高效内循环厌氧反应器处理化工废水的研究

北方环境第２５卷第９期２０１３年９月　高效内循环厌氧反应器处理化工废水的研究　王勇清　（苏州科太环境技术有限公司，江苏２１５０１１）　摘要：化学工业是国民经济的重要产业，但在生产过程中产生的废水对环境产生了重大影响。本文研究的目　的是探讨ＩＣ反应器处理废纸造纸废水及其典型污染物的可行性、运行效果及运行参数。研究表明：该反应器　不仅具有优良的有机物去除能力，而且由于其良好的结构条件，可根据不同的进水浓度，合理调节污染物负　荷，实现系统的稳定运行。在进水温度为常温２０—３０℃条件中化工废水的ＣＯＤ　去除率为６０～８５％，结果表　明ＩＣ反应器是一种高效、低能耗的废水处理工艺。　关键词：化工废水；高效内循环厌氧反应器；厌氧生物处理　中图分类号：Ｘ７０３．１　文献标识码：Ａ　文章编号１００７—０３７０（２０１３）０９—００４８—０４　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　Ｔｒｅａｔｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｈｉｇｈ　Ｅｆｉｃｉｅｎｔ　Ｃｉｒｃｕｌａｔｅ　Ａｎａｅｒｏｂｉｃ　Ｒｅａｃｔｏｒ　ｉｎ　Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｗａｓｔｅｗａｔｅｒ　ｆＷａｎｇ　Ｙｏｎｇｑｉｎｇ　（Ｓｕｚｈｏｕ　Ｋｅｄａｉ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｊｉａｎｇｓｕ　２１５０１　１）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｃｈｅｍｉｃａｌ　ｉｎｄｕｓｔｒｙ　ｐｌａｙｓ　ａｎ　ｉｍｐｏｒｔａｎｔ　ｒｏｌｅ　ｉｎ　ｎａｔｉｏｎａｌ　ｅｃｏｎｏｍｙ，ｂｕｔ　ｔｏ　ｄｅｖｅｌｏｐ　ｃｈｅｍｉｃａｌ　ｉｎｄｕｓｔｒｙ－ｔｈｅ　ｔｒｅａｔｍｅｎｔ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｓｈｏｕｌｄ　ｂｅ　ｒｅｓｅａｒｃｈｅｄ　ａｎｄ　ａｐｐｌｉｅｄ　ｔｏ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ｐｒａｃｔｉｃｅ，ｗｈｉｃｈ　ｃａｎ　ｒｅｄｕｃｅ　ｏｒ　ｅｖｅｎ　ｅｌｉｍｉｎａｔｅ　ｔｈｅ　ｄａｍａｇｅ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｅｃｏｌｏｇｙ．Ｔｈｅ　ｐａｐｅｒ　ｓｔｕｄｉｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙ，ｅｆｉｃｉｆｅｎｃｙ，ａｎｄ　ｆｕｎｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｃｈｅｍｉｃａｌ　ｉｎｄｕｓｔｒｙ　ｗａｓｔｅｗａｔｅｒ　ａｎｄ　ｉｔｓ　ｔｙｐｉｃａｌ　ｃｏｎｔａｍｉｎａｎｔｓ　ｔｒｅａｔｍｅｎｔ　ｗｉｔｈ　ａｎ　ＩＣ（Ｉｎｔｅｒｎａｌ　ｃｉｒｃｕ—　ｌａｔｉｏｎ）ａｎａｅｒｏｂｉｃ　ｒｅａｃｔｏｒ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔ　ｏｆ　ｔｅｓｔ　ｉｎｄｉｃａｔｅｄ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｒｅａｅｔｏｒ　ｈａｓ　ｃａｐａｃｉｔｙ　ｏｆ　ＣＯＤ　ｒｅｍｏｖａｌ　ａｎｄ　ｃｏｌｏｕｒ，ｒｅａｓｏｎａｂｌｅ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ，ｓａｆｅ　ａｎｄ　ｃｏｎｖｅｎｉｅｎｔ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎ　ｉｎ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｐｏｌｌｕｔａｎｔｓ　ａｓ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ　ｑｕａｎｔｉｔｙ，Ｕｐｆｌｏｗ　ｂｌａｎｋｅｔ　ｆｉｌｔｅｒ　ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌ　ｒｅａｃｔｏｒ　ｈａｓ　ｓｐｅｃｉｉｆｃ　Ｐｒｏｐｅ￣ｙ　ｏｆ　ｑｕｉｃｋｌｙ　ｓｔａｒｅｄ，ｓｈｏｒｔ　ｔｉｍｅ　ｉｎ　ｆｏｒｍ　Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ　ｓｌｕｄｇｅ　ａｎｄ　ｂｅａｒｉｎｇ　ｄａｓｈ　ｌｏａｄ　ａｓ　ｈｉｇｈ　ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｍｉｃｒｏｏｒｇａｎｉｓｍ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔ　ｏｆ　ｔｅｓｔ　ｓｈｏｗｅｄ　ｔｈａｔ　ＣＯＤ　ｒｅｍｏｖａｌ　ｒａｔｅ　ｉｓ　６０～８５％ｉｎ　ｐｏｌｌｕｔａｎｔｓ　ｂｅｔｗｅｅｎ　２０　ｔｏ　３０　ｏＣ，ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔ　ｏｆ　ｔｅｓｔ　ｉｎｄｉｃａｔｅｄ　ｔｈａｔ　ＩＣ　ａｎａｅｒｏｂｉｃ　ｒｅａｃｔｏｒ　ｉｓ　ａ　ｗａｓｔｅｗａｔｅｒ　ｔｒｅａｔｍｅｎｔ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｗｉｔｈ　ｈｉｇｈ　ｅｆｉｃｉｆｅｎｃｙ　ａｎｄ　ｌｏｗ　ｅｎｅｒｇｙ—ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：Ｃｈｅｍｉｃａｌ　ｉｎｄｕｓｔｒｙ　ｗａｓｔｅｗａｔｅｒ；Ｉｎｔｅｒｎａｌ　ｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ　ｒｅａｃｔｉｏｎ；Ａｎａｅｒｏｂｉｃ　ｔｒｅａｔｍｅｎｔ　引言　在我国工业废水中，化工废水排放总量是全国工　业废水排放总量的重要来源，居各行业废水前列，据　统计化工废水每年的排放量在２．８８×１０　吨　Ｊ。化工　能源，污泥易于处置等优点在废水处理中发挥着越来　越大的作用。内循环（ＩＣ）厌氧反应器是由荷兰　Ｐａｑｕｅｓ公司于２０世纪８０年代中期在ＵＡＳＢ反应器的　基础上开发成功的高效厌氧反应器。此反应器将活　性污泥法和流化床结合起来，运用了高速射流曝气、　废水成分多样，包括合成橡胶、合成塑料、人造纤维、　合成染料、油漆涂料、制药等过程中排放的废水，具有　物相强化传递、紊流剪切等技术。因此，其空气氧的　转化率高，反应器的容积负荷大，水力停留时间短。ＩＣ　强烈耗氧的性质，毒性较强，且由于多数是人工会成　的有机化合物，因此污染性很强，不易分解。