高效厭氧反應(yīng)器在高濃度植物纖維填充料廢水處理中的應(yīng)用研究

諸 杰，金英強(qiáng)，郭少輝，劉土發(fā)

（杭州山嶼源環(huán)?？萍加邢薰?，浙江 杭州 311121）

中國造紙行業(yè)生產(chǎn)原料長期依賴進(jìn)口廢紙。近年來，隨著我國《進(jìn)口廢紙環(huán)境保護(hù)管理規(guī)定》和《限制進(jìn)口類可用作原料的固體廢物環(huán)境保護(hù)管理規(guī)定》的施行，造紙業(yè)原料來源受到了較大影響，也使我國造紙?jiān)辖Y(jié)構(gòu)的優(yōu)化[1-2]升級迫在眉睫。江西某造紙廠為優(yōu)化其造紙?jiān)系慕Y(jié)構(gòu)，計(jì)劃增加植物纖維填充料生產(chǎn)車間，因其生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的廢水具有污染物濃度高、pH 波動大、可生化性較差等特點(diǎn)，需選用針對性的預(yù)處理工藝對其進(jìn)行處理。本文采用高效厭氧反應(yīng)器[3]對該廢水進(jìn)行預(yù)處理，并明確工藝運(yùn)行參數(shù)，可為其他同類型廢水的處理提供參考。

1 工程概況

本項(xiàng)目為植物纖維填充料生產(chǎn)配套高濃度廢水預(yù)處理設(shè)施，設(shè)計(jì)處理水量為6000 t/d，主體處理工藝采用斜網(wǎng)+混凝沉淀+高效厭氧反應(yīng)器[4]。

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)進(jìn)水水質(zhì)以業(yè)主方車間原料生產(chǎn)試驗(yàn)過程中取樣化驗(yàn)數(shù)據(jù)作為參考依據(jù)，處理后出水滿足后續(xù)處理工藝進(jìn)水水質(zhì)指標(biāo)。其中，pH、CODCr、SS 等指標(biāo)[5]為本項(xiàng)目污水處理的重點(diǎn)。設(shè)計(jì)進(jìn)出水水質(zhì)見表1。

表1 設(shè)計(jì)進(jìn)出水水質(zhì)

2 工藝設(shè)計(jì)

（1）針對高濃度植物纖維填充料廢水水質(zhì)狀況分析，發(fā)現(xiàn)其水質(zhì)特點(diǎn)為：污染物濃度高（COD達(dá)到18000 mg/L），可生化性差（可生化性均不足0.2），污染物成分復(fù)雜（生產(chǎn)過程中投加較多種類的藥劑）等?；谝陨纤|(zhì)特點(diǎn)，提出的處理工藝思路如下：斜網(wǎng)流槽+混凝+IC（Internal circulation，內(nèi)循環(huán)）厭氧反應(yīng)器。

（2）廢水在排入污水站后，由于其含有較高的SS 以及pH，如直接進(jìn)入高效厭氧反應(yīng)器將會對其造成很大的影響，因此先在前端設(shè)置格柵+斜網(wǎng)+pH 調(diào)整/混凝沉淀工藝進(jìn)行處理，在去除大部分呈纖維顆粒狀態(tài)存在的SS 后再調(diào)整pH，使其滿足進(jìn)入高效厭氧反應(yīng)器的水質(zhì)條件。

（3）經(jīng)物化預(yù)處理后的廢水還存在溫度較高的問題(尤其是在夏季時(shí))，因此，當(dāng)廢水溫度較高時(shí)會經(jīng)冷卻塔冷卻后再進(jìn)入預(yù)酸化池。

（4）廢水在預(yù)酸化池內(nèi)可起到充分調(diào)勻水質(zhì)和水量的作用，同時(shí)通過預(yù)酸化作用為后續(xù)的高效厭氧反應(yīng)器運(yùn)行提供充分的保障。

（5）經(jīng)預(yù)酸化池調(diào)勻后的廢水連續(xù)穩(wěn)定地用泵輸送至高效厭氧反應(yīng)器所配套的外循環(huán)系統(tǒng)。在反應(yīng)器運(yùn)行時(shí)，通過投加酸或堿調(diào)節(jié)廢水的pH，將pH 控制在6.5～7.5，給厭氧菌創(chuàng)造最理想的生存及反應(yīng)條件。

經(jīng)過外循環(huán)調(diào)節(jié)后的廢水穩(wěn)定、連續(xù)地用泵輸送至高效厭氧反應(yīng)器。為了使反應(yīng)器底部布水均勻，防止堵塞，在進(jìn)水管上設(shè)置脈沖裝置搭配反應(yīng)器底部的旋流布水器系統(tǒng)。

進(jìn)水將穿過致密的厭氧顆粒污泥層，并發(fā)生厭氧反應(yīng)。在這一過程中，廢水中的大部分有機(jī)污染物被分解為甲烷、二氧化碳和水[6]，從而達(dá)到去除廢水中有機(jī)污染物的目的。反應(yīng)器頂部設(shè)置多層高效三相分離器，用于分離廢水、沼氣和厭氧顆粒污泥。厭氧反應(yīng)器的出水大部分被回流至外循環(huán)系統(tǒng)，并通過外循環(huán)系統(tǒng)頂部的分配器參與后續(xù)進(jìn)水的外循環(huán)混合。

