EGSB反應器處理半化學草漿制漿廢水的研究

劉 春張安龍管秀瓊

(1.四川理工學院造紙科學技術研究所,四川自貢,643000;2.陜西科技大學造紙工程學院,陜西西安,710021)

EGSB反應器處理半化學草漿制漿廢水的研究

劉 春1張安龍2管秀瓊1

(1.四川理工學院造紙科學技術研究所,四川自貢,643000;2.陜西科技大學造紙工程學院,陜西西安,710021)

對采用厭氧膨脹顆粒污泥床(EGSB)反應器處理的半化學草漿制漿廢水的運行狀況進行了分析,結果表明,反應器以VLR (容積負荷)2.192 kg COD/(m3·d)進行啟動,在以濃度和流量逐漸提升VLR的過程中,CODCr去除率一直保持在70%以上;最小水力停留時間(HRT)可縮短至4.9 h,最大VLR可達到25.820 kgCOD/(m3·d),CODCr去除率穩定在68.8%～78.0%范圍內;當出水pH值高于進水時,出水回流可以減少調節進水pH值的用堿量。

EGSB反應器;半化學草漿制漿廢水;運行狀況;影響因素

半化學法制漿工藝漿料得率高,藥品消耗低,設備規模小。但由于這種制漿工藝漿料得率比化機漿的低,因此污染負荷較高,CODCr為400～600 kg/t漿,屬于中高濃有機廢水,且以草類為原料的半化學制漿廢水中含有相當數量的苯環類、茚類等有毒有害物質。

厭氧膨脹顆粒污泥床(EGSB)反應器是在UASB的研究基礎上開發出來的第三代高效厭氧反應器,因其具有占地面積小、混合傳質效果好、抗沖擊能力強、且具有高的生物量及生物活性等優點[1],被廣泛應用于處理低溫低濃度廢水、中高濃度有機廢水、含硫酸鹽廢水、有毒、難降解廢水以及麥芽發酵廢水和酸油廢水等[2-5]。

本實驗通過考察水力停留時間(HRT)、液體上升流速(Vup)、容積負荷(VLR)、pH值等參數對COD去除效果的影響,研究EGSB反應器在實驗室條件下處理半化學草漿制漿廢水的運行規律。

1 實 驗

1.1 實驗裝置

實驗用EGSB反應器采用圓筒形有機玻璃制成, EGSB反應器總高1313 mm,總有效容積19.65 L,反應區高度1000 mm,有效容積為9.6 L,EGSB反應器的高徑比10∶1。沿EGSB反應器高度方向等距設置8個取樣孔。并在距三相分離器底部50 mm處設置回流循環口。廢水經計量泵由底部進入EGSB反應器,并從其頂部的三相分離器出水口流出,所產生的氣體先經過水封后再由濕式氣體流量計計量。EGSB反應器采取水浴保溫。結構如圖1所示。

圖1 實驗用EGSB反應器基本結構及工藝流程

1.2 廢水來源及水質

實驗用水取自陜西渭南康鈺紙業集水池,該廠以麥草為原料,采用石灰法制漿生產中低檔瓦楞原紙。因此實驗所用廢水為半化學草漿制漿廢水。廢水水質見表1。

表1 半化學草漿制漿廢水水質

1.3 接種污泥

接種污泥采用顆粒污泥直接接種。顆粒污泥取自寶雞圣龍紙業廢水處理系統中的IC反應器(PAQUES建造),該紙廠以麥草半化學漿生產高強瓦楞紙及紗管原紙。因此,所取顆粒污泥對實驗用水有良好的適應性。顆粒污泥性質如表2所示。

表2 接種顆粒污泥性質

1.4 分析項目及方法[6]

化學需氧量COD采用重鉻酸鉀法;生化需氧量BOD5采用直接稀釋法;SS、VSS、TSS采用標準質量法;pH值采用玻璃電極法。

2 結果與討論

2.1 EGSB反應器的啟動

EGSB反應器以20 g VSS/L接種量裝入種泥,然后用經稀釋的取自渭南康鈺的麥草半化學漿廢水進行馴化。稀釋后CODCr濃度在1098 mg/L左右,用NaHCO3調節進水pH值為7.8～8.0,EGSB同時以m(CODCr)∶m(N)∶m(P)=200∶5∶1的比例向廢水中添加尿素和磷酸氫二鉀,啟動保溫裝置,保持EGSB反應器內溫度為35℃左右,HRT=12 h。由于接種污泥取自相同水質系統的I C反應器,但種泥在室溫下放置了一段時間,3天后才開始產氣,產氣量逐漸上升。這表明接種污泥由休眠期進入活化期。

第4天啟動回流水裝置,HRT降至6.4 h,以廢水濃度提升容積負荷,容積負荷的提高以測得出水CODCr去除率>70%,且出水VFA<5 mg/L為標準。67天后,全部以半化學草漿原水CODCr5274 mg/L進入EGSB反應器。容積負荷相應提高到19.78 kg COD/(m3·d)。提高原水比例的同時,水力上升流速相應提高。相關數據見表3和表4。

