張安龍 張 佳

(陜西科技大學(xué)，陜西西安，710021)

IC厭氧反應(yīng)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(xué)，陜西西安，710021)

采用IC厭氧反應(yīng)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(gè)工藝的主要構(gòu)筑物及其調(diào)試運(yùn)行方法。當(dāng)進(jìn)水CODCr為4000 mg/L、BOD5為1350 mg/L、SS為2000 mg/L時(shí)，出水CODCr≤60 mg/L、BOD5≤20 mg/L、SS≤30 mg/L，達(dá)到GB3544—2008造紙工業(yè)水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)的污染物排放限值。

IC厭氧反應(yīng)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(kuò)建污水處理廠和制漿造紙車間，該項(xiàng)目設(shè)計(jì)日生產(chǎn)能力為600 t，噸紙用水量不超過(guò)20 m3。該廠以國(guó)內(nèi)廢舊瓦楞箱紙板 (70%)和進(jìn)口廢舊瓦楞箱紙板 (30%)為原料，生產(chǎn)各種規(guī)格的高強(qiáng)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(lái)自廢紙制漿車間和少量造紙車間的生產(chǎn)排水?？紤]廢水流量的波動(dòng)和處理系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，本工程按15000 m3/d的處理規(guī)模進(jìn)行設(shè)計(jì)。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(gòu)筑物設(shè)計(jì)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(wú)機(jī)鹽、細(xì)小纖維、無(wú)機(jī)填料等，廢水處理技術(shù)難度大。針對(duì)該類型廢水特點(diǎn)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(yīng)器-低壓射流曝氣改良型氧化溝-淺層氣浮，工藝流程見(jiàn)圖1所示。

1.1.1 預(yù)處理系統(tǒng)

預(yù)處理系統(tǒng)由格柵、斜網(wǎng)和預(yù)酸化調(diào)節(jié)池組成。高濃度的有機(jī)廢水經(jīng)過(guò)格柵初步截留較大的懸浮物或漂浮物，隨后進(jìn)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(jìn)入初沉池，隨后進(jìn)入預(yù)酸化調(diào)節(jié)池，在正常水溫和兼氧狀態(tài)下，微生物將進(jìn)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(jī)物轉(zhuǎn)變?yōu)橐咨锝到獾男》肿印⑷芙庑晕镔|(zhì)，提高了廢水的可生化性，利于后續(xù)處理。同時(shí)，水解酸化還可以有效消除廢水對(duì)厭氧菌的毒性或抑制性，保證厭氧反應(yīng)器的正常穩(wěn)定運(yùn)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(yīng)器。反應(yīng)器自下而上共分為5個(gè)區(qū)，即混合區(qū)、第一厭氧反應(yīng)室、第二厭氧反應(yīng)室、沉淀區(qū)和氣液分離區(qū)。進(jìn)水由反應(yīng)器底部進(jìn)入第一厭氧反應(yīng)室與厭氧顆粒污泥均勻混合，大部分有機(jī)物在這里被降解而轉(zhuǎn)化為沼氣，經(jīng)過(guò)第一厭氧反應(yīng)室處理過(guò)的廢水，會(huì)自動(dòng)進(jìn)入第二厭氧反應(yīng)室繼續(xù)被處理。第二厭氧反應(yīng)室的液體上升流速小于第一厭氧反應(yīng)室，由于上升流速的降低，還充當(dāng)著厭氧反應(yīng)室和沉淀區(qū)之間的緩沖段，對(duì)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(diǎn)，具有抗沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)、曝氣系統(tǒng)簡(jiǎn)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(diǎn)。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(jī)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(zhǎng)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(yíng)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(guò)控制合理的溶氣水和加藥量，使出水各指標(biāo)達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。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(guò)其表面張力作用黏附于細(xì)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(shí)現(xiàn)固液分離，污水得以凈化［3］。該套工藝關(guān)鍵是如何控制絮凝效果，使得絮凝體與水相達(dá)到很好的分離。

1.2 主要構(gòu)筑物及設(shè)計(jì)參數(shù)

該工程的主要構(gòu)筑物包括預(yù)酸化調(diào)節(jié)池、IC厭氧反應(yīng)器、生物選擇池和改良型氧化溝。主要構(gòu)筑物規(guī)格、數(shù)量及設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1。