为了达　到经济效益、社会效益和环境效益的三者有机结合和　可持续发展，因此必须对化工废水进行有效的处理方　反应器是由２个ＵＡＳＢ反应器单元相互叠加而成，其　主要特点是反应器内部能够形成流体循环，使得有机　物与颗粒污泥的传质加强，反应器的处理能力得到提　高。鉴于ＩＣ反应器在治理其它工业废水（如印染废　水）上的广泛应用，ＩＣ反应器对化Ｔ废水的研究报道　较少。因此，本文以ＩＣ反应器处理取自无锡某化工厂　来的化学废水，进行厌氧生物处理的研究，研究结果　可排放到自然水体当中。　国内外针对化工废水的处理手段较多，如物理处　理法、化学处理法、物理化学法和生物处理法，其中生　物处理法优点鲜明。厌氧技术以其运行成本低，节约　．．．——４８－－－－——　高效内循环厌氧反应器处理化工废水的研究王勇清　为ＩＣ反应器处理化工废水的可行性提供科学依据和　理论基础。　水质如表１所示。　１材料与方法　１．１试验装置启动　本文的颗粒污泥采用某厂内ＵＡＳＢ反应器的颗粒　污泥作为种泥进行培养驯化，接种后用已经预处理过　的无锡某化工厂，持续２４　ｈ进行活化培养，进水的　ＣＯＤ从５００　ｍｇ／Ｌ逐渐增加至２０００ｍｇ／Ｌ，直至反应器　启动，当ＣＯＤ去除率达到８０％以上，容积负荷达到１０　ｋｇ　ＣＯＤ／（ｍ　・ｄ），此过程时间为３个月。　内循环系统是Ｉｃ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。　１．２试验水质　实验所用废水由某化工厂提供，并经过人工调适　至所需浓度，此化工废水呈强碱性，颜色呈深褐色，其　表１实验所用的废水特性　图１—１　ＩＣ厌氧反应器的结构　１．３测定方法　或球形，边界清晰，呈黑灰色，稍泛棕色，颗粒表面有　ａ．ＣＯＤ：重铬酸钾氧化法　；ｂ．ＢＯＤ　：稀释接种　法［１］；ｃ．ＳＳ，ＶＳ：称重法¨　；ｄ．总磷：比色法；ｅ．　较多孔穴，以便于底物与营养物质进入颗粒内部和逸　出内部菌体产生的气体，反应器颗粒污泥粒径与接种　污泥相比发生了明显的变北。成熟的颗粒污泥也具　ｐＨ：便携式ｐＨ计计　。　２结果与讨论　２．１　ＩＣ反应器的颗粒污泥培养结果　有良好的沉降性能，具有较好的去除效果。　２．２　ＩＣ反应器的ＣＯＤ负荷变化　在反应器启动初期，污泥较为松散，整个系统处　于自循环阶段，污泥颗粒化程度不高，大部分污泥呈　絮状；之后，系统进入颗粒污泥形成期，可明显观察到　形成了薄的生物膜，较重污泥颗粒和分散絮状污泥可　图２显示的是Ｉｃ反应器处理化工废水的容积负　荷与运行时间的关系，Ｉｃ反应器经过适应期（第１—　９０天），运行期。普通厌氧反应器的开始负荷不应太　高，在１．４—３．５　ｋｇ　ＣＯＤ／（ｍ　・ｄ）范围，但本实验直　接用化工废水进行启动，未添加人工配置的废水，刚　进行选择，污泥床逐步保留了颗粒污泥，絮状污泥在　过滤床粘附，从而形成生物膜。之后，进入颗粒污泥　开始的容积负荷也可达到９　ｋｇ　ＣＯＤ／（ｍ　・ｄ）左右，表　明颗粒污泥形成过程良好。从第９０天开始后，污泥负　荷可逐渐提高到２０　ｋｇ　ＣＯＤ／（ｍ　・ｄ）左右，此阶段可　成熟期，过滤床生物进一步增厚，而颗粒污泥直径约　为０．２—１．５　ｍｍ。之后，进入稳定期，污泥床颗粒污泥　层形成，过滤床生物膜膜厚稳定，具备进行生产投运　的条件。成熟的厌氧颗粒污泥呈相对规则的椭圆形　观察到底部污泥层较快地增长，原因可能是先获得充　足的营养而使得厌氧颗粒污泥的形成速度得到显著　－－－－——４９－－－－——　北方环境第２５卷第９期２０１３年９月　增强。从微生物学角度看，它实质是菌种由休眠状态　恢复，即活化过程，在这一过程中经过了９０天，启动时　间较长。