運行初期,EGSB反應器內污泥床出現明顯的分層現象。其原因主要是因為污泥在由饑餓狀態的休眠期進入活性恢復后,迅速攝取營養,底部污泥營養較充足,因而產氣量較大,此時較低的上流速度及上部較少的產氣量還不足以使污泥床完全膨脹,底部污泥所產氣體難以順利釋放,所以將污泥床抬起,形成了明顯的污泥床斷層現象。

隨著產氣的繼續進行,聚集的氣體量增加,氣壓增大,氣體沖出上部污泥層進入EGSB反應器三相分離器集氣罩,一部分細小絮狀污泥隨回流水管洗出。隨著系統的穩定運行,污泥床分層現象明顯減少,床層高度不斷增加,回流水管中帶泥現象減少。

表3 EGSB反應器啟動期相關數據

表4 EGSB反應器穩定運行期相關數據

在逐漸改變廢水比例及容積負荷提升的過程中, CODCr的去除率都是先稍有下降,然后再逐漸上升,基本維持在75%左右;連續幾天對出水VFA、堿度進行檢測,發現VFA均在5 mg/L以下、堿度在2200 mg/L左右;同時發現,在每一種廢水比例運行的過程中,污泥膨脹率都有一個小→大→小的變化過程,其原因主要該階段初期的上升流速太低,而顆粒污泥較重,因此不能達到一個很好的膨脹狀態;在提高上升流速以后,即增大廢水的回流比之后,顆粒污泥的膨脹率得到提高;在該階段的后期,污泥對廢水逐漸適應,顆粒污泥的沉降性也相應增強,此時的上升流速仍然不能滿足顆粒污泥膨脹的需要,因此,在下一階段,上升流速必須再提高。可以說,保證合適的上升流速是確保反應器正常、高效運行的關鍵。啟動過程中EGSB反應器運行狀態良好,產氣量大,原水運行時CODCr去除率穩定在77.5%左右,標志著EGSB反應器啟動的完成。啟動期運行效果如圖2所示。

圖2 啟動運行期VLR與CODCr去除率的關系

2.2 EGSB反應器的穩定運行

穩定運行期實際上是容積負荷的提升階段。由于實驗用造紙廢水屬中高濃廢水,CODCr最高為5274 mg/L,相應的EGSB反應器容積負荷為19.78 kg COD/(m3·d),故EGSB反應器進入穩定運行期后,主要以進水流量來調節容積負荷。由表4可以看出,從第75天開始至第112天共38天的負荷沖擊過程中,在每一個負荷沖擊段,CODCr去除率都是先稍有下降,然后再逐漸上升,基本維持在70%以上。

2.3 容積負荷、水力停留時間對處理效果的影響

EGSB反應器的有機負荷(Organic Loading Rate,簡稱OLR)是影響污泥增長、污泥活性和有機物降解的重要因素,提高負荷可以加快污泥增長和有機物的降解,同時使EGSB反應器的容積減小。但當有機負荷過高時,可能發生甲烷化反應和酸化反應不平衡的問題,從而降低處理效果。有機負荷可以用容積負荷(VLR)和污泥負荷(SLR)兩種方法表示,本課題中的有機負荷均以容積負荷表示。

由圖2可以看出,整個實驗過程中,EGSB反應器的容積負荷呈梯度增加,包括以廢水濃度和進水流量提升兩個階段。第1階段結束時CODCr去除率穩定在78%左右,第2階段在進水濃度保持不變的情況下梯級增加進水流量,即縮短了HRT(見圖3),相應的廢水在EGSB反應器內的上升流速也梯級上升,較高的液體上升流速和由于負荷提高而引起的產氣量的增加使得污泥床受到的攪動更加劇烈,污泥床不斷膨脹,顆粒污泥與廢水間的傳質作用加強,因此盡管HRT縮短至5.8 h,CODCr去除率仍能夠維持在77.2%,隨著負荷繼續增加至26.73 kg COD/(m3·d),進水量為48 L/d,HRT為4.8 h,此時測得出水中SS突然增加,CODCr去除率也急劇下降至53.8%,反應器中大量細小污泥隨出水流失。隨即減小進水量, CODCr去除率有所回升,達到68.8%。由此可知,用EGSB反應器處理半化學草漿廢水時,容積負荷以不超過25.82 kg COD/(m3·d)為佳,HRT不小于4.9 h。通過及時采取相關措施后,系統很快恢復正常,由此可以看出,EGSB反應器系統抗負荷沖擊能力強。

