IC厌氧反应器

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设备说明
一、设备概述
废水厌氧生物技术由于其巨大的处理能力和潜在的应用前景，一直是水处理技术研究的热点。从传统的厌氧接触工艺发展到现今广泛流行的UASB工艺，废水厌氧处理技术已日趋成熟。随着生产发展与资源、能耗、占地等因素间矛盾的进一步突出，现有的厌氧工艺又面临着严峻的挑战，尤其是如何处理生产发展带来的大量高浓度有机废水，使得研发技术经济更优化的厌氧工艺非常必要[1]。内循环厌氧处理技术（以下简称IC厌氧技术）就是在这一背景下产生的高效处理技术，它是20世纪80年代中期由荷兰PAQUES公司研发成功，并推入国际废水处理工程市场，目前已成功应用于土豆加工、啤酒、食品和柠檬酸等废水处理中[2]。实践证明，该技术去除有机物的能力远远超过普通厌氧处理技术（如UASB），而且IC反应器容积小、投资少、占地省、运行稳定，是一种值得推广的高效厌氧处理技术。 
 厌氧处理是废水生物处理技术的一种方法，要提高厌氧处理速率和效率，除了要提供给微生物一个良好的生长环境外，保持反应器内高的污泥浓度和良好的传质效果也是2个关键性举措。 
以厌氧接触工艺为代表的第1代厌氧反应器，污泥停留时间（SRT）和水力停留时间（HRT）大体相同，反应器内污泥浓度较低，处理效果差。为了达到较好的处理效果，废水在反应器内通常要停留几天到几十天之久。 
以UASB工艺为代表的第2代厌氧反应器，依靠颗粒污泥的形成和三相分离器的作用，使污泥在反应器中滞留，实现了SRT>HRT，从而提高了反应器内污泥浓度，但是反应器的传质过程并不理想。要改善传质效果，最有效的方法就是提高表面水力负荷和表面产气负荷。然而高负荷产生的剧烈搅动又会使反应器内污泥处于完全膨胀状态，使原本SRT>HRT向SRT=HRT方向转变，污泥过量流失，处理效果变差。 


二、IC厌氧反应器的工作原理
IC反应器基本构造如图1所示，它相似由2层UASB反应器串联而成。按功能划分，反应器由下而上共分为5个区：混合区、第1厌氧区、第2厌氧区、沉淀区和气液分离区。 
混合区：反应器底部进水、颗粒污泥和气液分离区回流的泥水混合物有效地在此区混合。 
第1厌氧区：混合区形成的泥水混合物进入该区，在高浓度污泥作用下，大部分有机物转化为沼气。混合液上升流和沼气的剧烈扰动使该反应区内污泥呈膨胀和流化状态，加强了泥水表面接触，污泥由此而保持着高的活性。随着沼气产量的增多，一部分泥水混合物被沼气提升至顶部的气液分离区。 
气液分离区：被提升的混合物中的沼气在此与泥水分离并导出处理系统，泥水混合物则沿着回流管返回到最下端的混合区，与反应器底部的污泥和进水充分混合，实现了混合液的内部循环。 
第2厌氧区：经第1厌氧区处理后的废水，除一部分被沼气提升外，其余的都通过三相分离器进入第2厌氧区。该区污泥浓度较低，且废水中大部分有机物已在第1厌氧区被降解，因此沼气产生量较少。沼气通过沼气管导入气液分离区，对第2厌氧区的扰动很小，这为污泥的停留提供了有利条件。 
沉淀区：第2厌氧区的泥水混合物在沉淀区进行固液分离，上清液由出水管排走，沉淀的颗粒污泥返回第2厌氧区污泥床。 

