qū)、第一厭氧反應室、第二厭氧反應室、沉淀區(qū)和氣液分離區(qū)。進水由反應器底部進入第一厭氧反應室與厭氧顆粒污泥均勻混合，大部分有機物在這里被降解而轉化為沼氣，經(jīng)過第一厭氧反應室處理過的廢水，會自動進入第二厭氧反應室繼續(xù)被處理。第二厭氧反應室的液體上升流速小于第一厭氧反應室，由于上升流速的降低，還充當著厭氧反應室和沉淀區(qū)之間的緩沖段，對防止污泥流失及確保沉淀后出水水質(zhì)良好起著重要的作用。

1.1.3 好氧系統(tǒng)

好氧系統(tǒng)采用低壓射流曝氣改良型氧化溝工藝。改良型氧化溝作為一種連續(xù)循環(huán)曝氣池，綜合了推流式和完全混合式曝氣池的優(yōu)點，具有抗沖擊負荷能力強、曝氣系統(tǒng)簡便、曝氣頭不易堵塞、曝氣均勻、處理效果穩(wěn)定、出水水質(zhì)好等優(yōu)點。而且采用全好氧曝氣，溝中不存在好氧區(qū)和厭氧區(qū)，抑制了傳統(tǒng)氧化溝中的硝化與反硝化作用［2］。這種處理工藝借助于好氧微生物的吸附、分解有機物的作用，使廢水的BOD5、CODCr降低。鑒于廢水中缺氮(N)、缺磷 (P)，為使生物污泥中的微生物能良好地生長繁殖，保持較高的生物活性，需要向廢水中投加一定量含有N、P的營養(yǎng)物質(zhì)。

1.1.4 深度處理

深度處理采用超效淺層氣浮工藝。通過控制合理的溶氣水和加藥量，使出水各指標達到國家標準。其原理是向待處理的水中通入部分溶氣水，利用溶氣水中釋放出的微小氣泡，通過其表面張力作用黏附于細小懸浮物上，形成整體密度小于水的狀況，依據(jù)浮力原理浮到水面，從而實現(xiàn)固液分離，污水得以凈化［3］。該套工藝關鍵是如何控制絮凝效果，使得絮凝體與水相達到很好的分離。

1.2 主要構筑物及設計參數(shù)

該工程的主要構筑物包括預酸化調(diào)節(jié)池、IC厭氧反應器、生物選擇池和改良型氧化溝。主要構筑物規(guī)格、數(shù)量及設計參數(shù)見表1。

2 工程調(diào)試與運行

2.1 預酸化調(diào)節(jié)池

預酸化調(diào)節(jié)池為12000 m3/d的生產(chǎn)廢水提供約5 h的預酸化時間，5 h的停留時間起到穩(wěn)定廢水有機負荷、調(diào)節(jié)各指標波動的作用，同時向預酸化池投加約10 g/L的活性污泥，給廢水創(chuàng)造了一定的兼氧環(huán)境進行水解酸化，將大量高分子有機物水解為甲酸、乙酸等揮發(fā)性脂肪酸和易降解的有機底物，提高了廢水的可生化性并達到工藝要求的預酸化度。為確保廢水進入IC厭氧反應器所需要的pH值條件，設置在線pH值監(jiān)測儀，隨時反饋池內(nèi)的pH值情況。同時在該工序投加整個工藝所需的營養(yǎng)鹽，一方面用以刺激產(chǎn)酸菌的生長，另一方面為后續(xù)厭氧和好氧微生物提供所需要的營養(yǎng)鹽，投加比例為COD∶N∶P=500∶5∶1。合理的預酸化速度對于后續(xù)IC厭氧反應器能否高效運轉至關重要。運行表明，預酸化度太低，則會導致廢水在IC厭氧反應器內(nèi)酸化，預酸化度太高，又不利于IC厭氧反應器內(nèi)顆粒污泥的保持，本工程將預酸化度控制在40%左右可取得良好的效果。

