IC厌氧反应器-改良型氧化沟-浅层气浮工艺处理制浆造纸废水

张安龙 张 佳

(陕西科技大学，陕西西安，710021)

IC厌氧反应器-改良型氧化沟-浅层气浮工艺处理制浆造纸废水

张安龙 张 佳

(陕西科技大学，陕西西安，710021)

采用IC厌氧反应器-改良型氧化沟-浅层气浮工艺处理制浆造纸废水，介绍和分析了整个工艺的主要构筑物及其调试运行方法。当进水CODCr为4000 mg/L、BOD5为1350 mg/L、SS为2000 mg/L时，出水CODCr≤60 mg/L、BOD5≤20 mg/L、SS≤30 mg/L，达到GB3544—2008造纸工业水污染物排放标准的污染物排放限值。

IC厌氧反应器;改良型氧化沟;浅层气浮;制浆造纸废水;调试

河南省某采用废纸制浆造纸的企业新扩建污水处理厂和制浆造纸车间，该项目设计日生产能力为600 t，吨纸用水量不超过20 m3。该厂以国内废旧瓦楞箱纸板 (70%)和进口废旧瓦楞箱纸板 (30%)为原料，生产各种规格的高强瓦楞原纸和箱纸板。生产车间由制浆工段、抄纸工段和完成工段组成。废水主要来自废纸制浆车间和少量造纸车间的生产排水。考虑废水流量的波动和处理系统运行的稳定性，本工程按15000 m3/d的处理规模进行设计。废水水质为:CODCr浓度为4000 mg/L，BOD5浓度为1350 mg/L，SS浓度为2000 mg/L，pH值6.5～7.5。

1 工艺流程及主要构筑物设计参数

1.1 工艺选择及流程

以废旧瓦楞箱纸板为原料的制浆造纸废水中悬浮物含量高，主要含有无机盐、细小纤维、无机填料等，废水处理技术难度大。针对该类型废水特点和工程具体情况，确定采用厌氧-好氧-深度处理工艺作为该厂废水处理的主要工艺。主体工艺为:IC厌氧反应器-低压射流曝气改良型氧化沟-浅层气浮，工艺流程见图1所示。

1.1.1 预处理系统

预处理系统由格栅、斜网和预酸化调节池组成。高浓度的有机废水经过格栅初步截留较大的悬浮物或漂浮物，随后进入斜网间，回收一些较大的纤维性悬浮物，这些纤维根据质量不同回用到生产车间的不同工段，从而降低生产成本，斜滤网的孔径为80目。斜网出水自流进入初沉池，随后进入预酸化调节池，在正常水温和兼氧状态下，微生物将进水中颗粒物质和胶体物质迅速截流吸附，在大量水解酸化菌作用下，将大分子难溶性有机物转变为易生物降解的小分子、溶解性物质，提高了废水的可生化性，利于后续处理。同时，水解酸化还可以有效消除废水对厌氧菌的毒性或抑制性，保证厌氧反应器的正常稳定运行［1］。

图1 废水处理工艺流程

1.1.2 厌氧系统

厌氧系统采用IC厌氧反应器。反应器自下而上共分为5个区，即混合区、第一厌氧反应室、第二厌氧反应室、沉淀区和气液分离区。进水由反应器底部进入第一厌氧反应室与厌氧颗粒污泥均匀混合，大部分有机物在这里被降解而转化为沼气，经过第一厌氧反应室处理过的废水，会自动进入第二厌氧反应室继续被处理。第二厌氧反应室的液体上升流速小于第一厌氧反应室，由于上升流速的降低，还充当着厌氧反应室和沉淀区之间的缓冲段，对防止污泥流失及确保沉淀后出水水质良好起着重要的作用。

1.1.3 好氧系统

好氧系统采用低压射流曝气改良型氧化沟工艺。改良型氧化沟作为一种连续循环曝气池，综合了推流式和完全混合式曝气池的优点，具有抗冲击负荷能力强、曝气系统简便、曝气头不易堵塞、曝气均匀、处理效果稳定、出水水质好等优点。而且采用全好氧曝气，沟中不存在好氧区和厌氧区，抑制了传统氧化沟中的硝化与反硝化作用［2］。这种处理工艺借助于好氧微生物的吸附、分解有机物的作用，使废水的BOD5、CODCr降低。鉴于废水中缺氮(N)、缺磷 (P)，为使生物污泥中的微生物能良好地生长繁殖，保持较高的生物活性，需要向废水中投加一定量含有N、P的营养物质。

