高浓度废水处理中厌氧反应器的研究与开发 4页

第30卷第8期工业水处理Vol.30No.82010年8月IndustrialWaterTreatmentAug.，2010高浓度废水处理中厌氧反应器的研究与开发1，2133刘永红，周孝德，贺延龄，杨树成（1.西安理工大学水利水电学院，陕西西安710048；2.西安工程大学化工系，陕西西安710048；3.西安交通大学环境科学与工程系，陕西西安710049）［摘要］造纸、印染、果汁废水是目前我国3种对主干河流造成严重污染的高浓度工业废水。作者回顾了近年来我国以厌氧反应器为核心的厌氧-好氧生物处理工艺在这3种废水处理中的应用状况，以及该技术在推广及应用领域存在的问题。研究表明，运用多学科交叉的优势对高效厌氧反应器开展理论及应用基础研究是解决当前高浓度工业废水污染的一个重要发展趋势。［关键词］高浓度工业废水；生物处理工艺；高效厌氧反应器［中图分类号］X703［文献标识码］B［文章编号］1005-829X（2010）08-0006-04Researchanddevelopmentofanaerobicreactorsinthebiotreatmentprocessesofhighlyconcentratedwastewaters1，2133LiuYonghong，ZhouXiaode，HeYanling，YangShucheng（1.InstituteofWaterResourcesandHydro-electricEngineering，Xi’anUniversityofTechnology，Xi’an710048，China；2.DepartmentofChemicalEngineering，Xi’anPolytechnicUniversity，Xi’an710048，China；3.DepartmentofEnvironmentalScienceandEngineering，Χi’anJiaotongUniversity，Xi’an710049，China）Abstract：NowadaysthethreekindsofhighlyconcentratedwastewaterswhichcausethemainstemsofriverstobepollutedseriouslyinChinaarefrompaper-making，printing&dyeingandade-makingindustries.Therecentappli-cationsofanaerobic-aerobicbiologicalprocesseswhichuseanaerobicreactorasitscoretechnologytothetreatmentofthethreekindsofwastewaters，andtheirproblemsinthepopularizationandapplicationfieldsarereviewed.Itwaspointedoutthatusingtheintersectionalsuperiorityofmultiplesubjectsforthefundamentalresearchoftheoryandapplicationofthehighlyefficientanaerobicreactorisanimportantdevelopingtrendinsolvingtheproblemsofhigh-lyconcentratedindustrialwastewaterpollutioninChina.Keywords：highlyconcentratedindustrialwastewater；biotreatment；highlyefficientanaerobicreactor近年来随着我国国民经济的迅猛发展，各种高现我国经济的可持续发展提供了强有力的、经济有浓度工业废水对环境尤其是国内诸多主干河流造成效的技术手段。