圖3 啟動運行期HRT與CODCr去除率的關系

HRT對于厭氧工藝的影響是通過上升流速來表現的。一方面高的液體流速增加廢水系統內進水區的擾動,因此增加了生物污泥與進水有機物之間的接觸,對去除率的提高起到積極作用;另一方面,為了保持系統中足夠的污泥,上升流速不能超過一定的限值,EGSB反應器的高度也就會受到限制。這時HRT與液體上升流速之間就存在一個矛盾點。EGSB反應器采用高的高徑比及出水回流,在達到較高的上升流速的同時,能夠保持一定的HRT,從而保證了EGSB反應器的處理效果。

2.4 pH值的變化情況

實驗以EGSB反應器啟動運行過程中每一個負荷提升期為一階段,測定了隨時間變化的進、出水pH值的變化情況,具體結果見圖4和圖5。進水pH值基本控制在7.8左右。這主要是因為從厭氧消化過程中pH值的變化趨勢來看,溶液酸化(pH值下降)的速率很快,需要的時間較短;而使酸性液(pH值小于7)恢復到堿性(pH值大于7)的速率卻很慢,需要的時間也較長[7]。因此將實驗啟動、運行過程中進水pH值控制在7.8左右,對保證EGSB反應器運行的穩定性有重要意義。

圖5是在EGSB反應器啟動成功后第75天至第85天中沿EGSB反應器高度分布水樣的pH值的變化情況。每兩天取一組數值。由圖5可以看出,廢水的pH值在EGSB反應器的高度分布上呈急劇下降→緩慢下降→上升的變化趨勢。可能原因為,當廢水進入EGSB反應器底部時,適應環境快、代謝能力強的產酸細菌迅速將廢水中的有機物轉化為脂肪酸,而適應環境慢、代謝能力弱的產甲烷細菌一時無法將這些脂肪酸吸收利用,致使脂肪酸累積起來,導致溶液的pH值迅速下降;隨著產酸速率的降低,產甲烷細菌利用脂肪酸的速率相對提高,溶液中pH值的下降趨勢開始減緩,直至轉為上升趨勢。同時還可以看出,在有機物負荷率一定時,出水的pH值將很快趨向某一固定值(一般為數天時間),此時為8.1。

EGSB反應器的出水pH值反映了EGSB反應器內VFA的積累程度,也能間接反映出EGSB反應器內堿度的大小。由圖4和圖5還可以看出,出水堿度高于進水堿度。這也可以從某種意義上說明EGSB反應器增加出水回流裝置的優勢所在:①提高上升流速,改善泥水混合效果;稀釋進水CODCr濃度,降低底部污泥負荷;②將高堿度的出水重新利用,節省了進水中堿性物質的投加量。另外,有關研究表明[8],進出水具有一定的堿度差,證明EGSB反應器的容積負荷仍存在繼續增長的空間。圖5中進、出水pH值差呈越來越小的趨勢,這與前面2.3節提到的容積負荷提高的幅度越來越小一致。

3 結 論

3.1 通過對厭氧膨脹顆粒污泥床(EGSB)反應器啟動階段和穩定運行的研究表明,EGSB反應器以2.192 kg COD/(m3·d)的容積負荷進行啟動,在以濃度和流量逐漸提升容積負荷的過程中,CODCr去除率一直保持在70%以上。最小水力停留時間可縮短至4.9 h,最大容積負荷可達到25.82 kg COD/(m3· d),CODCr去除率穩定在68.8%～78.0%范圍內。

3.2 當進水pH值保持在7.8左右時,CODCr的去除率都處于較高水平,且EGSB反應器出水回流的特殊結構,使高堿度的出水與原水混合后再進入EGSB反應器底部,減少了調節進水pH值的堿用量。

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

[2] 石憲奎,倪 文,王凱軍.EGSB處理玉米淀粉生產廢水中試研究[J].環境工程,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] 國家環境保護局.水和廢水檢測分析方法[M].4版.北京:中國環境科學出版社,2002.

[7] 王紹文,羅志騰,錢 雷.高濃度有機廢水處理技術與工程應用[M].北京:冶金工業出版社,2003.

[8] 劉 巍.水解+厭氧膜生物反應器處理造紙中段廢水[D].西安:西安建筑科技大學,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

(責任編輯:趙旸宇)

更 正

《中國造紙學報》2010年第1期發表的的論文“圓網紙機紙頁成形原理及成形區設計的研究”,因作者原因出現幾處錯誤,現更正如下:

1.方程式(3)中的積分符號的下限Φ2應改為Φ0,即為下式:

2.方程式(5)中的小括號設置有誤,應為下式:

3.文中“5.1切線法”的兩公式中的小括號設置不對,且(Φc-Φ0)改為(Φc+Φ0),應為下式:

4.方程式(17)中的2KB改為KB,應為下式:

由此給讀者帶來的不便請諒解。

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)

劉 春,女,1982年生;助教;主要研究方向:造紙工業廢水處理技術。

E-mail:liuchun163@126.com