IC厌氧在造纸工业废水中的应用熊建华

中国造纸学报2005增刊中国造纸学会第十二届学术年会论文集cI厌氧在造纸工业废水中的应用熊建华陈楠叶凡王双飞(广西大学造纸科学研究所,南宁,530004)摘要:本文回顾了厌氧反应器的发展历史,介绍了CI厌氧反应器的构造和工作原理,分析了其工艺特点,并论述了该反应器在国内外处理造纸工业废水的应用实例,最后指出了CI反应器在应用中存在的问题,并展望了工C反应器的应用前景。关性词〕:lC内循环:厌氧反应器;造纸废水;厌氧处理内循环厌氧反应器(InternalCireulation,IC),是荷兰PAQUES于20世纪80年代中期在USAB反应器的基础上开发成功的第三代超高效厌氧反应器。与以UABS为代表的第二代高效厌氧反应器相比,IC反应器在容积负荷、能耗、工程造价、占地面积等诸多方面,代表当今世界上厌氧生物反应器的最高水平。它广泛地应用于处理食品、医药、啤酒、化工和造纸等行业的高浓度有机废水。CI反应器因为高的上升流速和特殊的布水器设计,使得富含纤维、钙离子的造纸废水容易在反应器中沉积恶化的问题迎刃而解。目前,造纸工业己成为IC反应器应用最多的领域之一。我国造纸行业制浆过程产生的废水量大,污染物浓度高,对水环境造成极其不利的影响。在造纸污染治理方面,除了调整产业结构,改变原料结构,扩大生产规模,引进先进的技术和设备以及淘汰落后的小纸厂抓源头治理外,仍要建立终端废水处理设施,确保最终排出的废水达标排放。近年来,我国制浆的原料结构发生了较大的变化,尤其是大中型的造纸企业,由原来的BKP浆和SWG浆为主,逐步改变为TMP、CTMP、APMP和DIP等多种制浆方法。由于新的制浆方法大都是引进国外的先进技术,吨产品水耗低,因而产生废水的有机物浓度高,而厌氧技术比较适合处理高浓度的有机废水汇,l1厌氧反应机理厌氧反应就是在创造一个废水中不含溶解氧的条件下,厌氧微生物大量的生长繁殖,将水中大量的有机物转化为沼气,少部分形成污泥。如图1所示。有有机物+微生物物物物物物物物物物物有有有有有有有有有有有机酸、醇醇CCC02、NH3、HZSSS``本白终终卜一一—产。作用一一一一一一冲一,企烷、用一一一叫圈1厌载反应260-中国造纸学报2005增刊中国造纸学会第十二届学术年会论文集在实际的废水处理工艺设计过程中,厌氧反应过程分为两个阶段即预酸化阶段和产沼气阶段。分解初期,微生物活动中的分解产物为有机酸、醇、二氧化碳、氨、硫化氢及其他硫化物等。这一阶段,有机酸大量积累,PH随之下降,所以称之为酸性发酵阶段,参与的细菌通称为产酸细菌。在分解后期,由于产生氨的中和作用,pH上升,另一群统称为甲烷细菌的微生物开始分解有机酸和醇,产物主要是甲烷和二氧化碳〔2〕。水的厌氧处理过程中,产生的沼气可以作为能源,剩余的污泥可以作为肥料用于土壤改良。因此厌氧废水处理技术可作为把环境保护、能源回收与生态良性循环结合起来的综合核心技术,具有较好的环境与经济效益。2厌载反应器的发展1869年英国出现了第一座用于处理生活污水的厌氧消化池,所产生的沼气用于街道照明。至1914年,美国有14座城市建立厌氧消化池。二战结束后,厌氧处理技术的发展又掀起了一个新的高潮。20世纪40年代在澳大利亚出现了连续搅拌的厌氧消化池,改善了厌氧污泥与废水的混合。但本质上,反应器中的微生物(即厌氧污泥)与废水或废料是完全混合在一起的,污泥在反应器的停留时间(SR)T与废水的停留时间(HR)T是相同的,因此污泥在反应器里浓度较低,处理效果差。废水要在反应器停留几天到几十天之久。此时的厌氧处理技术主要用于污泥与粪肥的消化。20世纪50年代中期出现厌氧接触反应器,这种反应器是在连续搅拌的基础增设了污泥回流装置,使厌氧污泥在反应器中的停留时间第一次大于水力停留时间,因此其处理效率与负荷显著提高。这一类型的反应器被称为第一代的厌氧反应器。