较大的容积负荷可为微生物的生长提供足　够的营养源，若负荷不够，则微生物会进行大量的内　源呼吸，不利于繁殖。在ＩＣ反应器启动之后，容积负　荷出现一定波动，原因在于所需要的厌氧微生物如甲　烷菌等生长过程出现缺素现象，或甲烷菌适宜的生长　ｐＨ值不在６．５～７．０范围之内，但短暂的添加药物之　后容积负荷则有所恢复。　Ｉ　Ｉ　ｌ　２｜０　２　｝ｌ嚣瓣　图２　ＩＣ反应器启动后的容积负荷变化曲线　２．３　ＩＣ反应器对化工废水ＣＯＤ的去除效果　图３显示的是ＩＣ反应器处理化工废水ＣＯＤ的去　除效果对比。从图３中进水ＣＯＤ的变化可知，在反应　器的启动阶段，为了适应微生物的生长，负荷逐渐增　大最后稳定在化工废水的平均值；此外反应器的出水　瓣　堪ｍ“　一　ＣＯＤ的浓度也随进水ＣＯＤ浓度的变化而变化，在第　９０天，出水ＣＯＤ开始明显下降，其ＣＯＤ去除率为　４０％，ＣＯＤ去除率基本上都是在提高负荷时升高到　７０％左右，最后稳定在８５％左右。在废水的厌氧处理　过程中，废水中的有机物经大量微生物的共同作用，　被最终转化为甲烷、二氧化碳、水、硫化氢和氨。在此　过程中，不同的微生物的代谢过程相互影响，相互制　约，形成复杂的生态系统。化工废水中含有大量流失　的有机物等，这些高分子有机物在废水中以悬浮物、　胶体或溶解物的形式存在，在含氧的条件下去因可生　化性差而去除效果较差。整个处理过程中随容积负　荷不断提高，反应器受到流量的冲击过程，在每一个　负荷冲击段，ＣＯＤ去除率都是先稍有下降，一般在　７０％，但是恢复几天后可再回到８５％以上。从１９０—　２７０天，反应器处于稳定阶段。随着污泥颗粒化和容　积负荷的提高，有少量沉降性能不好的颗粒污泥被洗　一５０一　出，这是因为以流量调节负荷的过程中，随着ＨＲＴ的　减小，上流速度增加造成污泥床过度膨胀，以致污泥　流失。　擀　２ｍ，　２｛㈣　ｌｍ’　Ｉｆ　抖Ｉ　‘Ｉ　　’…　”　５　’｝ｊ　’　ｑ　：”’：　：　：　图３　ＩＣ反应器对化工废水ＣＯＤ的去除效果　２．４　ＩＣ反应器的影响因子　２．４．１进水负荷对ＩＣ反应器的影响　图３也显示了ＩＣ反应器对化工废水ＣＯＤ的去除　过程中，进水负荷对ＩＣ反应器的影响情况。由于进水　ＣＯＤ浓度波动较大，受进水水质影响ＣＯＤ去除率变　化起伏也较大，一直不稳定，但出水ＣＯＤ浓度一直趋　于平稳，表明了Ｉｃ反应器的抗冲击负荷能力较强，原　因在于进水ＣＯＤ浓度大时，反应器容积负荷也高，产　气量大，相应内循环量也大，稀释高浓度的进水能力　强；相反，进水ＣＯＤ浓度小时，产气量小，相应内循环　量也小，稀释进水能力弱，ＩＣ反应器的内循环可让反　应器的出水稳定。　２．４．２　ＨＲＴ对去除效果的影响　水力停留时间（ＨＲＴ）是厌氧反应的一个重要参　数之一，也是影响处理效果的关键因素，并直接决定　工程应用的投资。当Ｉｃ反应器全部启动后，为了解　ＨＲＴ的大小对反应器的影响，本文此外研究了不同　ＨＲＴ对化工废水连续运试反应器的影响情况，结果见　表２。表２中显示ＨＲＴ从２．１３降到１．０１，出水的　ＣＯＤ从３５７升高到７５２ｍｇ／Ｌ，但ＣＯＤ去除率却较为平　稳，表明水力停留时间ＨＲＴ对ＣＯＤ去除率影响不是　太大，也就表明了Ｉｃ反应器系统的抗冲击负荷的能力　较强。ＣＯＤ去除率和容积产气率分别稳定在７０％一　８０％和０．４２—１．０　ｍ　／（ｍ。・ｄ）左右，反应器状态稳　定，说明在设定的进水ＣＯＤ浓度下，可进一步调整　ＨＲＴ。ＩＣ反应器内微生物对容积ＣＯＤ负荷的上升较　敏感，但随着运试时间的延长，微生物的适应性也逐　渐增强，ＣＯＤ去除率也逐渐提高。　