制浆造纸废水是一种废水量大、难处理的工业废水,有种类繁多、浓度极高、含大量渣滓、难生物降解等特点^[1] ,若得不到有效的处理,会对水环境造成严重的污染。据调查统计,2014年我国共排放制浆造纸废水27.6亿m³,化学需氧量47.8万t,氨氮1.6万t^[2] ,可见我国制浆造纸废水排放总量大,废水处理问题也因此显得重要。IC反应器是当今容积负荷最高的厌氧反应器,而微曝氧化沟与表面曝气的氧化沟相比,具有耗能低的优势。采用IC-微曝氧化沟组合工艺作为制浆造纸废水的生化处理工艺,可取得良好的环境效益和经济效益。本文结合广东银洲湖纸业基地制浆造纸废水处理系统,对IC-微曝氧化沟生化处理制浆造纸废水进行探讨。

　　 广东银洲湖纸业基地是广东省3大纸业基地之一。该基地废水处理厂作为配套环保工程,主要为当地的造纸企业服务。纸业基地废水来源主要为废纸再生废水、废纸脱墨废水及造纸废水。

　　 本废水处理厂处理规模为8万m³/d,主要为制浆造纸生产废水,其中包括少量生活污水(0.8%)。设计进水水质及排放标准如表1所示,可见纸业基地废水具有以下特征:水量大,SS、COD、BOD₅浓度高。

　　 结合银洲湖纸业基地废水的性质和排放标准,处理工艺采用“1#超效气浮+IC反应器+微曝氧化沟+2#超效气浮+催化氧化+高效沉淀+过滤”的三级废水处理组合工艺。生化处理部分的工艺流程如图1所示,主要处理单元及设计参数如表2所示。

　　 夏季废水水温较高(最高52℃),为满足生化处理微生物适宜水温的需要,废水须经过冷却塔进行降温,使温度达到38℃以下,再进入后续的预酸化池进行处理。冬天时废水由调节池水泵直接提升至预酸化池。废水经水解酸化反应后,由泵提升至IC反应器进行产氢产酸及产甲烷反应。厌氧反应产生的甲烷输送到一套沼气燃烧系统进行燃烧。在预酸化池中投加厌氧反应所需的氮和磷等营养物质,并连续检测废水的温度和pH。IC反应器出水自流进入配水井,然后进入微曝氧化沟。通过曝气充氧,废水中有机物被好氧微生物菌吸附、氧化、分解,出水进入二沉池。泥水分离后,上清液流入1#中间水池。

　　 冷却塔对废水进行冷却,以满足生化处理微生物对水温需求。在夏季废水水温超过38℃时废水须经过冷却塔降温,38℃以下时废水由调节池泵提升后直接进入后续的预酸化池。

　　 预酸化池的作用是将厌氧发酵阶段过程控制在水解与产酸阶段,以利于后段厌氧反应的处理,再在厌氧反应器中进行产氢产酸及产甲烷反应。其作用机理是将废水中大量的悬浮物及大分子有机物进行水解,转化为小分子有机物,提高废水的可生化性,同时去除部分COD,减少对后续IC反应器中微生物的抑制作用,从而提高IC反应器的去除率。预酸化池内设置潜水搅拌机,废水由提升泵送至厌氧反应器。

　　 IC反应器可以简单理解为两个上下组合的UASB反应器,下部是高负荷部分,上部是低负荷部分,其主要功能是氧化分解废水中的有机物污染物,分解产物为甲烷(沼气)^[3] 。另外,废水在IC反应器中分解有机物时会产生2%左右的厌氧颗粒污泥,对其采用污泥泵从反应器内抽出,送至厌氧污泥池储存。本工程中,IC反应器的容积负荷范围为5~15kgCOD/(m³·d),平均10.37kgCOD/(m³·d)。

　　 IC反应器进、出水COD去除情况见图2。可见,进水COD波动性表现较为明显,变化起伏较大,这是因为各制浆造纸企业每个月纸和纸板生产量不同,使不同时间段进水水量不同。此外,有些生产车间需要回用一部分废水,使得车间再次排放的废水COD升高,同时各车间回用水的多少也随着工艺要求、成品质量的优劣而不同,从而造成最终进水COD不均,但出水COD均<1 000mg/L,以及COD去除率稳定在40%~60%。这说明IC反应器在稳定运行时的抗冲击能力较强,这是因为当进水COD较大时,反应器内容积负荷也随之升高,产气量变大,相应的内循环量也增大,对高浓度进水的稀释能力增强;相反,当进水COD较小时,反应器内容积负荷也随之变低,产气量变小,相应的内循环量也减小,稀释能力减弱;所以反应器的内循环系统能够使出水水质保持在稳定状态。

　　 挥发性脂肪酸(VFA)是判断IC反应器运行是否正常运行的一项重要指标。在厌氧处理中,由于生物降解的酸性发酵过程,大分子有机物经过增溶、水解及发酵的作用,生成易挥发短链脂肪酸(乙酸、丙酸等),即挥发性脂肪酸^[4] 。接着在甲烷化过程中,产甲烷菌将VFA碱性发酵为二氧化碳和甲烷^[5] 。若厌氧反应器运行不正常,产甲烷菌受到冲击影响,不能顺利的将有机酸转为甲烷,使得反应器内形成有机酸积累,产生酸化,产甲烷反应会受到抑制。