20世纪70年代以来厌氧处理的最大突破是荷兰农业大学环境系Lettinga等发明的上流式厌氧污泥床(Up一flowAnaeorbicSludgeBed,简称UABS)反应器,被称为第二代高效厌氧反应器。UABS反应器由污泥床、污泥层和三相分离器组成,最大的特点是可以将固体停留时间(SR)T与水力停留时间(HR)T相分离,其SRT可以长达几十天甚至上百天。这使得厌氧处理高浓度污水的HRT从过去的几天或几十天可以缩短到以小时计。以BS反应器发明后,引起广泛的注意,目前已成为应用最广泛的厌氧处理方法〔3]。高速率厌氧处理系统和其他生物处理工艺一样必须满足以下两个条件。①能够保持大量的活性厌氧污泥(即污泥浓度);②取得进入废水和池内污泥之间的充分接触(即传质过程)。以BS依靠颗粒污泥的形成和三相分离器的作用,使污泥滞留在反应器中,从而提高了反应器的污泥浓度。也提高了反应器的有机负荷。但UABS的传质过程并不理想,进一步提高有机负荷因此受到了限制。正是对这一问题的研究导致了厌氧内循环反应器(工C)的研制与开发。3C厌载反应器3.1IC反应器的构造中国造纸学报2005增刊中国造纸学会第十二届学术年会论文集工C反应器由两个UASB反应器上下叠加串联构成,高度可达16m一25m,高径比一般为4一8,由五个基本部分组成:混合区、颗粒污泥膨胀床区、精处理区、内循环系统和出水区。其中内循环系统是CI工艺的核心部分,由一级三相分离器、沼气提升管、气液分离器和泥水下降管等组成。其工作原理如下〔们:污水直接进入反应器的底部,通过布水系统与颗粒污泥混合。在第一级高负荷的反应区内包含有一个污泥膨胀床。在这里COD的大部分几乎被转化为沼气。沼气被第一级三相分离器所收集。由于采用的负荷高,产生的沼气量很大,其在上升的过程中会产生很强的提升能力,迫使污水和部分污泥通过提升管上升到反应器顶部的气液分离器中。在这个分离器中产生的气体离开反应器,而污泥与水的混合液通过下降管回到反应器的底部,从而完成了内循环的过程。从底部第一个反应室内的出水进到上部的第二个室内进行后处理。在此产生的沼气被第二层三相分离器收集。因为COD浓度已经降低很多,所以产生的沼气量降低。因此扰动和提升作用不大,从而出水可以保持较低的悬浮物(见图2)。3.ZIC反应器的工作原理3.3IC反应器的特点IC反应器与以往厌氧处理工艺相比,它具有以下特点。(l)有机负荷大,水力停留时间短。厌氧反应器要有较高的有机负荷,应该同时具备两个条件,较高的污泥浓度和良好的传质过程。内循环提高了第一反应区的液相上升流速,强化了废水中有机物和颗粒污泥的传质,使IC厌氧反应器的有机负荷远远高于其他的反应器。(2)具有无需外加动力的内循环,节约能耗。CI反应器的上、下两个反应室是由中部一集气罩分隔而成。集气罩顶部设有沼气提升管(上行循环管),它直通工C反应器顶部的气液分离器。气液分离器底部设有一回流管(下行循环管),直通下反应室底部。集气罩、气液分离器和上行与下行循环管构成了IC反应器的“心脏”与“循环系统”51[。驱动发酵液循环无需外加动力,而是有赖于反应器本身所产生的沼气。依靠沼气的提升产生循环,不需外部动力进行搅拌混合使污泥回流,节约能耗。中国造纸学报2005增刊中国造纸学会第十二届学术年会论文集(3)引入分级处理,运行稳定性好。IC反应器相当于由两个USBA反应器上下叠加串联构成,下一个以BS具有很高的有机负荷率,起“粗处理”作用;而上面一个以BS则采用较低的有机负荷率,起“精处理”作用。一般来说,两级处理比单级处理的稳定性好,出水水质较为稳定。而且循环水稀释了进水,提高了反应器的抗冲击负荷能力和酸碱调节能力,加上后续处理,也使得反应器运行更加稳定。(4)基建投资省,占地面积少。IC反应器的容积负荷约为以BS反应器的4倍左右,处理相同的废水,其容积仅为USAB反应器的1/3一1/4,节省基建投资;再加上4一8倍高径比的塔式外型,占地面积少,尤其适于用地紧张的企业。(5)工C反应器能更好地适应含悬浮物的废水。通常认为轻质悬浮物易于将微生物从以SB反应器中带走,从而引起污泥流失,但在IC反应器中悬浮物不引起污泥的流失。