高效内循环厌氧反应器处理化工废水的研究
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CODcr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
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2.88×109吨[1]。化工废水成分多样，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、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反应器对化工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。
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/（m3·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，其水质如表1所示。
2结果与讨论
2.1IC反应器的颗粒污泥培养结果
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或球形，边界清晰，呈黑灰色，稍泛棕色，颗粒表面有较多孔穴，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有良好的沉降性能，具有较好的去除效果。
2.2IC反应器的COD负荷变化
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/（m3·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，刚开始的容积负荷也可达到9 kg COD/（m3·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/（m3·d）左右，此阶段可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。
2.3IC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。
2.4IC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。
2.4.2HRT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%-80%和0.42-1.0 m3/（m3·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。
2.4.3温度
图4显示的是温度对IC反应器COD去除率的影响。通过记录不同温度下IC反应器的去除率的变化情况来研究温度对IC反应器COD去除率的影响，温度的影响其主要表现在于IC反应器对于温度变化而使出水水质变差后恢复的能力，另外则是IC反应器在持续低温条件下运行的能力。图5显示了IC反应器在运行时期的温度在18-28 ℃之间浮动，COD去除率在64～90%之间波动。当温度高于24 ℃时，温度的变化无没有影响，COD去除率维持在 80%以上，出水COD均低于400 mg/L。原因在于IC反应器在运行了稳定后，对温度的变化有一定适应性，因为长时间常温的驯化，反应器内能适应外部温度变化的厌氧微生物逐渐占据优势，也即温度对微生物内部控制和参与其新陈代谢活动的酶的影响。当温度低于20 ℃时，COD去除率有下降的趋势，出水COD也回到 700～800 mg/L，IC反应器表现很不稳定。
3结论
1. 本实验中，IC反应器在80-90 d出现内循环，90 d后化工废水提高到高负荷时，仍有较高COD去除效率。
2. IC反应器处理较高的有机负荷，最高可达到45.26 kg COD/（m3·d），COD去除率在70%以上，系统运行良好。
3. 通过实验调试，可知出水pH值维持在7.5左右，产甲烷菌的生长较为良好且系统的稳定。4. 本实验优化了IC反应器的反应条件，如不同进水负荷对IC反应器的影响，温度维持在22℃以上，而HRT则影响不大维持在2h，左右即可。
参考文献
[1]虢清伟，杨仁斌，吴根.内循环（IC）厌氧反应器的发展与应用[J].云南环境科学，2004，23（1）：40-43.
[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.
[3]涂保华，王建芳，张雁秋.UASB反应器中颗粒污泥的培养[J].污染防治技术，2003，16（3）：65-67.
[4]彭厚武.厌氧消化技术发展前景广阔[J].工业微生物.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 Vogelphohl. Biodinetics of wastewater treatment in the high performance compact reactor （HCR）[J]. The Chemical Engineering Journal， 1992， （49）： B1-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.
[8]孙剑辉，倪利晓.新型高效厌氧反应器厌氧复合生物反应器的研究进展[J].环境污染治理技术与设备，2000，1（6）：20-24.
收稿日期：2013-6-26
作者简介：王勇清（1980-），男，江苏南通人，项目经理，注册环评工程师，主要研究方向为环境影响评价.
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