截至2001年，世界上已有2000多了严重污染。在当前循环经济以及可持续发展的硬个不同类型的高效厌氧反应器（其中UASB和EGSB性要求下，探寻一种适合我国国情的高浓度工业废反应器所占比例高达75%）在啤酒、造纸、淀粉、化水的生物处理工艺已迫在眉睫。在诸多生物处理工工、酒精等高浓度工业废水处理中得到了广泛应〔2〕艺中，以厌氧反应器为核心的厌氧-好氧生物处理用。工艺，因其高效的处理能力，且同时可产生生物能源目前对厌氧反应器技术的研究和开发主要集中沼气而成为未来废水处理技术发展的一个重要趋在欧美等发达国家。由于国外厌氧反应器应用技术〔1〕势。作为该工艺核心技术的高效厌氧反应器的迅壁垒以及国内厌氧反应器技术开发过程中未能集成速普及与发展，为解决当前环境恶化和污染治理，实多学科交叉互补的优势对工业规模厌氧颗粒污泥的［基金项目］国家科技重大专项“水体污染控制与治理”（2009ZX07212-002-002）；国家自然科学基金（20946001）；国家博士后一等科学基金（20080440192）；陕西省科学技术研究发展计划（2008K07-14）；陕西省教育厅项目（09JK453）—6—n工业水处理2010－08，30（8）刘永红，等：高浓度废水处理中厌氧反应器的研究与开发自固定化现象展开相关的研究工作，以致以EGSB的COD去除率也仅为30%左右。和IC反应器为代表的第三代厌氧反应器技术甚至印染行业耗水量巨大且造成的环境污染十分惊以UASB为代表的第二代厌氧反应器技术在我国至人，同时其水环境治理和水资源深度利用等技术手〔3〕今仍未能广泛应用。这种状况严重制约了我国厌段落后，使该行业成为当前水系环境的重点污染源氧反应器在高浓度工业废水领域的应用与相关技术和工业废水处理的难点和焦点之一。的进一步拓展。笔者将对高效厌氧反应器在造纸、1.3果汁工业废水印染、果汁废水处理中的应用现状作一回顾并对在果汁工业废水是新兴的行业废水。目前我国已此领域的工作进展作一简单介绍，同时分析其存在经成为世界上最大的苹果汁加工基地，2007年我国的某些共性问题，为今后我国高效厌氧反应器的研浓缩苹果汁产量已占到世界总交易量的70%，其中究与开发提供理论参考。陕西省浓缩苹果汁出口量高达57.13万t，占全国苹1我国造纸、印染、果汁高浓度工业废水污染现状果汁出口量的54.8%。1.1造纸工业废水果汁生产在为企业带来巨大经济效益的同时，造纸工业废水是我国最大的工业污染源。2006其所产生的废水也对环境造成了严重污染。据统计年我国纸和纸板总产量跃升至6500万t，预期2010陕西省集中在渭河流域的多家果汁企业目前年均排年将超过美国成为世界第一造纸大国。据统计，放废水超过2000万t，年均产生COD约6~7万t。2006年该行业废水排放量为43.5亿t，约占全国重果汁加工业发展历史较晚，故当前对果汁废水点统计企业废水排放总量的18.1%；COD排放量为处理的研究相对滞后于造纸废水、酒精废水等其他182.2万t，占全国重点统计企业COD排放总量的高浓度废水。目前果汁废水处理所采用的以好氧为33.6%。主的处理工艺存在能耗高、泥量大、水质难以达标等我国造纸工业对水资源的巨大浪费和对水环境问题。国内关于果汁废水处理的研究报道和工程实〔5〕的污染十分惊人，而相关废水回用技术与国外的差例较少，没有较为成功的工艺参数可供选择。〔4〕距巨大，相关处理技术和工艺的研发已迫在眉睫。2造纸、印染及果汁废水厌氧—好氧生物处理工艺1.2印染工业废水的研究与开发印染工业废水是我国回用率最低的工业废水。高浓度工业废水的性质和来源不同，其治理技近年来我国印染行业发展迅速，2006年印染行业生术也不尽相同。经过长期以来国内外学者的不断摸产总值高达2031亿元，跃居世界印染行业规模最索和工程实践，逐渐形成了以生化为主、生化和物化大的国家。相结合的处理工艺。随着我国纺织工业的迅速发展，许多区域纺织2.1造纸行业废水废水排放量和污染程度也大幅度上升。