水处理行业：第三代厌氧反应器
1简介
内循环厌氧反应器(internal circulation reaction ，IC)，是荷兰PAQUES公司于20世纪80年代中期在UASB反应器的基础上开发成功的第3代超高效厌氧反应器。到1988年，世界上第1座生产性规模的IC反应器在荷兰投人运行，到目前为止，已成功地应用于啤酒生产、造纸、食品加工、柠檬酸等行业的生产污水治理。
IC反应器与以UASB为代表的第2代厌氧反应器相比，在容积负荷、电耗、工程造价、占地面积等诸多方面，具有绝对的优势，是对现代高效厌氧反应器的一种突破，有着重大的理论意义和实用价值，进一步研究和开发IC反应器，推广其应用范围已成为当前废水厌氧处理的重点内容之一。
1.1 IC反应器的基本构造
IC反应器可以看作是由2个UASB反应器叠加串联构成，高径比一般为4一8，高度可达16一25m。由5部分组成:混合区、第1反应区、第2反应区、内循环系统和出水区。其中内循环系统是IC反应器的核心部分，由一级三相分离器、沼气提升管、气液分离器和污泥回流管组成。参见图1。
1.2进液和混合布水系统
废水通过布水系统泵人反应器内，布水系统MA 液与从IC反应器上部返回的循环水、反应器底部的污泥有效地混合，由此产生对进液的稀释和均质作用。为了进水能够均匀的进入IC反应器的流化床反应室，布水系统采用了一个特别的结构设计。
1.3流化床反应室
在此部分，废水和颗粒污泥混合物在进水与循环水的共同推动下，迅速进人流化床室。废水和污泥之间产生强烈而有效的接触。这导致很高的污染物向生物物质(即颗粒污泥)的传质速率。在流化床反应室内，废水中的绝人部分可生物降解的污染物被转化为生物气。这些生物气在被称为一级沉降的下部三相分离器处收集并导人气体提升器，通过这个提升装置部分泥水混合物被传送到反应器最上部的气液分离器，气体分离后从反应器导出。
1.4内循环系统
在气体提升器中，气提原理使气、水、污泥混合物快速上升，气体在反应器顶部分离之后，剩余的泥水混合物经过一个同心的管道向下流人反应器底部，由此在反应器内形成循环流。气提动力来自于上升的和返回的泥水混合物中气体含量的巨大差别，因此，这个泥水混合物的内循环不需要任何外加动力。有意思的是，这个循环流的流量随着进液中COD的量的增大而自然增大，因此反应器具有自我调节的作用，原因是在高负荷条件下，产生更多的气体，从而也产生更多的循环水量，导致更大程度的进水的稀释。这对厂稳定的运行意义重大。
1.5深度净化室
经 过 一 级沉降之后，上开水流的主体部分继续向上流人深度净化室，废水中残存的生物可降解的COD被进一步降解，因此这个部分等于一个有效的后处理过程。产生的气体在称为二级沉降的上部三相分离器中收集并导出反应器，由千在深度净化室内的污泥负荷较低、相对长的水力保留时间和接近于推流的流动状态，废水在此得到有效处理并避免了污泥的流失。废水中的可生物降解COD几乎得到完全的去除。由于大量的COD已在流化床反应室中去除，深度净化室的产气量很小，不足以产生很大的流体湍动，加之，内循环流动不通过深度净化室，因此流体的上流速度很小。这两个原因使生物污泥能很好地保留在反应器内，即使反应器负荷数倍于UASB时也如此。由于深度净化室的污泥浓度通常较低，有相当大的今间允许流化床部分的污泥膨胀进人其中，这就防止了高峰负荷时污泥的流失。
1.6工作流程
