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IC厌氧反应器处理造纸废水的影响因素及调试运行
来源:济南乾来环保技术有限公司 发布时间:2022-07-03 11:30:24 浏览次数:
作者:赵  登1 ,张安龙1, 2 (1. 西安隆华环保技术有限公司,陕西西安 710018;2. 陕西科技大学环境科学与工程学院,陕西西安 710021) ‘

摘要:采用 IC 厌氧反应器处理造纸废水,介绍处理工艺概况、影响因素、调试启动过程及其运行效果;针对调试运行 中可能出现的水质异常现象分析其产生的原因并提出具体的解决措施,为现场运行人员提供技术参考,使 IC 厌氧 反应器运行更加稳定,充分体现其良好的性能效果。

关键词:厌氧反应器;造纸废水;影响因素;调试运行

随着国家对环境保护和环境治理的重视,在废 水末端处理方面投入了大量的技术和资金。废水厌 氧处理技术以其动力消耗少,污泥处置费用低,可 获得沼气能源等优点在废水处理中发挥着至关重 要的作用。IC 厌氧反应器是独特的、根据气提原理 而设计出的内循环装置,具有保持较高污泥浓度, 良好的传质性能,化学需氧量 良好的传质性能,化学需氧量( COD) 去除效率高, 容积负荷高,抗冲击负荷能力强,投资低,运行简便 等优点。但是 IC 厌氧反应器要实现其良好的性能 效果,仅靠反应器的成功设计是不够的,还必须熟 悉其影响因素、掌握调试运行方法和颗粒污泥培养 技术 [1-3] 。 本研究从 IC 厌氧反应器的工艺概述、工艺调 试参数、运行效果以及调试运行中的故障及解决 措施进行介绍,为现场操作人员提供运行控制参数 指导。

1  处理工艺概况

江苏某纸业以国产废纸为原料生产包装纸,年 产能 10 万 t,配套废水处理站一座,处理水量 ,配套废水处理站一座,处理水量 2000 m3 ·d-1 ,原有处理工艺路线为集水池—斜滤网收 浆—初沉池—水解酸化池—改良氧化沟—二沉池, 处理后废水纳管外排。随着企业新鲜水用量减少后 重复用水量增加,导致排至污水站的废水污染物浓 度高,目前该工艺已不能满足水量和水质要求;经 过科学论证,在原有工艺基础上增加厌氧生物处理 单元,正常调试运行后,COD 去除率≥ 70%,处理 后出水达到纳管外排标准。

1.1 设计水量水质 废水经斜滤网收浆和初沉池预处理后,进入厌 氧生化系统,处理水量 2000 m3 ·d-1 ,具体的进出水 水质如表 1 所示。
1.2 厌氧生化处理系统工艺流程 厌氧处理单元包括水解酸化池、循环水池、IC 厌氧反应器、厌氧沉淀池、厌氧污泥池和沼气回收 利用系统(图 1)。

1.3 主要构筑物参数及选型 水解酸化池、循环水池、厌氧沉淀池和厌氧污泥池按照共壁结构进行设计,构筑物尺寸为 12 m×12 m×6 m。其中水解酸化池构筑物尺寸 。其中水解酸化池构筑物尺寸 为 12 m×6 m×6 m,容积 432 m3 ,有效水深 5.5 m, 并配备搅拌装置;循环水池构筑物尺寸为 6 m× 3 m×6 m,容积 108 m3 ,有效水深 5.5 m ;厌氧沉 淀池构筑物尺寸为 淀池构筑物尺寸为 6 m×6 m×6 m,容积 216 m3 , 有效水深 5.5 m ;厌氧污泥池构筑物尺寸为 ;厌氧污泥池构筑物尺寸为 6 m× 3 m×6 m,容积 108 m3 ,有效水深 5.5 m。IC 厌氧 塔尺寸为 φ8 m×20 m,容积 1005 m3 ,配备厌氧进 水泵和循环水泵。沼气收集净化及利用单元包括厌 氧塔塔顶的汽水分离器和水封、脱硫塔、储气柜和 沼气锅炉,脱硫塔尺寸为 φ1.2 m×3.3 m,储气柜 为 150 m3 ,沼气锅炉为 1 t·h-1 蒸汽锅炉。

2  厌氧反应器的影响因素 厌氧反应器消化细菌的生长繁殖需要适宜的 环境条件,它们对温度、pH、悬浮物、有毒有害物质、 营养物质、容积负荷和水力停留时间等都有一定的 要求。

2.1 温度 温度影响厌氧微生物的代谢速率和生长速率以 及沼气产量和沼气中各种气体成分比例,还会影响 到厌氧消化系统中各种化学成分的溶解度和酸碱度 的平衡 [4]。根据废水排放温度,可相应地选择不同温 度的厌氧消化工艺,分为 53~58℃的高温厌氧消化、 35~39℃的中温厌氧消化和自然温度条件下的常温 厌氧消化。目前大多数厌氧反应器为中温厌氧消化, 温度在1~3℃范围内波动对厌氧消化速率影响较小, 温度突然上升或突然下降的变化幅度超过 5℃,对 厌氧消化速率影响显著,产气量会减少。厌氧消化 在低于 25℃时,可能在于水解产酸菌的活力显著降 低,不能为产甲烷菌提供充足的基质,从而影响到甲 烷产量,沼气产量显著下降。所以控制适宜的温度 有助于反应器有机物的厌氧消化过程。

