EGSB反应器处理半化学草浆制浆废水的研究

刘 春张安龙管秀琼

(1.四川理工学院造纸科学技术研究所,四川自贡,643000;2.陕西科技大学造纸工程学院,陕西西安,710021)

EGSB反应器处理半化学草浆制浆废水的研究

刘 春1张安龙2管秀琼1

(1.四川理工学院造纸科学技术研究所,四川自贡,643000;2.陕西科技大学造纸工程学院,陕西西安,710021)

对采用厌氧膨胀颗粒污泥床(EGSB)反应器处理的半化学草浆制浆废水的运行状况进行了分析,结果表明,反应器以VLR (容积负荷)2.192 kg COD/(m3·d)进行启动,在以浓度和流量逐渐提升VLR的过程中,CODCr去除率一直保持在70%以上;最小水力停留时间(HRT)可缩短至4.9 h,最大VLR可达到25.820 kgCOD/(m3·d),CODCr去除率稳定在68.8%～78.0%范围内;当出水pH值高于进水时,出水回流可以减少调节进水pH值的用碱量。

EGSB反应器;半化学草浆制浆废水;运行状况;影响因素

半化学法制浆工艺浆料得率高,药品消耗低,设备规模小。但由于这种制浆工艺浆料得率比化机浆的低,因此污染负荷较高,CODCr为400～600 kg/t浆,属于中高浓有机废水,且以草类为原料的半化学制浆废水中含有相当数量的苯环类、茚类等有毒有害物质。

厌氧膨胀颗粒污泥床(EGSB)反应器是在UASB的研究基础上开发出来的第三代高效厌氧反应器,因其具有占地面积小、混合传质效果好、抗冲击能力强、且具有高的生物量及生物活性等优点[1],被广泛应用于处理低温低浓度废水、中高浓度有机废水、含硫酸盐废水、有毒、难降解废水以及麦芽发酵废水和酸油废水等[2-5]。

本实验通过考察水力停留时间(HRT)、液体上升流速(Vup)、容积负荷(VLR)、pH值等参数对COD去除效果的影响,研究EGSB反应器在实验室条件下处理半化学草浆制浆废水的运行规律。

1 实 验

1.1 实验装置

实验用EGSB反应器采用圆筒形有机玻璃制成, EGSB反应器总高1313 mm,总有效容积19.65 L,反应区高度1000 mm,有效容积为9.6 L,EGSB反应器的高径比10∶1。沿EGSB反应器高度方向等距设置8个取样孔。并在距三相分离器底部50 mm处设置回流循环口。废水经计量泵由底部进入EGSB反应器,并从其顶部的三相分离器出水口流出,所产生的气体先经过水封后再由湿式气体流量计计量。EGSB反应器采取水浴保温。结构如图1所示。

图1 实验用EGSB反应器基本结构及工艺流程

1.2 废水来源及水质

实验用水取自陕西渭南康钰纸业集水池,该厂以麦草为原料,采用石灰法制浆生产中低档瓦楞原纸。因此实验所用废水为半化学草浆制浆废水。废水水质见表1。

表1 半化学草浆制浆废水水质

1.3 接种污泥

接种污泥采用颗粒污泥直接接种。颗粒污泥取自宝鸡圣龙纸业废水处理系统中的IC反应器(PAQUES建造),该纸厂以麦草半化学浆生产高强瓦楞纸及纱管原纸。因此,所取颗粒污泥对实验用水有良好的适应性。颗粒污泥性质如表2所示。

表2 接种颗粒污泥性质

1.4 分析项目及方法[6]

化学需氧量COD采用重铬酸钾法;生化需氧量BOD5采用直接稀释法;SS、VSS、TSS采用标准质量法;pH值采用玻璃电极法。

2 结果与讨论

2.1 EGSB反应器的启动

EGSB反应器以20 g VSS/L接种量装入种泥,然后用经稀释的取自渭南康钰的麦草半化学浆废水进行驯化。稀释后CODCr浓度在1098 mg/L左右,用NaHCO3调节进水pH值为7.8～8.0,EGSB同时以m(CODCr)∶m(N)∶m(P)=200∶5∶1的比例向废水中添加尿素和磷酸氢二钾,启动保温装置,保持EGSB反应器内温度为35℃左右,HRT=12 h。由于接种污泥取自相同水质系统的I C反应器,但种泥在室温下放置了一段时间,3天后才开始产气,产气量逐渐上升。这表明接种污泥由休眠期进入活化期。

