高效厭氧反應器在高濃度植物纖維填充料廢水處理中的應用研究

諸 杰，金英強，郭少輝，劉土發

（杭州山嶼源環保科技有限公司，浙江 杭州 311121）

中國造紙行業生產原料長期依賴進口廢紙。近年來，隨著我國《進口廢紙環境保護管理規定》和《限制進口類可用作原料的固體廢物環境保護管理規定》的施行，造紙業原料來源受到了較大影響，也使我國造紙原料結構的優化[1-2]升級迫在眉睫。江西某造紙廠為優化其造紙原料的結構，計劃增加植物纖維填充料生產車間，因其生產過程中產生的廢水具有污染物濃度高、pH 波動大、可生化性較差等特點，需選用針對性的預處理工藝對其進行處理。本文采用高效厭氧反應器[3]對該廢水進行預處理，并明確工藝運行參數，可為其他同類型廢水的處理提供參考。

1 工程概況

本項目為植物纖維填充料生產配套高濃度廢水預處理設施，設計處理水量為6000 t/d，主體處理工藝采用斜網+混凝沉淀+高效厭氧反應器[4]。

本項目設計進水水質以業主方車間原料生產試驗過程中取樣化驗數據作為參考依據，處理后出水滿足后續處理工藝進水水質指標。其中，pH、CODCr、SS 等指標[5]為本項目污水處理的重點。設計進出水水質見表1。

表1 設計進出水水質

2 工藝設計

（1）針對高濃度植物纖維填充料廢水水質狀況分析，發現其水質特點為：污染物濃度高（COD達到18000 mg/L），可生化性差（可生化性均不足0.2），污染物成分復雜（生產過程中投加較多種類的藥劑）等。基于以上水質特點，提出的處理工藝思路如下：斜網流槽+混凝+IC（Internal circulation，內循環）厭氧反應器。

（2）廢水在排入污水站后，由于其含有較高的SS 以及pH，如直接進入高效厭氧反應器將會對其造成很大的影響，因此先在前端設置格柵+斜網+pH 調整/混凝沉淀工藝進行處理，在去除大部分呈纖維顆粒狀態存在的SS 后再調整pH，使其滿足進入高效厭氧反應器的水質條件。

（3）經物化預處理后的廢水還存在溫度較高的問題(尤其是在夏季時)，因此，當廢水溫度較高時會經冷卻塔冷卻后再進入預酸化池。

（4）廢水在預酸化池內可起到充分調勻水質和水量的作用，同時通過預酸化作用為后續的高效厭氧反應器運行提供充分的保障。

（5）經預酸化池調勻后的廢水連續穩定地用泵輸送至高效厭氧反應器所配套的外循環系統。在反應器運行時，通過投加酸或堿調節廢水的pH，將pH 控制在6.5～7.5，給厭氧菌創造最理想的生存及反應條件。

經過外循環調節后的廢水穩定、連續地用泵輸送至高效厭氧反應器。為了使反應器底部布水均勻，防止堵塞，在進水管上設置脈沖裝置搭配反應器底部的旋流布水器系統。

進水將穿過致密的厭氧顆粒污泥層，并發生厭氧反應。在這一過程中，廢水中的大部分有機污染物被分解為甲烷、二氧化碳和水[6]，從而達到去除廢水中有機污染物的目的。反應器頂部設置多層高效三相分離器，用于分離廢水、沼氣和厭氧顆粒污泥。厭氧反應器的出水大部分被回流至外循環系統，并通過外循環系統頂部的分配器參與后續進水的外循環混合。

（6）剩余部分處理后的出水則自流進入后續生化處理單元進行進一步處理。

（7）本項目的關鍵工藝是高效厭氧反應系統，該工藝單元能夠有效地去除廢水中部分難降解性COD，同時提高廢水的可生化性，為后續進一步處理該股廢水創造可靠和穩定的水質條件。

圖1 工藝流程圖

3 高效厭氧反應器設計改良說明

本項目關鍵工藝處理單元將采用2 座直徑為13.0 m，高為26 m 的高效厭氧反應器對廢水進行厭氧處理?？紤]到本項目特殊的水質狀況，在高效厭氧反應器的設計中針對性地采用多個改良措施，解決傳統厭氧反應器存在的不足，確保項目最終水質的穩定達標。

3.1 外循環系統設計

傳統厭氧反應器在設計時大多無獨立的外循環裝置，在實際運行過程中經常出現反應器內上升流速受進水濃度影響較大的問題，同時由于上升流速的不穩定亦會影響到污泥膨脹床的膨脹效果，進而導致厭氧顆粒污泥在反應器底部堆積致使反應器最終無法正常使用。

本項目設計所采用的獨立外循環系統[7]，將預酸化池來水先用泵輸送至外循環管，再通過大循環回流水與前端來水混合后再進入反應器內。以上設計可有效稀釋進水有機污染物和有害物質，降低其對厭氧反應的影響（尤其是對廢水中的鈣離子濃度有較好的緩沖作用），同時可靈活控制反應器內水流上升流速，保證污泥床充分膨脹，有效地解決了傳統厭氧反應器所存在的不足。

