改进型内循环厌氧反应器处理造纸废水的调试

Posted 2023-01-12 反应器

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利用改进型IC厌氧反应器在常温下处理造纸废水，经过2个月的调试，反应器启动成功形成内循环，再经过15天的提高负荷，反应器达到设计负荷12kgCOD.(m3.d)-1。进水COD稳定在10000mg.L-1左右，出水的COD在1400mg.L-1左右，出水VFA在5mmol.L-1以下，上流速度约为4m.h-1，HRT约为36h，生成的气体用来发电，目前理论上每天可发电约为6000kW.h。
河南新密市一家以废旧箱纸板为原料生产瓦楞纸的造纸企业为了实现节能减排、资源循环利用，在其原处理工艺中新建了改进型IC厌氧反应器，主要目的是用厌氧产生的气体发电。目前，发电机组正在安装阶段，预计产生的电能除了可以供整个污水处理厂用电外，还可以向其他部门供电。
1.工艺概况
1.1改进型IC厌氧反应器简介
改进型IC厌氧反应器是在IC厌氧反应器的基础上，通过增设外循环来提高反应器上升流速，提高传质效果，维持较高的污泥浓度，从而增强去除效果。反应器示意图如图1所示。反应器的内径为10m，高度为20m。

1.2水质情况
COD10000mg.L-1，pH6.73，BOD4100mg.L-1，SS600mg.L-1。
1.3工艺流程

1.4试验方法及监测数据
在调试中每天监测2次进出口COD、pH、VFA(挥发性脂肪酸)以及温度的值，每天监测每个取样口的VFA、pH值。
COD采用国标法；pH用pH-S型pH计测定；温度用温度计测定；VFA用滴定法测定。
2.改进型IC厌氧反应器启动与提高负荷阶段
2.1改进型IC厌氧反应器启动阶段
2.1.1接种污泥
接种污泥取自郑州市某淀粉厂的颗粒污泥。污泥的挥发性悬浮固体(MLVSS)与混合液悬浮固体(MLSS)的比例为0.72，污泥分批用泵注入反应器中，第一次投加60m3含水率为90%的颗粒污泥，以后又分10次投加含水率为97%的污泥400m3。污泥体积约占反应器总体积的1/3。
2.1.2进水
调试刚开始的时候一边进泥一边进水，考虑到淀粉厂的污泥对造纸废水不适应以及刚开始调试污泥负荷不能太高，所以进水为二沉池出水，当厌氧反应器加完泥、注满水并且开始启动外部循环以后，再开始进原水。刚开始间断进水，后来连续少量进水并通过增加原水的量来不断提高负荷，直到满负荷运行。
2.1.3营养盐的投加
由于制浆造纸废水中的N和P含量低，所以必须投加一定的营养物质，在刚开始时按照C：N：P=300：5：1，随着反应器正常运行后按照C：N：P=500：5：1投加。
2.1.4pH的控制
正常情况下进入厌氧反应器的水的pH值在6.7左右，调试过程就不需要调节pH。另外厌氧反应器里面的pH值应当维持在7.0以上，在这次调试过程中用氢氧化钠来调节pH值，当进水pH小于6.5时，加氢氧化钠调节pH到6.8左右；当进水pH高时，可以用酸调节pH值。
2.1.5启动初期
由于厌氧反应器的启动是在常温下进行的，刚开始时温度在15℃左右，而且用的是淀粉厂的颗粒污泥来接种的。考虑到温度低、污泥不适应废水、反应器不能一下注满并形成外循环以及污泥不能一次性投加够等问题，为防止污泥受到负荷冲击以及有可能产生局部酸化，所以应当选用COD含量少的水来注满反应器，在向反应器注水之前应当控制进水的pH，防止产生酸化。本次启动是用二沉池出水来注满反应器的，并且在注水前应当调节pH大于7.5，同时根据每天监测的各个取样口的pH值的变化来决定进水的pH值。注满反应器后打开外部循环使反应器循环一天，使反应器中的泥水混合均匀，这时应该控制好上流速度，上流速度的大小以没有颗粒污泥从反应器出口流出为宜。