2.2 IC厭氧反應器

IC厭氧反應器啟動速度慢是限制厭氧技術推廣的主要因素之一，在查閱大量文獻和考察諸多工程實例之后，本工程采取“低容積負荷+較高顆粒污泥濃度+階梯式提高負荷方式”進行厭氧反應器的啟動［4］。考慮到污泥的性狀可以縮短啟動時間，故本工程設計投加800 t高活性顆粒污泥作為接種污泥，粒徑為1.5 mm左右，顆粒呈亮黑色，機械強度高，沉降性能良好，投加量按充滿厭氧反應器空間的30%計算而得，投加顆粒污泥的方式是用泵將顆粒污泥從反應器底部打入。在打入顆粒污泥的同時，反應器內(nèi)已注入CODCr濃度約為3000 mg/L的廢水，廢水pH值為6.86，同時加入適量的營養(yǎng)物質(zhì)。

表1 主要構筑物及設計參數(shù)

啟動過程共分為3個階段，污泥顆粒的培養(yǎng)馴化期、提高負荷期和滿負荷運行期［5］。啟動過程中以CODCr的去除率為判斷指標，每當CODCr的去除率大于60%且趨于穩(wěn)定的時候再提高負荷，直至達到滿負荷運行。此種運行方式可使污泥顆粒逐步適應新型廢水，在反應器內(nèi)形成機械強度高、沉淀性能良好，CODCr去除率高的顆粒污泥。此外，為保證進水負荷，IC厭氧反應器還增設出水回流，將進水流速控制在合理范圍，緩沖進水負荷的沖擊，使反應器能穩(wěn)定運行。同時，廢水回流到預酸化調(diào)節(jié)池的時候還可以起到水力攪拌和稀釋毒性物質(zhì)的作用，保證反應器內(nèi)污泥顆粒不受到毒物影響而失活。

啟動過程中，每天測定IC厭氧反應器進出水CODCr、揮發(fā)性脂肪酸 (VFA)、pH值等指標，當各指標發(fā)生大幅度的波動時，應在源頭上進行調(diào)整。本工程pH值維持在6.8～7.2，而大量工程實踐也證實IC厭氧反應器的最佳pH值為7左右。同時，VFA作為IC厭氧反應器的又一重要指標，直接反映IC厭氧反應器內(nèi)的酸堿平衡，本工程將VFA控制在360 mg/L以下可以達到良好的CODCr去除率。圖2所示為IC厭氧反應器啟動一個月以后的效果。

2.3 改良型氧化溝

圖2 IC厭氧反應器運行效果

該廠曝氣池接種污泥取自老廠二沉池剩余濃縮污泥，投加接種污泥約200 t，污泥含水率為80%，在投加污泥之前曝氣池內(nèi)已盛有占池容積80%的廢水，通過添加部分清水的方式控制曝氣池內(nèi)CODCr濃度在800～1000 mg/L。投加接種污泥后，悶曝48 h，用以激活處于休眠狀態(tài)的微生物，繼而間歇進水，逐漸增大進水量與進水濃度，直至滿負荷運轉。曝氣池盛滿水后，每次間歇進水前都要將風機停止運轉30 min，防止曝氣池內(nèi)污泥流失。當曝氣池連續(xù)進水后，啟動污泥回流泵，調(diào)節(jié)回流比為100% ～120%［6］，將二沉池沉淀污泥回流至生物選擇池，活性污泥在生物選擇池與IC厭氧反應器出水相混合后進入曝氣池。在調(diào)試過程中，根據(jù)活性污泥的成長趨勢逐漸加大風機的開啟數(shù)量和頻率，維持曝氣池出口溶解氧 (DO)濃度在2～4 mg/L。

