厌氧内循环反应器（IC反应器）在造纸废水处理中的应用

2012-08-15李琛从善畅郝磊磊

杭州化工 2012年2期

关键词：制浆废水处理反应器

李琛，从善畅，郝磊磊

（陕西理工学院化学与环境科学学院，陕西汉中723001）

厌氧内循环反应器（IC反应器）在造纸废水处理中的应用

李琛，从善畅，郝磊磊

（陕西理工学院化学与环境科学学院，陕西汉中723001）

详细介绍了厌氧内循环反应器（IC反应器）的启动问题及其在造纸废水处理中的应用，并对该技术的应用前景进行了展望。

厌氧内循环反应器（IC反应器）；造纸废水；废水处理

厌氧内循环反应器（Internal Circulation Reactor，简称IC反应器）具有抗负荷能力强、具缓冲pH能力、容积负荷高、能耗低、运行费用低、处理容量大、启动速度快、占地面积少、运行稳定等特点，其主要组成部分有污泥膨胀床区、精处理反应区、内循环系统和出水区，在造纸废水处理领域中有着广泛的应用前景。

我国是一个造纸工业大国，在制造过程中产生的废水量大，污染物浓度高，对水环境造成极其不利的影响。污水必须通过终端的废水处理设施，达标后排放，而厌氧技术比较适合处理高浓度的有机废水。笔者在此详细介绍IC反应器的启动问题和它在造纸废水中的应用。

1 IC反应器的启动

在IC反应器整个处理工程中，反应器的快速启动和反应器中颗粒污泥的形成是整个过程的关键。

丁丽丽等［1］以UASB中的颗粒污泥为接种污泥，用于IC反应器的启动，20 d内IC反应器完成初次启动，15 d内完成IC反应器的二次启动。该反应器日处理污水CODCr容积负荷达12～15 Kg/（m3·d），CODCr去除率＞85%；在IC反应器中的容积负荷增加到11 Kg CODCr/（m3·d）时，反应器完成启动。IC反应器启动结束后，使颗粒污泥的平均沉降速度由35.4 m/h增加到105.17 m/h，平均粒径由0.88 mm增大为1.25 mm，最大比产甲烷活性增加为启动初期的4倍，达到382.98 mL/（g·d）。张杰等［2］以某养猪场沉淀池的深灰褐色絮状污泥对IC反应器进行接种启动。IC反应器在60 d左右完成启动，启动后污泥区污泥沉降性能良好，在污泥区，污泥由上部到下部粒径明显增大，反应器内污泥颗粒粒径分布明显改善，粒径大于1 mm的颗粒污泥量约占81.3%左右。在进水有机负荷率达到20.6 Kg CODCr/（m3·d），HRT不低于12 h时，利用该反应器处理某养猪场污水时，CODCr去除率保持在90%以上，TN和TP去除率约为20.8%和34.6%。

杨世关等［3］使用UASB反应器和IC反应器分别对某养殖场的猪粪废水进行处理。以郑州市某种猪场废水一级沉淀池污泥为接种污泥，对IC反应器进行启动，污泥接种54 d后，IC反应器污泥区污泥沉降性能良好，污泥颗粒直径在1～4 mm之间，以2～3 mm粒径的污泥为主，有粒径大于5 mm的颗粒污泥产生；UASB污泥颗粒直径在1～3 mm之间，以1～2 mm粒径的污泥为主，未发现大于5 mm的颗粒污泥。实验发现，与UASB反应器相比，IC反应器的水力条件有利于污泥的颗粒化。IC反应器内水力条件的复杂性，使得其内的污泥颗粒分布不均匀性明显大于UASB反应器。

