李琛，從善暢，郝磊磊

（陜西理工學院化學與環(huán)境科學學院，陜西漢中723001）

厭氧內循環(huán)反應器（IC反應器）在造紙廢水處理中的應用

李琛，從善暢，郝磊磊

（陜西理工學院化學與環(huán)境科學學院，陜西漢中723001）

詳細介紹了厭氧內循環(huán)反應器（IC反應器）的啟動問題及其在造紙廢水處理中的應用，并對該技術的應用前景進行了展望。

厭氧內循環(huán)反應器（IC反應器）；造紙廢水；廢水處理

厭氧內循環(huán)反應器（Internal Circulation Reactor，簡稱IC反應器）具有抗負荷能力強、具緩沖pH能力、容積負荷高、能耗低、運行費用低、處理容量大、啟動速度快、占地面積少、運行穩(wěn)定等特點，其主要組成部分有污泥膨脹床區(qū)、精處理反應區(qū)、內循環(huán)系統(tǒng)和出水區(qū)，在造紙廢水處理領域中有著廣泛的應用前景。

我國是一個造紙工業(yè)大國，在制造過程中產生的廢水量大，污染物濃度高，對水環(huán)境造成極其不利的影響。污水必須通過終端的廢水處理設施，達標后排放，而厭氧技術比較適合處理高濃度的有機廢水。筆者在此詳細介紹IC反應器的啟動問題和它在造紙廢水中的應用。

1 IC反應器的啟動

在IC反應器整個處理工程中，反應器的快速啟動和反應器中顆粒污泥的形成是整個過程的關鍵。

丁麗麗等［1］以UASB中的顆粒污泥為接種污泥，用于IC反應器的啟動，20 d內IC反應器完成初次啟動，15 d內完成IC反應器的二次啟動。該反應器日處理污水CODCr容積負荷達12～15 Kg/（m3·d），CODCr去除率＞85%；在IC反應器中的容積負荷增加到11 Kg CODCr/（m3·d）時，反應器完成啟動。IC反應器啟動結束后，使顆粒污泥的平均沉降速度由35.4 m/h增加到105.17 m/h，平均粒徑由0.88 mm增大為1.25 mm，最大比產甲烷活性增加為啟動初期的4倍，達到382.98 mL/（g·d）。張杰等［2］以某養(yǎng)豬場沉淀池的深灰褐色絮狀污泥對IC反應器進行接種啟動。IC反應器在60 d左右完成啟動，啟動后污泥區(qū)污泥沉降性能良好，在污泥區(qū)，污泥由上部到下部粒徑明顯增大，反應器內污泥顆粒粒徑分布明顯改善，粒徑大于1 mm的顆粒污泥量約占81.3%左右。在進水有機負荷率達到20.6 Kg CODCr/（m3·d），HRT不低于12 h時，利用該反應器處理某養(yǎng)豬場污水時，CODCr去除率保持在90%以上，TN和TP去除率約為20.8%和34.6%。

楊世關等［3］使用UASB反應器和IC反應器分別對某養(yǎng)殖場的豬糞廢水進行處理。以鄭州市某種豬場廢水一級沉淀池污泥為接種污泥，對IC反應器進行啟動，污泥接種54 d后，IC反應器污泥區(qū)污泥沉降性能良好，污泥顆粒直徑在1～4 mm之間，以2～3 mm粒徑的污泥為主，有粒徑大于5 mm的顆粒污泥產生；UASB污泥顆粒直徑在1～3 mm之間，以1～2 mm粒徑的污泥為主，未發(fā)現(xiàn)大于5 mm的顆粒污泥。實驗發(fā)現(xiàn)，與UASB反應器相比，IC反應器的水力條件有利于污泥的顆?；?。IC反應器內水力條件的復雜性，使得其內的污泥顆粒分布不均勻性明顯大于UASB反應器。

張杰等［4］以某啤酒廠厭氧池污泥為接種污泥啟動IC反應器，模擬廢水進水NH4+-N為120 mg/L，NO2--N為150 mg/L，實驗研究了模擬廢水的厭氧氨氧化過程，考察了IC反應器中ANAMMOX菌的活性和脫氮效率，在30±1℃的條件下，IC反應器130 d后啟動成功，反應器內形成1～2 mm的顆粒污泥，NH4+-N和NO2--N去除率分別約82.1%和94.5%。許英杰等［5］以鄭州市污水處理廠的厭氧脫水污泥和河南某酒精廠厭氧消化池的絮狀污泥為接種污泥，處理該酒精廠的玉米酒糟和薯干渣酒糟廢水，IC反應器運行36 d時出現(xiàn)顆粒污泥，180 d后成功啟動。實驗研究了反應器內污泥的SS和VSS、產甲烷活性、胞外多聚物濃度、輔酶F420含量、目標污水的CODCr去除率等指標，發(fā)現(xiàn)實驗條件下IC反應器自啟動36 d后開始出現(xiàn)顆粒污泥，運行至180 d時反應器中出現(xiàn)大量粒徑為0.5～2.5 mm的大顆粒污泥，在IC反應器的第一反應區(qū)和第二反應區(qū)，以葡萄糖為基質測得的產甲烷活性為327 mL/g VSS·d和129 mL/g VSS·d，活性良好。在進水CODCr濃度為20000～30000 mg/L時，該IC反應器的CODCr去除率不低于95%，出水CODCr不高于1000 mg/L。污泥的比CODCr去除率為0.78 g CODCr/g VSS·d。