第2天对反应器水质进行监测得到出水COD为1300mg.L-1左右，pH在7.45左右，VFA在2.4mmol.L-1，各取样口的VFA和pH相差不大。这主要是因为在启动初期反应器中的污泥还没有适应污水，降解能力还不强。后来随着温度的升高以及反应器中的微生物量的增加，各个取样口的pH与VFA分布规律是取样口的pH随着高度而增加，而VFA随高度变小。这主要是由于污水进入反应器后先进行水解酸化然后再进行产甲烷，水解酸化产生了VFA使得pH变小；而随着VFA被利用并转化为甲烷后，VFA会变小，同时pH会升高。从第2天的检测结果看满足进水条件可以进水，因为接种是颗粒污泥，所以刚开始按照0.5kgCOD.(m3.d)-1的体积负荷进行启动，间歇进水约40m3，COD约为18000mg.L-1，第3天监测的COD值为2100mg.L-1，而pH值在7.40左右，VFA为8mmol.L-1。由于VFA过高以及pH值降低，所以第3天没有进水而是打开外循环进行连续循环。第4天测定出水的COD在5200mg.L-1，VFA在10mmol.L-1，pH值在7.36左右，分析出现上面现象的原因是由于在夜间浮球开关失灵使污水进入反应器中所致。所以立即停止进水，连续循环并观察出水的COD、VFA、pH以及各个取样口的VFA和pH。经过3天的监测发现pH、VFA变化比较小，其中pH下降到7.30左右，VFA为18mmol.L-1，COD上升到6000mg.L-1，但从第4天以后开始好转，pH开始上升，VFA与COD开始下降，这说明颗粒污泥抗冲击能力强，造纸废水难降解且不易酸化。经过10天的连续循环，出水COD下降在3000mg.L-1左右，VFA为6mmol.L-1左右，pH在7.50左右。在循环运行期间发现1、2、3号取样口的颗粒污泥有分层现象，同时出水SS浓度上升以及出水口有颗粒污泥流失，经观察发现流失的颗粒污泥结构松散，属于空心的污泥。分析原因主要是温度低、污泥不适应造纸废水以及遇到冲击等原因所致。从第15天开始每天进水40m3，COD约为16000mg.L-1左右，连续进水2天后，也就是连续运行的第17天监测得到COD去除率接近97%左右。同时VFA、pH基本保持不变。所以从第18天开始提高进水负荷，由于造纸废水难降解不易酸化，所以刚开始按照15%来提高负荷，后来随着温度的上升以及反应器中微生物量的增加，负荷的提高也不断增加，最高到达30%。几乎每次负荷的提高时间在2～4天就可以了。随着处理水量的不断增加和处理效果的不断提高，反应器上方的上升管中的液位不断上升，同时气液分离器中排出的气体量也越来越多，经过近2个月的调试，当反应器负荷达到7kgCOD.(m3.d)-1时，IC厌氧反应器形成内回流，标志反应器启动成功。
2.2改进型IC厌氧反应器负荷提高阶段
当反应器启动成功形成内回流后，继续增加进水量来提高负荷，每次提高负荷控制在20%，当反应器中COD去除率大于80%，VFA小于5mmol.L-1作为提高负荷的条件，在实际运行中每次负荷的提高需要3～5天。经过20天反应器达到设计负荷12kgCOD.(m3.d)-1。随着温度的上升和微生物量的增加以及上升流速的提高，最终的出水COD约为1400mg.L-1，去除率接近84%，出水VFA在5mmol.L-1以下，pH约为7.55左右。
3.遇到的问题及解决措施
3.1原水COD值过高，无法直接进入厌氧反应器
由于该企业是零排放企业，污水全部循环利用，所以刚开始时COD高达25000mg.L-1以上，原水经过水解酸化后COD在18000mg.L-1左右，考虑到COD过高，直接进反应器可能会对反应器产生冲击。结合当时现场情况，在启动初期将二沉池出水回流一部分用来稀释原水，然后经水解酸化后再进入厌氧反应器，以减小进水浓度对反应器的冲击。
3.2出水VFA值的确定以及提高负荷标准的确定