2 工程調(diào)試與運(yùn)行

2.1 預(yù)酸化調(diào)節(jié)池

預(yù)酸化調(diào)節(jié)池為12000 m3/d的生產(chǎn)廢水提供約5 h的預(yù)酸化時(shí)間，5 h的停留時(shí)間起到穩(wěn)定廢水有機(jī)負(fù)荷、調(diào)節(jié)各指標(biāo)波動(dòng)的作用，同時(shí)向預(yù)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(jìn)行水解酸化，將大量高分子有機(jī)物水解為甲酸、乙酸等揮發(fā)性脂肪酸和易降解的有機(jī)底物，提高了廢水的可生化性并達(dá)到工藝要求的預(yù)酸化度。為確保廢水進(jìn)入IC厭氧反應(yīng)器所需要的pH值條件，設(shè)置在線pH值監(jiān)測(cè)儀，隨時(shí)反饋池內(nèi)的pH值情況。同時(shí)在該工序投加整個(gè)工藝所需的營(yíng)養(yǎng)鹽，一方面用以刺激產(chǎn)酸菌的生長(zhǎng)，另一方面為后續(xù)厭氧和好氧微生物提供所需要的營(yíng)養(yǎng)鹽，投加比例為COD∶N∶P=500∶5∶1。合理的預(yù)酸化速度對(duì)于后續(xù)IC厭氧反應(yīng)器能否高效運(yùn)轉(zhuǎn)至關(guān)重要。運(yùn)行表明，預(yù)酸化度太低，則會(huì)導(dǎo)致廢水在IC厭氧反應(yīng)器內(nèi)酸化，預(yù)酸化度太高，又不利于IC厭氧反應(yīng)器內(nèi)顆粒污泥的保持，本工程將預(yù)酸化度控制在40%左右可取得良好的效果。

2.2 IC厭氧反應(yīng)器

IC厭氧反應(yīng)器啟動(dòng)速度慢是限制厭氧技術(shù)推廣的主要因素之一，在查閱大量文獻(xiàn)和考察諸多工程實(shí)例之后，本工程采取“低容積負(fù)荷+較高顆粒污泥濃度+階梯式提高負(fù)荷方式”進(jìn)行厭氧反應(yīng)器的啟動(dòng)［4］。考慮到污泥的性狀可以縮短啟動(dòng)時(shí)間，故本工程設(shè)計(jì)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(jī)械強(qiáng)度高，沉降性能良好，投加量按充滿厭氧反應(yīng)器空間的30%計(jì)算而得，投加顆粒污泥的方式是用泵將顆粒污泥從反應(yīng)器底部打入。在打入顆粒污泥的同時(shí)，反應(yīng)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(shí)加入適量的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。

表1 主要構(gòu)筑物及設(shè)計(jì)參數(shù)

啟動(dòng)過(guò)程共分為3個(gè)階段，污泥顆粒的培養(yǎng)馴化期、提高負(fù)荷期和滿負(fù)荷運(yùn)行期［5］。啟動(dòng)過(guò)程中以CODCr的去除率為判斷指標(biāo)，每當(dāng)CODCr的去除率大于60%且趨于穩(wěn)定的時(shí)候再提高負(fù)荷，直至達(dá)到滿負(fù)荷運(yùn)行。此種運(yùn)行方式可使污泥顆粒逐步適應(yīng)新型廢水，在反應(yīng)器內(nèi)形成機(jī)械強(qiáng)度高、沉淀性能良好，CODCr去除率高的顆粒污泥。此外，為保證進(jìn)水負(fù)荷，IC厭氧反應(yīng)器還增設(shè)出水回流，將進(jìn)水流速控制在合理范圍，緩沖進(jìn)水負(fù)荷的沖擊，使反應(yīng)器能穩(wěn)定運(yùn)行。同時(shí)，廢水回流到預(yù)酸化調(diào)節(jié)池的時(shí)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(yīng)器內(nèi)污泥顆粒不受到毒物影響而失活。