第4天启动回流水装置,HRT降至6.4 h,以废水浓度提升容积负荷,容积负荷的提高以测得出水CODCr去除率>70%,且出水VFA<5 mg/L为标准。67天后,全部以半化学草浆原水CODCr5274 mg/L进入EGSB反应器。容积负荷相应提高到19.78 kg COD/(m3·d)。提高原水比例的同时,水力上升流速相应提高。相关数据见表3和表4。

运行初期,EGSB反应器内污泥床出现明显的分层现象。其原因主要是因为污泥在由饥饿状态的休眠期进入活性恢复后,迅速摄取营养,底部污泥营养较充足,因而产气量较大,此时较低的上流速度及上部较少的产气量还不足以使污泥床完全膨胀,底部污泥所产气体难以顺利释放,所以将污泥床抬起,形成了明显的污泥床断层现象。

随着产气的继续进行,聚集的气体量增加,气压增大,气体冲出上部污泥层进入EGSB反应器三相分离器集气罩,一部分细小絮状污泥随回流水管洗出。随着系统的稳定运行,污泥床分层现象明显减少,床层高度不断增加,回流水管中带泥现象减少。

表3 EGSB反应器启动期相关数据

表4 EGSB反应器稳定运行期相关数据

在逐渐改变废水比例及容积负荷提升的过程中, CODCr的去除率都是先稍有下降,然后再逐渐上升,基本维持在75%左右;连续几天对出水VFA、碱度进行检测,发现VFA均在5 mg/L以下、碱度在2200 mg/L左右;同时发现,在每一种废水比例运行的过程中,污泥膨胀率都有一个小→大→小的变化过程,其原因主要该阶段初期的上升流速太低,而颗粒污泥较重,因此不能达到一个很好的膨胀状态;在提高上升流速以后,即增大废水的回流比之后,颗粒污泥的膨胀率得到提高;在该阶段的后期,污泥对废水逐渐适应,颗粒污泥的沉降性也相应增强,此时的上升流速仍然不能满足颗粒污泥膨胀的需要,因此,在下一阶段,上升流速必须再提高。可以说,保证合适的上升流速是确保反应器正常、高效运行的关键。启动过程中EGSB反应器运行状态良好,产气量大,原水运行时CODCr去除率稳定在77.5%左右,标志着EGSB反应器启动的完成。启动期运行效果如图2所示。

图2 启动运行期VLR与CODCr去除率的关系

2.2 EGSB反应器的稳定运行

稳定运行期实际上是容积负荷的提升阶段。由于实验用造纸废水属中高浓废水,CODCr最高为5274 mg/L,相应的EGSB反应器容积负荷为19.78 kg COD/(m3·d),故EGSB反应器进入稳定运行期后,主要以进水流量来调节容积负荷。由表4可以看出,从第75天开始至第112天共38天的负荷冲击过程中,在每一个负荷冲击段,CODCr去除率都是先稍有下降,然后再逐渐上升,基本维持在70%以上。

2.3 容积负荷、水力停留时间对处理效果的影响

EGSB反应器的有机负荷(Organic Loading Rate,简称OLR)是影响污泥增长、污泥活性和有机物降解的重要因素,提高负荷可以加快污泥增长和有机物的降解,同时使EGSB反应器的容积减小。但当有机负荷过高时,可能发生甲烷化反应和酸化反应不平衡的问题,从而降低处理效果。有机负荷可以用容积负荷(VLR)和污泥负荷(SLR)两种方法表示,本课题中的有机负荷均以容积负荷表示。

