IC反应器在造纸废水中的应用前景刘顺明

Ic反应器在造纸废水中的应用前景刘顺明陈嘉川杨桂花(山东轻工业学院制浆造纸工程省级重点学科山东济南523053摘要:关键词:扼要介绍了IC反映器的基本结构与原理,IC反应器的水利模型和动力模型,总结了反应器的优点,并结合工程实例展望了IC反应器的发展前景二c[反应器废水处理水利模型动力模型发展前景目前,常用好氧曝气法处理制浆造纸废水。该方法的优点是技术简单、成熟,对低负荷废水处理效率较高,一般经二段处理(机械沉降+生化曝气)即可达到国家排放标准。但好氧处理对高浓制浆造纸废水的效果则不尽理想,二段处理很难达标,废水厌氧生物技术由于其巨大的处理能力和潜在的应用前景,一直是水处理技术研究的热点。从传统的厌氧接触工艺发展到现今广泛流行的UASB工艺,废水厌氧处理技术已日趋成熟。随着生产发展与资源、能耗、占地等因素间矛盾的进一步突出,现有的厌氧工艺又面临着严峻的挑战,尤其是如何处理生产发展带来的大量高浓度有机废水,使得研发技术、经济更优化的厌氧工艺非常必要。内循环厌氧处理技术(以下简称IC厌氧技术)就是在这一背景下产生的高效处理技术,它是20世纪80年代中期由荷兰PAQuEs公司研发成功,并推入国际废水处理工程市场,目前已成功应用于土豆加工、啤酒、食品、柠檬酸和制浆造纸等废水处理中。实践证明,该技术去除有机物的能力远远超过普通厌氧处理技术(如uAsB),而且lC反应器容积小、投资少、占地省、运行稳定,是一种值得推广的高效厌氧处理技术。llC反应器的基本构造与工作原理图IIC反应器示意图1.2IC厌氧反应器的工作原理l[]上海造纸第39卷第5期气液分气昔路二级分离器上升管(沼气污沂和处理后的水)「「「引引lll厂厂}}}之之区——力LLL、、、入入式式——沙灯灯灯产了了---一一.卜卜卜卜卜卜卜卜卜卜卜卜个个个个个个/////人、、会会沙沙沙灯灯灯//////////{{{{{{{---飞飞飞飞之之二二二一级分离器下降管(回流的水和污泥)图ZIC厌氧反应器示意图预酸化后的废水通过IC反应器底部的布水系统,与循环回流的污泥和水充分混合后,进入反应器底部的厌氧污泥床。厌氧反应产生的沼气是整个反应器内循环的动力,非常高的上升流速将“泥”、“水”、“气”携带,并经“上升管”冲至反应器顶部气液分离器内,沼气由此被分离出来,泥水混合液再沿“下降管”循环降到反应器底部,这样形成一个内循环流。处理后的水经过下部的三相分离器上升至反应器的高位区进行后处理。在上部产生的沼气则被高位的三相分离器收集,沿第二条上升管也进入气液分离器。处理后的水最终经出水堰溢流排出。由于IC反应器的实际运行状态非常复杂,为了便于研究,在建立动力学模型时作如下一些假设:(l)进入反应器的基质在第l反应室按全混合状态处理,在第2反应室内的液体按推流状态处理。(2)在第2反应室内基质的降解速率对生物浓度和有机物浓度均为l级反应,在第2反应室内的基质降解速率与其浓度呈l级反应。(3)由于回流管的直径非常有限,内循环水中的基质停留时间很短,浓度又很低,可以认为基质在回流管中不发生降解。(4)反应器内的厌氧污泥浓度保持稳定,整个处理系统在稳态下运行。3lC反应器的水力模型3I]Ic厌氧反应器内部能够形成循环,并且水力混合剧烈,这一点与现有的气升式反应器(AirliftReaetor)很相似。于是Peerboom等人于1994年在气升式反应器水力模型的基础上提出了cI厌氧反应器的水力模型,形式如下:1.35+0.24(姚,+口,)093{书甲车书牛井}’`’、叽`一l石子与飞十{划一群》!叹2)ZIC厌氧反应器的动力学模型2[]IC反应器的基质降解动力学模型形式如下“=瓦不不骊.’`一”日式中.s—反应器出水基质质量浓度u致田/L;is—反应器进水基质质量浓度”软田L/;Xm—反应区污泥质量浓度翔色喇L,口—污水在第一反应室内的滞留时间,h.e—污水在第二反应室内的滞留时间,..hQ—进水流量,L/h,丑—回流比;践—反应器有效容积工:筑—第1反应室内基质降解的动力学系数,h一’;戈—第1反应室内基质降解的动力学系数,h一`。