IC厌氧反应器处理造纸废水效率的时间分布特征研究

气温与COD_Cr去除率的逐年分布特征如图2所示，图中反映了IC厌氧反应器COD_Cr去除率随年份的变化，2013—2021年COD_Cr平均去除率逐年上升，由2013年的接近40%升至2021年的55%左右，运行效果显著变化，但同时，这些年的气温是呈现稳定波动状态的。研究表明，环境温度在多数情况下会影响IC厌氧反应器的入水温度，且呈现线性关系^[10]，而表1显示，广州市年平均气温的微小波动^[11]与每年COD_Cr去除率的升高没有显著关系，但同一年中各个月份平均气温的变化是显著的，这可能会对当月COD_Cr去除率有影响。这说明IC厌氧反应器逐年时间分布特征可能与其他因素（如pH值和Alk）有关。

图2  2013—2021年IC厌氧反应器COD_Cr去除率与气温关系的散点图

Fig. 2  COD_Cr removal and temperature scatter diagram of IC anaerobic reactor from 2013 to 2021

采用气泡图对进水pH值对IC厌氧反应器COD_Cr去除率的影响情况进行分析，气泡越大代表pH值区间范围内统计天数越多，图中y轴数值为此pH值条件下的COD_Cr平均去除率，为了避免单一数据对分析结果的影响，作图时需剔除某一pH值范围内天数小于2的情况。

图3（a）为2013—2021年间不同进水pH值条件下IC厌氧反应器的COD_Cr平均去除率，由图3（a）可以看出，对于进水pH值集中在7.5~7.7的2013和2014年，COD_Cr去除率最低，为40%以下。随着IC厌氧反应器进水pH值逐年降低，到2018年，pH值大部分集中在7.4~7.5之间，COD_Cr去除率升高至45%左右，而到2021年，pH值大部分集中在7.3~7.4之间，COD_Cr去除率升高至55%左右，这说明pH值对于IC厌氧反应器COD_Cr去除效率有重要影响。图3（b）证明了这一点，即COD_Cr平均去除率与pH值（7.3~7.6）成反相关（R²=0.83）。

图3  IC厌氧反应器COD_Cr平均去除率与pH值的关系

Fig. 3  Relationship between average COD_Cr removal and pH value in IC anaerobic reactor

郭徽等人^[12]研究了180天内造纸废水进水pH值对IC厌氧反应器的影响，认为IC厌氧反应器在进水pH值为6.5~7.0的范围内时，COD_Cr去除率与pH值成正相关。结合本研究结果，说明在产甲烷菌适宜pH值条件下（6.5~7.5），随着pH值的增加，IC厌氧反应器COD_Cr去除率呈现先增后减的变化趋势，可以推断在pH值为7.0~7.3范围内存在一个最适合的pH值，使IC厌氧反应器处于最佳运行状态。这与厌氧环境下的微生物状态息息相关，相比于水解、发酵和产乙酸菌，产甲烷菌对pH值有非常严格的适应范围，仅在pH值为6.5~7.5的条件下活性较强，在低于6.5或高于7.5时，IC厌氧反应器依靠内循环作用的产气量会因产甲烷菌的活性下降而大大减少，最后影响IC厌氧反应器对COD_Cr的去除效率^[13]。Moletta等人^[14]的研究表明，pH值从6.8降到6.6或升至7.4，产气量均大大降低或升高，说明pH值的微小变化均会对产甲烷菌的活性产生巨大影响。

表2为2013—2021年该纸厂脱墨废水不同进水pH值区间的天数统计。由表2可以看出，2013—2015年，IC厌氧反应器进水pH值>7.5的统计天数逐渐增加，使产甲烷菌长期处于一种活性低、产气量少的状态，偶有pH值正常的时候，但难以长时间维持产甲烷菌的良好状态。从2016年开始，废水pH值逐渐降低，pH值>7.5的天数从2016年的87天降至2021年的5天，且平均pH值从大于7.5降低至7.2~7.4，给产甲烷菌提供了良好的环境，产气量增加，内循环增加，IC厌氧反应器的COD_Cr去除率也从小于40%升至55%左右。

除了要维持pH值在合理范围，要保持IC厌氧反应器处理效率稳定，还应定期监测IC厌氧反应器出水的VFA和Alk，VFA可以直接反映IC厌氧反应器的内部工作状态以及产甲烷菌的活性，VFA的积累会导致IC厌氧反应器产生酸化现象，使反应器内部产甲烷菌活性降低^[15]。Alk为碳酸氢盐缓冲体系的指标，有缓解酸化的能力^[16]，同时合适的Alk对污泥的颗粒化及监测污泥钙化也有积极作用，测定出水Alk对于知晓IC厌氧反应器内部产甲烷菌及产酸菌的活性具有重要意义^[17-18]。

IC厌氧反应器处理后出水Alk随时间的变化如图4所示，由图4可以看出，2013—2017年的大部分Alk平均值为3000 mg/L左右，pH值大多大于7.3（见表2），而在2018—2021年Alk平均值降至2000 mg/L左右，pH值大多小于7.3，这说明出水Alk和pH值之间存在着某种关系。孙建军等人^[19]曾对废水Alk与pH值的关系进行研究，得到Alk越高，pH值越高的结论，这也解释了当Alk发生变化时会影响pH值的现象。由于Alk和pH值的波动，导致IC厌氧反应器内部产甲烷菌的活性发生变化，进而影响COD_Cr去除率。因此，可以推断IC厌氧反应器处理效率的逐年分布特征主要是由Alk和pH值共同决定的，生产工艺要注意pH值的微小变化，大于7.5或小于6.5时，需及时通过添加酸或碱进行调整，另外要注意Alk的变化，其超过正常值（1000~5000 mg/L）时，体系抗冲击负荷会降低且会引起污泥钙化^[20]。

图4  2013—2021年IC厌氧反应器出水Alk变化

Fig. 4  Alk change in the effluent of IC anaerobic reactor from 2013 to 2021