张杰等［4］以某啤酒厂厌氧池污泥为接种污泥启动IC反应器，模拟废水进水NH4+-N为120 mg/L，NO2--N为150 mg/L，实验研究了模拟废水的厌氧氨氧化过程，考察了IC反应器中ANAMMOX菌的活性和脱氮效率，在30±1℃的条件下，IC反应器130 d后启动成功，反应器内形成1～2 mm的颗粒污泥，NH4+-N和NO2--N去除率分别约82.1%和94.5%。许英杰等［5］以郑州市污水处理厂的厌氧脱水污泥和河南某酒精厂厌氧消化池的絮状污泥为接种污泥，处理该酒精厂的玉米酒糟和薯干渣酒糟废水，IC反应器运行36 d时出现颗粒污泥，180 d后成功启动。实验研究了反应器内污泥的SS和VSS、产甲烷活性、胞外多聚物浓度、辅酶F420含量、目标污水的CODCr去除率等指标，发现实验条件下IC反应器自启动36 d后开始出现颗粒污泥，运行至180 d时反应器中出现大量粒径为0.5～2.5 mm的大颗粒污泥，在IC反应器的第一反应区和第二反应区，以葡萄糖为基质测得的产甲烷活性为327 mL/g VSS·d和129 mL/g VSS·d，活性良好。在进水CODCr浓度为20000～30000 mg/L时，该IC反应器的CODCr去除率不低于95%，出水CODCr不高于1000 mg/L。污泥的比CODCr去除率为0.78 g CODCr/g VSS·d。

梁允等［6］使用IC反应器处理某酒精生产企业的综合废水，使用生活污水厂厌氧消化污泥接种IC反应器，105 d完成反应器的启动。进水CODCr＝11500 mg/L，BOD5＝6000 mg/L，pH值为3.5～4.5。出水VFA的浓度在300 mg乙酸/L以下，CODCr去除率95%以上，pH值保持在6.5～7.8。启动完成后，反应器内部形成一定机械强度、沉淀性能良好、粒径为1～4 mm的颗粒污泥。

曾国敏等［7］研究了常温下IC反应器启动过程中的颗粒污泥性能。IC反应器进水浓度为3000 mg CODCr/L，水温为14.5～26℃，25 d内形成了颗粒污泥。结果表明，随着运行时间和容积负荷的增加，颗粒污泥粒径逐渐增大。反应器启动完成后，反应器中大于2 mm的颗粒污泥增加到6.6%，小于0.3 mm的颗粒从57.7%减少到39.4%；VSS浓度从24.7 g/L上升到48.2 g/L；VSS/SS从34.4%增加到72.8%。颗粒污泥的沉降速度与颗粒粒径成正比，0.3～3 mm的颗粒污泥的沉降速度介于34.05～109.75 m/h之间，具有良好的沉降性能。初始接种污泥几乎没有产甲烷活性，与第30 d的初期颗粒污泥相比，成熟的颗粒污泥的产甲烷活性提高了46.7%。

吴根义等［8］研究了附加气IC反应器的启动性能。采用强制气体循环的试验性附加气IC反应器处理高浓度有机废水，并与普通IC反应器进行对比试验。结果表明，附加气IC反应器比普通IC反应器在启动时间上缩短20%，最大有机负荷提高25%，CODCr去除率提高了，培养出的颗粒污泥活性更高，运行稳定性也随之加大。

李海松等［9］对内循环厌氧反应器的启动进行了研究。总结了郑州大学实际工程经验，对不同水质条件下IC反应器的启动进行了比较。结果表明：金霉素废水和酒精废水采用的初始CODCr污泥负荷分别为0.050、0.075 Kg/（m3·d），每周分别将负荷提高到上一周的1.118、1.230倍，分别经过168、112 d完成启动。启动完成后CODCr容积负荷分别达到5.02、11.48 Kg/（m3·d），CODCr去除率分别达到80%、95%。

唐源等［10］进行了中低温下IC反应器的启动及污泥颗粒化的研究。结果表明：在运行温度为9～28℃的条件下，反应器经67 d完成启动，在22 d反应器内出现了颗粒污泥，随着运行时间和容积负荷的增加，颗粒污泥的粒径不断增大。为确保稳定运行，应控制出水pH值为6.1～6.8、HRT为6～8 h、容积负荷为3.58～7.95 Kg CODCr/（m3·d）、出水VFA＜200 mg/L，最终的产气量稳定在约35 L/d，在进水CODCr为2000 mg/L时，对COD的去除率能一直保持在80%以上。启动完成后，反应器内粒径大于0.3 mm的颗粒污泥所占比例为41.2%，粒径大于0.9 mm的中型颗粒污泥也从零增加到11.44%，颗粒粒径趋向于均匀化。