式中与一子十流管中的持气率.%llo一一气州夜扩散高度,m`扣一日习流管中的持气率.%K丁一月页部阻力损失系数sK一曰康部阻力损失系数A,一一子卜流管面积.厅Ad一月团流管面积.厅△H一升流管与回流管间的液位差.mugr一一于卜流管中的表观气相上升速度.叫sUL,一一于十流管中的表观液相上升速度.蒯s式(l)是关于气升式反应器的著名经验公式,1976年由肠Us得到。式(2)的原型式(3)是基于气升式反应器能量守恒提出的理论方程这一方程也得到了广泛认可。「一一晒和喘过,月。`’如二l不弋弃十{剑丫劫!吸3)2008年10月一35一I4C工艺技术优点表1污水处理可选用的厌氧工艺比较表指指标标ICCCUASBBB接角虹艺艺厌氧滤器器容容积负荷荷当今容积负荷最最处理标的污水预计计处理标的污水预计计不稳定,最佳效果不不(((kgCODm/3/d)))高的厌氧反应应5一6kgCOmD/,/d:::2一3kgCODm/3/ddd高于5吨eon/m3/ddd器器器,是uASB的的的的的44444一5倍。。。。。占占地面积积最小小小小大大大大出出水溢流堰截面面最小小小小大大大大毒毒性抑制i()的耐耐强强一般般马马马弱弱受受力力力力力力耐耐负荷冲击击最强强强强很弱弱弱弱维维修修最少少少少多多极多多副副产品可用性性厌氧颗粒污泥泥厌氧颗粒污泥泥只有沼气气只有沼气气和和和沼气气和沼气气气气进进水分布器赌塞塞不会会会会不会会会会上上流速度度smhhh/lm山山(.)4nl儿儿儿滤滤料堵塞塞无无无无无无严重重滤滤料老化化无无无无无无严重重此外IC还具有以下优点:(l)抗低温能力强:温度对厌氧消化的影响主要是对消化速率的影响。IC反应器由于含有大量的微生物,温度对厌氧消化的影响变得不再显著和严重。通常cI反应器厌氧消化可在常温条件(20、25℃)下进行,这样减少了消化保温的困难,节省了能量。(2)具有缓冲pH的能力:内循环流量相当于第1厌氧区的出水回流,可利用cOD转化的碱度,对pH起缓冲作用,使反应器内pH保持最佳状态,同时还可减少进水的投碱量。(3)内部自动循环,不必外加动力:普通厌氧反应器的回流是通过外部加压实现的,而IC反应器以自身产生的沼气作为提升的动力来实现混合液内循环,不必设泵强制循环,节省了动力消耗。(4)出水稳定性好:利用二级uASB串联分级厌氧处理,可以补偿厌氧过程中KS高产生的不利影响。VaniLer在1994年证明,反应器分级会降低出水vFA浓度,延长生物停留时间,使反应进行稳定。(5)启动周期短:IC反应器内污泥活性高,生物增殖快,为反应器快速启动提供有利条件。CI反应器启动周期一般为l一2个月,而普通UASB启动周期长达4一6个月。slC在造纸行业中的应用实例新一代厌氧内循环反应器自1996年工业试应用以来,己迅速应用于制浆造纸废水的处理。目前在世界范围内已建成的132台cI反应器中,已有23台正在造纸废水处理领域运行。荷兰PAPQEs环保技术公司在1996年以来的工程项目中,cI反应器工程的比例超过了uAsB反应器,制浆造纸工业已成为IC反应器应用较多的领域之一[310Ic反应器当前在制浆造纸行业应用较多的是各类以废纸作为原料的制浆造纸厂,其中包括脱墨和不脱墨的各类废纸制浆工艺废水的处理。下表列出了3家实现了废水达标排放的造纸厂利用CI工艺的情况。三家造纸厂的CI反应器的运行都证明,COD去除率是反应器容积负荷上海造纸第39卷第5期的函数。高负荷下coD去除率也较高,除了与’反应器容积负荷波动非常大,但反应器运行一进液浓度有关的生物降解性的变化外,较高的直非常稳定。这种情况表明IC反应器在浓度和去除率可认为是高负荷下由于产气量的增加,负荷大幅度波动的劣质工况下,具有非常好的流体的内循环比随之增大,使生物污泥和废水自我调节能力。之间产生了更强烈的接触。