2006年国家造纸行业的废水处理长期以来以水封闭循环环保部环境统计年报数据显示，印染废水达到18.45与零排放技术为追求目标。造纸工业水封闭循环的万t，纺织印染废水排放量在造纸业、化工原料及制概念出现在20世纪60年代。其发展可分为两个阶品业、电力业之后位居重点行业第四位。2007年全段：第一个阶段是采用物理或化学的方法，例如气国第一次污染源产排污系数调查结果显示印染废水浮、沉淀、过滤、加药等对循环水加以处理后回用；年排放总量已增至23~30亿t。而目前我国印染行业第二个阶段是始于20世纪90年代中后期的以厌废水整体回用率不到7%，处于各行业的最低水平。氧-好氧生物处理技术为主体的废水处理工艺。另外我国纺织产品中大量新原料、新助剂的使1995年荷兰KNP-BT集团在德国的造纸厂用使目前纺织工业废水成分更为复杂，处理更为困（KappaZülpich）实施并完成了以厌氧—好氧生物难。例如，由于化学纤维织物的大量开发应用，仿真处理技术为主体的世界上第一例零排放工程，该工3〔6〕丝的兴起和印染后整理技术的进步，使PVA浆料、艺吨纸用水量仅为1.5~4.0m。2000年国际水学新型助剂等难生化降解的有机物大量进入印染废会以“向封闭循环工艺前进”为题介绍了荷兰和德国水，其COD也由原来的数百mg/L上升到2000~实行废纸造纸零排放的技术实践，标志着国际学术3000mg/L，从而使原有生物处理系统的COD去除界对该技术的认可。但是荷兰的核心技术一直对外率从70%下降到50%以下，传统化学沉淀和气浮法保密，其技术细节外人无从知晓。—7—n专论与综述工业水处理2010－08，30（8）我国废纸多来自于碱法和石灰法麦草浆，这种废纸再生纸的吨纸原料消耗量和污染负荷均远大于国外木浆废纸；而且国内相当多的包装纸板生产过程洗涤不良，因此这些废纸板含有相当数量的黑液，在循环水中积累更多的胶体，导致循环水水质发黏和生化可降解性很差。因此国内废纸造纸厂实现零排放有更大的难度。2.2印染废水虽然我国在厌氧生物处理方面研究的开始年代近年来高效厌氧反应器与好氧法的结合在处理与国外相差不到2a，但是其关键技术UASB和印染废水方面获得了很大成功。厌氧—好氧处理工〔11〕EGSB反应器的应用严重滞后。直到2001年相关研艺在印染废水处理中的应用有2个显著特点：（1）究报告显示我国仍没有将该技术应用于造纸废水处印染废水中可生化性很差的一些高分子物质，通过理的工程实例〔7〕。关键技术开发的滞后造成了当前在厌氧段发生水解、酸化，变成小分子物质，大大改造纸废水处理市场，除少数处理工程由国内承担善了废水的可生化性，为好氧处理创造了良好的条外，基本被Paques和Biothane等国外公司占领。件；（2）好氧段所产生的剩余污泥全部回流到厌氧段直到厌氧复合循环颗粒污泥悬浮床反应器的出进行消化，显著降低了整个系统的剩余活性污泥量，现使我国对第三代厌氧反应器技术的研究和开发才有利于解决印染废水处理后污泥难以处理这一技术有所突破〔8〕。2005年底笔者所在研究团队在反应器难题。〔12〕流态及厌氧颗粒污泥流体力学研究的基础上完成了W.Somasiri等应用UASB反应器对实际印体外自循环高效厌氧反应器（ZL200510042780.7）的染废水进行了实验研究，当进水COD为6000mg/L研制与开发并在工程中开始使用。该反应器结构如时，反应器稳定运行后COD和色度的去除率分别在〔13〕图1所示。90%和92%以上。陈旭采用UASB-SBR处理印花车间废水，当废水COD为3900mg/L、色度为1350倍时，最终出水COD为84mg/L、色度为17倍，达到了国家一级排放标准。印染废水深度处理基础上的回用是最终解决印染废水污染问题的关键。目前国内印染废水在深度回用处理技术研究方面还存在许多问题。主要表现〔14-16〕为：（1）印染废水的COD难以降解。生产中使用的大量助剂95％以上滞留在印染废水中，同时生产过程造成约20%的染料损失，导致印染废水COD居高不下。（2）印染废水脱色困难。