废水首先通过布水系统进人IC反应器底部的混合区，并与来自泥水下降管的内循环泥水混合液充分混合后进人颗粒污泥床进行COD的生化降解，此处的COD容积负荷很高，大部分进水COD在此处被降解.产生大量沼气沼气由一级三相分离器收集。由于沼气产生气提作用，使得沼气、污泥和水的混合物沿沼气提升管上升至反应器顶部的气液分离器，沼气在该处与泥水分离并被导出处理系统。泥水混合物则沿泥水下降管进人反应器底部的混合区.并与进水充分混合后进人污泥膨胀床区，形成内循环，内循环流量可达进水流量的0.5一5倍经膨胀床处理后的废水除一部分参与内循环外，其余污水通过一级三相分离器后，进人精处理区的颗粒污泥床区，进行剩余COD降解与产沼气过程，提高和保证了出水水质。由于大部分COD已被降解，所以精处理区的COD负荷较低，产气量也较少。精处理区产生的沼气由二级三相分离器收集，通过集气管进人气液分离器并被导出处理系统。经过精处理区处理后的废水经二级三相分离器作用后，上清液经出水区排走，颗粒污泥则返回精处理区污泥床。IC的内循环技术巧妙地利用污泥颗粒化、污泥回流和分级处理，大幅度提高了COD容积负荷，实现了泥水间的良好接触，强化了传质效果。
2反应器的工程应用及研究现状
2.1 工程应用现状
2.1.1处理土豆加工废水
1958 年荷兰以Q切路公司在一家土豆处理厂建立了第1个IC中试反应器，其后建造的100m3IC厌氧反应器都处理这种废水，运行表明:IC厌氧反应器的COD容积负荷达到35一50Kg/（m3﹒d），停留时间前者为4一6h，而处理同样废水的UASB反应器的负荷仅为IC反应器的1/3左右。
2.1.2 处理啤酒废水
1996年沈阳华润雪花啤酒有限公司从荷兰PAQUES引进我国第1套IC反应器。反应器高16m，有效容积70m3处理水量400m3/d，COD去除率稳定在80%以上，容积负荷高达25一30Kg/(m3﹒d)。此后，广州珠江啤酒公司采用直径9.5m，高20m的IC反应器，处理啤酒废水1000 m3/d。容积负荷最高可达40 Kg/(m3﹒d)，COD去除率在75%一80%。
2.1.3 处理高浓度酒精废水
郑州大学于2004年进行了IC反应器处理酒精工业废水的生产性启动的研究，并成功地应用于酒精工业废水的治理，COD去除率高达95%左右，进水COD为15g/L，其接种污泥采用酒精厂自行培养的消化污泥和城市污水处理厂的厌氧脱水污泥，接种质量浓度为13.4 mg/L和10.85 mg/L，并培养出了颗粒污泥。
2.1.4 处理造纸综合废水
IC反应器自1996年用于造纸废水处理以来，发展很快。如在德国的Wepa造纸厂，废水处理量为4000 m3/d，采用容积为385 m3、高20m的IC反应器，进水COD在1510一2920mg/L，容积负荷在9一20 Kg/(m3﹒d)，COD去除率为58%-74%。
2.2 反应器的研究现状
2.2.1 处理高含盐菊芭废水
Habets L.H.A对以IC反应器处理菊芭废水的研究进行了阐述，采用高22m，容积为1100 m3的IC厌氧反应器，每天处理800 m3废水，进水COD约7.9g/ L，COD去除率在50%以上，平均停留时间仅6.lh。
2.2.2 快速启动的研究
采用人工合成的葡萄糖配水，丁丽丽、吴静等分别对IC反应器的颗粒污泥变化规律以及初次启动和二次启动过程进行了较深人的研究，试验结果表明:启动过程可在5一35d内完成，快速启动是可行的。启动结束时COD容积负荷达12一15 Kg/(m3﹒d)，COD去除率在55%以上。
2.2.3 处理养猪废水
邓良伟利用容积为120L的IC反应器处理猪场废水，水力停留时间0.8一2d，负荷3一7 Kg/(m3﹒d)。经过近半年的运行，结果表明，试验期间沼气产率达到1.5一3 m3/(m3﹒d)，COD平均去除率为80.3%，去除率95.8%，SS去除率78.5%。由于沉淀作用，对总氮(TN)、总磷(TP)都有一定的去除率。
3 IC反应器的研究发展趋势
3.1颗粒污泥培养技术与生物学研究