調(diào)試過程中需每天測定 CODCr、污泥濃度(MLSS)、沉降比 (SV30)、pH值等指標，通過觀察SV30的變化來反映池內(nèi)的污泥濃度和污泥沉降性能變化，并配合做鏡檢，通過微生物的種類和數(shù)量來表征污泥的馴化時期?；钚晕勰嗯囵B(yǎng)初期，鏡檢微生物以游泳型纖毛蟲為主，隨著生物相的演替，開始出現(xiàn)鐘蟲、累枝蟲等微生物，此時表明已進入活性污泥時期，污泥培養(yǎng)馴化成功。本工程經(jīng)過20多天運轉就已出現(xiàn)大量鐘蟲和累枝蟲，并含有少量輪蟲，污泥濃度達到4000 mg/L，出水水質(zhì)穩(wěn)定。圖3所示為曝氣池運行效果。

圖3 曝氣池運行效果

2.4 超效淺層氣浮

超效淺層氣浮設備主機包括池體、浮渣、收集裝置、靜止圈、溢流調(diào)節(jié)裝置、行走架、旋轉進水管，旋轉布水結構等。原水從池中心的旋轉進水管進入，通過旋轉水管布水，布水管的移動速度和進水流速相同，產(chǎn)生“零速度”，這樣進水就不會對池水產(chǎn)生擾動，使得顆粒的懸浮和沉降在一種相對靜止的環(huán)境下進行，從而縮短了停留時間。

在調(diào)試的整個過程中要進行取樣檢視，由取樣閥取樣，傾入玻璃量筒中，檢視量筒中的浮除情況，以了解水中的溶氣程度。在標準狀況下，氣泡應極細密而無粗泡摻雜在內(nèi)，液體呈現(xiàn)牛乳狀。如有足夠的空氣溶入，則膠羽 (指水中的絮狀物)將以0.3048 m/min或更慢的上升速度浮出水面，而與澄清水分離，如果玻璃量筒呈現(xiàn)上述情況時，則空氣溶解系統(tǒng)操作正常無誤。假如樣品中出現(xiàn)粗泡而浮除情況不佳時，此時應調(diào)整針閥和空氣流量計以達到良好的浮除效果。如有足量空氣溶解，且氣泡粒徑細密，但膠羽形成不佳，水仍未見清澈，此時則須檢視化學加藥系統(tǒng)，核實其加藥系統(tǒng)是否堵塞等。投加藥品量與進水懸浮物含量成正比。

3 運行結果及成本分析

經(jīng)過多級預處理和兩級生物處理，廢水中各種污染物濃度已有大幅下降，再經(jīng)過淺層氣浮進行深度處理，通過合理地控制溶氣水和加藥量，使得最終出水達到GB3544—2008制漿造紙工業(yè)水污染物排放標準的要求。各個處理階段運行效果見表2。

表2 各處理段廢水處理效果

該工程廢水處理部分能耗主要為電耗，電費以0.55元/kWh計，日動力耗電量為13368.00 kWh/d，則耗電為7352.40元/天。再加上藥劑費等，廢水處理部分的日運行費用為0.80元/m3。此外，污泥處置部分能耗為0.40元/m3。所以，該工程總運行費用為1.20元/m3。同時，厭氧部分所產(chǎn)生的沼氣可進行回收利用，1 m3沼氣的實際產(chǎn)熱量相當于1 kg普煤的產(chǎn)熱量，以每年廢水處理站正常運轉330天，每噸普煤500元計算，則年節(jié)約燃煤費用為175.66萬元，可為該廠帶來巨大的經(jīng)濟效益。目前，由于該廠沼氣利用管道尚未建好，沼氣直接進行燃燒處理。