（6）剩余部分處理后的出水則自流進(jìn)入后續(xù)生化處理單元進(jìn)行進(jìn)一步處理。

（7）本項(xiàng)目的關(guān)鍵工藝是高效厭氧反應(yīng)系統(tǒng)，該工藝單元能夠有效地去除廢水中部分難降解性COD，同時(shí)提高廢水的可生化性，為后續(xù)進(jìn)一步處理該股廢水創(chuàng)造可靠和穩(wěn)定的水質(zhì)條件。

圖1 工藝流程圖

3 高效厭氧反應(yīng)器設(shè)計(jì)改良說明

本項(xiàng)目關(guān)鍵工藝處理單元將采用2 座直徑為13.0 m，高為26 m 的高效厭氧反應(yīng)器對廢水進(jìn)行厭氧處理?？紤]到本項(xiàng)目特殊的水質(zhì)狀況，在高效厭氧反應(yīng)器的設(shè)計(jì)中針對性地采用多個(gè)改良措施，解決傳統(tǒng)厭氧反應(yīng)器存在的不足，確保項(xiàng)目最終水質(zhì)的穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。

3.1 外循環(huán)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)厭氧反應(yīng)器在設(shè)計(jì)時(shí)大多無獨(dú)立的外循環(huán)裝置，在實(shí)際運(yùn)行過程中經(jīng)常出現(xiàn)反應(yīng)器內(nèi)上升流速受進(jìn)水濃度影響較大的問題，同時(shí)由于上升流速的不穩(wěn)定亦會影響到污泥膨脹床的膨脹效果，進(jìn)而導(dǎo)致厭氧顆粒污泥在反應(yīng)器底部堆積致使反應(yīng)器最終無法正常使用。

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)所采用的獨(dú)立外循環(huán)系統(tǒng)[7]，將預(yù)酸化池來水先用泵輸送至外循環(huán)管，再通過大循環(huán)回流水與前端來水混合后再進(jìn)入反應(yīng)器內(nèi)。以上設(shè)計(jì)可有效稀釋進(jìn)水有機(jī)污染物和有害物質(zhì)，降低其對厭氧反應(yīng)的影響（尤其是對廢水中的鈣離子濃度有較好的緩沖作用），同時(shí)可靈活控制反應(yīng)器內(nèi)水流上升流速，保證污泥床充分膨脹，有效地解決了傳統(tǒng)厭氧反應(yīng)器所存在的不足。

外循環(huán)系統(tǒng)包含：外循環(huán)立管，1 座；外循環(huán)水泵，6 臺；pH 計(jì)，1 臺。

3.2 脈沖旋流布水器設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)厭氧反應(yīng)器在設(shè)計(jì)時(shí)多采用平流式布水器，采用該設(shè)計(jì)的厭氧反應(yīng)器在使用過程中經(jīng)常出現(xiàn)布水不均勻的現(xiàn)象，容易導(dǎo)致厭氧顆粒污泥在反應(yīng)器底部堆積，形成污泥死角，尤其是針對本項(xiàng)目所在的造紙行業(yè)廢水，因其經(jīng)常存在鈣離子濃度過高的情況，因此布水器出現(xiàn)堵塞的情況尤為突出。

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)所采用的環(huán)狀旋流脈沖布水系統(tǒng)，可對厭氧反應(yīng)器內(nèi)污泥床實(shí)現(xiàn)充分的擾動，使厭氧顆粒污泥床保持膨脹，并與污水進(jìn)行充分的接觸反應(yīng)[8]，防止厭氧顆粒污泥的沉積而形成污泥死角，有效地避免厭氧顆粒污泥在反應(yīng)器底部堆積造成底部布水器的堵塞，解決了傳統(tǒng)厭氧反應(yīng)器存在的不足。

脈沖旋流布水器包含：2 套外部脈沖閥，2 套內(nèi)部多管狀環(huán)形布水系統(tǒng)。

3.3 多層高效三相分離器設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)厭氧反應(yīng)器在設(shè)計(jì)時(shí)大多采用單層三相分離器結(jié)構(gòu)，僅設(shè)計(jì)在反應(yīng)器頂層，且非全覆蓋式布置。該設(shè)計(jì)會使反應(yīng)器在使用過程中出現(xiàn)不同程度的跑泥，嚴(yán)重時(shí)將會影響到反應(yīng)器的整體處理效率。

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)采用多層高效三相分離器，充分考慮對厭氧顆粒污泥的截留效率以及對沼氣的密封效果，采用雙層全覆蓋式三相分離器設(shè)計(jì)，可有效地對固、液、氣進(jìn)行高效分離，充分保證高效厭氧反應(yīng)器的運(yùn)行效果，有效地解決了傳統(tǒng)厭氧反應(yīng)器存在的不足。

