网刊加载中。。。

使用Chrome浏览器效果最佳,继续浏览,你可能不会看到最佳的展示效果,

确定继续浏览么?

复制成功,请在其他浏览器进行阅读

IC厌氧反应器处理OCC废水运行效率研究

  • 李雄林 1
  • 魏庆伟 2
1. 山东博汇纸业股份有限公司,山东淄博,256400; 2. 山东博汇集团有限公司,山东淄博,256400

中图分类号: X793

最近更新:2024-08-26

DOI:10.11980/j.issn.0254-508X.2024.08.025

  • 全文
  • 图表
  • 参考文献
  • 作者
  • 出版信息
EN
目录contents

摘要

某OCC制浆造纸企业新建了一座容积2 900 m3的IC厌氧反应器,并引入来自同类废水的厌氧颗粒污泥。启动21天后,IC厌氧反应器运行效果达到设计负荷,OCC制浆造纸废水处理量为15 000 m3/d,CODCr处理量为50 000 kg/d,CODCr去除率72%~86%,出水挥发性脂肪酸稳定保持在30~110 mg/L,IC厌氧反应器在较短时间内完成效率提升。

IC厌氧反应器是某公司开发的第三代高效厌氧反应器,主要由混合区、污泥膨胀床区、精处理室、沉淀区和气液分离区组[

1],具有容积负荷高、抗冲击能力强、占地面积小、运行费用低等优点,非常适用于处理废纸造纸废[2]

IC厌氧反应器同其他厌氧装置一样,存在启动周期较长、启动期运行不稳定的问题,这主要是由于在启动初期,IC厌氧反应器产汽量和水力上升流速均较小,不能对污泥进行有效的搅动,很难达到强化传质作用的要[

3],厌氧颗粒污泥的培养和增殖缓[4]。因此,如何在短期内快速启动厌氧装置是整个废水处理工程中的关[5]

影响IC厌氧反应器启动的因素很多,其中较为关键的因素包括接种污泥、温度、处理负荷和外循环等。接种污泥的影响至为关键, 目前IC厌氧反应器采用的接种污泥主要有厌氧颗粒污泥、厌氧絮状污泥、城市污水消化污泥、好氧剩余活性污泥,以及上述污泥的混合物等。采用不同的污泥作为种泥启动IC厌氧反应器所需的时间、能承受的负荷及处理效果均会有所区别。由于厌氧颗粒污泥比表面积大、孔隙度高,内部传质效果好,各种类型的微生物共生,因而对不同废水的适应性更强,作为接种污泥启动厌氧反应器所需的时间也会更[

6]。陕西某废纸造纸废水处理厂IC厌氧处理器接种的颗粒污泥为河南某淀粉厂的上流式厌氧污泥床反应器中的颗粒污[7]。江苏理文造纸有限公司废水处理厂IC厌氧反应器采用外购厌氧颗粒污泥直接启动方式,启动运行2个月后,IC厌氧反应器的CODCr去除率稳定在50%左[8]

采用同类废水产生的厌氧污泥进行接种启动,是目前工厂比较推荐和流行的一种方式。本研究分析了某OCC制浆造纸企业废水处理厂IC厌氧反应器接种OCC废水厌氧颗粒污泥的运行效率,以期为IC厌氧反应器快速有效启动提供借鉴。

1 材料与方法

1.1 废水处理工艺流程

废水主要来源于广东省东莞市某OCC制浆造纸企业的生产车间及厂区其他辅助设施。在采用预处理+厌氧好氧生物处理的基础上,根据纸厂水质特点并结合当地实际情况,增加了Fenton高级氧化工艺作为深度处理,进一步去除难生物降解有机物,确保出水水质达标。具体工艺流程见图1

图1  废水处理系统工艺流程

Fig. 1  Process of wastewater treatment

1.2 IC厌氧反应器参数

本研究采用帕克环保的上流式IC厌氧反应器,反应装置如图2所示,反应器主体采用Q235碳钢,三相分离器为PP材质,取样点1为厌氧反应器进水管道,取样点2为出水管道,附属配套冷却塔、调节池、预酸化池,以维持反应器进水在要求范围内。IC厌氧反应器具体参数见表1