1.1.4 深度处理

深度处理采用超效浅层气浮工艺。通过控制合理的溶气水和加药量，使出水各指标达到国家标准。其原理是向待处理的水中通入部分溶气水，利用溶气水中释放出的微小气泡，通过其表面张力作用黏附于细小悬浮物上，形成整体密度小于水的状况，依据浮力原理浮到水面，从而实现固液分离，污水得以净化［3］。该套工艺关键是如何控制絮凝效果，使得絮凝体与水相达到很好的分离。

1.2 主要构筑物及设计参数

该工程的主要构筑物包括预酸化调节池、IC厌氧反应器、生物选择池和改良型氧化沟。主要构筑物规格、数量及设计参数见表1。

2 工程调试与运行

2.1 预酸化调节池

预酸化调节池为12000 m3/d的生产废水提供约5 h的预酸化时间，5 h的停留时间起到稳定废水有机负荷、调节各指标波动的作用，同时向预酸化池投加约10 g/L的活性污泥，给废水创造了一定的兼氧环境进行水解酸化，将大量高分子有机物水解为甲酸、乙酸等挥发性脂肪酸和易降解的有机底物，提高了废水的可生化性并达到工艺要求的预酸化度。为确保废水进入IC厌氧反应器所需要的pH值条件，设置在线pH值监测仪，随时反馈池内的pH值情况。同时在该工序投加整个工艺所需的营养盐，一方面用以刺激产酸菌的生长，另一方面为后续厌氧和好氧微生物提供所需要的营养盐，投加比例为COD∶N∶P=500∶5∶1。合理的预酸化速度对于后续IC厌氧反应器能否高效运转至关重要。运行表明，预酸化度太低，则会导致废水在IC厌氧反应器内酸化，预酸化度太高，又不利于IC厌氧反应器内颗粒污泥的保持，本工程将预酸化度控制在40%左右可取得良好的效果。

2.2 IC厌氧反应器

IC厌氧反应器启动速度慢是限制厌氧技术推广的主要因素之一，在查阅大量文献和考察诸多工程实例之后，本工程采取“低容积负荷+较高颗粒污泥浓度+阶梯式提高负荷方式”进行厌氧反应器的启动［4］。考虑到污泥的性状可以缩短启动时间，故本工程设计投加800 t高活性颗粒污泥作为接种污泥，粒径为1.5 mm左右，颗粒呈亮黑色，机械强度高，沉降性能良好，投加量按充满厌氧反应器空间的30%计算而得，投加颗粒污泥的方式是用泵将颗粒污泥从反应器底部打入。在打入颗粒污泥的同时，反应器内已注入CODCr浓度约为3000 mg/L的废水，废水pH值为6.86，同时加入适量的营养物质。

表1 主要构筑物及设计参数

启动过程共分为3个阶段，污泥颗粒的培养驯化期、提高负荷期和满负荷运行期［5］。启动过程中以CODCr的去除率为判断指标，每当CODCr的去除率大于60%且趋于稳定的时候再提高负荷，直至达到满负荷运行。此种运行方式可使污泥颗粒逐步适应新型废水，在反应器内形成机械强度高、沉淀性能良好，CODCr去除率高的颗粒污泥。此外，为保证进水负荷，IC厌氧反应器还增设出水回流，将进水流速控制在合理范围，缓冲进水负荷的冲击，使反应器能稳定运行。同时，废水回流到预酸化调节池的时候还可以起到水力搅拌和稀释毒性物质的作用，保证反应器内污泥颗粒不受到毒物影响而失活。