从IC反应器工作原理中可见，反应器通过2层三相分离器来实现SRT>HRT，获得高污泥浓度；通过大量沼气和内循环的剧烈扰动，使泥水充分接触，获得良好的传质效果。

三、IC厌氧反应器优点
IC反应器的构造及其工作原理决定了其在控制厌氧处理影响因素方面比其它反应器更具有优势。 
（1）容积负荷高：IC反应器内污泥浓度高，微生物量大，且存在内循环，传质效果好，进水有机负荷可超过普通厌氧反应器的3倍以上。 
（2）节省投资和占地面积：IC反应器容积负荷率高出普通UASB反应器3倍左右，其体积相当于普通反应器的1/4~1/3左右，大大降低了反应器的基建投资[5]。而且IC反应器高径比很大（一般为4~8），所以占地面积特别省，非常适合用地紧张的工矿企业。 
（3）抗冲击负荷能力强：处理低浓度废水（COD=2000~3000mg/L）时，反应器内循环流量可达进水量的2~3倍；处理高浓度废水（COD=10000~15000mg/L）时，内循环流量可达进水量的10~20倍[5]。大量的循环水和进水充分混合，使原水中的有害物质得到充分稀释，大大降低了毒物对厌氧消化过程的影响。 
（4）抗低温能力强：温度对厌氧消化的影响主要是对消化速率的影响。IC反应器由于含有大量的微生物，温度对厌氧消化的影响变得不再显著和严重。通常IC反应器厌氧消化可在常温条件（20~25 ℃）下进行，这样减少了消化保温的困难，节省了能量。 
（5）具有缓冲pH的能力：内循环流量相当于第1厌氧区的出水回流，可利用COD转化的碱度，对pH起缓冲作用，使反应器内pH保持最佳状态，同时还可减少进水的投碱量。 
（6）内部自动循环，不必外加动力：普通厌氧反应器的回流是通过外部加压实现的，而IC反应器以自身产生的沼气作为提升的动力来实现混合液内循环，不必设泵强制循环，节省了动力消耗。 
（7）出水稳定性好：利用二级UASB串联分级厌氧处理，可以补偿厌氧过程中K s高产生的不利影响。Van Lier[6]在1994年证明，反应器分级会降低出水VFA浓度，延长生物停留时间，使反应进行稳定。 
（8）启动周期短：IC反应器内污泥活性高，生物增殖快，为反应器快速启动提供有利条件。IC反应器启动周期一般为1～2个月，而普通UASB启动周期长达4～6个月。 
（9）沼气利用价值高：反应器产生的生物气纯度高，CH4为70％～80％，CO2为20％～30％，其它有机物为1％～5％，可作为燃料加以利用[8]。
四、IC厌氧反应器工作流程
进水经过布水器输入反应器，与下降管循环来的污泥和出水均匀混和后，进入第一个反应分离区内，流化床反应室。在那里，大部分COD被降解为沼气，在这个分离区产生的沼气由低位三相分离器收集和分离，并产生气体提升。气体被提升的同时，带动水和污泥作向上运动，经过一级“上升”管达到位于反应器顶部的气体/液体分离器，在这里沼气从水和污泥中分离，离开整个反应器。水和污泥混和经过同心的“下降”管直接滑落到反应器底部形成内部循环流。从第一级分离区的出水在第二阶段低负荷后处理区内被深度处理，在那里剩余的可生物降解的COD被去除，在上层分离区产生的沼气被顶部的三相分离器收集，并沿二级“上升管”，输送到顶部旋流式气体/液体分离器，实现沼气分离和收集。同时，厌氧出水（12）经过出水堰离开反应器自流进入后续处理中。
五、IC厌氧反应器 适用范围
IC处理技术从问世以来已成功应用于土豆加工、菊苣加工、啤酒、柠檬酸和造纸等废水处理中。1985年荷兰首次应用IC反应器处理土豆加工废水，容积负荷（以COD计）高达35～50kg/(m3·d)，停留时间4～6 h[9]；而处理同类废水的UASB反应器容积负荷仅有10～15 kg/(m3·d)，停留时间长达十几到几十个小时[3]。 
在啤酒废水处理工艺中，IC技术应用得较多，目前我国已有3家啤酒厂引进了此工艺。从运行结果看，IC工艺容积负荷（以COD计）可达15～30 kg/(m3·d)，停留时间2～4.2 h，COD去除率ηCOD>75％[9]；而UASB反应器容积负荷仅有4～7 kg/(m3·d)，停留时间近10 h。 
对于处理高浓度和高盐度的有机废水，IC反应器也有成功的经验。废水COD约7900mg/L，SO42－为250mg/L，Cl－为4200mg/L。采用22m高、1100m3容积的IC反应器，容积负荷（以COD计）达31 kg/(m3·d)，ηCOD>80％，平均停留时间仅6.1 h。 
六、IC厌氧反应器控制参数
IC厌氧反应器，其主要的控制参数有以下内容：
PH值：反应器进水PH值要求控制在6.5~8.0之间，过低或过高的PH值都会对工艺造成巨大的影响，其影响主要体现在对厌氧菌（主要是产甲烷菌）的方面，包括：①影响菌体及酶系统的生理功能和活性②影响环境的氧化还原电位③影响基质的活性。产甲烷菌的这些性质功能遭到破坏后，处理COD的活性就会大大的降低。
温度：反应器进水温度要求控制在35.5~37.5之间，因为产甲烷菌大多数都属于中温菌，在这个范围内，其处理效率是很高的。温度高于40℃时，处理效率会急剧下降；最好也不要低于35℃，温度过低，处理效率也会下降很多。
预酸化度：废水进入厌氧反应器之前要保持足够的预酸化度，一般在30%~50%之间，最好是在40%左右。预酸化度高的情况下，VFA高，进水PH值会降低，为调解PH值，会增高污水处理的运行费用，同时还会影响污泥的颗粒化。
有毒物质：对厌氧颗粒污泥有抑制性作用的有毒物质主要是H2S和亚硫酸盐。H2S的允许浓度为小于150㎎/L，否则可能会使大部分产甲烷菌降低50%的活性；亚硫酸盐的允许浓度是小于150ppm，否则将会导致一半的产甲烷菌失去活性，所以一定要严格控制这两样有毒物质的含量，对其进行定期的检测。
容积负荷率：厌氧反应器具有很高的容积负荷率，操作手册上为16~24㎏COD /m3/d,而一些学者认为其容积负荷率还可以更高可达30~40㎏COD /m3/d,但是这个数值的短期内变化幅度最好不要过大，就是说要让厌氧菌有一定的适应时间，逐步增加或降低负荷。如果条件可以，尽量使其负荷率在一个范围之间，趋于稳定的状态。
上升流速：IC反应器的上升流速一般在4~10m/h, 当污水的进水COD值浓度较低时，需要提高流量来增加COD的负荷率，较高的上升流速会有助于颗粒污泥与有机物之间的传质过程，避免了混合不均匀对设备的影响。
污泥菌种的成分：厌氧污泥中具有处理污染物能力的就是细 菌等有机物质，菌群的组成及菌种的成分决定了其颗粒强度、产甲烷活性及对污水的适应能力。一般来说，污泥中有机物的成分占70%左右，污泥外部菌种主要为丝菌，污泥内部主要为杆菌、球菌等。