图2  IC厌氧反应器装置示意图

Fig. 2  Sketch of IC anaerobic reactor

表1  IC厌氧反应器参数
Table 1  Parameters of IC anaerobic reactor
内径/m高度/m有效容积/m3设计进水量/(m3·d-1)设计进水CODCr浓度/(mg·L-1)设计进水CODCr总量/(kg·d-1)
12.5 24 2 900 15 000 3 333 50 000

1.3 IC厌氧反应器进水水质

OCC制浆造纸废水经初沉池后,与二沉池出水回流至预酸化池进行混合,确保进水CODCr浓度维持在3 500 mg/L左右,避免对IC厌氧反应系统造成冲击。IC厌氧反应器进水水质见表2

表2  IC厌氧反应器进水水质
Table 2  Parameters of wastewater into IC anaerobic reactor
CODCr浓度/(mg·L-1)总氮/(mg·L-1)总磷/(mg·L-1)温度/℃酸化度/%pH值
范围 3 212~3 612 30~35 5~8 36~38 30~45 6.5~7.0
平均值 3 456 33 7 37 34 6.8

1.4 接种污泥

接种的厌氧颗粒污泥取自该企业的另外一个IC厌氧反应器,按厌氧反应器启动要求,接种污泥量1 700 t,厌氧污泥质量分数为10%。

1.5 分析方法及计量方式

水质分析方法:CODCr、总氮、总磷采用快速消解分光光度法(DR 3900紫外可见光分光光度计,哈希公司)测定;pH值采用玻璃电极法(雷磁PHS-3CPH计,上海仪电科学仪器股份有限公司)测定;温度采用膨胀式测温方法(红水温度计0~50 ℃,常德比克曼生物科技有限公司)测定;挥发性脂肪酸(VFA)按照Q/YZJ10-03-02—2000中的滴定法测定。

在线测量:进水流量采用电磁流量计(PTIFLUX 2000电磁流量计,德国科隆仪表(中国)有限公司)计量。沼气流量采用热式气体流量计(COMBIMASS® eco-bio+SS, 德国BINDER)计量。进出水在线pH值、温度采用在线玻璃电极法(CPM223+CPS11D+CYK10,瑞士恩德斯豪斯)测量。

2 IC厌氧反应器的启动过程

IC厌氧反应器在污泥接种后启动,共分为5个阶段。

第一阶段,IC厌氧反应器进水CODCr负荷加载至20 000 kg/d(40%设计负荷),并保持稳定运行7天,平均进水量261 m3/h,平均进水CODCr浓度3 464 mg/L。

第二阶段,提升IC厌氧反应器进水CODCr负荷加载至30 000 kg/d(60%设计负荷),并保持稳定运行7天,平均进水量390 m3/h,平均进水CODCr浓度3 499 mg/L。

第三阶段,提升IC厌氧反应器进水CODCr负荷加载至40 000 kg/d(80%设计负荷),并保持稳定运行7天,平均进水量474 m3/h,平均进水CODCr浓度3 446 mg/L。

第四阶段,平稳过渡期逐步提高IC厌氧反应器进水CODCr负荷加载至50 000 kg/d(100%设计负荷),并保持稳定运行14天,平均进水量615 m3/h,平均进水CODCr浓度3 426 mg/L。

