1簡介

內(nèi)循環(huán)厭氧反應器(internal circulation reaction ，IC)，是荷蘭PAQUES公司于20世紀80年代中期在UASB反應器的基礎上開發(fā)成功的第3代超高效厭氧反應器。到1988年，世界上第1座生產(chǎn)性規(guī)模的IC反應器在荷蘭投人運行，到目前為止，已成功地應用于啤酒生產(chǎn)、造紙、食品加工、檸檬酸等行業(yè)的生產(chǎn)污水治理。

IC反應器與以UASB為代表的第2代厭氧反應器相比，在容積負荷、電耗、工程造價、占地面積等諸多方面，具有絕對的優(yōu)勢，是對現(xiàn)代高效厭氧反應器的一種突破，有著重大的理論意義和實用價值，進一步研究和開發(fā)IC反應器，推廣其應用范圍已成為當前廢水厭氧處理的重點內(nèi)容之一。

1.1 IC反應器的基本構造

IC反應器可以看作是由2個UASB反應器疊加串聯(lián)構成，高徑比一般為4一8，高度可達16一25m。由5部分組成:混合區(qū)、第1反應區(qū)、第2反應區(qū)、內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)和出水區(qū)。其中內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)是IC反應器的核心部分，由一級三相分離器、沼氣提升管、氣液分離器和污泥回流管組成。參見圖1。

1.2進液和混合布水系統(tǒng)

廢水通過布水系統(tǒng)泵人反應器內(nèi)，布水系統(tǒng)MA 液與從IC反應器上部返回的循環(huán)水、反應器底部的污泥有效地混合，由此產(chǎn)生對進液的稀釋和均質(zhì)作用。為了進水能夠均勻的進入IC反應器的流化床反應室，布水系統(tǒng)采用了一個特別的結構設計。

1.3流化床反應室

在此部分，廢水和顆粒污泥混合物在進水與循環(huán)水的共同推動下，迅速進人流化床室。廢水和污泥之間產(chǎn)生強烈而有效的接觸。這導致很高的污染物向生物物質(zhì)(即顆粒污泥)的傳質(zhì)速率。在流化床反應室內(nèi)，廢水中的絕人部分可生物降解的污染物被轉化為生物氣。這些生物氣在被稱為一級沉降的下部三相分離器處收集并導人氣體提升器，通過這個提升裝置部分泥水混合物被傳送到反應器最上部的氣液分離器，氣體分離后從反應器導出。

1.4內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)

在氣體提升器中，氣提原理使氣、水、污泥混合物快速上升，氣體在反應器頂部分離之后，剩余的泥水混合物經(jīng)過一個同心的管道向下流人反應器底部，由此在反應器內(nèi)形成循環(huán)流。氣提動力來自于上升的和返回的泥水混合物中氣體含量的巨大差別，因此，這個泥水混合物的內(nèi)循環(huán)不需要任何外加動力。有意思的是，這個循環(huán)流的流量隨著進液中COD的量的增大而自然增大，因此反應器具有自我調(diào)節(jié)的作用，原因是在高負荷條件下，產(chǎn)生更多的氣體，從而也產(chǎn)生更多的循環(huán)水量，導致更大程度的進水的稀釋。這對廠穩(wěn)定的運行意義重大。

1.5深度凈化室

經(jīng) 過 一 級沉降之后，上開水流的主體部分繼續(xù)向上流人深度凈化室，廢水中殘存的生物可降解的COD被進一步降解，因此這個部分等于一個有效的后處理過程。產(chǎn)生的氣體在稱為二級沉降的上部三相分離器中收集并導出反應器，由千在深度凈化室內(nèi)的污泥負荷較低、相對長的水力保留時間和接近于推流的流動狀態(tài)，廢水在此得到有效處理并避免了污泥的流失。廢水中的可生物降解COD幾乎得到完全的去除。由于大量的COD已在流化床反應室中去除，深度凈化室的產(chǎn)氣量很小，不足以產(chǎn)生很大的流體湍動，加之，內(nèi)循環(huán)流動不通過深度凈化室，因此流體的上流速度很小。這兩個原因使生物污泥能很好地保留在反應器內(nèi)，即使反應器負荷數(shù)倍于UASB時也如此。由于深度凈化室的污泥濃度通常較低，有相當大的今間允許流化床部分的污泥膨脹進人其中，這就防止了高峰負荷時污泥的流失。