　　 IC反应器进、出水VFA浓度和去除率变化见图3。进水VFA在8.8~16.4meq/L,平均值为11.37meq/L;出水VFA在1.4~3.5 meq/L,平均值为2.49meq/L;以及VFA去除率在65%~85%,平均去除率为77.99%。

　　 从图3可见,进水VFA的变化趋势较为波动起伏,出水VFA较平稳,稳定在1.4~3.5 meq/L;VFA去除率在80%左右波动,较为稳定。从出水VFA及去除率的情况可知,反应器内的厌氧颗粒污泥在稳定运行时有较好的降解有机物特性,颗粒污泥有一定的抗冲击能力。当进厂废水不稳定导致的进水VFA有较大波动时,出水VFA并没有表现出明显的波动,出水值稳定在3meq/L左右,从另一方面反映了IC反应器在处理高负荷废水及进水负荷不稳定时展现出来的明显优势。此外,对IC反应器出水VFA的监测,我们可以有效的预防反应器内酸化情况的发生,以保证系统的正常运行^[6] 。

　　 微曝氧化沟工艺是在氧化沟基础上,引入了微孔曝气,同时在曝气头布置的方式上做了改进,从而使总氧转移量增大,有效地提高了氧利用率并降低了能耗。氧化沟内安装潜水搅拌器,以保证废水及污泥充分混合和防止污泥沉降。

　　 微曝氧化沟对COD的去除作用主要是通过初期的物理吸附作用与微生物的代谢作用(包括分解代谢、合成代谢)^[7] 。

　　 微曝氧化沟的进、出水COD变化及其去除率如图4。可见,进水COD波动较大,出水COD与去除率也有相应的波动。另外,COD去除率相对不高,说明微曝氧化沟运行状况不是很理想。这可能是因为进水水质波动较大,污泥浓度较高。

　　 二沉池是设置在生物反应池之后的沉淀池,是用于沉淀去除生物处理过程中产生的污泥以获得澄清的处理水。二沉池采用周边进水周边出水的辐流式沉淀池,吸泥机采用中心传动式。二沉池内的水位可通过调节出水浮筒的标高调节,在配水槽内壁安装浮渣斗用于收集二沉池内的浮渣。

　　 生化处理部分运行效果见表3。

　　 IC反应器的沼气总产量约为600m³/h,以1m³沼气的发电量为1.8kW·h计算,每小时可产生1 080kW·h电能。产生的沼气可输送到基地的发电厂或基地内的造纸企业进行沼气发电。沼气未能进行利用时,需使用沼气燃烧系统对沼气进行燃烧处理。

　　 在氧化沟的推流方式上,微曝氧化沟采用潜水推进器,由叶轮产生推力推动水流,使水从下往上流动,与倒伞型曝气转刷使水从上往下流动不同,不会使大部分动能变为热能散失在空气中。因而采用潜水推进器能减少能量消耗,从一般的表面曝气形式推流所需的能耗5~8W/m³降至1~2W/m³,节约75%~87%的能耗。

　　 由于该纸业基地内的各造纸企业的产量、不同时段的用水量和工艺有所差别,IC反应器的进水容积负荷与HRT波动较大,容易对系统的处理效果造成不良影响。为了减少进水量、水质等的较大波动对该生化处理工艺部分的冲击影响,可以充分利用前面构筑物的缓冲、稳定及预处理作用,如调节池、预酸化池等,保持水量水质的稳定,使IC反应器及后续处理构筑物可以正常稳定地运行。

　　 微曝氧化沟内混合液活性污泥的无机物质含量过高,使污泥浓度随之过高,SVI值随之过低,影响了COD的去除效果。造成污泥浓度、无机物含量过高的原因可能有:①前面的斜筛和气浮出现问题,没有过滤和气浮分离废水中的纤维、纤维束等无机物;②系统排泥不够,有部分污泥没排;积泥太多,后面的板框机压不完,又回到调节池,从而造成恶性循环,使混合液中的无机物质过高;③造纸基地纸厂来水污染物负荷过高,有时远超过设计进水浓度,进水负荷波动性较大,给整个处理系统造成冲击。

　　 对于该处理系统无机物含量过高,应采取以下措施:①及时对斜筛和气浮进行清理、调整,保证其正常运行;②及时清理积泥,尽量减少回流至调节池的污泥量;③对进水水质水量的波动,应使用调节池、中间水池等措施有效地缓冲,以防对后续处理构筑物的冲击。

　　 (1)IC反应器耐冲击负荷,在进水负荷波动较大的情况下,仍能维持较好的COD去除率,且能产生可再生能源。

　　 (2)微曝氧化沟具有较强的节能优势,使IC-微曝氧化沟工艺具有较强的经济和环境效益。

　　 (3)工程试验表明,IC-微曝氧化沟工艺具有运行维护方便,不需要更换填料和添加药剂,不存在堵塞现象等特点,对同类型制浆造纸废水处理工程有一定的参考价值。