啟動(dòng)過(guò)程中，每天測(cè)定IC厭氧反應(yīng)器進(jìn)出水CODCr、揮發(fā)性脂肪酸 (VFA)、pH值等指標(biāo)，當(dāng)各指標(biāo)發(fā)生大幅度的波動(dòng)時(shí)，應(yīng)在源頭上進(jìn)行調(diào)整。本工程pH值維持在6.8～7.2，而大量工程實(shí)踐也證實(shí)IC厭氧反應(yīng)器的最佳pH值為7左右。同時(shí)，VFA作為IC厭氧反應(yīng)器的又一重要指標(biāo)，直接反映IC厭氧反應(yīng)器內(nèi)的酸堿平衡，本工程將VFA控制在360 mg/L以下可以達(dá)到良好的CODCr去除率。圖2所示為IC厭氧反應(yīng)器啟動(dòng)一個(gè)月以后的效果。

2.3 改良型氧化溝

圖2 IC厭氧反應(yīng)器運(yùn)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(guò)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(jìn)水，逐漸增大進(jìn)水量與進(jìn)水濃度，直至滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)。曝氣池盛滿水后，每次間歇進(jìn)水前都要將風(fēng)機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)30 min，防止曝氣池內(nèi)污泥流失。當(dāng)曝氣池連續(xù)進(jìn)水后，啟動(dòng)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(yīng)器出水相混合后進(jìn)入曝氣池。在調(diào)試過(guò)程中，根據(jù)活性污泥的成長(zhǎng)趨勢(shì)逐漸加大風(fēng)機(jī)的開(kāi)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(guò)程中需每天測(cè)定 CODCr、污泥濃度(MLSS)、沉降比 (SV30)、pH值等指標(biāo)，通過(guò)觀察SV30的變化來(lái)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(guò)微生物的種類和數(shù)量來(lái)表征污泥的馴化時(shí)期。活性污泥培養(yǎng)初期，鏡檢微生物以游泳型纖毛蟲(chóng)為主，隨著生物相的演替，開(kāi)始出現(xiàn)鐘蟲(chóng)、累枝蟲(chóng)等微生物，此時(shí)表明已進(jìn)入活性污泥時(shí)期，污泥培養(yǎng)馴化成功。本工程經(jīng)過(guò)20多天運(yùn)轉(zhuǎn)就已出現(xiàn)大量鐘蟲(chóng)和累枝蟲(chóng)，并含有少量輪蟲(chóng)，污泥濃度達(dá)到4000 mg/L，出水水質(zhì)穩(wěn)定。圖3所示為曝氣池運(yùn)行效果。

圖3 曝氣池運(yùn)行效果

2.4 超效淺層氣浮

超效淺層氣浮設(shè)備主機(jī)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(zhuǎn)進(jìn)水管，旋轉(zhuǎn)布水結(jié)構(gòu)等。原水從池中心的旋轉(zhuǎn)進(jìn)水管進(jìn)入，通過(guò)旋轉(zhuǎn)水管布水，布水管的移動(dòng)速度和進(jìn)水流速相同，產(chǎn)生“零速度”，這樣進(jìn)水就不會(huì)對(duì)池水產(chǎn)生擾動(dòng)，使得顆粒的懸浮和沉降在一種相對(duì)靜止的環(huán)境下進(jìn)行，從而縮短了停留時(shí)間。

在調(diào)試的整個(gè)過(guò)程中要進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)狀況下，氣泡應(yīng)極細(xì)密而無(wú)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(shí)，則空氣溶解系統(tǒng)操作正常無(wú)誤。假如樣品中出現(xiàn)粗泡而浮除情況不佳時(shí)，此時(shí)應(yīng)調(diào)整針閥和空氣流量計(jì)以達(dá)到良好的浮除效果。如有足量空氣溶解，且氣泡粒徑細(xì)密，但膠羽形成不佳，水仍未見(jiàn)清澈，此時(shí)則須檢視化學(xué)加藥系統(tǒng)，核實(shí)其加藥系統(tǒng)是否堵塞等。投加藥品量與進(jìn)水懸浮物含量成正比。