运行中COD浓度和表2三家纸厂lc反应器运行情况4[,5}厂厂家家废水种类类反应器容积积运行负荷荷进液COD浓度度COD去去涂率率(((((((m3)))(吨eoDzm,.d)))(m留l)))(%%%%%11111二次纤维制浆浆100005~2666650一2650006~0755522222废纸脱毓水水385559、20001510一29200058~744433333废纸脱墨废水水465559、24441250一35155561~8666比利时vPKondegemt6,造纸厂采用xe反应器作为封闭循环废水处理系统的关键设备,二次纤维制浆废水经IC反应器和曝气池处理后,COD浓度降低了50%,完全满足了该造纸厂的废水回用要求。此外,IC反应器在废水零排放造纸厂中已有成功应用的先例,如在荷兰一家纸板厂的零排放废水处理系统中,IC工艺结合气提反应器,使coD的去除率达到90%以上,BOD的去除率达到99%,完全达到节水和治污的双重目的。西班牙papeleradeladdequeria造纸厂采用同样的处理工艺,也完全实现了零排放的设计目的`6,7]。如在德国的wePa造纸厂,废水处理量为4000ml3d,采用容积为385耐、高Zom的IC反应器,进水COo在1510-292omg几,容积负荷在9一20kgz(m3·d),COD去除率为58%一74%l8,9]有机污染物具有广阔的发展前景,将越来越多的替代uSAB反应器,对于我国这样一个土地资源紧张,公司资金相对不足,而环保要求又比较迫切的国家,是具有很大的现实意义的,它将对我国造纸废水的处理发挥重要的作用,值得进一步开发与推广。6结语IC反应器具有超高的容积负荷率,处理容量大、投资少、占地面积小、启动快、运行稳定等特点,是对现代厌氧反应器的一个突破,随着对第三代厌氧(CI)反应器研究的不断深人,新型超高效厌氧反应器在工业上应用于废水处理参考文献:川戚恺cI反应器在造纸行业的应用0]国际造纸,2001,20(3):58一59l2]杨世关,张杰,张百良,等.cI反应器基质降解动力学特性.中国沼气,2004,22(2):28一2113」pereboomJHF.Methano罗incGarnuledevelopmentinfullsealeinternaleirculationreaetors口].WaterSeieneeandTechnology,1994,30(8):9一21·[41Diressen,WJ丑.M.ealt,nAaerobieetrametntofreeyeledpaPerniilleiffuentiwhthteInrem公eireulaitonreaetor,6thIAWQSymPosiumonForestIndustryWastewaterTamPere,FIilland,6一10,June1999【5」Habets,L月.A尤tal.ZeorEiffuentbyApPileaitonofbiolo邵ealTreamtentatHihgTelllPearuter,ResearehRePort,SPonsoredbyhteDuet帅rogarmEEF一999101贺延龄.废纸制浆造纸的封闭循环和零排放.中华纸业,2001,22(2):13一16171贺延龄.废水厌氧处理技术的新进展.纸和造纸,2001,94(6):45一48【81HabetsLHA.IntordueitonofhteICeractosrinthePaPerindustry·TechnicaRePort,PaquesBV,NehterlandS,1999,7.191Diressen哪BM,etal.Allaerobietreattnentofre叮eledPaPernlilleffluentiwthhteIntemaleirculationreaetor.6thIAwQSymposiumonForestIndus卿Wastewater,TamPere,Fiuland,19992008