戴松林等［11］通过采用强制外循环IC反应器完成了造纸废水的启动研究。结果表明：CODCr去除率维持在73%～75%之间，水力停留时间可缩短为3 h，CODCr容积负荷达25 Kg CODCr/（m3·d）。

李志建［12］研究了IC反应器的启动问题。结果表明：IC厌氧反应器直接以8 Kg CODCr/（m3·d），可在20 d内短期完成启动，IC厌氧反应器最小水力停留时间可缩短至5.3 h，最大容积负荷可达32 Kg CODCr/（m3·d），CODCr去除率稳定在79%～86%范围内，表明该装置对有机物有较高的处理能力。待反应器运行结束后，VSS/TSS由80%增加到91.7%，颗粒污泥的活性也得到了显著提高。

由此可以认为，IC反应器启动后形成的颗粒粒径多在1 mm以上，最大可达5 mm。接种污泥的性质对IC反应器的启动具有巨大的影响作用。在实际工程应用中，通常使用UASB厌氧颗粒污泥进行接种，能有效缩短启动时间，另外，也可以使用絮状污泥进行接种，与UASB厌氧颗粒污泥相比，速度较慢，且稳定性也有待研究。

2 IC反应器在造纸废水处理中的应用

比利时的VPK Ondegem造纸厂［13］利用IC反应器作为二次纤维制浆废水封闭循环废水处理系统的关键设备，废水经IC反应器和曝气池处理后，CODCr去除率可达到50%，满足了造纸厂回用水水质指标，实现了造纸废水零排放的突破。此后，IC反应器在造纸厂废水零排放中得以推广应用。荷兰一家纸板厂采用IC反应器+气提反应器处理该厂生产废水，废水的BOD5和CODCr的去除率分别达到90%以上和99%；废水在厂内循环使用，实现了造纸废水零排放。西班牙的Papeleradelad dequeria造纸厂同样采用IC反应器+气提反应器对该厂生产废水进行处理，IC反应器设计最大容积负荷为27 Kg CODCr/（m3·d），在9～24 Kg COD/（m3·d）的容积负荷下运行时，CODCr去除率在61%～86%之间，实现了生产废水的回用［13-15］。

福建南纸股份公司［16-20］1999年投资建设的日处理30000 m3DIP和TMP高浓度混合废水的IC反应器于2000年顺利建成。在36±1℃的条件下，用高24 m、直径11 m的IC反应器对该厂苇浆稀黑液和制浆废水进行混合处理，其中硫酸盐法（KP）苇浆稀黑液的CODCr浓度为5800 mg/L，碱性过氧化氢机械浆（APMP）产生的制浆废水的CODCr浓度为11000 mg/L，在IC反应器容积负荷为12～15 Kg CODCr/（m3·d）时，该混合废水的CODCr、BOD5的去除率分别达到65%和85%，产气率在0.40～0.42 m3/Kg CODCr，出水水质实现达标（《造纸工业水污染物排放标准（GB3544-2001）》）排放。岳阳纸业公司［21］用高22 m、直径11 m的IC反应器对该厂碱性过氧化氢机械浆（APMP）和碱回收车间的高浓废水进行处理，在处理负荷为65.8 Kg CODCr/（m3·d）时，IC反应器出水CODCr去除率不低于72%，再经好氧污水处理厂处理后，可实现达标（《造纸工业水污染物排放标准（GB3544-2001）》）排放。李志建等［22］在35±1℃的条件下用IC反应器对某纸业公司碱法麦草浆综合废水（制浆工段黑液与中段水体积比为1∶1.2）进行处理，实验初期通过逐步增加综合废水比例的方法对IC反应器进行启动，38 d实现反应器的启动。在CODCr浓度为6000 mg/L、HRT（水力停留时间）为8 h、CODCr容积负荷为18 g CODCr/（L·d）的条件下，CODCr去除率、BOD5去除率、产气率分别为63%、78%和0.23 L CH4/g CODCr。无锡荣成纸业［23］采用初次沉淀+水解预酸化+IC+好氧+混凝沉淀工艺处理废水。在预酸化过程中投加氢氧化钠调节pH值在7～7.5之间，停留时间约为4 h，IC停留时间约为5 h，IC在进水CODCr浓度为2200 mg/L左右时，出水控制在CODCr浓度为500～600 mg/L，整个系统经过一年多的运转，效果很好，同时系统抗冲击负荷能力很强。