3 運(yùn)行結(jié)果及成本分析

經(jīng)過(guò)多級(jí)預(yù)處理和兩級(jí)生物處理，廢水中各種污染物濃度已有大幅下降，再經(jīng)過(guò)淺層氣浮進(jìn)行深度處理，通過(guò)合理地控制溶氣水和加藥量，使得最終出水達(dá)到GB3544—2008制漿造紙工業(yè)水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)的要求。各個(gè)處理階段運(yùn)行效果見(jiàn)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(fèi)以0.55元/kWh計(jì)，日動(dòng)力耗電量為13368.00 kWh/d，則耗電為7352.40元/天。再加上藥劑費(fèi)等，廢水處理部分的日運(yùn)行費(fèi)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(yùn)行費(fèi)用為1.20元/m3。同時(shí)，厭氧部分所產(chǎn)生的沼氣可進(jìn)行回收利用，1 m3沼氣的實(shí)際產(chǎn)熱量相當(dāng)于1 kg普煤的產(chǎn)熱量，以每年廢水處理站正常運(yùn)轉(zhuǎn)330天，每噸普煤500元計(jì)算，則年節(jié)約燃煤費(fèi)用為175.66萬(wàn)元，可為該廠帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益。目前，由于該廠沼氣利用管道尚未建好，沼氣直接進(jìn)行燃燒處理。

4 問(wèn)題與討論

4.1 IC厭氧反應(yīng)器顆粒污泥流失問(wèn)題

在IC厭氧反應(yīng)器啟動(dòng)過(guò)程中采用低濃度間歇脈沖進(jìn)水方式，啟動(dòng)初期，IC厭氧反應(yīng)器內(nèi)含有200 t厭氧污泥顆粒，進(jìn)水流量為180 m3/h，持續(xù)運(yùn)行1周后加大進(jìn)水量，當(dāng)進(jìn)水量增大為210 m3/h，發(fā)現(xiàn)厭氧出水?dāng)y帶少量顆粒污泥，且顆粒污泥機(jī)械強(qiáng)度差、內(nèi)部中空、沉淀性能一般，繼而將進(jìn)水量降為180 m3/h，顆粒污泥流失現(xiàn)象消失。在此進(jìn)水流量下又運(yùn)行1周后增大進(jìn)水量未出現(xiàn)污泥顆粒流失現(xiàn)象，并且顆粒強(qiáng)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(guò)程中，大的顆粒由于結(jié)構(gòu)疏松，抗外部環(huán)境改變性能較弱，較難很快適應(yīng)制漿廢水水質(zhì)，只能靠消耗自身的能量來(lái)維持生命。隨著內(nèi)部產(chǎn)氣的增加，顆粒變輕，內(nèi)部結(jié)構(gòu)變得松散，甚至出現(xiàn)空腔［7］。氣體在釋放過(guò)程中帶動(dòng)顆粒上浮，當(dāng)其上升速度大于其沉降速度時(shí)，顆粒污泥便隨出水排出。

4.2 二沉池出水渾濁

在IC反應(yīng)器和曝氣池啟動(dòng)過(guò)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(jìn)水CODCr的濃度太低，水量太少，導(dǎo)致好氧池缺少足夠的食料，使得微生物進(jìn)行自身的分解代謝，變?yōu)樾⌒躞w后隨水流出;另一方面因?yàn)楹醚醭鼐S持較高的溶解氧值，導(dǎo)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(guò)增大進(jìn)水量或者降低污泥濃度可以避免二沉池出水渾濁。

5 結(jié)論

IC厭氧反應(yīng)器具有抗沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)、節(jié)省占地面積、啟動(dòng)周期短、抗低溫能力強(qiáng)和出水穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，且反應(yīng)器內(nèi)部利用自身產(chǎn)生的沼氣作為提升動(dòng)力來(lái)實(shí)現(xiàn)混合液內(nèi)部循環(huán)，節(jié)省動(dòng)力消耗。在IC厭氧反應(yīng)器之后增設(shè)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(jìn)一步降低出水COD，低壓射流曝氣器通過(guò)強(qiáng)烈地湍動(dòng)混合與擴(kuò)散作用，極大地強(qiáng)化了氣體在液固相間的傳質(zhì)速率，進(jìn)一步提高了氧轉(zhuǎn)移率，大幅度提高了動(dòng)力效率。兩級(jí)生物處理后再經(jīng)過(guò)超效淺層氣浮深度處理，可去除高達(dá)97%的SS，脫色效果明顯，具有處理工藝簡(jiǎn)單、操作簡(jiǎn)便、處理效率快等優(yōu)點(diǎn)。故IC厭氧反應(yīng)器結(jié)合曝氣池及淺層氣浮工藝具有廣闊的應(yīng)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(shù)。

(*E-mail:jiajia．8593@163．com)

2011-10-13(修改稿)

本課題由陜西科技大學(xué)研究生創(chuàng)新基金資助。

(責(zé)任編輯:馬 忻)