1.6工作流程

廢水首先通過布水系統(tǒng)進人IC反應器底部的混合區(qū)，并與來自泥水下降管的內(nèi)循環(huán)泥水混合液充分混合后進人顆粒污泥床進行COD的生化降解，此處的COD容積負荷很高，大部分進水COD在此處被降解.產(chǎn)生大量沼氣沼氣由一級三相分離器收集。由于沼氣產(chǎn)生氣提作用，使得沼氣、污泥和水的混合物沿沼氣提升管上升至反應器頂部的氣液分離器，沼氣在該處與泥水分離并被導出處理系統(tǒng)。泥水混合物則沿泥水下降管進人反應器底部的混合區(qū).并與進水充分混合后進人污泥膨脹床區(qū)，形成內(nèi)循環(huán)，內(nèi)循環(huán)流量可達進水流量的0.5一5倍經(jīng)膨脹床處理后的廢水除一部分參與內(nèi)循環(huán)外，其余污水通過一級三相分離器后，進人精處理區(qū)的顆粒污泥床區(qū)，進行剩余COD降解與產(chǎn)沼氣過程，提高和保證了出水水質(zhì)。由于大部分COD已被降解，所以精處理區(qū)的COD負荷較低，產(chǎn)氣量也較少。精處理區(qū)產(chǎn)生的沼氣由二級三相分離器收集，通過集氣管進人氣液分離器并被導出處理系統(tǒng)。經(jīng)過精處理區(qū)處理后的廢水經(jīng)二級三相分離器作用后，上清液經(jīng)出水區(qū)排走，顆粒污泥則返回精處理區(qū)污泥床。IC的內(nèi)循環(huán)技術巧妙地利用污泥顆?；?、污泥回流和分級處理，大幅度提高了COD容積負荷，實現(xiàn)了泥水間的良好接觸，強化了傳質(zhì)效果。

2反應器的工程應用及研究現(xiàn)狀

2.1 工程應用現(xiàn)狀

2.1.1處理土豆加工廢水

1958 年荷蘭以Q切路公司在一家土豆處理廠建立了第1個IC中試反應器，其后建造的100m3IC厭氧反應器都處理這種廢水，運行表明:IC厭氧反應器的COD容積負荷達到35一50Kg/（m3﹒d），停留時間前者為4一6h，而處理同樣廢水的UASB反應器的負荷僅為IC反應器的1/3左右。

2.1.2 處理啤酒廢水

1996年沈陽華潤雪花啤酒有限公司從荷蘭PAQUES引進我國第1套IC反應器。反應器高16m，有效容積70m3處理水量400m3/d，COD去除率穩(wěn)定在80%以上，容積負荷高達25一30Kg/(m3﹒d)。此后，廣州珠江啤酒公司采用直徑9.5m，高20m的IC反應器，處理啤酒廢水1000 m3/d。容積負荷最高可達40 Kg/(m3﹒d)，COD去除率在75%一80%。

2.1.3 處理高濃度酒精廢水

鄭州大學于2004年進行了IC反應器處理酒精工業(yè)廢水的生產(chǎn)性啟動的研究，并成功地應用于酒精工業(yè)廢水的治理，COD去除率高達95%左右，進水COD為15g/L，其接種污泥采用酒精廠自行培養(yǎng)的消化污泥和城市污水處理廠的厭氧脫水污泥，接種質(zhì)量濃度為13.4 mg/L和10.85 mg/L，并培養(yǎng)出了顆粒污泥。

2.1.4 處理造紙綜合廢水

IC反應器自1996年用于造紙廢水處理以來，發(fā)展很快。如在德國的Wepa造紙廠，廢水處理量為4000 m3/d，采用容積為385 m3、高20m的IC反應器，進水COD在1510一2920mg/L，容積負荷在9一20 Kg/(m3﹒d)，COD去除率為58%-74%。

2.2 反應器的研究現(xiàn)狀

2.2.1 處理高含鹽菊芭廢水

Habets L.H.A對以IC反應器處理菊芭廢水的研究進行了闡述，采用高22m，容積為1100 m3的IC厭氧反應器，每天處理800 m3廢水，進水COD約7.9g/ L，COD去除率在50%以上，平均停留時間僅6.lh。

2.2.2 快速啟動的研究

采用人工合成的葡萄糖配水，丁麗麗、吳靜等分別對IC反應器的顆粒污泥變化規(guī)律以及初次啟動和二次啟動過程進行了較深人的研究，試驗結果表明:啟動過程可在5一35d內(nèi)完成，快速啟動是可行的。啟動結束時COD容積負荷達12一15 Kg/(m3﹒d)，COD去除率在55%以上。

2.2.3 處理養(yǎng)豬廢水

鄧良偉利用容積為120L的IC反應器處理豬場廢水，水力停留時間0.8一2d，負荷3一7 Kg/(m3﹒d)。經(jīng)過近半年的運行，結果表明，試驗期間沼氣產(chǎn)率達到1.5一3 m3/(m3﹒d)，COD平均去除率為80.3%，去除率95.8%，SS去除率78.5%。由于沉淀作用，對總氮(TN)、總磷(TP)都有一定的去除率。