在反应器启动的初期，反应器受冲击后由于出水的VFA值在6mmol.L-1左右，按照相关资料介绍VFA必须在3mmol.L-1以下时才可以提高负荷，因此按照经验停止进水，让厌氧反应器循环运行3天后，发现3天中COD在3000mg.L-1左右，几乎没有变化，而VFA一直在6mmol.L-1左右，pH稍微有所上升，在7.52左右。分析原因主要是由于原水循环时间长、水中惰性COD含量多、VFA采用滴定法测量本身有一定误差、启动初期温度低产甲烷菌增长慢以及在启动初期反应器进出水量少(主要是在循环)等，所以导致VFA的值在6mmol.L-1左右。同时据资料介绍，当pH>7时，VFA对产甲烷菌没有毒性。所以经过以上分析以后，以VFA为6mmol.L-1以及COD为3000mg.L-1作为基础，按照连续循环期间COD值每天的去除情况来确定体积负荷为0.4kgCOD.(m3.d)-1。因此每天间歇进水40m3，COD为16000mg.L-1，连续进水两天后出水COD去除率在97%左右，VFA在8mmol.L-1左右，pH为7.50左右基本稳定。所以将COD处理率大于85%，出水VFA在8mmol.L-1以下作为提高负荷的依据，随着温度的上升以及微生物的不断增殖，出水的VFA逐渐减小，最终保持在5mmol.L-1以下。
3.3在启动初期由于浮球开关失灵，COD从2100mg.L-1直接上升到5200mg.L-1，导致反应器在启动初期受到冲击分析反应器中COD忽然上升到5000mg.L-1的原因后，当时的处理方案有两个：第一，向反应器中注入二沉出水替换一部分反应器中的高浓度废水，以此来降低反应器中的污泥负荷，减少对反应器的冲击。第二，考虑到接种污泥是厌氧颗粒污泥，其抗冲击能力强，5kgCOD.(m3.d)-1的负荷对颗粒污泥而言不算高。所以可以停止进水，通过反应器连续循环来使颗粒污泥逐渐适应此时的负荷，从而逐渐降低出水COD。采用第一种方案可以减小高负荷对反应器的冲击，但是会延长反应器的启动时间。因此采用了第二种方案。经过3天监测，COD从5200mg.L-1上升到6000mg.L-1，pH从7.40降到7.30，VFA从8mmol.L-1上升到18mmol.L-1，从第4天起COD、VFA开始下降，pH开始上升。经过10天的循环出水COD在3000mg.L-1，pH在7.5左右，VFA在6mmol.L-1左右。说明反应器已经度过冲击影响，开始好转。但是由于当时温度低，加上污泥受到冲击负荷的影响，使得一部分污泥解体，出水SS升高。建议在启动初期遇到类似问题可以选择第一种处理方案。
3.4在厌氧反应器启动成功后，在提高负荷阶段反应器上部出现大块浮泥，同时出水COD、VFA升高，pH下降出现这种现象后，首先分析进水pH以及COD，发现并无太大变化，其次对车间出水进行分析，发现车间生产时加入了杀菌剂，杀菌剂对微生物有毒害作用。因此对杀菌剂用量进行了控制，经过3天后浮泥现象逐渐消失，出水COD、VFA以及pH均恢复到以前水平。
4.总结
在常温下利用改进型IC厌氧反应器对制浆造纸废水进行处理，在调试刚开始时由于污泥还不适应造纸废水，所以负荷的提高应该小一些，同时要控制好进水水量，防止其对反应器产生冲击。在调试中期负荷的提高可以大一些。在调试中虽然出水VFA的值在8mmol.L-1左右，但是pH一直稳定在7.4左右，因此在调试的前期VFA可能会有些高。在实际工程应用中对于VFA到底为多大才能作为提高负荷的标准，这应该综合考虑pH与COD的变化来确定。经过近75天的调试，反应器达到设计负荷12kgCOD.(m3.d)-1，进水COD在10000mg.L-1左右，出水在1400mg.L-1左右，去除率接近86%，出水VFA在5mmol.L-1以下，出水pH稳定在7.55左右，产气效果好。目前该企业正在进行甲烷发电机组的安装。预计其发电量可以供整个污水处理用电量，实现真正意义上的节能减排。