高效内循环厌氧反应器处理化工废水的研究王勇清　线　２．４．３　温度　效率。　图４显示的是温度对ＩＣ反应器ＣＯＤ去除率的影　２．ＩＣ反应器处理较高的有机负荷，最高可达到　响。通过记录不同温度下ＩＣ反应器的去除率的变化　４５．２６　ｋｇ　ＣＯＤ／（ｍ　・ｄ），ＣＯＤ去除率在７０％以上，系　情况来研究温度对ＩＣ反应器ＣＯＤ去除率的影响，温　统运行良好。　度的影响其主要表现在于ＩＣ反应器对于温度变化而　３．通过实验调试，可知出水ｐＨ值维持在７．５左　使出水水质变差后恢复的能力，另外则是Ｉｃ反应器在　右，产甲烷菌的生长较为良好且系统的稳定。４．本实　持续低温条件下运行的能力。图５显示了ＩＣ反应器　验优化了ＩＣ反应器的反应条件，如不同进水负荷对　在运行时期的温度在１８—２８℃之间浮动，ＣＯＤ去除　ＩＣ反应器的影响，温度维持在２２￣Ｃ以上，而ＨＲＴ则影　率在６４～９０％之间波动。当温度高于２４℃时，温度　响不大维持在２ｈ，左右即可。　的变化无没有影响，ＣＯＤ去除率维持在８０％以上，出　参考文献　水ＣＯＤ均低于４００　ｍｇ／Ｌ。原因在于ＩＣ反应器在运　［１］虢清伟，杨仁斌，吴根．内循环（ＩＣ）厌氧反应器的发展　行了稳定后，对温度的变化有一定适应性，因为长时　与应用［Ｊ］．云南环境科学，２００４，２３（１）：４０—４３．　间常温的驯化，反应器内能适应外部温度变化的厌氧　［２］吴静，陆正禹，胡纪萃，等．内循环厌氧反应器处理葡萄　糖配水的启动研究［Ｊ］．中国沼气，２０００，１８（４）：１６—１９．　微生物逐渐占据优势，也即温度对微生物内部控制和　［３］涂保华，王建芳，张雁秋．ＵＡＳＢ反应器中颗粒污泥的　参与其新陈代谢活动的酶的影响。当温度低于２Ｏ　培养［Ｊ］．污染防治技术，２００３，１６（３）：６５—６７．　时，ＣＯＤ去除率有下降的趋势，出水ＣＯＤ也回到７００　［４］彭厚武．厌氧消化技术发展前景广阔［Ｊ］．工业微生　～８００　ｍｇ／Ｌ，ＩＣ反应器表现很不稳定。　物．１９９７，２７（３）：３２—３４．　［５］赘延龄．废水的厌氧生物处理［Ｍ］．北京：中国轻工业　出版社，１９９８．　［６］Ｍ　Ｋ　Ｎ　Ｙｅｎｋｉｅ，Ｓ　Ｕ　Ｇｅｉｓｓｅｎ，Ａ　Ｖｏｇｅｌｐｈｏｈ１．Ｂｉｏｄｉｎｅｔｉｃｓ　ｏｆ　ｗａｓｔｅｗａｔｅｒ　ｔｒｅａｔｍｅｎｔ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｈｉｇｈ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｃｏｍｐａｃｔ　ｒｅａｃｔｏｒ　（ＨＣＲ）［Ｊ］．Ｔｈｅ　Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｊｏｕｒｎａｌ，１９９２，（４９）：Ｂ１　一Ｂ１２．　［７］李显康，等．介绍ＨＣＲ废水处理新技术的特点［Ｊ］．广　东造纸，１９９７，９７（４）：２４—２６．　Ｏ　ｌ。　勰　∞　幻　∞　麴　７＂０　避　黔　棚　［８］孙剑辉，倪利晓．新型高效厌氧反应器厌氧复合生物反　图４温度对ＩＣ反应器ＣＯＤ去除率的影响　应器的研究进展［Ｊ］．环境污染治理技术与设备，２０００，１（６）：２０　—２４．　３　结论　收稿日期：２０１３—６—２６　１．本实验中，ＩＣ反应器在８０—９０　ｄ出现内循环，　作者简介：王勇清（１９８０一），男，江苏南通人，项目经理，注　９０　ｄ后化工废水提高到高负荷时，仍有较高ＣＯＤ去除　册环评工程师，主要研究方向为环境影响评价．　一５１一　雄