趙黨陽(yáng)，郭 徽，王 耀，齊云洹

(1.漯河市環(huán)境衛(wèi)生服務(wù)中心，河南 漯河 462000；2.河南銀鴿實(shí)業(yè)投資股份有限公司，河南 漯河 462000)

0 前言

2010—2020年，造紙工業(yè)中，我國(guó)廢紙漿生產(chǎn)量占紙漿總生產(chǎn)量的72%～79%，消耗量占紙漿總消耗量的55%～65%[1-2]。國(guó)內(nèi)廢紙?jiān)偕旒垙U水大多采用預(yù)處理+厭氧+好氧+絮凝沉淀/深度處理的流程處理，出水滿(mǎn)足《制漿造紙工業(yè)水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB3544—2008)[3]。因具有高效、可回收沼氣等優(yōu)點(diǎn)，IC等高效厭氧反應(yīng)器在廢紙?jiān)偕旒垙U水的處理中應(yīng)用較多。生物活性高、沉降性能好的顆粒污泥是厭氧反應(yīng)器的核心，是IC 等高效厭氧反應(yīng)器穩(wěn)定運(yùn)行的前提。隨著廢紙?jiān)偕旒堅(jiān)现羞M(jìn)口廢紙的縮減，國(guó)內(nèi)廢紙比例增加，生產(chǎn)中廢水循環(huán)次數(shù)的增加，廢水中積累的鈣離子越來(lái)越多，輸水管道結(jié)垢、厭氧反應(yīng)器效率降低等問(wèn)題也逐漸暴露出來(lái)，這些問(wèn)題在IC 反應(yīng)器中尤為明顯[4-7]。介紹了厭氧顆粒污泥的物理特性、影響因素、厭氧顆粒污泥鈣化問(wèn)題產(chǎn)生的原因及預(yù)防等，為廢紙?jiān)偕旒垙U水處理廠的運(yùn)行管理提供參考。

1 厭氧顆粒污泥的物理特性

在高水力沖擊作用下，水解發(fā)酵菌、產(chǎn)乙酸菌、產(chǎn)甲烷菌等微生物聚集形成灰色或褐黑色生物體，即為厭氧顆粒污泥。厭氧顆粒污泥比表面積較大，表面凹凸不平，內(nèi)部存在孔隙，既有利于泥水接觸，也有利于提高傳質(zhì)效果[8-9]。

1.1 顏色

性能良好的厭氧顆粒污泥為黑色，烘干后也為黑色。活性差的污泥顏色發(fā)灰，烘干后顏色變淺，嚴(yán)重鈣化的顆粒污泥烘干后為黃色。

1.2 粒徑

性能良好的厭氧顆粒污泥大小均勻，粒徑一般為0.5～2 mm。粒徑過(guò)小，易發(fā)生流失；粒徑過(guò)大，鈣化的風(fēng)險(xiǎn)加大。

1.3 沉降速度

厭氧顆粒污泥的沉降速度50～150 m/h，過(guò)快的沉降速度表明污泥中含有的無(wú)機(jī)物較多；而沉降速度過(guò)慢，則容易流失。

1.4 顆粒度

一定量污泥，加水至一定體積，混合后倒掉漂浮層后，再加水，再倒掉漂浮層，連續(xù)三次，剩余顆粒污泥占總污泥體積的百分?jǐn)?shù)，即為顆粒度。一般來(lái)說(shuō)，顆粒度應(yīng)≥60%。

1.5VSS/TSS

即揮發(fā)性固體占總固體的比例，與接種污泥的來(lái)源、處理水質(zhì)等有關(guān)，以0.7～0.75為佳。

1.6 厭氧污泥活性

厭氧污泥活性以厭氧污泥產(chǎn)甲烷活性表示，是厭氧顆粒污泥最為重要的一個(gè)指標(biāo)。由單位時(shí)間內(nèi)單位質(zhì)量的污泥(以VSS計(jì))所能產(chǎn)生的甲烷量表示，性能良好的厭氧顆粒污泥負(fù)荷可達(dá)0.3～0.5 kgCOD CH4/(gVSS·d)。