4 問題與討論

4.1 IC厭氧反應器顆粒污泥流失問題

在IC厭氧反應器啟動過程中采用低濃度間歇脈沖進水方式，啟動初期，IC厭氧反應器內(nèi)含有200 t厭氧污泥顆粒，進水流量為180 m3/h，持續(xù)運行1周后加大進水量，當進水量增大為210 m3/h，發(fā)現(xiàn)厭氧出水攜帶少量顆粒污泥，且顆粒污泥機械強度差、內(nèi)部中空、沉淀性能一般，繼而將進水量降為180 m3/h，顆粒污泥流失現(xiàn)象消失。在此進水流量下又運行1周后增大進水量未出現(xiàn)污泥顆粒流失現(xiàn)象，并且顆粒強度增大，沉降性能良好，厭氧污泥得到馴化。分析其原因可能為基質(zhì)改變過程中，大的顆粒由于結構疏松，抗外部環(huán)境改變性能較弱，較難很快適應制漿廢水水質(zhì)，只能靠消耗自身的能量來維持生命。隨著內(nèi)部產(chǎn)氣的增加，顆粒變輕，內(nèi)部結構變得松散，甚至出現(xiàn)空腔［7］。氣體在釋放過程中帶動顆粒上浮，當其上升速度大于其沉降速度時，顆粒污泥便隨出水排出。

4.2 二沉池出水渾濁

在IC反應器和曝氣池啟動過程中，二沉池出水突然攜帶大量難以沉降的活性污泥而造成出水渾濁。經(jīng)分析，造成出水渾濁的原因主要有兩方面，一方面為進水CODCr的濃度太低，水量太少，導致好氧池缺少足夠的食料，使得微生物進行自身的分解代謝，變?yōu)樾⌒躞w后隨水流出;另一方面因為好氧池維持較高的溶解氧值，導致活性污泥活性自身分解氧化，從而溶解到水里，使得出水渾濁。通過增大進水量或者降低污泥濃度可以避免二沉池出水渾濁。

5 結論

IC厭氧反應器具有抗沖擊負荷能力強、節(jié)省占地面積、啟動周期短、抗低溫能力強和出水穩(wěn)定性好等優(yōu)點，且反應器內(nèi)部利用自身產(chǎn)生的沼氣作為提升動力來實現(xiàn)混合液內(nèi)部循環(huán)，節(jié)省動力消耗。在IC厭氧反應器之后增設低壓射流曝氣氧化溝作為一種連續(xù)循環(huán)曝氣池工藝可進一步降低出水COD，低壓射流曝氣器通過強烈地湍動混合與擴散作用，極大地強化了氣體在液固相間的傳質(zhì)速率，進一步提高了氧轉移率，大幅度提高了動力效率。兩級生物處理后再經(jīng)過超效淺層氣浮深度處理，可去除高達97%的SS，脫色效果明顯，具有處理工藝簡單、操作簡便、處理效率快等優(yōu)點。故IC厭氧反應器結合曝氣池及淺層氣浮工藝具有廣闊的應用前景。

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Pulping and Papermaking Wastewater Treatment by Using IC-modified Oxidation Ditch Process

ZHANG An-long ZHANG Jia*
(Shaanxi University of Science ＆ Technology，Xi’an，Shaanxi Province，710021)

Pulping and papering wastewater was treated by using IC anaerobic reactor-modified oxidation ditch-shallow air-floatation system，the main construction and commissioning method of the whole system were introduced and analyzed．When the influent CODCrwas 4000 mg/L，BOD51350 mg/L，SS 2000 mg/L，the effluent CODCr≤60 mg/L，BOD5≤20 mg/L，SS≤30 mg/L，which are meet the emission limits of“the paper industry water pollution discharge standard”(GB3544—2008)．

IC anaerobic reactor;modified oxidation ditch;shallow air-floatation;pulping and papermaking wastewater;trial

X793

A

0254-508X(2012)01-0037-05

張安龍先生，教授;主要研究方向:造紙工業(yè)廢水生物處理技術。

(*E-mail:jiajia．8593@163．com)

2011-10-13(修改稿)

本課題由陜西科技大學研究生創(chuàng)新基金資助。

(責任編輯:馬 忻)