2.2 pH值 厌氧消化只有在适当的 pH 值条件下才可以 顺利进行,其运行的最佳 顺利进行,其运行的最佳 pH 值为 6.5~7.5 6.5~7.5。当 pH < 6.2 或 pH > 8.0 时,厌氧消化会受到一定程度的 时,厌氧消化会受到一定程度的 抑制。在正常的厌氧消化过程中,厌氧消化系统具 有来自厌氧消化液自身的酸碱平衡体系和碱度的 自然缓冲能力,能使 pH 值自然地稳定在 6.5~7.5 的 范围内。在厌氧消化系统中,水解酸化的产酸和产 甲烷菌的消耗酸之间的平衡遭到破坏,水解产酸菌 在降解有机物过程中累积了大量的挥发性脂肪酸 (VFA) 和 CO2,系统的 pH 值下降很快致使发酵液 酸化。在反应器运行过程中,要尽力避免酸化现象 的发生,保证反应器在最佳 pH 值的条件下稳定运 行,解决厌氧反应器酸化的措施有减少进水负荷和 厌氧出水回流的物理法、添加碱性物质的化学法、 投加高活性颗粒污泥和絮状污泥的生物法。

2.3 悬浮物 有机废水中除含有大量的可溶性有机物外,还 含有像胶体、固体悬浮物和沉淀物的固体物质。可 溶性的有机废水经厌氧消化比较迅速且相对容易 处理,但固体物质含量较高的有机废水利用厌氧方 法处理会出现消化周期长,出水水质差,降低颗粒 污泥反应器的处理效率和阻碍厌氧污泥的沉降等 问题。解决这些问题的关键在于减少固体悬浮物质 进入厌氧反应器,通常厌氧反应器进水的悬浮物需 控制在 300 mg·L-1 以内。

2.4 有毒有害物质 有毒有害物质会降低沼气产量或使厌氧消化 陷于停顿状态,其中有些化合物对厌氧消化有促进 作用,又有抑制作用,其浓度较低时对厌氧消化有 一定的促进作用,当浓度较高时开始产生抑制作 用,且浓度越高抑制作用越明显 [5]。有毒有害物质 主要分为三类:(1)无机物:氨、无机硫化物、盐类、 重金属等,其中硫酸盐和硫化物的抑制作用最为严 重;(2)有机化合物:非极性有机化合物,含挥发性 脂肪酸(VFA)、非极性酚化合物、单宁类化合物、芳 香族氨基酸、焦糖化合物等;(3)生物异型化合物: 氯化烃、甲醛、氰化物、洗涤剂、抗菌素等 [6]。针对 上述有毒有害物质可通过稀释进水控制有毒物质 的浓度,进行驯化培养厌氧消化细菌,或使有机物 质通过中和、络合、电解化学方法得到分解或去除, 避免其对厌氧消化的抑制作用。

2.5 营养物质 厌氧微生物的生长繁殖需要摄取一定比 例的有机物、氮、磷、硫和微量元素,不同微生物 在不同环境条件下所需的碳、氮、磷比例宜为 (350~500):5:1。废水中的有机物(碳素)是厌氧消 化细菌建造细胞的物质和能量来源,也是最重要的营养物质;其他元素需对厌氧反应器的废水检测后 按照微生物所需的比例适当补充添加。

2.6 容积负荷和水力停留时间 容积负荷和水力停留时间是检验 IC 厌氧反应 器设计合理性的主要参数,其具体体现在进水流量 和进水 COD 的变化。污水自循环水池通过电磁流 量计和自动控制阀控制恒定的进水量用泵送入到 反应器,保证反应器具有稳定的容积负荷和水力停 留时间,在此过程中将废水中的有机物转化为沼气 和CO2,在沼气驱动下,发酵液能够产生连续的内循 环后把产气负荷转化成为水力负荷,可以减轻反应 器的污泥流失和提高传质的效率。足够的水力停 留时间是有机物能够得到充分消化的基本保证,合 理的运行参数最终目的是为了获取反应器最大的 容积负荷和最高的 COD 去除率。IC 厌氧反应器在 中温条件下运行时,容积负荷一般大于等于 12 kg COD·m-3 ·d-1 ,水力停留时间一般控制在 4~6 h。

3  反应器的调试启动

3.1 接种颗粒污泥 IC 反应器只有在厌氧颗粒污泥的条件下运行, 良好的性能才能得到充分的体现。为了能够快速 的启动反应器,本次接种来自不同性质柠檬酸废水 的颗粒污泥,进行异质启动,一次性投加足量的颗 粒污泥对其进行富集培养和驯化培养。IC 厌氧塔 尺寸为 φ8 m×20 m,容积为 1005 m3 ,污泥接种浓 度按照 30 kg VSS·m- ³ 反应器容积接种,投加 90% 含水率的厌氧颗粒污泥 300 t。接种前为了避免接 种污泥在反应器中堆积而形成压实层,提前留有约 10 米的清水;接种时为了避免或减少颗粒污泥的破 碎,将颗粒污泥进行稀释后用螺杆泵向反应器中进 行投加;接种完成后,立即向反应器中注满清水使 反应器尽快处于能启动的工作状态。