启动过程中，每天测定IC厌氧反应器进出水CODCr、挥发性脂肪酸 (VFA)、pH值等指标，当各指标发生大幅度的波动时，应在源头上进行调整。本工程pH值维持在6.8～7.2，而大量工程实践也证实IC厌氧反应器的最佳pH值为7左右。同时，VFA作为IC厌氧反应器的又一重要指标，直接反映IC厌氧反应器内的酸碱平衡，本工程将VFA控制在360 mg/L以下可以达到良好的CODCr去除率。图2所示为IC厌氧反应器启动一个月以后的效果。

2.3 改良型氧化沟

图2 IC厌氧反应器运行效果

该厂曝气池接种污泥取自老厂二沉池剩余浓缩污泥，投加接种污泥约200 t，污泥含水率为80%，在投加污泥之前曝气池内已盛有占池容积80%的废水，通过添加部分清水的方式控制曝气池内CODCr浓度在800～1000 mg/L。投加接种污泥后，闷曝48 h，用以激活处于休眠状态的微生物，继而间歇进水，逐渐增大进水量与进水浓度，直至满负荷运转。曝气池盛满水后，每次间歇进水前都要将风机停止运转30 min，防止曝气池内污泥流失。当曝气池连续进水后，启动污泥回流泵，调节回流比为100% ～120%［6］，将二沉池沉淀污泥回流至生物选择池，活性污泥在生物选择池与IC厌氧反应器出水相混合后进入曝气池。在调试过程中，根据活性污泥的成长趋势逐渐加大风机的开启数量和频率，维持曝气池出口溶解氧 (DO)浓度在2～4 mg/L。

调试过程中需每天测定 CODCr、污泥浓度(MLSS)、沉降比 (SV30)、pH值等指标，通过观察SV30的变化来反映池内的污泥浓度和污泥沉降性能变化，并配合做镜检，通过微生物的种类和数量来表征污泥的驯化时期。活性污泥培养初期，镜检微生物以游泳型纤毛虫为主，随着生物相的演替，开始出现钟虫、累枝虫等微生物，此时表明已进入活性污泥时期，污泥培养驯化成功。本工程经过20多天运转就已出现大量钟虫和累枝虫，并含有少量轮虫，污泥浓度达到4000 mg/L，出水水质稳定。图3所示为曝气池运行效果。

图3 曝气池运行效果

2.4 超效浅层气浮

超效浅层气浮设备主机包括池体、浮渣、收集装置、静止圈、溢流调节装置、行走架、旋转进水管，旋转布水结构等。原水从池中心的旋转进水管进入，通过旋转水管布水，布水管的移动速度和进水流速相同，产生“零速度”，这样进水就不会对池水产生扰动，使得颗粒的悬浮和沉降在一种相对静止的环境下进行，从而缩短了停留时间。

在调试的整个过程中要进行取样检视，由取样阀取样，倾入玻璃量筒中，检视量筒中的浮除情况，以了解水中的溶气程度。在标准状况下，气泡应极细密而无粗泡掺杂在内，液体呈现牛乳状。如有足够的空气溶入，则胶羽 (指水中的絮状物)将以0.3048 m/min或更慢的上升速度浮出水面，而与澄清水分离，如果玻璃量筒呈现上述情况时，则空气溶解系统操作正常无误。假如样品中出现粗泡而浮除情况不佳时，此时应调整针阀和空气流量计以达到良好的浮除效果。如有足量空气溶解，且气泡粒径细密，但胶羽形成不佳，水仍未见清澈，此时则须检视化学加药系统，核实其加药系统是否堵塞等。投加药品量与进水悬浮物含量成正比。

3 运行结果及成本分析

经过多级预处理和两级生物处理，废水中各种污染物浓度已有大幅下降，再经过浅层气浮进行深度处理，通过合理地控制溶气水和加药量，使得最终出水达到GB3544—2008制浆造纸工业水污染物排放标准的要求。各个处理阶段运行效果见表2。