国内比较成熟的生物活性污泥法、物理化学处理法以及膜处理法等都不同程度地存在着各种各样的问题，脱色效率都我国零排放首例工程由西安交通大学环境工程不高。（3）废水回用中无机盐的积累。由于生产过程研究中心于2002年在天津万利纸厂完成，该厂主要中使用烧碱、氧化剂、渗透剂、均染剂等助剂，因此在用废纸生产瓦楞原纸〔9〕。2004年笔者所在研究团队印染废水中还含有相当数量的无机盐，使用后都基又以新型高负荷UASB反应器和改良型氧化沟相结本转移到废水中，成为废水的主要污染物。目前物理合的生物技术为核心工艺，在以废纸为原料生产茶和化学方法均无法有效解决盐的积累问题。因此当板纸的西安惠宁造纸厂成功地实现了废水零排放〔10〕，废水回用率较高时，若要长期保持生产及废水处理该水处理系统工艺流程见图2。其中新型高负荷UASB系统的稳定运行，对印染废水的脱盐处理势在必行。反应器的有效容积为350m3，SBR反应器的有效容笔者所在团队拟通过微电解—厌氧—好氧联合积为400m3。该系统吨纸平均用水量从原来的90~处理工艺对以上技术难题展开研究。其中研究利用110m3降低到1.6m3，达到了国外技术水平。高效厌氧反应器去除印染废水中无机盐积累及有效—8—n工业水处理2010－08，30（8）刘永红，等：高浓度废水处理中厌氧反应器的研究与开发去除COD与色度的方法是该项研究的技术关键。［参考文献］2.3果汁废水果汁废水具有污染物浓度高、pH波动大、悬浮［1］LettingaG，FieldJ，vanLierJ，etal.Advanceanaerobicwastewatertreatmentinthenearfuture［J］.Wat.Sci.Tech.，1997，35（10）：5－12.物高、含有氧化剂和消毒剂等有毒物质的特点，是［2］FrankinRJ.Fullscaleexperienceswithanaerobictreatmentofin-COD、悬浮物和胶体浓度极高的有机废水。由于浓缩dustrialwastewater［J］.Wat.Sci.Tech.，2001，44（8）：1－6.果汁行业是新兴行业，对其废水特点和排放的规律，［3］刘永红，周孝德，贺延龄.高效厌氧反应器与厌氧颗粒污泥流体如果汁废水水质随季节的波动、消毒剂的影响、大量力学特性研究进展［J］.化工进展，2010，29（1）：163－167.［4］刘永红，周孝德，贺延龄.造纸废水处理中厌氧生物技术的应用酸碱对水质的影响、间歇性生产的特点、废水中高浓与发展趋势［C］//中国环境科学学会学术年会论文集（2）.北京：度果肉杂细胞对废水处理的影响等问题缺乏深入了北京航空航天大学出版社，2009：254－258.〔17〕解，因此在处理过程中产生了一系列问题。［5］刘明娣.果汁废水特征及其治理的研究现状［J］.食品与发酵工国内目前对果汁废水的处理一般采用传统物业，2008，34（6）：112－115.［6］HabetsLHA，KnelissenJH，HooimeyerA.Improvedpaperquali-化+生化处理的方法，生物处理工艺大多沿袭传统tyandrunabilitybybiologicalprocesswaterrecoveryinclosedwa-的好氧处理技术。近期国内一些学者应用以UASBtercircuitsofrecyclemills［C］//TappiEnvironmentalConference.Or-为核心的生物处理工艺对果汁废水进行了基础理论lando：Florida，1996：5-8.研究工作，取得了较大的进展〔18-19〕。［7］贺延龄，黄埔浩，刘恩湖.废纸造纸循环水处理实现零排放［J］.纸和造纸，2003（4）：5－7.国外对果汁废水的处理普遍采用厌氧—好氧处［8］王凯军，常丽春，甘海南.厌氧颗粒污泥悬浮床反应器的研究与理工艺。如采用UASB、升流式厌氧滤池、中温厌氧应用［J］.给水排水，2007，33（2）：58－62.过滤器、高温厌氧过滤器等生化处理系统对果汁废［9］贺延龄.