IC厌氧反应器及其在处理制浆造纸废水中的应用

造纸工业是国民经济发展的基础产业，对我国物质文明建设和精神文明建设起着重要作用，近年来也得到了前所未有的发展。但是，造纸工业也是资源消耗型的行业，其生产过程所消耗的纤维原料、水和煤炭等资源较多，于是造纸工业也成为了污染物排放较多的行业，在社会上产生了一定的负面影响。因此，加大造纸工业污染治理力度，是每一个企业的社会责任。造纸工业生产中所用的原料为天然纤维素原料，生产废水中的污染物主要是纤维素类物质的降解产物[1]，这些降解产物是一种生物质原料，若采用适当的方法，可使其转化为生物质制品和生物质能源。污水处理领域所用的厌氧技术，可以通过厌氧发酵使废水中的有机物转化为沼气（其主要成分甲烷是一种重要的生物质能源），同时还使废水中的污染物含量降低。因而这一方法在发现之初就受到人们的特别关注，并且越来越多地得到应用。IC反应器（InternalCirculationReactor），即内循环式厌氧反应器，是荷兰帕克（Paques）公司在其第二代反应器UASB（UpflowAnaerobicSludgeBed，即升流式厌氧污泥床）的基础上，于20世纪80年代中期开发的第三代高效厌氧反应器[2]。经过30多年的发展，IC反应器已成功应用于生活污水和多种工业污水（如酿造、食品等）的处理[3-6]，也逐渐开始在制浆造纸废水的处理中得以应用[7,8]。为此，本文对其IC反应器的结构、原理和应用做进一步的介绍。厌氧处理是在缺氧的环境里，有机物被厌氧细菌分解、代谢、消化，使废水中有机污染物的含量大幅减少，并产生沼气的一种高效污水处理方式。厌氧处理作为把环境保护、能源回收与生态循环相结合的综合性技术，是一种非常经济的处理方法，具有较好的环境与经济效益，在废水处理成本上比好氧处理有优势，特别是对中等以上浓度（COD1500mg·L-1）的废水更是如此[6,9]。与好氧处理相比，厌氧处理的成本较低，这是由于厌氧处理的动力消耗很少，以及营养物添加费用和污泥脱水费用的减少。即使不计沼气作为能源所带来的收益，厌氧法成本也仅为好氧法成本的约l/3；如所产沼气能被利用，则成本更会大大降低，甚至带来一定利润。厌氧处理的设备负荷高、占地少，反应器容积负荷比好氧法要高得多，反应器单位容积的有机物去除量也因此高得多，使用IC反应器更是如此。产生的剩余污泥量比好氧法少得多，剩doi:10.13472/j.ppm.2018.06.009IC厌氧反应器及其在处理制浆造纸废水中的应用（四川工商职业技术学院，四川都江堰611830）制浆造纸废水中含有丰富的纤维素类有机物，这类物质降解转化为多糖及单糖后，经过厌氧处理容易转化为沼气。经过多年的发展和完善，IC厌氧反应器在处理工业及生活污水上已得到广泛应用。在处理制浆造纸废水时，若能采用IC反应器，不仅使废水得以治理，还能够获得一定量的沼气资源。IC反应器；造纸废水；厌氧技术；沼气X793A1001-6309(2018)06-0032-05四川省教育厅2018年理科重点科研项目（18ZA0315）；四川工商职业技术学院2017年科研课题（2017NC03）；四川工商职业技术学院清洁生产技术创新团队建设项目。PaperandPaperMakingVol.37No.6Nov2018余污泥脱水性能好，浓缩时可不使用脱水剂，处理更容易。厌氧处理对氮和磷营养物的需求量小，好氧法氮和磷的需求量为COD:N:P等于100:5:1，而厌氧法为(350~500):5:1，有机废水一般已含有一定量的氮和磷及多种微量元素，因此厌氧方法可以不添加或少添加营养盐。处理高浓度的有机废水，不需要大量的稀释水。厌氧菌种可以在终止供给废水与营养的情况下保留其生物活性与良好的沉淀性能至少1年以上，这一特性为其间断的或季节性的运行提供了有利条件，厌氧颗粒污泥因此可作为新建厌氧处理厂的种泥出售。厌氧系统规模灵活，可大可小、设备简单、易于制作，且无需昂贵的设备[9,10]。