福建省南纸股份有限公司［24］首先使用预酸化池和IC反应器对高浓度的TMP（热磨机械浆）和DIP（脱墨浆）废水进行处理，然后与低浓度的BKP（化浆）、GP（磨石磨木浆）废水混合后进行好氧处理。该系统对废水的处理效果良好，运行稳定，CODCr和SS的去除率均可达到95%以上，出水可实现达标（《造纸工业水污染物排放标准（GB3544-2001）》）排放。李志建［25］通过逐步提高造纸综合废水比例的方法对IC反应器进行快速启动，在启动的过程中，废水CODCr去除率由63.4%逐步下降到41.7%（此时综合废水比例为40%）后又逐渐回升到63%，BOD5去除率为78 %左右。未降解的CODCr多以木质素等不可生物降解物组成，在进水负荷波动较大的情况下，IC反应器的出水CODCr浓度因反应器内的内循环结构的调节作用而相对平稳。

3 展望

IC反应器作为一种新型的高效厌氧反应器，具有占地面积小、投资少、容积负荷高、处理容量大、运行稳定、过程自动化易于实现、工业放大应用广泛等特点，在有机废水处理和资源化利用方面越来越广泛地应用，具有广阔的应用前景，值得进一步研究开发和推广。今后的研究重点有如下几点：（1）颗粒污泥的培养和IC反应器的快速启动；（2）反应器的结构优化与自动控制的研究。

［1］丁丽丽，任洪强，华兆哲，等.内循环式厌氧反应器启动过程中颗粒污泥的特性［J］.环境科学，2001，22（3）：30－34.

［2］张杰，刘亚纳，胡张保，等.IC反应器处理猪粪废水的启动特性研究［J］.农业环境科学学报，2004，23（4）：777－781.

［3］杨世关，赵青玲，张杰，等.两种厌氧反应器培养颗粒污泥的对比试验［J］.农业工程学报，2007，23（1）：183－187.

［4］张杰，李海华，韦道领，等.IC反应器厌氧氨氧化启动与运行特性研究［J］.污染防治技术，2007，20（2）：21－24.

［5］许英杰，冯贵颖，买文宁.生产性IC反应器厌氧颗粒污泥的生物学特征［J］.环境污染治理技术与设备，2005，6（4）：84－85.

［6］粱允，买文宁，王慧芳，等.生产性IC反应器处理淀粉酒精综合废水启动研究［J］.酿酒科技，2007，ll：136－138.

［7］吴根义，杨仁斌，罗琳，等.附加气IC反应器启动研究［J］.工业用水与废水，2007，38（4）：91－94.

［8］曾国敏，马邕文.常温下IC反应器启动过程中的颗粒污泥性能研究［J］.环境工程学报，2010，4（1）：68－70.

［9］李海松，买文宁，代吉华.内循环厌氧反应器的启动研究［J］.工业水处理，2008，28（10）：88－90.

［10］唐源，马邕文.中低温下IC反应器的启动及污泥颗粒化研究［J］.中国给水排水，2010，26（21）：30－33.

［11］戴松林，邓耀明.附加外循环IC反应器在造纸废水中的启动研究［J］.东莞理工学院学报，2009，16（5）：85－87.

［12］李志建.内循环（IC）厌氧反应器及处理造纸综合废水研究［D］.西安：西安建筑科技大学，2004：40－57.