IC厭氧反應器-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，陜西西安，710021)

IC厭氧反應器-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，陜西西安，710021)

采用IC厭氧反應器-改良型氧化溝-淺層氣浮工藝處理制漿造紙廢水，介紹和分析了整個工藝的主要構筑物及其調試運行方法。當進水CODCr為4000 mg/L、BOD5為1350 mg/L、SS為2000 mg/L時，出水CODCr≤60 mg/L、BOD5≤20 mg/L、SS≤30 mg/L，達到GB3544—2008造紙工業水污染物排放標準的污染物排放限值。

IC厭氧反應器;改良型氧化溝;淺層氣浮;制漿造紙廢水;調試

河南省某采用廢紙制漿造紙的企業新擴建污水處理廠和制漿造紙車間，該項目設計日生產能力為600 t，噸紙用水量不超過20 m3。該廠以國內廢舊瓦楞箱紙板 (70%)和進口廢舊瓦楞箱紙板 (30%)為原料，生產各種規格的高強瓦楞原紙和箱紙板。生產車間由制漿工段、抄紙工段和完成工段組成。廢水主要來自廢紙制漿車間和少量造紙車間的生產排水。考慮廢水流量的波動和處理系統運行的穩定性，本工程按15000 m3/d的處理規模進行設計。廢水水質為: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 工藝流程及主要構筑物設計參數

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，主要含有無機鹽、細小纖維、無機填料等，廢水處理技術難度大。針對該類型廢水特點和工程具體情況，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厭氧反應器-低壓射流曝氣改良型氧化溝-淺層氣浮，工藝流程見圖1所示。

1.1.1 預處理系統

預處理系統由格柵、斜網和預酸化調節池組成。高濃度的有機廢水經過格柵初步截留較大的懸浮物或漂浮物，隨后進入斜網間，回收一些較大的纖維性懸浮物，這些纖維根據質量不同回用到生產車間的不同工段，從而降低生產成本，斜濾網的孔徑為80目。斜網出水自流進入初沉池，隨后進入預酸化調節池，在正常水溫和兼氧狀態下，微生物將進水中顆粒物質和膠體物質迅速截流吸附，在大量水解酸化菌作用下，將大分子難溶性有機物轉變為易生物降解的小分子、溶解性物質，提高了廢水的可生化性，利于后續處理。同時，水解酸化還可以有效消除廢水對厭氧菌的毒性或抑制性，保證厭氧反應器的正常穩定運行［1］。

圖1 廢水處理工藝流程

1.1.2 厭氧系統

厭氧系統采用IC厭氧反應器。反應器自下而上共分為5個區，即混合區、第一厭氧反應室、第二厭氧反應室、沉淀區和氣液分離區。進水由反應器底部進入第一厭氧反應室與厭氧顆粒污泥均勻混合，大部分有機物在這里被降解而轉化為沼氣，經過第一厭氧反應室處理過的廢水，會自動進入第二厭氧反應室繼續被處理。第二厭氧反應室的液體上升流速小于第一厭氧反應室，由于上升流速的降低，還充當著厭氧反應室和沉淀區之間的緩沖段，對防止污泥流失及確保沉淀后出水水質良好起著重要的作用。

1.1.3 好氧系統

好氧系統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循環曝氣池，綜合了推流式和完全混合式曝氣池的優點，具有抗沖擊負荷能力強、曝氣系統簡便、曝氣頭不易堵塞、曝氣均勻、處理效果穩定、出水水質好等優點。而且采用全好氧曝氣，溝中不存在好氧區和厭氧區，抑制了傳統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的營養物質。

1.1.4 深度處理

深度處理采用超效淺層氣浮工藝。通過控制合理的溶氣水和加藥量，使出水各指標達到國家標準。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，通過其表面張力作用黏附于細小懸浮物上，形成整體密度小于水的狀況，依據浮力原理浮到水面，從而實現固液分離，污水得以凈化［3］。該套工藝關鍵是如何控制絮凝效果，使得絮凝體與水相達到很好的分離。

1.2 主要構筑物及設計參數

該工程的主要構筑物包括預酸化調節池、IC厭氧反應器、生物選擇池和改良型氧化溝。主要構筑物規格、數量及設計參數見表1。

2 工程調試與運行

2.1 預酸化調節池

預酸化調節池為12000 m3/d的生產廢水提供約5 h的預酸化時間，5 h的停留時間起到穩定廢水有機負荷、調節各指標波動的作用，同時向預酸化池投加約10 g/L的活性污泥，給廢水創造了一定的兼氧環境進行水解酸化，將大量高分子有機物水解為甲酸、乙酸等揮發性脂肪酸和易降解的有機底物，提高了廢水的可生化性并達到工藝要求的預酸化度。為確保廢水進入IC厭氧反應器所需要的pH值條件，設置在線pH值監測儀，隨時反饋池內的pH值情況。同時在該工序投加整個工藝所需的營養鹽，一方面用以刺激產酸菌的生長，另一方面為后續厭氧和好氧微生物提供所需要的營養鹽，投加比例為COD∶N∶P=500∶5∶1。合理的預酸化速度對于后續IC厭氧反應器能否高效運轉至關重要。運行表明，預酸化度太低，則會導致廢水在IC厭氧反應器內酸化，預酸化度太高，又不利于IC厭氧反應器內顆粒污泥的保持，本工程將預酸化度控制在40%左右可取得良好的效果。