2 影響厭氧顆粒污泥效果的因素

2.1 水質(zhì)

廢紙?jiān)偕旒垙U水包括制漿部分產(chǎn)生的洗滌水和抄紙過(guò)程中產(chǎn)生的白水，內(nèi)含短小纖維、填料、無(wú)機(jī)酸鹽等，COD和SS比較高。生產(chǎn)中白水基本回用于生產(chǎn)，廢水主要為廢紙?jiān)偕茲{的洗滌水。由于以廢紙為原料，不同原料之間的性質(zhì)差別比較大；廢紙?jiān)偕旒堃烙唵闻女a(chǎn)，產(chǎn)品類(lèi)型、產(chǎn)量和質(zhì)量隨銷(xiāo)量而變化，受企業(yè)規(guī)模、裝備和管理水平等因素的影響，廢水的水量和水質(zhì)變化較大。由于循環(huán)使用率高，廢水在系統(tǒng)中被多次利用，不僅造成熱量的積累，而且造成可溶性有機(jī)物和鹽的積累等。廢紙?jiān)偕旒堖^(guò)程中使用的含氮、磷的化學(xué)品不多，需外營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)以取得好的水處理效果[10-11]。

2.2 負(fù)荷

高的進(jìn)水負(fù)荷有利于底物向形成顆粒污泥的細(xì)菌細(xì)胞內(nèi)傳遞，從而使顆粒污泥的形成和生長(zhǎng)加快。但超過(guò)一定范圍，則會(huì)引起細(xì)菌生長(zhǎng)過(guò)快，形成的污泥結(jié)構(gòu)松散，影響污泥的沉降性。更有甚者，也會(huì)引起厭氧產(chǎn)氣率降低，出水VFA升高，去除率下降，出水pH值降低，嚴(yán)重時(shí)引起反應(yīng)器酸化。進(jìn)水負(fù)荷過(guò)低會(huì)也會(huì)使培養(yǎng)時(shí)間延長(zhǎng)，形成厭氧顆粒污泥難度加大。厭氧進(jìn)水的COD濃度一般控制在 1 000～5 000 mg/L。

2.3 泥源

用與污水性質(zhì)接近的顆粒污泥接種，能夠使污泥的顆?；M(jìn)程加快，反應(yīng)器的啟動(dòng)時(shí)間縮短。目前對(duì)厭氧反應(yīng)器的啟動(dòng)所需的接種量沒(méi)有明確的界定，但一般認(rèn)為，UASB接種量應(yīng)占到反應(yīng)器有效容積的10%～30%。

2.4 溫度

溫度不僅能影響離子的溶解平衡、反應(yīng)速度，而且可影響微生物活性和生長(zhǎng)速率，因此，會(huì)對(duì)顆粒污泥的性質(zhì)產(chǎn)生影響。絕大多數(shù)厭氧反應(yīng)器是在中溫條件下啟動(dòng)和運(yùn)行。袁京群等[12]認(rèn)為常溫有助于維持顆粒污泥理化性能，中溫有助于維持菌群活性。

3 厭氧顆粒污泥鈣化問(wèn)題的預(yù)防

3.1 鈣化問(wèn)題的產(chǎn)生和預(yù)防

顆粒污泥鈣化是應(yīng)用IC等厭氧反應(yīng)器處理廢紙?jiān)偕旒垙U水時(shí)比較容易的問(wèn)題。在IC反應(yīng)器投運(yùn)的最初幾年，影響不明顯，但在連續(xù)運(yùn)行幾年之后，問(wèn)題全部顯現(xiàn)。厭氧反應(yīng)器內(nèi)發(fā)生顆粒污泥鈣化時(shí)，顆粒污泥粒徑增大，VSS/TSS降低，生物活性下降，反應(yīng)器運(yùn)行效果變差。鈣化的顆粒污泥易附著在輸送管道、反應(yīng)器內(nèi)壁，造成管道結(jié)垢等問(wèn)題，同時(shí)也會(huì)堆積在反應(yīng)器內(nèi)壁與布水器之間，造成內(nèi)部短流，對(duì)內(nèi)循環(huán)產(chǎn)生影響，從而降低污水處理系統(tǒng)的處理能力，增加水處理系統(tǒng)的運(yùn)行成本。