表2 各处理段废水处理效果

该工程废水处理部分能耗主要为电耗，电费以0.55元/kWh计，日动力耗电量为13368.00 kWh/d，则耗电为7352.40元/天。再加上药剂费等，废水处理部分的日运行费用为0.80元/m3。此外，污泥处置部分能耗为0.40元/m3。所以，该工程总运行费用为1.20元/m3。同时，厌氧部分所产生的沼气可进行回收利用，1 m3沼气的实际产热量相当于1 kg普煤的产热量，以每年废水处理站正常运转330天，每吨普煤500元计算，则年节约燃煤费用为175.66万元，可为该厂带来巨大的经济效益。目前，由于该厂沼气利用管道尚未建好，沼气直接进行燃烧处理。

4 问题与讨论

4.1 IC厌氧反应器颗粒污泥流失问题

在IC厌氧反应器启动过程中采用低浓度间歇脉冲进水方式，启动初期，IC厌氧反应器内含有200 t厌氧污泥颗粒，进水流量为180 m3/h，持续运行1周后加大进水量，当进水量增大为210 m3/h，发现厌氧出水携带少量颗粒污泥，且颗粒污泥机械强度差、内部中空、沉淀性能一般，继而将进水量降为180 m3/h，颗粒污泥流失现象消失。在此进水流量下又运行1周后增大进水量未出现污泥颗粒流失现象，并且颗粒强度增大，沉降性能良好，厌氧污泥得到驯化。分析其原因可能为基质改变过程中，大的颗粒由于结构疏松，抗外部环境改变性能较弱，较难很快适应制浆废水水质，只能靠消耗自身的能量来维持生命。随着内部产气的增加，颗粒变轻，内部结构变得松散，甚至出现空腔［7］。气体在释放过程中带动颗粒上浮，当其上升速度大于其沉降速度时，颗粒污泥便随出水排出。

4.2 二沉池出水浑浊

在IC反应器和曝气池启动过程中，二沉池出水突然携带大量难以沉降的活性污泥而造成出水浑浊。经分析，造成出水浑浊的原因主要有两方面，一方面为进水CODCr的浓度太低，水量太少，导致好氧池缺少足够的食料，使得微生物进行自身的分解代谢，变为小絮体后随水流出;另一方面因为好氧池维持较高的溶解氧值，导致活性污泥活性自身分解氧化，从而溶解到水里，使得出水浑浊。通过增大进水量或者降低污泥浓度可以避免二沉池出水浑浊。

5 结论

IC厌氧反应器具有抗冲击负荷能力强、节省占地面积、启动周期短、抗低温能力强和出水稳定性好等优点，且反应器内部利用自身产生的沼气作为提升动力来实现混合液内部循环，节省动力消耗。在IC厌氧反应器之后增设低压射流曝气氧化沟作为一种连续循环曝气池工艺可进一步降低出水COD，低压射流曝气器通过强烈地湍动混合与扩散作用，极大地强化了气体在液固相间的传质速率，进一步提高了氧转移率，大幅度提高了动力效率。两级生物处理后再经过超效浅层气浮深度处理，可去除高达97%的SS，脱色效果明显，具有处理工艺简单、操作简便、处理效率快等优点。故IC厌氧反应器结合曝气池及浅层气浮工艺具有广阔的应用前景。

［1］ 刘 春，张安龙，文志贵．UASBR-改良式氧化沟-物化工艺处理高得率APMP浆废水［J］．上海造纸，2008，39(5):64．

［2］ 张安龙，潘洪艳，樊砥钢．低压射流曝气氧化沟系统处理苇浆造纸中段废水［J］．中国造纸，2010，29(10):34．

［3］ 戴罗根．超效浅层气浮在处理制浆中段污水上的探索［J］．江苏造纸，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］ 顾夏声 ．废水生物处理数学模式［M］．北京:清华大学出版社，1996．

［6］ 陈学春，吕 斌，曹红涛．卡鲁塞尔氧化沟工艺在蔗渣制浆造纸废水处理中的应用［J］．中国造纸，2011，30(8):47．

［7］ 董智慧，李志建，李海东．厌氧内循环反应器处理P-RC APMP高浓制浆废水颗粒污泥特性分析［J］．中国造纸，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

张安龙先生，教授;主要研究方向:造纸工业废水生物处理技术。

(*E-mail:jiajia．8593@163．com)

2011-10-13(修改稿)

本课题由陕西科技大学研究生创新基金资助。

(责任编辑:马 忻)