第五阶段,IC厌氧反应器进水CODCr负荷降至40 000 kg /d(80%设计负荷),并保持稳定运行7天。

IC厌氧反应器启动过程进水水质如表3所示。

表3  IC厌氧反应器启动过程进水水质
Table 3  Inlet water properties during IC anaerobic reactor start-up
阶段天数/d进水量/(m3·h-1CODCr浓度/(mg·L-1)悬浮物浓度/(mg·L-1)温度/℃pH值总氮/(mg·L-1)总磷/(mg·L-1)
第一阶段 1 221 3 556 148 38 6.42 30.2 7.2
2 245 3 478 139 38 6.39 33.5 5.5
3 265 3 545 274 38 6.60 26.3 5.1
4 283 3 489 183 38.5 7.03 32.0 9.1
5 265 3 397 294 37 6.73 24.5 6.3
6 246 3 380 168 37 6.86 29.9 6.8
7 302 3 404 251 38 6.50 23.0 7.1
第二阶段 8 333 3 492 302 38 6.96 26.7 7.5
9 382 3 481 206 37 6.86 31.6 7.8
10 397 3 468 65 37.5 6.68 29.9 5.5
11 399 3 516 238 37 6.63 34.4 5.6
12 406 3 467 196 37 6.73 22.3 5.6
13 389 3 578 135 38 6.85 34.9 6.1
14 422 3 488 158 37 7.01 27.3 5.9
第三阶段 15 475 3 562 116 37 6.92 22.1 6.1
16 476 3 347 115 37.5 6.85 27.8 6.6
17 451 3 426 91 38 6.90 21.4 5.9
18 469 3 595 159 39.5 6.66 30.4 6.3
19 485 3 337 72 38 7.04 36.7 5.7
20 479 3 411 125 38.5 6.97 35.5 5.7
21 481 3 441 107 37 6.48 27.5 6.0
第四阶段 22 580 3 599 145 38 6.75 26.7 5.7
23 637 3 240 92 36 6.62 27.0 5.8
24 653 3 671 90 37 6.88 28.6 5.7
25 683 3 434 139 36.5 6.97 25.7 5.5
26 576 3 552 239 37 6.97 32.0 6.3
27 576 3 637 156 36 6.72 29.6 5.8
28 624 3 480 86 37.5 6.86 26.8 5.3
29 622 3 456 115 36 6.78 28.1 5.5
30 599 3 489 97 37 7.04 27.1 5.1
31 584 3 323 194 38 7.06 25.9 5.5
32 622 3 246 164 37 6.79 24.0 5.3
33 571 3 304 134 37 6.79 29.3 6.8
34 653 3 286 119 38 6.90 37.4 6.1
35 628 3 245 97 38 6.86 34.8 6.0
第五阶段 36 455 3 409 147 39 6.96 31.2 5.8
37 512 3 542 162 38 6.82 35.5 5.4
38 481 3 467 222 39 6.96 34.9 5.1
39 451 3 578 110 38 6.89 35.2 6.4
40 494 3 488 86 38 7.14 37.2 6.0
41 451 3 265 120 38 6.94 32.3 5.8
42 455 3 359 155 38 6.95 27.3 5.7

3 结果和讨论

3.1 启动结果分析

表4为IC厌氧反应器启动过程出水情况。

表4  IC厌氧反应器启动过程出水情况
Table 4  Outlet water properties during IC anaerobic reactor start-up
阶段天数/dCODCr浓度/(mg·L-1)悬浮物浓度/(mg·L-1)温度/℃pH值总氮/(mg·L-1)总磷/(mg·L-1)VFA/(mg·L-1)沼气产量/(m3·d-1)
第一阶段 1 346 138 38 7.15 10.2 3.5 65 5 910
2 339 201 36 7.28 12.8 3.4 49 7 176
3 338 267 36 7.43 11.0 3.7 38 7 898
4 349 128 36 7.40 11.9 3.2 37 8 765
5 352 332 38 7.31 8.2 3.4 38 7 706
6 337 253 38 7.44 6.8 3.7 32 7 946
7 347 313 37 7.42 7.9 3.7 31 8 640
第二阶段 8 390 247 38 7.35 4.1 3.6 67 9 987
9 373 182 38 7.38 6.5 3.6 49 10 780
10 383 155 37 7.23 10.5 3.4 58 11 830
11 332 121 38 7.45 9.3 3.5 53 11 072
12 414 119 39 7.57 8.6 3.8 57 12 150
13 365 122 36 7.38 8.3 3.7 29 12 610
14 393 125 37 7.34 8.3 3.8 35 12 930
第三阶段 15 375 121 38 7.35 6.7 3.7 43 13 385
16 394 117 36 7.4 11.4 3.7 56 14 693
17 418 113 38 7.31 9.2 4.0 57 15 857
18 439 127 38 7.38 10.2 3.9 55 15 231
19 404 93 37 7.25 11.2 3.8 43 14 328
20 391 105 37 7.34 12.1 3.5 51 14 997
21 358 98 37.5 7.35 9.2 3.4 54 14 185
第四阶段 22 781 101 37 7.35 11.1 3.4 55 16 273
23 882 91 37 7.26 12.1 2.5 74 15 839
24 864 126 37 7.31 8.2 3.7 98 16 294
25 869 109 37 7.47 9.1 3.6 68 15 672
26 843 135 37 7.53 10.5 3.1 74 15 643
27 861 117 35.5 7.3 11.0 3.1 82 16 606
28 901 90 36 7.42 8.3 3.1 73 16 886
29 874 91 37 7.44 11.2 3.7 110 15 898
30 837 112 37 7.41 10.3 2.9 94 16 152
31 845 116 37 7.43 10.9 2.9 100 16 434
32 893 206 39 7.46 16.0 2.8 92 16 777
33 837 228 38.5 7.41 14.1 3.2 89 16 745
34 857 112 37 7.25 14.9 2.9 91 15 563
35 865 113 38 7.42 18.0 2.9 68 15 030
第五阶段 36 483 150 38 7.40 11.7 2.7 48 14 268
37 487 186 37 7.51 15.5 2.8 45 15 922
第五阶段 38 447 100 37 7.53 14.0 3.1 53 14 246
39 413 75 38 7.45 16.4 3.7 42 15 360
40 390 192 37 7.54 18.4 2.9 47 15 314
41 373 241 36 7.43 17.4 2.9 37 15 022
42 352 116 37 7.33 16.8 3.2 48 14 758

