IC反應器處理造紙廢水的工程應用

任朝斌 孫潤超

（1南陽理工學院 河南南陽 473000 2河南省綠之豐環?？萍加邢薰?河南鄭州 450000）

“十一五”期間，我國對造紙工業加大了環境治理力度，扎實推進節能減排，重點對草漿企業和較大污染源點和重點流域造紙企業進行了綜合整治。關停了紙漿造紙企業2000多家，淘汰落后產能1000多萬噸。造紙工業與國民經濟發展和社會文明息息相關，其具有較大市場容量和發展潛力；因此還需看到我國的造紙工業還大量地依靠國外資源[1]；其所面臨的資源、能源和環境的約束也日益凸顯。據有關資料統計造紙行業的污水排放量約占全國污水排放量的12%左右，污水中的化學耗氧量（CODcr）約占全國排放總量的40%-45%。我國的制漿造紙廢水主要來源于蒸煮廢液、中段廢水和造紙白水三部分；且廢水成分復雜，有機污染物種類多，濃度高，色度深，處理難度大，是目前國內外廢水處理的難點和熱點。如果直接排放到環境中，將對生態環境人體健康造成即時或潛在累積性的影響，傳統的處理方法已不能滿足現在的環境標準要求。因此，開發研究高效、廉價有效的造紙廢水處理技術已成為當今環保行業關注的熱點。

自制的IC反應器是在第三代厭氧反應器UASB的基礎上，多級處理技術、流化床技術、污泥顆粒化技術、內外循環等技術集合在同一個厭氧反應器內，在反應器中，厭氧顆粒污泥（微生物）將廢水中的COD厭氧降解轉化為沼氣。該技術基于氣體提升原理，而由上升管和下降管中所含氣體量的不同而產生的，受反應器氣流的驅動，循環流比率取決于進水COD濃度，因此可實現自行調節。具有較高的容積負荷率、節省基建投資和占地面積、沼氣提升實現內循環節能、較強的自我調節能力等諸多優勢，其特有的內循環和外循環系統將大大提高反應器的容積負荷，更好的實現固液之間的良好分離。相關研究表明：IC反應器的結構可使進入反應器的基質在反應器的污泥床區處于完全混合狀態，在精處理區可以視為推流狀態[2,3]，這種特性在處理具有強抑制性的廢水時能夠更好地降低對微生物的毒性[4,5]。本研究通過IC反應器處理制漿造紙廢水為例，探討IC反應器的啟動過程的各影響因素，從而為IC反應器在工程上應用推廣提供必要的數據。

1 材料與方法

1.1 廢水水質

該造紙廠廢水主要為實際運行中產生的實際混合廢水，混合廢水水質組成見表1。

1.2 IC裝置

工程應用的IC反應器是自制的，采用碳鋼焊接而成，有效容積為1500m3，反應器主體高20m，直徑10m，沿柱高設置3個取樣口，分別在1m、2m、3m處，以便在啟動和運行過程中考察反應器不同高度的污泥狀況。在主體上部建有一個4m高的氣液分離器。該反應器由5部分組成：布水區、第一反應室、第二反應室、內循環系統和出水區，其中內循環系統是IC工藝的核心部分，由下層三相分離器、升流管、氣液分離器和泥水回流管等組成。反應器內壁用環氧樹脂防腐，外壁作保溫層。在反應器底部安裝進水配水系統和內循環反應液配水系統，采用環狀管網布水器布水，使得布水性能進一步改善。其構造如圖1所示。

圖1 IC反應器的基本構造

1.3 接種污泥

在生物處理中，接種污泥的數量和活性是影響反應器的重要因素。綜合考慮運輸費用、工作強度、操作環境等因素，接種污泥采用某維生素生產企業環保分公司厭氧處理裝置的厭氧顆粒污泥。其中接種的厭氧顆粒污泥的TSS為87.72g/L,VSS為66.15 g/L,平均顆粒直降約為2.83mm。

1.4 測定方法

調試過程中的主要分析項目包括化學需氧量（COD）、pH、懸浮物（SS）、混合液懸浮固體（MLSS）、揮發酸（VFA）等，分析方法參照《水和廢水監測分析方法（第四版）》[6]，具體測定項目和分析方法見表3。