從廢紙?jiān)偕旒埖奶攸c(diǎn)來(lái)看，國(guó)產(chǎn)廢紙中灰分較高，制漿過(guò)程中原料里的碳酸鈣溶入水中。生產(chǎn)過(guò)程中大量使用易降解酸化的化學(xué)品，特別是淀粉，溶解在水中易形成脂肪酸。由于廢紙?jiān)偕旒堉袕U水循環(huán)使用率高，廢水在系統(tǒng)中多次回用，會(huì)使積累在水中的脂肪酸與碳酸鈣反應(yīng)，水中Ca2+含量較高。Ca2+易與碳酸根、磷酸根、硫酸根離子反應(yīng)形成鈣質(zhì)物質(zhì)，填充于顆粒污泥內(nèi)部的孔隙，或者在污泥的表面包覆，引起顆粒污泥“鈣化”。

從內(nèi)部構(gòu)造上看，目前廣泛應(yīng)用的IC厭氧反應(yīng)器的布水器呈錐形結(jié)構(gòu)，由多組扇形葉片錯(cuò)位疊加而成，顆粒污泥鈣化以后，不僅造成污泥床流化狀態(tài)變差，而且由于離心作用易堆積在反應(yīng)器內(nèi)壁與布水器之間區(qū)域，使厭氧反應(yīng)器的有效容積變小，影響內(nèi)循環(huán)效率，嚴(yán)重時(shí)引起循環(huán)管道被堵死，內(nèi)循環(huán)中斷。若未及時(shí)疏通排放，鈣化后的顆粒污泥亦會(huì)對(duì)沒(méi)有鈣化的活性污泥產(chǎn)生影響，使反應(yīng)器內(nèi)顆粒污泥鈣化加劇，導(dǎo)致反應(yīng)器容積進(jìn)一步變小。

3.2 鈣化問(wèn)題的預(yù)防

目前，對(duì)預(yù)防顆粒污泥鈣化問(wèn)題的研究主要集中在工藝流程的調(diào)整優(yōu)化和反應(yīng)器結(jié)構(gòu)的優(yōu)化上。易敏[13]認(rèn)為Ca2+濃度≤120 mg/L可以增加厭氧反應(yīng)的產(chǎn)氣速率和效率，但當(dāng)Ca2+濃度>400 mg/L則會(huì)降低厭氧反應(yīng)的產(chǎn)氣速率和效率。鑒于Ca2+濃度過(guò)高會(huì)導(dǎo)致厭氧發(fā)酵液的pH值過(guò)低，使顆粒污泥中某些功能細(xì)菌的相對(duì)豐度大大降低，最終導(dǎo)致厭氧消化的速率減緩，消化效率降低。因此，建議在用厭氧顆粒污泥厭氧處理廢水時(shí)，廢水中Ca2+濃度≤200 mg/L。汪誠(chéng)文等[14]采用可溶性或者不溶性電極對(duì)廢紙?jiān)旒堅(jiān)械母邼舛肉}離子進(jìn)行適度除鈣預(yù)處理，控制出水的鈣離子在合適范圍內(nèi)。

一些研究認(rèn)為，pH值較高的廢水易發(fā)生Ca2+沉積，可通過(guò)加酸調(diào)節(jié)反應(yīng)器內(nèi)pH值，或利用二沉池或者三沉池出水對(duì)厭氧進(jìn)水進(jìn)行稀釋?zhuān)诒ＷC厭氧進(jìn)、出水pH值及堿度(ALK)正常的前提下，控制進(jìn)出水pH值，將出水pH值控制在6.8～7.2[14-15]。王志偉等[16]在對(duì)造紙工業(yè)廢水進(jìn)行厭氧處理前,利用干酪乳清與造紙工業(yè)廢水混合對(duì)造紙工業(yè)廢水進(jìn)行預(yù)酸化處理，使高濃度廢水在高有機(jī)負(fù)荷條件下產(chǎn)生穩(wěn)定的厭氧反應(yīng)性能,保證酸化之間的動(dòng)態(tài)平衡，擁有較低且穩(wěn)定的pH值，抑制pH值較高時(shí)嚴(yán)重的鈣沉積現(xiàn)象，從而有效減緩顆粒污泥鈣化。