第一阶段,IC厌氧反应器进水CODCr负荷加载至40%设计负荷,运行期间反应器出水CODCr浓度稳定在337~352 mg/L,反应器CODCr去除率稳定在89.64%~90.47%。出水VFA浓度稳定在31~65 mg/L,沼气产量5 910~8 765 m3/d。

第二阶段,IC厌氧反应器进水CODCr负荷加载至60%设计负荷,运行期间反应器出水CODCr浓度稳定在332~414 mg/L,反应器CODCr去除率稳定在88.73%~90.56%。出水VFA浓度稳定在29~67 mg/L,沼气产量9 987~12 930 m3/d。

第三阶段,IC厌氧反应器进水CODCr负荷加载至80%设计负荷,运行期间反应器出水CODCr浓度稳定在358~439 mg/L,反应器CODCr去除率稳定在87.79%~89.60%。出水VFA浓度稳定在43~57 mg/L,沼气产量13 385~15 857 m3/d。

第四阶段,IC厌氧反应器进水CODCr负荷加载至100%设计负荷,运行期间反应器出水CODCr浓度稳定在781~901 mg/L,反应器CODCr去除率稳定在72.49%~78.30%。出水VFA浓度稳定在55~110 mg/L,沼气产量15 030~16 886 m3/d。

第五阶段,IC厌氧反应器进水CODCr负荷降至80%设计负荷,运行期间反应器出水CODCr浓度稳定在352~487 mg/L,反应器CODCr去除率稳定在85.83%~90.07%。出水VFA浓度稳定在37~53 mg/L,沼气产量14 246~15 922 m3/d。

从上述过程可以看出,在IC厌氧反应器达到设计满负荷运转条件下,CODCr去除率稳定在72.49%~78.30%,出水VFA远小于300 mg/L,未造成VFA积累,厌氧反应器进行情况良好,启动顺利完成。

3.2 启动时间分析

启动21天后,IC厌氧反应器即可达到设计满负荷运行且CODCr去除率在72%以上(图3),相比文献提到的使用外购厌氧颗粒污泥启动运行2个月后,IC 厌氧反应器的CODCr 去除率稳定在50%左[

8],启动时间明显缩短,运行效果良好。

图3  COD去除量与去除率

Fig. 3  COD removal amount and removal rate

采用同类废水产生的厌氧颗粒污泥接种,污泥对应的水质及工艺条件未发生明显变化,污泥适应速度快,因此启动时间明显减少。而外购的厌氧颗粒污泥来源复杂,有可能是其他类别废水的厌氧颗粒污泥,如柠檬酸废水产生的厌氧颗粒污泥等,在处理OCC废水还需要时间来适应与驯化,厌氧颗粒污泥的培养和增殖缓慢,因此启动时间较长。