由图2可以看出,整个实验过程中,EGSB反应器的容积负荷呈梯度增加,包括以废水浓度和进水流量提升两个阶段。第1阶段结束时CODCr去除率稳定在78%左右,第2阶段在进水浓度保持不变的情况下梯级增加进水流量,即缩短了HRT(见图3),相应的废水在EGSB反应器内的上升流速也梯级上升,较高的液体上升流速和由于负荷提高而引起的产气量的增加使得污泥床受到的搅动更加剧烈,污泥床不断膨胀,颗粒污泥与废水间的传质作用加强,因此尽管HRT缩短至5.8 h,CODCr去除率仍能够维持在77.2%,随着负荷继续增加至26.73 kg COD/(m3·d),进水量为48 L/d,HRT为4.8 h,此时测得出水中SS突然增加,CODCr去除率也急剧下降至53.8%,反应器中大量细小污泥随出水流失。随即减小进水量, CODCr去除率有所回升,达到68.8%。由此可知,用EGSB反应器处理半化学草浆废水时,容积负荷以不超过25.82 kg COD/(m3·d)为佳,HRT不小于4.9 h。通过及时采取相关措施后,系统很快恢复正常,由此可以看出,EGSB反应器系统抗负荷冲击能力强。

图3 启动运行期HRT与CODCr去除率的关系

HRT对于厌氧工艺的影响是通过上升流速来表现的。一方面高的液体流速增加废水系统内进水区的扰动,因此增加了生物污泥与进水有机物之间的接触,对去除率的提高起到积极作用;另一方面,为了保持系统中足够的污泥,上升流速不能超过一定的限值,EGSB反应器的高度也就会受到限制。这时HRT与液体上升流速之间就存在一个矛盾点。EGSB反应器采用高的高径比及出水回流,在达到较高的上升流速的同时,能够保持一定的HRT,从而保证了EGSB反应器的处理效果。

2.4 pH值的变化情况

实验以EGSB反应器启动运行过程中每一个负荷提升期为一阶段,测定了随时间变化的进、出水pH值的变化情况,具体结果见图4和图5。进水pH值基本控制在7.8左右。这主要是因为从厌氧消化过程中pH值的变化趋势来看,溶液酸化(pH值下降)的速率很快,需要的时间较短;而使酸性液(pH值小于7)恢复到碱性(pH值大于7)的速率却很慢,需要的时间也较长[7]。因此将实验启动、运行过程中进水pH值控制在7.8左右,对保证EGSB反应器运行的稳定性有重要意义。

图5是在EGSB反应器启动成功后第75天至第85天中沿EGSB反应器高度分布水样的pH值的变化情况。每两天取一组数值。由图5可以看出,废水的pH值在EGSB反应器的高度分布上呈急剧下降→缓慢下降→上升的变化趋势。可能原因为,当废水进入EGSB反应器底部时,适应环境快、代谢能力强的产酸细菌迅速将废水中的有机物转化为脂肪酸,而适应环境慢、代谢能力弱的产甲烷细菌一时无法将这些脂肪酸吸收利用,致使脂肪酸累积起来,导致溶液的pH值迅速下降;随着产酸速率的降低,产甲烷细菌利用脂肪酸的速率相对提高,溶液中pH值的下降趋势开始减缓,直至转为上升趋势。同时还可以看出,在有机物负荷率一定时,出水的pH值将很快趋向某一固定值(一般为数天时间),此时为8.1。

EGSB反应器的出水pH值反映了EGSB反应器内VFA的积累程度,也能间接反映出EGSB反应器内碱度的大小。由图4和图5还可以看出,出水碱度高于进水碱度。这也可以从某种意义上说明EGSB反应器增加出水回流装置的优势所在:①提高上升流速,改善泥水混合效果;稀释进水CODCr浓度,降低底部污泥负荷;②将高碱度的出水重新利用,节省了进水中碱性物质的投加量。另外,有关研究表明[8],进出水具有一定的碱度差,证明EGSB反应器的容积负荷仍存在继续增长的空间。图5中进、出水pH值差呈越来越小的趋势,这与前面2.3节提到的容积负荷提高的幅度越来越小一致。