相对于UASB反应器，由于不同的水力条件和反应器结构，生产型的IC反应器内培养的颗粒污泥颗粒大、结构松散、强度低，因此，对反应器中颗粒污泥研究可为现有颗粒污泥理论提供有力证据，具有较大的学术价值和应用价值。另外，通过研究反应器中微生物学特性，确定反应器中优良颗粒污泥的形成机理，颗粒污泥中的微生物组成变化规律，为反应器应用奠定生物学基础。
3.2 反应器水力模型的合理性和实用性研究
目前常采用的IC反应器的水力模型是Pereboom等人于1994年在气升式反应器水力模型的基础上提出的，其合理性和实用性还有待进一步研究。对适合IC反应器的水力模型的研究，以及确定满足高负荷条件下反应器的流态分布、结构特性、水力学和传质特性等都是当前IC反应器技术亟待解决的问题。
3.3 反应器的结构优化
厌氧反应器结构对厌氧消化过程有很大的影响，国内外在IC反应器的工艺和设备等方面做了很多研究，但在反应器结构设计和优化方面还缺乏理论指导，许多投人生产运行的反应器都是凭经验设计的。一方面，内部过多的管路系统占用了反应器空间，使反应器的体积庞大，高度过高;另一方面，内部三相分离器的设计不尽合理，泥水气分离效果不好。为此 ，IC 反应器在结构优化、提高整个反应器的效率方面，还存在较大的挖潜空间。
3.4 快速启动方式与运行规律的研究
如何 在 短 期内实现快速启动是IC厌氧处理工程的关键，通过研究影响反应器效能的过程参数，掌握反应器的运行规律，从而建立切实可行的反应器快速启动方式和稳定操作运行方法。
从 目前IC反应器的应用来看，掌握IC反应器的快速启动与运行规律，对于工程设计与调试，企业的日常维护管理，提高企业经济效益等具有非常重要的意义。
3.5 应用领域的进一步拓展
CI反应器 因为回流的稀释作用，应该比UASB更能处理难降解甚至有毒的有机物，这一点已在普通EGSB反应器中得到普遍证实。目前，有关IC反应器的应用报道多在易降解废水的啤酒、柠檬酸等领域，其他行业仅有如造纸及高含盐菊芭废水方面的报道，应用领域有待进一步拓展。
3.6新的问题
客观地认识一个新的工艺是进一步开发研究的基础，COD容积负荷大幅度地提高使IC反应器具备很高的处理容量%同时也引入了新的问题:
(1)污泥分析表明,反应器比UASB反应器内含有较高浓度的细微颗粒污泥(形成大颗粒污泥的前体),加上水力停留时间相对短和较大的高径比,所以与UASB反应器相比IC反应器出水中含有更多的细微固体颗粒,这不仅使后续沉淀处理设备成为必要，还加重了后续设备的负担。事实上,研究IC反应器内颗粒污泥的性质,正是进一步揭示IC工艺机理的一个出发点。
(2)由于采用内循环技术和分级处理,所以IC反应器高度一般较高,而且内部结构相对复杂,不但增加了施工安装和日常维护的困难,对水泵动力消耗也存在负面影响。当然,由于IC反应器水力负荷较高%所以动力消耗还需结合实际综合考察。
(3)为适应较高的生化降解速率,许多IC反应器的进水需调节PH值和温度,为微生物的厌氧降解创造条件。从强化反应器自身功能的程度看,这无疑增加了IC反应器以外的附属处理设施,尽管目前大多数厌氧工艺也需要调节进水的温度和PH值。
4 IC反应器应用前景
尽管IC 反应器在应用中有一些未能很好解决的缺陷，但是由于IC反应器有着诸多以UASB为代表的第2代厌氧反应器无法比拟的优点，IC反应器越来越多地被应用于啤酒生产、造纸、食品加工、柠檬酸等行业的生产污水治理中，其在高浓度工业废水、有毒工业废水治理方面具有广阔的市场前景。
另外 ，IC 反应器目前主要应用于工业废水的治理，对于城市生活污水采用IC反应器的处理，仍有待于进一步探索。
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