表2 測定項目及分析方法

2 啟動過程及結果分析

根據IC反應器運行期間的污泥形態的變化情況和運行控制條件的差異，IC反應器的啟動過程可分為三個階段：污泥馴化期、提高負荷期和滿負荷運行期。

2.1 IC反應器對COD的去除情況

該造紙廠生產廢水是實際生產過程中的混合廢水，水質相對穩定。運行過程中主要考慮有機負荷和水力停留時間對IC反應器去除率的影響。實際調試運行第1-16天，HRT約為6.9h，COD容積負荷約為7.6kg/（m3d）；第17-32天，HRT約為5.0h，COD容積負荷約為9.6 kg/（m3d）；第33-58天，HRT約為4.0h，COD容積負荷約為13.2 kg/（m3d）；第59-95天，HRT約為2.4h，COD容積負荷約為18.2 kg/（m3d）；截至啟動完成反應器出水COD濃度為580mg/L左右，COD去除為85%以上，保持了較高的COD去除率。IC反應器的進水COD、出水COD及COD的去除率見圖2，反應器水力停留時間與COD去除率見表3。

表3 反應器進出水COD及COD去除率

2.2 IC反應器內pH值和VFA的變化

pH值是影響IC反應器試驗啟動的一個重要因素[7]。由于紙漿造紙廢水是一種偏酸性的有機廢水，在運行中必須控制進水的pH，主要采用投加一定量的堿液調整pH的方法控制進水的pH。在試驗的過程中主要是通過監測出水的pH值和污泥及出水的VFA來判斷反應器中酸堿度是否處于平衡狀態的。調試過程中發現pH值控制在7.0左右對IC反應器最為適宜。

2.3 循環水量對IC反應器的影響

增加IC反應器的外循環是為了增大產氣量，而循環量的大小對COD的去除率影響較大；調試結果可見表4：

表4 外循環對IC反應器的影響

2.4 硫酸鹽和鈣離子對IC反應器的影響

除了上述影響因素外，造紙廢水中的某些物質或離子會對IC反應器的正常運行產生一定的影響。由于混合廢水水質穩定，直接進入IC反應器，調試運行中會受到硫酸鹽的影響；一旦硫酸鹽濃度過高將會影響反應器內微生物的生存。其次鈣離子在反應器內會生成沉淀，使顆粒污泥鈣化，會影響COD的去除率和反應器的穩定運行。

3 結論

（1）采用自制的IC反應器能夠有效的處理紙漿造紙廢水，運行穩定，結構適宜，在水質穩定，運行條件變化不大的情況下，其對COD去除率達到85%以上。

（2）采用某維生素制藥廢水厭氧顆粒污泥混合作為接種污泥，接種后IC反應器的污泥濃度為23g/L，調試成功，啟動周期為95天，且運行穩定。

（3）調試運行中將pH對IC反應器的影響因素最大，進水pH維持在6.76-7.18之間運行效果最佳。

（4）IC反應器的COD去除率與廢水水質、反應器類型、容積負荷等很多因素有關，另外進水中的硫酸鹽和鈣離子的濃度對IC反應器運行也有很大影響。

[1]靳福明,中國造紙工業水污染問題與對策[J].中華紙業，2010-13:53-56

[2]楊世關，張杰，張百良等.IC反應器基質降解動力學特性研究[J].中國沼氣，2004,22（2）：18-21

[3]胡紀萃，廢水厭氧生物處理理論與技術[M].北京：中國建筑工業出版社，2003

[4]胡紀萃.試論IC反應器水工業也可持續發展[M].北京：清華大學出版社，1998.

[5]郭方崢，劉偉京，涂勇等.IC反應器處理廢紙造紙廢水的運行參數[J].環境科學研究.2011,24（3）：325-331

[6]國家環境保護局.水和廢水檢測分析方法[M].北京:中國環境科學出版社(4版).,2002,12

[7]王慧芳，買文寧，梁允等.IC反應器處理維生素制藥廢水的啟動試驗研究[J].水處理技術，2009，35（6）：79-81