3 结 论

3.1 通过对厌氧膨胀颗粒污泥床(EGSB)反应器启动阶段和稳定运行的研究表明,EGSB反应器以2.192 kg COD/(m3·d)的容积负荷进行启动,在以浓度和流量逐渐提升容积负荷的过程中,CODCr去除率一直保持在70%以上。最小水力停留时间可缩短至4.9 h,最大容积负荷可达到25.82 kg COD/(m3· d),CODCr去除率稳定在68.8%～78.0%范围内。

3.2 当进水pH值保持在7.8左右时,CODCr的去除率都处于较高水平,且EGSB反应器出水回流的特殊结构,使高碱度的出水与原水混合后再进入EGSB反应器底部,减少了调节进水pH值的碱用量。

[1] Lettinga G,Field J.Advanced Anaerobic Wastewater Treatment in The Near Future[J].Wat Sci Tech,1997(35):5.

[2] 石宪奎,倪 文,王凯军.EGSB处理玉米淀粉生产废水中试研究[J].环境工程,2005,23(1):17.

[3] Mario Kato T,Jim Field A.The anaerobic treatment of low strength wastewaters in UASB and EGSB reactors[J].Wat Sci Tech,1997 (36):375.

[4] Van Der Last A R M,Lettinga G.Anaerobic treatment of domestic sewage undermoderate Climatic(Dutch)conditions using upflow reactors at increased superficial velocities[J].Wat Sci Tech,1992,25 (7):167.

[5] Rebac S,et al.High-rate anaerobic treatmentofmaltingwastewater in a pilot-scale EGSB system under psychrophilic conditions[J].ChemTech Biotechnol,1997,68:135.

[6] 国家环境保护局.水和废水检测分析方法[M].4版.北京:中国环境科学出版社,2002.

[7] 王绍文,罗志腾,钱 雷.高浓度有机废水处理技术与工程应用[M].北京:冶金工业出版社,2003.

[8] 刘 巍.水解+厌氧膜生物反应器处理造纸中段废水[D].西安:西安建筑科技大学,2006.

Abstract:The study resultsof the treatmentof effluent from semi-chemical straw pulpingwith expanded granule sludge bed(EGSB)reactor indicated that the EGSB reactor started-up at the volume loading rate of 2.192 kg COD/(m3·d),its CODCrremoval rate maintains above 70%in the process of increasing volume loading rate gradually.The min imum HRT can be shorten to 4.9 h,the maximum VLR can be reached to 25.820 kg COD/(m3·d)and the CODCrremoval rate can be kept on 68.8%～78.0%;The consumption of alkali using for influent pH adjustment can be reduced by circulating the effluentwhen the pH value of the effluent is higher than that of the influent.

Keywords:expanded granule sludge bed reactor;semi-chemcial straw pulping effluent;running status;influencing factor

(责任编辑:赵旸宇)

更 正

《中国造纸学报》2010年第1期发表的的论文“圆网纸机纸页成形原理及成形区设计的研究”,因作者原因出现几处错误,现更正如下:

1.方程式(3)中的积分符号的下限Φ2应改为Φ0,即为下式:

2.方程式(5)中的小括号设置有误,应为下式:

3.文中“5.1切线法”的两公式中的小括号设置不对,且(Φc-Φ0)改为(Φc+Φ0),应为下式:

4.方程式(17)中的2KB改为KB,应为下式:

由此给读者带来的不便请谅解。

Study on the Treatment of Effluent from Sem i-chem ical Straw Pulp ing with Expanded Granule Sludge Bed Reactor

L IU Chun1,＊ZHANG An-long2GUAN Xiu-qiong1
(1.Research Institute of Paper Science&Technology,Sichuan University of Science and Engineering,Zigong,Sichuan Province,643000;2.College of Paper making Engineering,Shaanxi University of Science and Technology,Xi'an,Shaanxi Province,710021)
(＊E-mail:liuchun163@126.com)

X793

A

1000-6842(2010)03-0042-05

2010-03-23(修改稿)

刘 春,女,1982年生;助教;主要研究方向:造纸工业废水处理技术。

E-mail:liuchun163@126.com