因此，厌氧处理作为生物处理的一种重要形式，正在不断地开发出一系列新的厌氧处理工艺和构筑物，已逐步克服了传统厌氧工艺的缺点，在理论和实践上取得了很大的进步。1896年世界上第一座厌氧反应器在英国建成[9]，用来处理城市生活污水，所产生的沼气用于城市街道照明。之后，随着反应器的不断创新和发展，厌氧处理的效率不断提高。按照厌氧反应器开发的年代来划分，20世纪50年代以前开发的厌氧消化器为第一代厌氧反应器，20世纪60年代到70年代末开发的反应器为第二代反应器，20世纪80年代以来开发的反应器为第三代厌氧反应器[7,9]。第一代厌氧反应器的结构比较简单，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，污泥在反应器里的停留时间（SRT，SludgeRetentionTime）与废水的停留时间（HRT，HydraulicRetentionTime）是相同的，因此污泥在反应器里浓度较低，处理效果差。废水在反应器里要停留几天到几十天之久，主要用于污泥与粪肥的消化，尚不能经济地用于工业废水的处理。随着生物发酵工程中固定化技术的发展，人们认识到提高反应器中污泥浓度的重要性，于是基于微生物固定化原理，第二代厌氧反应器得以诞生。其技术核心在于，在反应器中加入固体填料，微生物由于附着生长在填料表面，免于水力冲刷而得到保留，巧妙地将平均水力停留时间与生物固体停留时间相分离，其固体停留时间可以长达上百天，使得厌氧处理高浓度污水的停留时间从过去的几天或几十天缩短到几小时或几天，使反应器的容积得以大大缩小，利于厌氧技术用于工业化的废水处理。污泥停留时间的延长与污泥浓度的提高使厌氧系统更具有稳定性，有效增强了对不良因素有毒物质的适应性。因此在20世纪50年代之后的30年里，厌氧废水处理技术很快得到推广应用，成为水污染防治领域里一项有效的新技术。除了常见的UASB反应器外，第二代厌氧反应器的代表主要还有厌氧滤器AF（AnaerobicFilter）、固定膜膨胀床AEB（AnaerobicExpendedBed）反应器和流化床AFB（AnaerobicFluidBed）反应器。但是，第二代厌氧反应器还存在一些问题，例如UASB反应器内可能出现短流现象，影响处理能力，当进水中的悬浮物浓度过高时还会引起堵塞。正是对于这些问题的研究，导致了第三代高效厌氧反应器的开发和利用。第二代厌氧反应器主要基于固体停留时间与水力停留时间的分离而发展的新型反应器，但是对于进水无法采用高的水力负荷和有机负荷的情况下，例如，在低温条件下采用低负荷工艺时，由于在污泥床内混合强度太低，以致无法抵消短流效应。为了获得高的搅拌强度，采用较高的反应器设计以获得高的上升流速或采用出水回流。为了解决上述问题，20世纪90年代初，以升流式流化床UABF（UpflowAnaerobicBedFilter）反应器、膨胀颗粒污泥床EGSB（ExpandedGranularS1udgeBed）、内循环IC反应器和折流板ABR（AnaerobicBaffledReacto）反应器为典型代表的第三代厌氧反应器相继出现，这些新型反应器大多数是在UASB反应器的基础上进行改进或叠加的新技术，增大了反应产物沼气上升的气流速度，从而产生了“带动”和“搅拌”作用，使厌氧反应中泥、水得以循环。其中，以IC反应器的应用较多。2.1IC反应器的结构如图1所示，IC反应器由第一厌氧反应室（污泥膨胀床区，底部）和第二厌氧反应室（精处理区，上部）叠加而成，每个反应室的顶部各有一个气、固、液三相分离器。在第一反应室的集气罩顶设有沼气提升管，直通IC反应器顶的气液分离器，分离器底部设一泥水下降管即回流管直通至IC反应器的底部。一级三相分离器、沼气提升管、气液分离器和泥水下降管构成了IC反应器的核心——内循环系统。图1IC反应器的结构[11]2.2IC反应器的工作原理如图1所示，原水由第一反应室进入，与颗粒污泥混合后，便开始生化反应，污泥床呈膨胀和悬浮状态，大部分有机物被转化为沼气。