3 IC反應器的研究發(fā)展趨勢

3.1顆粒污泥培養(yǎng)技術與生物學研究

相對于UASB反應器，由于不同的水力條件和反應器結構，生產(chǎn)型的IC反應器內(nèi)培養(yǎng)的顆粒污泥顆粒大、結構松散、強度低，因此，對反應器中顆粒污泥研究可為現(xiàn)有顆粒污泥理論提供有力證據(jù)，具有較大的學術價值和應用價值。另外，通過研究反應器中微生物學特性，確定反應器中優(yōu)良顆粒污泥的形成機理，顆粒污泥中的微生物組成變化規(guī)律，為反應器應用奠定生物學基礎。

3.2 反應器水力模型的合理性和實用性研究

目前常采用的IC反應器的水力模型是Pereboom等人于1994年在氣升式反應器水力模型的基礎上提出的，其合理性和實用性還有待進一步研究。對適合IC反應器的水力模型的研究，以及確定滿足高負荷條件下反應器的流態(tài)分布、結構特性、水力學和傳質(zhì)特性等都是當前IC反應器技術亟待解決的問題。

3.3 反應器的結構優(yōu)化

厭氧反應器結構對厭氧消化過程有很大的影響，國內(nèi)外在IC反應器的工藝和設備等方面做了很多研究，但在反應器結構設計和優(yōu)化方面還缺乏理論指導，許多投人生產(chǎn)運行的反應器都是憑經(jīng)驗設計的。一方面，內(nèi)部過多的管路系統(tǒng)占用了反應器空間，使反應器的體積龐大，高度過高;另一方面，內(nèi)部三相分離器的設計不盡合理，泥水氣分離效果不好。為此 ，IC 反應器在結構優(yōu)化、提高整個反應器的效率方面，還存在較大的挖潛空間。

3.4 快速啟動方式與運行規(guī)律的研究

如何 在 短 期內(nèi)實現(xiàn)快速啟動是IC厭氧處理工程的關鍵，通過研究影響反應器效能的過程參數(shù)，掌握反應器的運行規(guī)律，從而建立切實可行的反應器快速啟動方式和穩(wěn)定操作運行方法。

從 目前IC反應器的應用來看，掌握IC反應器的快速啟動與運行規(guī)律，對于工程設計與調(diào)試，企業(yè)的日常維護管理，提高企業(yè)經(jīng)濟效益等具有非常重要的意義。

3.5 應用領域的進一步拓展

CI反應器 因為回流的稀釋作用，應該比UASB更能處理難降解甚至有毒的有機物，這一點已在普通EGSB反應器中得到普遍證實。目前，有關IC反應器的應用報道多在易降解廢水的啤酒、檸檬酸等領域，其他行業(yè)僅有如造紙及高含鹽菊芭廢水方面的報道，應用領域有待進一步拓展。

3.6新的問題

客觀地認識一個新的工藝是進一步開發(fā)研究的基礎，COD容積負荷大幅度地提高使IC反應器具備很高的處理容量%同時也引入了新的問題:

(1)污泥分析表明,反應器比UASB反應器內(nèi)含有較高濃度的細微顆粒污泥(形成大顆粒污泥的前體),加上水力停留時間相對短和較大的高徑比,所以與UASB反應器相比IC反應器出水中含有更多的細微固體顆粒,這不僅使后續(xù)沉淀處理設備成為必要，還加重了后續(xù)設備的負擔。事實上,研究IC反應器內(nèi)顆粒污泥的性質(zhì),正是進一步揭示IC工藝機理的一個出發(fā)點。

(2)由于采用內(nèi)循環(huán)技術和分級處理,所以IC反應器高度一般較高,而且內(nèi)部結構相對復雜,不但增加了施工安裝和日常維護的困難,對水泵動力消耗也存在負面影響。當然,由于IC反應器水力負荷較高%所以動力消耗還需結合實際綜合考察。

(3)為適應較高的生化降解速率,許多IC反應器的進水需調(diào)節(jié)PH值和溫度,為微生物的厭氧降解創(chuàng)造條件。從強化反應器自身功能的程度看,這無疑增加了IC反應器以外的附屬處理設施,盡管目前大多數(shù)厭氧工藝也需要調(diào)節(jié)進水的溫度和PH值。

4 IC反應器應用前景

盡管IC 反應器在應用中有一些未能很好解決的缺陷，但是由于IC反應器有著諸多以UASB為代表的第2代厭氧反應器無法比擬的優(yōu)點，IC反應器越來越多地被應用于啤酒生產(chǎn)、造紙、食品加工、檸檬酸等行業(yè)的生產(chǎn)污水治理中，其在高濃度工業(yè)廢水、有毒工業(yè)廢水治理方面具有廣闊的市場前景。

另外 ，IC 反應器目前主要應用于工業(yè)廢水的治理，對于城市生活污水采用IC反應器的處理，仍有待于進一步探索。

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