2.2 IC厭氧反應器

IC厭氧反應器啟動速度慢是限制厭氧技術推廣的主要因素之一，在查閱大量文獻和考察諸多工程實例之后，本工程采取“低容積負荷+較高顆粒污泥濃度+階梯式提高負荷方式”進行厭氧反應器的啟動［4］。考慮到污泥的性狀可以縮短啟動時間，故本工程設計投加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，機械強度高，沉降性能良好，投加量按充滿厭氧反應器空間的30%計算而得，投加顆粒污泥的方式是用泵將顆粒污泥從反應器底部打入。在打入顆粒污泥的同時，反應器內已注入CODCr濃度約為3000 mg/L的廢水，廢水pH值為6.86，同時加入適量的營養物質。

表1 主要構筑物及設計參數

啟動過程共分為3個階段，污泥顆粒的培養馴化期、提高負荷期和滿負荷運行期［5］。啟動過程中以CODCr的去除率為判斷指標，每當CODCr的去除率大于60%且趨于穩定的時候再提高負荷，直至達到滿負荷運行。此種運行方式可使污泥顆粒逐步適應新型廢水，在反應器內形成機械強度高、沉淀性能良好，CODCr去除率高的顆粒污泥。此外，為保證進水負荷，IC厭氧反應器還增設出水回流，將進水流速控制在合理范圍，緩沖進水負荷的沖擊，使反應器能穩定運行。同時，廢水回流到預酸化調節池的時候還可以起到水力攪拌和稀釋毒性物質的作用，保證反應器內污泥顆粒不受到毒物影響而失活。

啟動過程中，每天測定IC厭氧反應器進出水CODCr、揮發性脂肪酸 (VFA)、pH值等指標，當各指標發生大幅度的波動時，應在源頭上進行調整。本工程pH值維持在6.8～7.2，而大量工程實踐也證實IC厭氧反應器的最佳pH值為7左右。同時，VFA作為IC厭氧反應器的又一重要指標，直接反映IC厭氧反應器內的酸堿平衡，本工程將VFA控制在360 mg/L以下可以達到良好的CODCr去除率。圖2所示為IC厭氧反應器啟動一個月以后的效果。

2.3 改良型氧化溝

圖2 IC厭氧反應器運行效果

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已盛有占池容積80%的廢水，通過添加部分清水的方式控制曝氣池內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的微生物，繼而間歇進水，逐漸增大進水量與進水濃度，直至滿負荷運轉。曝氣池盛滿水后，每次間歇進水前都要將風機停止運轉30 min，防止曝氣池內污泥流失。當曝氣池連續進水后，啟動污泥回流泵，調節回流比為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厭氧反應器出水相混合后進入曝氣池。在調試過程中，根據活性污泥的成長趨勢逐漸加大風機的開啟數量和頻率，維持曝氣池出口溶解氧 (DO)濃度在2～4 mg/L。

調試過程中需每天測定 CODCr、污泥濃度(MLSS)、沉降比 (SV30)、pH值等指標，通過觀察SV30的變化來反映池內的污泥濃度和污泥沉降性能變化，并配合做鏡檢，通過微生物的種類和數量來表征污泥的馴化時期。活性污泥培養初期，鏡檢微生物以游泳型纖毛蟲為主，隨著生物相的演替，開始出現鐘蟲、累枝蟲等微生物，此時表明已進入活性污泥時期，污泥培養馴化成功。本工程經過20多天運轉就已出現大量鐘蟲和累枝蟲，并含有少量輪蟲，污泥濃度達到4000 mg/L，出水水質穩定。圖3所示為曝氣池運行效果。

圖3 曝氣池運行效果

2.4 超效淺層氣浮

超效淺層氣浮設備主機包括池體、浮渣、收集裝置、靜止圈、溢流調節裝置、行走架、旋轉進水管，旋轉布水結構等。原水從池中心的旋轉進水管進入，通過旋轉水管布水，布水管的移動速度和進水流速相同，產生“零速度”，這樣進水就不會對池水產生擾動，使得顆粒的懸浮和沉降在一種相對靜止的環境下進行，從而縮短了停留時間。

在調試的整個過程中要進行取樣檢視，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。在標準狀況下，氣泡應極細密而無粗泡摻雜在內，液體呈現牛乳狀。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，如果玻璃量筒呈現上述情況時，則空氣溶解系統操作正常無誤。假如樣品中出現粗泡而浮除情況不佳時，此時應調整針閥和空氣流量計以達到良好的浮除效果。如有足量空氣溶解，且氣泡粒徑細密，但膠羽形成不佳，水仍未見清澈，此時則須檢視化學加藥系統，核實其加藥系統是否堵塞等。投加藥品量與進水懸浮物含量成正比。