沼气产生的上升力使泥水向上流动，通过上升管进入顶部的气体收集室，气液分离，大部分沼气排出。沼气分离后，水和污泥混合液的密度变大，在重力和密度差的作用下，泥水混合液经回流管落至第一反应器的底部，形成内部循环流。第一反应室出水进入第二反应室，经过同样的反应过程后，从第二反应室的出水口排出。内循环作用使第一反应区的液相上升流速达10~20m·h-1，而第二反应区的液相上升流速仅为2~10m·h-1[12]。由于此区污泥浓度低，有机负荷亦较低，水力停留时间较长，且内循环流未经过这个区域，气流的搅动小，出现了微生物停留和层流环境，从而避免了高负荷冲击时污泥流失，保证了对一级分离器流出来的剩余COD的有效降解。二级分离器中沼气夹带泥水也通过上升管进入顶部气体收集室，沼气排出，水和污泥经过回流管流到反应器底部，参与内部循环。2.3IC反应器的特点2.3.1容积负荷率高且水力停留时间短通常，IC反应器进水有机负荷率一般可高出UASB反应器的3~4倍[13]。即使处理较低浓度的有机废水，如啤酒废水，当COD为2000~3000mg·L-1时，进水容积负荷率也可达20~25kgCOD·(m3·d)-1，HRT仅为2~3h，COD的去除率可达到80%以上。2.3.2节省基建投资和占地面积处理同样的废水，IC反应器的体积为普通UASB反应器的1/4~1/3，加之反应器的高径比较高，使其基建投资低，占地面积大大降低。2.3.3　抗冲击负荷能力强且具缓冲pH能力IC反应器的内循环流量与进水在第一反应室充分混合，使原废水充分稀释，提高了系统的抗冲击能力。并且可利用内循环流量中COD转化的碱度，对反应器内pH进行缓冲，可减少进水的投碱量[14]。2.3.4　沼气提升实现内循环不必外加动力IC反应器的内循环作用以自身产生的沼气作为提升的动力而实现，因而生产上不必另设水泵，从而节省能耗，降低废水处理成本。2.3.5　出水稳定性好因为IC反应器相当于上下两个UASB反应器的串联运行，废水经粗处理后又进入精处理区，出水水质较为稳定，生产上一般不会发生较大的波动。2.4　启动期短IC反应器的启动期一般为1~2个月就可以正常运行，而UASB反应器的启动期往往长达4~6个月[15]。最早的IC反应器是在1985年由荷兰帕克公司建造的中试装置，用来处理土豆加工过程产生的废水，该中试装置证明了IC反应器利用气提作用造成内部循环是可行的，可以采用高的有机负荷和获得高的去除效率。随后，于1988年建立了全球第一个规模生产的IC反应器，1992年建立了第二个工业化运行的IC反应器。之后，随着技术的完善，IC反应器逐渐用于啤酒、食品、柠檬酸、造纸等工业废水的处理，我国最早于20世纪90年代初引进IC反应器，用来处理啤酒生产中的废水。现在，随着环境保护政策的日益严格，厌氧处理技术在国外造纸工业中的应用日益广泛，包括废纸制浆造纸废水、高得率制浆废水以及黑液蒸发冷凝液[15,16]。3.1料片预处理废水制浆过程中料片的预处理废水，如料片洗涤PaperandPaperMakingVol.37No.6Nov2018水、预水解废水，这部分废水中没有添加化学药品，其中的溶解物是来自于纤维原料中低分子量的果胶、纤维素、半纤维素等。预处理废水有机物含量高，生化性能好，非常适合厌氧处理。国内某竹浆厂，用黑液蒸发系统的冷凝水来洗涤竹片，然后与竹片预水解废水混合，采用IC厌氧反应器处理，进水COD为9000mg·L-1，出水COD小于900mg·L-1，COD脱除率达到90%以上，每天产生0.5万m3的沼气，所产沼气送入锅炉燃烧，取得了较好的效益。金佰利（Kimberley-Clark）集团在墨西哥Oirzaba的造纸厂，以蔗渣为原料，生产漂白化学浆，用来抄造卫生纸、文化纸等薄页纸。为了处理蔗渣堆垛喷淋、蔗渣洗涤过程产生的高浓度有机废水（COD为9161mg·L-1，TSS为700mg·L-1），以IC反应器作为厌氧处理的主体设备，处理水量达2200m3·d-1，COD的脱除率达到90%以上，获得非常