3.3 出水VFA分析

出水VFA 浓度在IC厌氧反应器控制中被认为是最重要的参数。监测出水VFA浓度可以快速反应反应器的运行状况,并有助于实际运行操作中的及时调节。

图4为IC厌氧反应器出水VFA浓度的变化趋势。从图4可以看出,随着进水流量的增加,IC厌氧反应器出水VFA浓度出现上升,而后随着系统的稳定,VFA浓度逐渐下降并最终稳定。这主要是因为随着IC厌氧反应器负荷增加,一方面有机负荷提升;另一方面较大的上升流速增加,对IC厌氧反应器内的系统造成冲击,导致VFA浓度上升,但均小于300 mg/L,在合理的范围之内,表明IC厌氧反应器的负荷还存在一定利用潜[

9]

图4  IC厌氧反应器出水VFA浓度变化趋势

Fig. 4  VFA concentration of IC anaerobic reactor outlet

3.4 水力停留时间对COD处理效果的影响

IC厌氧反应器启动过程中,在相同的进水COD浓度下,通过改变进水流量可以改变水力停留时间。图5为水力停留时间对COD去除率的影响。从图5可以看出,水力停留时间对于COD处理效果影响较大。当水力停留时间从4.2 h增加到6 h,CODCr去除率由72%~76%上升到86%以上,但是水力停留时间超过6 h后,COD去除率基本保持稳定。这是因为当水力停留时间低于6 h时,停留时间不足,IC厌氧反应器内的高分子有机物部分未转化为脂肪酸,无法生成产甲烷反应的底物,导致COD去除率偏低。当水力停留时间超过6 h时,IC厌氧反应器内能转化为脂肪酸的高分子有机物均已完成转化,过长的水力停留时间对COD去除率影响不大。

图5  水力停留时间对COD去除率的影响

Fig. 5  Effect of HRT on COD removal rate

3.5 IC厌氧反应系统产甲烷能力分析

对IC厌氧反应器沼气成分及发热量检测分析,高位体积发热量26.92 MJ/m3, 低位体积发热量23.98 MJ/m3,CH4含量73.92%,CO2含量24.32%,与相关文献报道的IC厌氧反应器CH4含量70%~80%,CO2含量20%~30%,其他有机物1%~5%一[

10]

在IC厌氧反应器运行的5个阶段内,沼气产率(每消耗1 g CODCr产生的沼气量计)均值分别为0.395、0.398、0.424、0.428和0.439 m3/g,符合IC厌氧反应器处理OCC制浆造纸企业废水沼气产率要[

11],但低于沼气与CODCr的理论转化率0.45 m3/g,这是因为一部分沼气随着出水流水和废气收集口排出,导致IC厌氧反应器的实际沼气产率低于理论沼气产[12]

图6为沼气产量。从图6可以看出,沼气产量随IC厌氧反应器负荷的提高而提高,在80%设计负荷的情况下沼气产量达14 984 m3/d,当IC厌氧反应器负荷提升至100%时,沼气产量达16 129 m3/d。IC厌氧反应器负荷相对提升20%,沼气产量却仅相对提升8%,这是因为随着IC厌氧反应器负荷的提高,水量的提升造成水力停留时间不足,并且IC厌氧反应器内微生物数量有限,IC厌氧反应器内有机物部分未能及时转化为沼气(甲烷[

13]

图6  沼气产量

Fig. 6  Production trend of biogas

4 结 论

4.1 IC厌氧反应器启动研究表明,IC厌氧反应器采用同类废水产生的厌氧颗粒污泥接种,可明显减少启动时间。

4.2 水力停留时间对于CODCr处理效果影响较大。当水力停留时间从4.2 h增加到6 h,CODCr去除率由72%~76%上升到86%以上,但水力停留时间超过6 h后,CODCr去除率基本保持稳定。

4.3 沼气产量随着IC厌氧反应器负荷的提高而提高,在80%负荷的情况下沼气产量达14 984 m3/d,当运行负荷提升至100%时,沼气产量达16 129 m3/d。

4.4 OCC制浆造纸废水在IC厌氧反应器80%设计负荷的情况下,出水CODCr浓度稳定维持在420 mg/L左右,可以有效降低后续好氧系统的运行负荷,从而降低后续好氧系统的能源消耗。

参 考 文 献

1

周 谦冯 敏. IC反应器处理OCC造纸废水调试运行[J].纸和造纸2021402):34-36. [百度学术] 

ZHOU QFENG M. Start-up of IC Reactor in Recycled Papermaking Wastewater Treatment[J]. Paper and Paper Making2021402): 34-36. [百度学术] 