梁允等［6］使用IC反應器處理某酒精生產企業(yè)的綜合廢水，使用生活污水廠厭氧消化污泥接種IC反應器，105 d完成反應器的啟動。進水CODCr＝11500 mg/L，BOD5＝6000 mg/L，pH值為3.5～4.5。出水VFA的濃度在300 mg乙酸/L以下，CODCr去除率95%以上，pH值保持在6.5～7.8。啟動完成后，反應器內部形成一定機械強度、沉淀性能良好、粒徑為1～4 mm的顆粒污泥。

曾國敏等［7］研究了常溫下IC反應器啟動過程中的顆粒污泥性能。IC反應器進水濃度為3000 mg CODCr/L，水溫為14.5～26℃，25 d內形成了顆粒污泥。結果表明，隨著運行時間和容積負荷的增加，顆粒污泥粒徑逐漸增大。反應器啟動完成后，反應器中大于2 mm的顆粒污泥增加到6.6%，小于0.3 mm的顆粒從57.7%減少到39.4%；VSS濃度從24.7 g/L上升到48.2 g/L；VSS/SS從34.4%增加到72.8%。顆粒污泥的沉降速度與顆粒粒徑成正比，0.3～3 mm的顆粒污泥的沉降速度介于34.05～109.75 m/h之間，具有良好的沉降性能。初始接種污泥幾乎沒有產甲烷活性，與第30 d的初期顆粒污泥相比，成熟的顆粒污泥的產甲烷活性提高了46.7%。

吳根義等［8］研究了附加氣IC反應器的啟動性能。采用強制氣體循環(huán)的試驗性附加氣IC反應器處理高濃度有機廢水，并與普通IC反應器進行對比試驗。結果表明，附加氣IC反應器比普通IC反應器在啟動時間上縮短20%，最大有機負荷提高25%，CODCr去除率提高了，培養(yǎng)出的顆粒污泥活性更高，運行穩(wěn)定性也隨之加大。

李海松等［9］對內循環(huán)厭氧反應器的啟動進行了研究?？偨Y了鄭州大學實際工程經驗，對不同水質條件下IC反應器的啟動進行了比較。結果表明：金霉素廢水和酒精廢水采用的初始CODCr污泥負荷分別為0.050、0.075 Kg/（m3·d），每周分別將負荷提高到上一周的1.118、1.230倍，分別經過168、112 d完成啟動。啟動完成后CODCr容積負荷分別達到5.02、11.48 Kg/（m3·d），CODCr去除率分別達到80%、95%。

唐源等［10］進行了中低溫下IC反應器的啟動及污泥顆?；难芯?。結果表明：在運行溫度為9～28℃的條件下，反應器經67 d完成啟動，在22 d反應器內出現(xiàn)了顆粒污泥，隨著運行時間和容積負荷的增加，顆粒污泥的粒徑不斷增大。為確保穩(wěn)定運行，應控制出水pH值為6.1～6.8、HRT為6～8 h、容積負荷為3.58～7.95 Kg CODCr/（m3·d）、出水VFA＜200 mg/L，最終的產氣量穩(wěn)定在約35 L/d，在進水CODCr為2000 mg/L時，對COD的去除率能一直保持在80%以上。啟動完成后，反應器內粒徑大于0.3 mm的顆粒污泥所占比例為41.2%，粒徑大于0.9 mm的中型顆粒污泥也從零增加到11.44%，顆粒粒徑趨向于均勻化。

戴松林等［11］通過采用強制外循環(huán)IC反應器完成了造紙廢水的啟動研究。結果表明：CODCr去除率維持在73%～75%之間，水力停留時間可縮短為3 h，CODCr容積負荷達25 Kg CODCr/（m3·d）。

李志建［12］研究了IC反應器的啟動問題。結果表明：IC厭氧反應器直接以8 Kg CODCr/（m3·d），可在20 d內短期完成啟動，IC厭氧反應器最小水力停留時間可縮短至5.3 h，最大容積負荷可達32 Kg CODCr/（m3·d），CODCr去除率穩(wěn)定在79%～86%范圍內，表明該裝置對有機物有較高的處理能力。待反應器運行結束后，VSS/TSS由80%增加到91.7%，顆粒污泥的活性也得到了顯著提高。

由此可以認為，IC反應器啟動后形成的顆粒粒徑多在1 mm以上，最大可達5 mm。接種污泥的性質對IC反應器的啟動具有巨大的影響作用。在實際工程應用中，通常使用UASB厭氧顆粒污泥進行接種，能有效縮短啟動時間，另外，也可以使用絮狀污泥進行接種，與UASB厭氧顆粒污泥相比，速度較慢，且穩(wěn)定性也有待研究。