外循環系統包含：外循環立管，1 座；外循環水泵，6 臺；pH 計，1 臺。

3.2 脈沖旋流布水器設計

傳統厭氧反應器在設計時多采用平流式布水器，采用該設計的厭氧反應器在使用過程中經常出現布水不均勻的現象，容易導致厭氧顆粒污泥在反應器底部堆積，形成污泥死角，尤其是針對本項目所在的造紙行業廢水，因其經常存在鈣離子濃度過高的情況，因此布水器出現堵塞的情況尤為突出。

本項目設計所采用的環狀旋流脈沖布水系統，可對厭氧反應器內污泥床實現充分的擾動，使厭氧顆粒污泥床保持膨脹，并與污水進行充分的接觸反應[8]，防止厭氧顆粒污泥的沉積而形成污泥死角，有效地避免厭氧顆粒污泥在反應器底部堆積造成底部布水器的堵塞，解決了傳統厭氧反應器存在的不足。

脈沖旋流布水器包含：2 套外部脈沖閥，2 套內部多管狀環形布水系統。

3.3 多層高效三相分離器設計

傳統厭氧反應器在設計時大多采用單層三相分離器結構，僅設計在反應器頂層，且非全覆蓋式布置。該設計會使反應器在使用過程中出現不同程度的跑泥，嚴重時將會影響到反應器的整體處理效率。

本項目設計采用多層高效三相分離器，充分考慮對厭氧顆粒污泥的截留效率以及對沼氣的密封效果，采用雙層全覆蓋式三相分離器設計，可有效地對固、液、氣進行高效分離，充分保證高效厭氧反應器的運行效果，有效地解決了傳統厭氧反應器存在的不足。

多層高效三相分離器包含：中部三層三相分離器，2 套；頂部五層三相分離器，2 套。

3.4 多點排泥及反沖洗設計

傳統厭氧反應器在設計時基本采用單點排泥，該設計經常導致反應器底部厭氧污泥無法均勻地排出，尤其是當反應器內有較多的鈣化污泥產生時，由于鈣化污泥的比重較大，單點排泥無法實現鈣化污泥的正常排出，進而影響厭氧系統的正常運行。

本項目設計所采用的多點排泥裝置，可確保反應器底部各個角落的污泥均能被排出，同時考慮到厭氧反應器所碰到的鈣化污泥堵塞問題[9]，設置反沖洗裝置，可接入高壓沖洗接口用于對各排泥口進行沖洗，防止污泥堵塞情況的發生。有效地解決傳統厭氧反應器所存在的不足。

多點排泥及反沖洗裝置包含：環狀排泥閥，2組；高壓反沖洗閥，2 組。

4 項目運行效果

本項目于2021 年4 月主體完工，具備進水條件，當年6 月系統調試成功，并于7 月通過業主方性能驗收，正式投入運行。運行期間整體處理效果良好，系統運行過程中主要參數：VLR（容積負荷）為10.58 kg COD/(m3·d)，上升流速為7.5 m/h，進水VFA（指揮發性脂肪酸）≤3.5 mmol/L，ALK（堿度）≥35 mmol/L。系統運行穩定后各月平均出水水質見表2。

表2 各月平均出水水質

5 技術經濟指標

本項目預處理污水設施運行費用主要包括電費、藥劑費、人工費。其中：

（1）電費：本項目為三級供電負荷，裝機容量為550.75 kW，需用容量為342.70 kW，日用電量約5346.12 kWh。電價按0.35 元/kWh（以廠區自備電廠發電成本計算），折合0.312 元/t 廢水。

（2）人工費：本項目日常運行期間需操作人員4 人，工人工資按150 元/日計算，折合0.1 元/t 廢水。

（3）藥劑費：PAC（聚合氯化鋁）：0.143 元/t 廢水；PAM（聚丙烯酰胺）：0.012 元/t 廢水；尿素：0.075 元/t 廢水；磷酸二氫銨：0.067 元/t 廢水。

實際日常運行費用：0.709 元/t 廢水。

同時高效厭氧反應器在運行過程中產生大量的沼氣可作為再生能源進行利用。根據現場沼氣流量計數據日平均產沼氣9660 m3/d，每去除1 kg CODCr約可產生0.35 m3沼氣[10]。按照每立方米沼氣所產生的熱值可轉換為0.714 kg 標煤所產生的熱值，同時按照1 t 標煤1000 元市場價計算，預計可產生6897.24 元/d 的經濟效益，在扣除污水處理運行費用的同時仍可產生一定的經濟效益。

6 結論

本項目針對目前國內造紙行業非常少見的一種高濃度植物纖維填充料廢水預處理案例，設計主體采用高效厭氧反應器對該高難度廢水進行預處理，充分發揮高效厭氧反應器特點，同時結合相應的多處改良設計，使厭氧反應器的處理能力得到進一步提升，以相對較小的處理費用最大化地去除廢水中大部分有機污染物；同時反應產生的沼氣還可進行資源回收，減少了污水廠的運行成本。本項目廢水處理作為造紙制漿行業非典型的工程案例，在有效推動厭氧反應器優化改良的同時，也將為今后造紙制漿行業高濃廢水處理提供相應的案例參考，具有較高的推廣價值。