2

郭方峥涂 勇曹 莹. IC反应器处理废纸造纸废水的试验研究[J].广东化工2016439):182-183. [百度学术] 

GUO F ZTU YCAO Y. Experimental Study on the Treatment of Waste Paper Papermaking Wastewater by IC Reactor[J]. Guangdong Chemical Industry2016439):182-183. [百度学术] 

3

丁建南于一尊金志农.附加外循环IC反应器启动试验[J]. 中国沼气2004224):29-31. [百度学术] 

DING J NYU Y ZJIN Z N. Startup Test of External Circulating-added IC Reactor[J]. China Biogas2004224):29-31. [百度学术] 

4

吴绪军鲁雷震马里千厌氧反应器中颗粒污泥的培育及应用研究进展[J].中国生物工程杂志20224211):140-154. [百度学术] 

WU X JLU L ZMA L Qet al. Research Progress of the Cultivation and Influencing Factors of Anaerobic Granular Sludge in Anaerobic Reactor[J]. China Biotechnology20224211):140-154. [百度学术] 

5

侯玉洁曾 科蔡发起. 不同种泥对IC反应器处理大豆蛋白废水启动的影响[J].工业用水与废水2007386):41-45. [百度学术] 

HOU Y JZENG KCAI F Q. Effects of different kinds of sludge on start-up of IC reactor in treatment of soybean protein wastewater[J]. Industrial Water & Wastewater2007386):41-45. [百度学术] 

6

罗 干李 燕李 俊. IC反应器的启动研究进展[J]. 环境保护科学20162):65-69. [百度学术] 

LUO GLI YLI Jet al. Progress in the Study of the Start-up of IC Reactors[J]. Environmental Protection Science20162):65-69. [百度学术] 

7

汪 琴张安龙侯银萍.某生产性IC 反应器内颗粒污泥钙化规律的追踪调研[J].中国造纸2020392):33-40. [百度学术] 

WANG QZHANG A LHOU Y P. Follow-up Investigation on Granular Sludge Calcification in an Operating IC[J]. China Pulp & Paper2020392):33-40. [百度学术] 

8

杨 斌蔡建华金 建. IC+A/O工艺在造纸废水生化处理中的应用与运行[J]. 环境与发展20183012):109-110. [百度学术] 

YANG BCAI J HJIN J. Application and operation of IC+A/O process in biochemical treatment of papermaking wastewater[J]. Environment & Development20183012):109-110. [百度学术] 

9

张小雷王建强杨延龙. IC反应器处理玉米深加工废水的酸化及恢复[J].工业用水与废水2023545):48-52. [百度学术] 

ZHANG X LWANG J QYANG Y L. Acidification and recovery of corn deep processing wastewater treated by IC reactor[J]. Industrial Water & Wastewater2023545):48-52. [百度学术] 

10

曹衍军秦 军郑德超.造纸废水厌氧处理及沼气提纯技术研究[J].中华纸业20234414):17-21. [百度学术] 

CAO Y JQIN JZHENG D Cet al. Study on Anaerobic Treatment and Biogas Purification of Papermaking Wastewater[J]. China Pulp & Paper Industry20234414):17-21. [百度学术] 

11

李广胜雷利荣.厌氧反应器处理造纸废水工程实践[J].中国造纸2018377) :53-58. [百度学术] 

LI G SLEI L R. Engineering Practice of Papermaking Wastewater Treatment by Anaerobic Reactors[J]. China Pulp & Paper2018377) :53-58. [百度学术] 

12

王双飞.造纸废水资源化和超低排放关键技术及应用[J].中国造纸2017368):51-59. [百度学术] 

WANG S F. The Key Technologies and Applications of Paper Wastewater Reuse and Ultra-low Emission[J]. China Pulp & Paper2017368): 51-59. [百度学术] 

13

侯欣悦尹 芳张无敌.以葡萄糖为基质的IC厌氧反应器产氢产甲烷比较分析[J]. 云南师范大学学报(自然科学版)2015356):23-27. [百度学术] 

HOU X YYIN FZHANG W Det al. The Comparative Analysis with Glucose as Substrate of IC Anaerobic Reactor to Produce Hydrogen and Methane[J]. Journal of Yunnan Normal University(Natural Science Edition)2015356):23-27. [百度学术] 

CPP [百度学术]