这对于轻质悬浮物含量高的废水较为重要,IC反应器用于含纤维的造纸废水和含大量酵母细胞的酵母生产废水处理的实践证明,轻质的悬浮物不影响反应器的处理效果,也不引起生物物质的流失。4cI反应器在造纸工业废水中的应用1985年荷兰PAQUSE公司建立了第一个IC中试反应器,1988年第一座生产性规模的IC反应器投入运行。随后,IC反应器成功地应用于土豆加工、啤酒、食品、造纸、柠檬酸等领域高浓有机废水的处理。厌氧技术领域领先世界的荷兰PAQUSE环保技术公司,在1996年以来的工程项目中,IC反应工程比例大大超过了UABS反应器,造纸工业已成为工C反应器应用最多的领域之一。自1996年IC反应器首次应用于制浆造纸行业到2001年止,已有23家大型造纸厂的IC反应器投入运行,而在全球所有行业中,已有IC反应器132座[6〕。IC反应器当前在造纸行业应用较多的是以各类废纸作原料的造纸厂,即二次纤维制浆造纸工厂,其中包括脱墨和不脱墨的各类废纸制浆工艺的废水处理。对于TMP、CTMP、APMP和DIP废水,由于其温度、悬浮物浓度以及可溶性易生物降解的COD浓度高等特点,宜先采用沉淀、冷却和厌氧法进行预处理,然后再用传统的好氧法处理〔1〕。处理的目的包括实现一般的达标排放,通过治理后的废水回用,即不同程度的封闭循环,或者完全没有废水排放的零排放,达到节水和治污的双重目的。以下选择国内外典型的情况作一介绍。4.1国外应用德国EuropaCartonnl造纸厂年产30万吨瓦楞纸和箱纸板,使用二次纤维为原料。直到1998年该厂还使用USAB反应器作为其厌氧一好氧工艺的关键设备,UABS之后是活性污泥工艺。由于生产能力增加,工厂需新增COD处理能力125000kgd/。工厂选用了465耐的Ie反应器。设计最大容积负荷27kgeon/(耐·d),,进水eoD浓度1250一3515mg/L,处理效率达6%1一8%6,出水都能达标排放仁6,”。中国造纸学报2005增刊中国造纸学会第十二届学术年会论文集德国WePa年产7万吨卫生纸,使用废纸脱墨制浆和部分商品浆。该厂原废水处理系统采用好氧的生物滴滤池和活性污泥工艺,在废水排放前还要经过一个氧化塘进一步净化。由于滴滤池的效果差、堵塞以及处理能力不足,该厂决定采用385m3的IC反应器取代滴滤池,设计能力为处理CoD9520kg/d,废水流量为4000m3/d。进水eoD浓度1510~2920mg/L,处理效率58%一74%〔6,’〕。法国Sical年产5万吨瓦楞原纸和箱纸板,使用废纸为原料。1996年该厂建立了厌氧一好氧废水处理系统,其中厌氧反应器是100m3的IC反应器,设计废水处理能力为100om、,/d,处理e0D2000kg/d。世界著名的金佰利(iKmberley一Clark)集团在墨西哥Oirzaba的造纸厂,采用蔗渣生产卫生纸、文化纸等薄页纸。为了处理其蔗渣堆垛喷淋、蔗渣洗涤过程产生的高浓度有机废水(废水总CODc:9161mg/L,水温25一35℃,总悬浮颗粒物TSS700mg/L),1991年建成的污水处理厂,以IC反应器作为厌氧处理的主体设备,处理水量达2200m3d/,并获得非常满意的运行效率。除上述提到的纸厂外,国外还有许多的纸厂或己采用或即将采用IC厌氧反应器处理制浆造纸废水,比如位于美国Jaekson州的BoiseCaSCadeS造纸厂,位于荷兰Eerbeek的nIdustirewaetrn综合造纸废水处理厂,比利时VKPoudegem造纸厂高度封闭循环的废水处理系统等等。更有甚者,荷兰KappaGraphicBoard和西班牙PapeleradelalAqueria造纸厂采用以IC反应器作为厌氧设备主体的厌氧一好氧处理系统处理生产废水,处理后废水实现了废水的零排放,出水全部回用sj[。可见,IC厌氧反应器在欧美造纸行业获得了广泛的应用并取得了空前的成功,所处理的制浆造纸废水种类也颇为丰富。造纸原料包括