3 運行結果及成本分析

經過多級預處理和兩級生物處理，廢水中各種污染物濃度已有大幅下降，再經過淺層氣浮進行深度處理，通過合理地控制溶氣水和加藥量，使得最終出水達到GB3544—2008制漿造紙工業水污染物排放標準的要求。各個處理階段運行效果見表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，電費以0.55元/kWh計，日動力耗電量為13368.00 kWh/d，則耗電為7352.40元/天。再加上藥劑費等，廢水處理部分的日運行費用為0.80元/m3。此外，污泥處置部分能耗為0.40元/m3。所以，該工程總運行費用為1.20元/m3。同時，厭氧部分所產生的沼氣可進行回收利用，1 m3沼氣的實際產熱量相當于1 kg普煤的產熱量，以每年廢水處理站正常運轉330天，每噸普煤500元計算，則年節約燃煤費用為175.66萬元，可為該廠帶來巨大的經濟效益。目前，由于該廠沼氣利用管道尚未建好，沼氣直接進行燃燒處理。

4 問題與討論

4.1 IC厭氧反應器顆粒污泥流失問題

在IC厭氧反應器啟動過程中采用低濃度間歇脈沖進水方式，啟動初期，IC厭氧反應器內含有200 t厭氧污泥顆粒，進水流量為180 m3/h，持續運行1周后加大進水量，當進水量增大為210 m3/h，發現厭氧出水攜帶少量顆粒污泥，且顆粒污泥機械強度差、內部中空、沉淀性能一般，繼而將進水量降為180 m3/h，顆粒污泥流失現象消失。在此進水流量下又運行1周后增大進水量未出現污泥顆粒流失現象，并且顆粒強度增大，沉降性能良好，厭氧污泥得到馴化。分析其原因可能為基質改變過程中，大的顆粒由于結構疏松，抗外部環境改變性能較弱，較難很快適應制漿廢水水質，只能靠消耗自身的能量來維持生命。隨著內部產氣的增加，顆粒變輕，內部結構變得松散，甚至出現空腔［7］。氣體在釋放過程中帶動顆粒上浮，當其上升速度大于其沉降速度時，顆粒污泥便隨出水排出。

4.2 二沉池出水渾濁

在IC反應器和曝氣池啟動過程中，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。經分析，造成出水渾濁的原因主要有兩方面，一方面為進水CODCr的濃度太低，水量太少，導致好氧池缺少足夠的食料，使得微生物進行自身的分解代謝，變為小絮體后隨水流出;另一方面因為好氧池維持較高的溶解氧值，導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。通過增大進水量或者降低污泥濃度可以避免二沉池出水渾濁。

5 結論

IC厭氧反應器具有抗沖擊負荷能力強、節省占地面積、啟動周期短、抗低溫能力強和出水穩定性好等優點，且反應器內部利用自身產生的沼氣作為提升動力來實現混合液內部循環，節省動力消耗。在IC厭氧反應器之后增設低壓射流曝氣氧化溝作為一種連續循環曝氣池工藝可進一步降低出水COD，低壓射流曝氣器通過強烈地湍動混合與擴散作用，極大地強化了氣體在液固相間的傳質速率，進一步提高了氧轉移率，大幅度提高了動力效率。兩級生物處理后再經過超效淺層氣浮深度處理，可去除高達97%的SS，脫色效果明顯，具有處理工藝簡單、操作簡便、處理效率快等優點。故IC厭氧反應器結合曝氣池及淺層氣浮工藝具有廣闊的應用前景。

［1］ 劉 春，張安龍，文志貴．UASBR-改良式氧化溝-物化工藝處理高得率APMP漿廢水［J］．上海造紙，2008，39(5):64．

［2］ 張安龍，潘洪艷，樊砥鋼．低壓射流曝氣氧化溝系統處理葦漿造紙中段廢水［J］．中國造紙，2010，29(10):34．

［3］ 戴羅根．超效淺層氣浮在處理制漿中段污水上的探索［J］．江蘇造紙，2006(1):46．

［4］ Miklas S．Review of recent trends in capillary suction time(CST)dewater ability testing research．Ind．Eng．Chem．Res，2005，44(22):8157．

［5］ 顧夏聲 ．廢水生物處理數學模式［M］．北京:清華大學出版社，1996．

［6］ 陳學春，呂 斌，曹紅濤．卡魯塞爾氧化溝工藝在蔗渣制漿造紙廢水處理中的應用［J］．中國造紙，2011，30(8):47．

［7］ 董智慧，李志建，李海東．厭氧內循環反應器處理P-RC APMP高濃制漿廢水顆粒污泥特性分析［J］．中國造紙，2009，28(10):30． CPP

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:造紙工業廢水生物處理技術。

(*E-mail:jiajia．8593@163．com)

2011-10-13(修改稿)

本課題由陜西科技大學研究生創新基金資助。

(責任編輯:馬 忻)