3.2 反应器启动运行 厌氧反应器启动运行期间对温度、pH、悬浮 物、有毒有害物质、营养物质、进水流量和浓度的按 要求进行控制,以及对进出水的 要求进行控制,以及对进出水的 COD、pH、SS 和 VFA(挥发性脂肪酸) 的进行检测。

3.2.1  初始阶段 反应器的有机负荷从 0.5~1.0 kg COD·m-3 ·d-1 开始,进入反应器消化降解废水的混合液COD浓度 不大于 6000 mg·L-1 ,并按要求控制进水水量,进水 浓度不符合要求时进行稀释。进水采用间歇冲击形 式,即 2 h 一次,每次进液 5~10 min,之后逐步缩 短间隔时间至 1 h,每次进液时间逐步增长 20~30 min,最后形成连续进出水,使接种的颗粒污泥尽快 适应异质环境。

3.2.2  启动第二阶段 接种的颗粒污泥经过驯化培养,基本适应造纸 废水异质环境,反应器容积负荷开始逐步由 1~2 kg COD·m-3 ·d-1 、3~4 kg COD·m-3 ·d-1 、上升到 5~6 kg COD·m-3 ·d-1 ,此时容积负荷达到设计负荷的 50% ; 经过一段时间带负荷运行后,在对颗粒污泥进行驯 化富集培养的同时,逐步地洗出部分絮状污泥和淘 汰的颗粒污泥,出水颜色由黑变清。

3.2.3  稳态运行 逐步增加进水流量到 2000 m3 ·d -1 、进水 COD 稳 定在 6000 mg·L-1 左右,实现容积负荷从 50% 上升到 100%,达到进水设计的容积负荷 12 kg COD·m-3 ·d -1 稳 态 运 行,厌 氧 反 应 器 出 水 COD 稳定在 1150 mg·L-1 、VFA ≤ 3 mmol·L-1 、pH 在 6.5~8.5 之间, COD 去除率稳定在 80% 以上,沼气产量平稳。稳 定运行期的关键在于保持容积负荷稳定,避免负荷 上下波动太大,防止颗粒污泥的过度流失;同时继 续从反应器中洗出絮状污泥,排除絮状污泥的裹挟 作用,避免新生的细小颗粒污泥流失。

3.2.4  沼气净化利用 有机物经厌氧消化的终端产物是沼气和厌氧 污泥,沼气是可再生清洁能源,对沼气进行净化后 送锅炉燃烧,可产生经济效益。IC 厌氧反应器处 理水量2000 m3 ·d-1 ,厌氧反应器进水COD浓度6000 mg·L-1 ,COD 去除率为 80% 以上,每降解 1 kg COD 1 kg COD 产生沼气约 0.35~0.45 m3 ,厌氧反应器稳定运行后 产生的沼气量约为 3500 m3 ·d-1 ,按照 1 m3 沼气产生 的热值可折合 0.65 kg 标煤,即每天产生的沼气送 锅炉燃烧可替代约 2.18 t 标煤。

3.3 启动要点 IC 反应器在投入运行前必须进行工况检查, 避免出现漏水、漏气现象。初始阶段启动一定要 逐步进行,留有充足的时间让厌氧菌种从休眠状 态慢慢恢复活性,同时进行菌种的选择、驯化和增 殖过程,进水负荷和进水流量要间隔多次进行;启动第二阶段,控制进水的 COD 浓度,进行出水内 外循环,提升容积负荷标准为反应器进出水 COD 的降解能力≥ 75% 且稳定运行 3~5 天,每次提升 容积负荷逐步进行,最大不超过 20% ;稳态运行 阶段需要及时掌握污泥流失情况,可以用 VFA 和 污泥沉降体积比作为判断和监测厌氧污泥流失 的标准,VFA ≤ 3 mmol·L-1 表示反应器中污泥 量充足具有较强的消化能力,取样口取样观察污 泥沉降体积比来直观了解颗粒污泥的流失与增长 情况 [7, 8]。
4  调试运行中的异常及解决措施 经过一段时间的调试启动运行,根据实际情况 对反应器出现水质异常现象、对应原因及其解决措 施分析如表 2 所示 [9-11]。

5  结论 IC 厌氧反应器的厌氧消化细菌生长繁殖需要 适宜的环境条件,其对温度、pH、悬浮物、有毒有害 物质、营养物质、容积负荷和水力停留时间等影响 因素都有一定的要求。通过对 IC 反应器的启动、调 试和运行,总结了各启动阶段特征以及启动时期的 要点;同时根据实际的调试运行情况,分析了反应 器出现水质异常现象、对应原因及其解决措施,可 为现场运行技术人员提供参考。