牛穎[17]向常規(guī)運(yùn)行的IC厭氧反應(yīng)器中投加阻垢劑聚環(huán)氧琥珀酸(PESA)，與水中Ca2+發(fā)生絡(luò)合，使其存在于水溶液中，防止碳酸鈣的沉積，取得良好的運(yùn)行狀況和穩(wěn)定的處理效果。張健等[18]向高含鈣廢水厭氧顆粒污泥處理體系中投加復(fù)合脫鈣劑，預(yù)防鈣在污泥內(nèi)核沉積、強(qiáng)化鈣沉積螯合溶出，厭氧反應(yīng)器無(wú)需排泥除垢。吳明[19]嘗試在厭氧反應(yīng)中分別添加Fenton鐵泥和幾種鐵的氧化物，通過(guò)研究厭氧顆粒污泥胞外聚合物、微生物的種類(lèi)和數(shù)量、顆粒污泥物理性質(zhì)的變化，認(rèn)為Fenton 鐵泥對(duì)正常厭氧顆粒污泥、鈣化顆粒污泥產(chǎn)甲烷能力有顯著的提高作用，添加量15 g/L時(shí)正常厭氧顆粒污泥甲烷產(chǎn)量可提高22.5%，鈣化顆粒污泥甲烷產(chǎn)量提高了12.7%。

汪琴等[20]建議增加一個(gè)側(cè)流池，與IC并聯(lián)，以此對(duì)產(chǎn)甲烷菌等功能菌群進(jìn)行富集，以方便補(bǔ)充厭氧系統(tǒng)中的污泥，從而減慢顆粒污泥的鈣化。吳開(kāi)麗等[21]對(duì)造紙廢水處理中厭氧顆粒污泥鈣化的案例進(jìn)行分析，認(rèn)為IC厭氧塔進(jìn)水中的Ca2+濃度過(guò)高是導(dǎo)致厭氧顆粒污泥快速鈣化的直接和主要原因。廢紙帶入廢水處理系統(tǒng)的鈣不能及時(shí)排出系統(tǒng)，造成鈣的累積是其深層次原因。鋁鹽和鐵鹽類(lèi)助劑的添加對(duì)鈣化有微弱的促進(jìn)作用，應(yīng)在工藝允許的條件下適當(dāng)降低用量。增加噸紙水耗，生產(chǎn)車(chē)間回用經(jīng)厭氧和好氧處理后的低Ca2+和COD的水，定期將鈣化嚴(yán)重的顆粒污泥排出，在工藝允許范圍內(nèi)，保證厭氧塔出水沒(méi)有顆粒污泥流失的情況下，適當(dāng)提高厭氧塔的上升流速，降低廢水在厭氧塔內(nèi)的停留時(shí)間，可以降低厭氧處理過(guò)程中的鈣沉積速度。王建光等[22-23]對(duì)IC厭氧反應(yīng)器的布水系統(tǒng)、重渣排放系統(tǒng)等方面進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，或是增設(shè)外循環(huán)，取得了一定的進(jìn)展。

4 結(jié)束語(yǔ)

由于廢紙?jiān)偕旒垙U水的特點(diǎn)，IC等厭氧反應(yīng)器處理廢水時(shí)容易發(fā)生顆粒污泥鈣化問(wèn)題，因此，要注意日常的監(jiān)測(cè)和管理。通過(guò)添加阻垢劑、處理后的出水回流等方法控制進(jìn)水Ca2+濃度，保證厭氧反應(yīng)器的上升流速，定期對(duì)厭氧顆粒泥的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，定期將鈣化程度較高的顆粒污泥排出，以及對(duì)現(xiàn)有IC反應(yīng)器結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造，可減緩顆粒污泥鈣化的發(fā)生。