多層高效三相分離器包含：中部三層三相分離器，2 套；頂部五層三相分離器，2 套。

3.4 多點(diǎn)排泥及反沖洗設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)厭氧反應(yīng)器在設(shè)計(jì)時(shí)基本采用單點(diǎn)排泥，該設(shè)計(jì)經(jīng)常導(dǎo)致反應(yīng)器底部厭氧污泥無法均勻地排出，尤其是當(dāng)反應(yīng)器內(nèi)有較多的鈣化污泥產(chǎn)生時(shí)，由于鈣化污泥的比重較大，單點(diǎn)排泥無法實(shí)現(xiàn)鈣化污泥的正常排出，進(jìn)而影響厭氧系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)所采用的多點(diǎn)排泥裝置，可確保反應(yīng)器底部各個(gè)角落的污泥均能被排出，同時(shí)考慮到厭氧反應(yīng)器所碰到的鈣化污泥堵塞問題[9]，設(shè)置反沖洗裝置，可接入高壓沖洗接口用于對各排泥口進(jìn)行沖洗，防止污泥堵塞情況的發(fā)生。有效地解決傳統(tǒng)厭氧反應(yīng)器所存在的不足。

多點(diǎn)排泥及反沖洗裝置包含：環(huán)狀排泥閥，2組；高壓反沖洗閥，2 組。

4 項(xiàng)目運(yùn)行效果

本項(xiàng)目于2021 年4 月主體完工，具備進(jìn)水條件，當(dāng)年6 月系統(tǒng)調(diào)試成功，并于7 月通過業(yè)主方性能驗(yàn)收，正式投入運(yùn)行。運(yùn)行期間整體處理效果良好，系統(tǒng)運(yùn)行過程中主要參數(shù)：VLR（容積負(fù)荷）為10.58 kg COD/(m3·d)，上升流速為7.5 m/h，進(jìn)水VFA（指揮發(fā)性脂肪酸）≤3.5 mmol/L，ALK（堿度）≥35 mmol/L。系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定后各月平均出水水質(zhì)見表2。

表2 各月平均出水水質(zhì)

5 技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

本項(xiàng)目預(yù)處理污水設(shè)施運(yùn)行費(fèi)用主要包括電費(fèi)、藥劑費(fèi)、人工費(fèi)。其中：

（1）電費(fèi)：本項(xiàng)目為三級供電負(fù)荷，裝機(jī)容量為550.75 kW，需用容量為342.70 kW，日用電量約5346.12 kWh。電價(jià)按0.35 元/kWh（以廠區(qū)自備電廠發(fā)電成本計(jì)算），折合0.312 元/t 廢水。

（2）人工費(fèi)：本項(xiàng)目日常運(yùn)行期間需操作人員4 人，工人工資按150 元/日計(jì)算，折合0.1 元/t 廢水。

（3）藥劑費(fèi)：PAC（聚合氯化鋁）：0.143 元/t 廢水；PAM（聚丙烯酰胺）：0.012 元/t 廢水；尿素：0.075 元/t 廢水；磷酸二氫銨：0.067 元/t 廢水。

實(shí)際日常運(yùn)行費(fèi)用：0.709 元/t 廢水。

同時(shí)高效厭氧反應(yīng)器在運(yùn)行過程中產(chǎn)生大量的沼氣可作為再生能源進(jìn)行利用。根據(jù)現(xiàn)場沼氣流量計(jì)數(shù)據(jù)日平均產(chǎn)沼氣9660 m3/d，每去除1 kg CODCr約可產(chǎn)生0.35 m3沼氣[10]。按照每立方米沼氣所產(chǎn)生的熱值可轉(zhuǎn)換為0.714 kg 標(biāo)煤所產(chǎn)生的熱值，同時(shí)按照1 t 標(biāo)煤1000 元市場價(jià)計(jì)算，預(yù)計(jì)可產(chǎn)生6897.24 元/d 的經(jīng)濟(jì)效益，在扣除污水處理運(yùn)行費(fèi)用的同時(shí)仍可產(chǎn)生一定的經(jīng)濟(jì)效益。

6 結(jié)論

本項(xiàng)目針對目前國內(nèi)造紙行業(yè)非常少見的一種高濃度植物纖維填充料廢水預(yù)處理案例，設(shè)計(jì)主體采用高效厭氧反應(yīng)器對該高難度廢水進(jìn)行預(yù)處理，充分發(fā)揮高效厭氧反應(yīng)器特點(diǎn)，同時(shí)結(jié)合相應(yīng)的多處改良設(shè)計(jì)，使厭氧反應(yīng)器的處理能力得到進(jìn)一步提升，以相對較小的處理費(fèi)用最大化地去除廢水中大部分有機(jī)污染物；同時(shí)反應(yīng)產(chǎn)生的沼氣還可進(jìn)行資源回收，減少了污水廠的運(yùn)行成本。本項(xiàng)目廢水處理作為造紙制漿行業(yè)非典型的工程案例，在有效推動厭氧反應(yīng)器優(yōu)化改良的同時(shí)，也將為今后造紙制漿行業(yè)高濃廢水處理提供相應(yīng)的案例參考，具有較高的推廣價(jià)值。