2 IC反應器在造紙廢水處理中的應用

比利時的VPK Ondegem造紙廠［13］利用IC反應器作為二次纖維制漿廢水封閉循環(huán)廢水處理系統(tǒng)的關鍵設備，廢水經IC反應器和曝氣池處理后，CODCr去除率可達到50%，滿足了造紙廠回用水水質指標，實現(xiàn)了造紙廢水零排放的突破。此后，IC反應器在造紙廠廢水零排放中得以推廣應用。荷蘭一家紙板廠采用IC反應器+氣提反應器處理該廠生產廢水，廢水的BOD5和CODCr的去除率分別達到90%以上和99%；廢水在廠內循環(huán)使用，實現(xiàn)了造紙廢水零排放。西班牙的Papeleradelad dequeria造紙廠同樣采用IC反應器+氣提反應器對該廠生產廢水進行處理，IC反應器設計最大容積負荷為27 Kg CODCr/（m3·d），在9～24 Kg COD/（m3·d）的容積負荷下運行時，CODCr去除率在61%～86%之間，實現(xiàn)了生產廢水的回用［13-15］。

福建南紙股份公司［16-20］1999年投資建設的日處理30000 m3DIP和TMP高濃度混合廢水的IC反應器于2000年順利建成。在36±1℃的條件下，用高24 m、直徑11 m的IC反應器對該廠葦漿稀黑液和制漿廢水進行混合處理，其中硫酸鹽法（KP）葦漿稀黑液的CODCr濃度為5800 mg/L，堿性過氧化氫機械漿（APMP）產生的制漿廢水的CODCr濃度為11000 mg/L，在IC反應器容積負荷為12～15 Kg CODCr/（m3·d）時，該混合廢水的CODCr、BOD5的去除率分別達到65%和85%，產氣率在0.40～0.42 m3/Kg CODCr，出水水質實現(xiàn)達標（《造紙工業(yè)水污染物排放標準（GB3544-2001）》）排放。岳陽紙業(yè)公司［21］用高22 m、直徑11 m的IC反應器對該廠堿性過氧化氫機械漿（APMP）和堿回收車間的高濃廢水進行處理，在處理負荷為65.8 Kg CODCr/（m3·d）時，IC反應器出水CODCr去除率不低于72%，再經好氧污水處理廠處理后，可實現(xiàn)達標（《造紙工業(yè)水污染物排放標準（GB3544-2001）》）排放。李志建等［22］在35±1℃的條件下用IC反應器對某紙業(yè)公司堿法麥草漿綜合廢水（制漿工段黑液與中段水體積比為1∶1.2）進行處理，實驗初期通過逐步增加綜合廢水比例的方法對IC反應器進行啟動，38 d實現(xiàn)反應器的啟動。在CODCr濃度為6000 mg/L、HRT（水力停留時間）為8 h、CODCr容積負荷為18 g CODCr/（L·d）的條件下，CODCr去除率、BOD5去除率、產氣率分別為63%、78%和0.23 L CH4/g CODCr。無錫榮成紙業(yè)［23］采用初次沉淀+水解預酸化+IC+好氧+混凝沉淀工藝處理廢水。在預酸化過程中投加氫氧化鈉調節(jié)pH值在7～7.5之間，停留時間約為4 h，IC停留時間約為5 h，IC在進水CODCr濃度為2200 mg/L左右時，出水控制在CODCr濃度為500～600 mg/L，整個系統(tǒng)經過一年多的運轉，效果很好，同時系統(tǒng)抗沖擊負荷能力很強。

福建省南紙股份有限公司［24］首先使用預酸化池和IC反應器對高濃度的TMP（熱磨機械漿）和DIP（脫墨漿）廢水進行處理，然后與低濃度的BKP（化漿）、GP（磨石磨木漿）廢水混合后進行好氧處理。該系統(tǒng)對廢水的處理效果良好，運行穩(wěn)定，CODCr和SS的去除率均可達到95%以上，出水可實現(xiàn)達標（《造紙工業(yè)水污染物排放標準（GB3544-2001）》）排放。李志建［25］通過逐步提高造紙綜合廢水比例的方法對IC反應器進行快速啟動，在啟動的過程中，廢水CODCr去除率由63.4%逐步下降到41.7%（此時綜合廢水比例為40%）后又逐漸回升到63%，BOD5去除率為78 %左右。未降解的CODCr多以木質素等不可生物降解物組成，在進水負荷波動較大的情況下，IC反應器的出水CODCr濃度因反應器內的內循環(huán)結構的調節(jié)作用而相對平穩(wěn)。

3 展望

IC反應器作為一種新型的高效厭氧反應器，具有占地面積小、投資少、容積負荷高、處理容量大、運行穩(wěn)定、過程自動化易于實現(xiàn)、工業(yè)放大應用廣泛等特點，在有機廢水處理和資源化利用方面越來越廣泛地應用，具有廣闊的應用前景，值得進一步研究開發(fā)和推廣。今后的研究重點有如下幾點：（1）顆粒污泥的培養(yǎng)和IC反應器的快速啟動；（2）反應器的結構優(yōu)化與自動控制的研究。

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10.3969/j.issn.1007-2217.2012.02.002

2011-09-22