废纸制浆造纸废水的封闭循环和零排放［J］.中华纸业，水进行处理，均取得了显著的成果。德国采用厌氧2004，22（2）：13－16.消化系统处理果汁加工厂的废水，整个处理流程由［10］梁继东，贺延龄，赵旭东.茶板纸厂白水处理循环回用实现废水零排放［J］.中国造纸，2007，26（4）：41－43.1个粗滤系统、2个缓冲池、1个UASB反应器以及1［11］vanderZeeFP，VillaverdeS.Combinedanaerobic－aerobictreat-个好氧池组成。系统中UASB反应器的COD负荷为mentofazodyes：Ashortreviewofbioreactorstudies［J］.Wa-3terResearch，2005，39（8）：1425－1440.10~17kg/（m·d），COD去除率高达80%~90%，整个工艺取得了良好的处理效果〔20〕。［12］SomasiriW，LiXiufen，RuanWenquan，etal.Evaluationoftheefficacyofupflowanaerobicsludgeblanketreactorinremovalof陕西省果汁厂建立的废水处理设施，大多采用colourandreductionofCODinrealtextilewastewater［J］.Biore-活性污泥法为主的处理工艺，处理效果普遍不理想。sourceTechnology，2008，99（9）：3692－3699.到目前为止国内果汁废水的厌氧处理并没有成功的［13］陈旭.印染废水处理中UASB－SBR的实验研究［J］.化学工程示范工程。其原因在于对果汁废水的性质未能充分与装备，2009（2）：115－116.［14］尤近仁，王福才，辛仁洪.生物厌氧－好氧处理在印染废水治理了解以及未能掌握相对应的厌氧反应器技术。笔者中的应用［J］.印染，2006，32（16）：33－36.所在研究团队将展开以高效厌氧反应器技术为核心［15］迪建东，潘冠英，王利民.厌氧—好氧工艺处理印染废水的试验的果汁废水生物处理工艺研究。其中高效厌氧反应研究［J］.工业水处理，2007，27（1）：40－42.器技术方面的研究包括低碱度下果汁废水厌氧处理［16］余焱，郑平，金仁村，等.印染废水生物处理技术进展［J］.化工进展，2008，27（11）：1724－1727.的稳定运行与反应器快速二次启动的技术研究。［17］王立军，于德利，庞维珍，等.浓缩苹果汁高浓度有机废水处理3结束语工程的改造［J］.中国给水排水，2006，22（24）：35－37.目前针对我国各种高浓度工业废水，厌氧—好［18］刘子俊.利用UASB和EIC技术处理果汁废水［J］.江苏环境科氧生物处理工艺具有很大的优势。该工艺中高效厌技，2006，19（3）：24－25.［19］李志建，董智慧，李海东.厌氧技术处理果汁废水的研究［J］.陕氧反应器的开发与不同水质条件下工程规模优质厌西科技大学学报，2008，26（2）：61－63.氧颗粒污泥的驯化、培养这两方面的研究工作是其［20］Austermann-HaunU，RosenwinkleKH.Twoexamplesofanaero-中的重点与难点，有待运用多学科交叉的优势进行bicpretreatmentofwastewaterinthebeverageindustry［J］.Wat.深入研究并予以解决。Sci.Tech.，1997，36（2／3）：311－319.将较成功的如造纸工业废水厌氧—好氧生物处［作者简介］刘永红（1967—），2006年毕业于西安交通大学，博士，副教授，主要研究废水的厌氧生物处理及高效厌氧反应理经验拓展到其他高浓度如印染、果汁工业废水的处器开发。电话：13572505762，E-mail：liuyhxa@hotmail.com。理是未来高浓度工业废水处理的一个主要发展方向。［收稿日期］2010-03-11（修改稿）—9—