IC厌氧处理新技术的应用进展

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简介： 高浓度污泥和良好的传质效果使IC反应器在厌氧处理技术方面比普通反应器（如UASB）更具有优势。IC厌氧处理技术已被成功应用于工程实践中，由于反应器处理容量高、投资少、占地省、运行稳定，发展潜力很大。
关键字：内循环厌氧处理技术 IC反应器 厌氧处理技术

1  引言

    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。

2  现有厌氧处理技术的局限性

    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^[3]。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^[4]。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。

3  IC反应器工作原理及技术优点

3.1 IC反应器工作原理

    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。

3.2  IC工艺技术优点

    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^[7]。

    （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]。

4  IC处理技术应用现状及发展前景

    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η_COD>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^[3]。

    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。位于荷兰Roosendaal的一家菊苣加工厂的废水，COD约7900mg/L，SO₄^2－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)，η_COD>80％，平均停留时间仅6.1 h^[9]。

    我国无锡罗氏中亚柠檬有限公司的IC厌氧处理系统自1998年12月运行以来一直都很稳定，进水COD一般在8000mg/L以上，pH5.0左右，容积负荷（以COD计）可达30 kg/(m³·d)，出水COD基本在2000mg/L以下，且每千克COD产沼气0.42m^3[10]。1996年IC反应器首次应用于纸浆造纸行业，并迅速获得客户欢迎，至今全世界造纸行业已建造IC反应器23个^[11]。

    表1列出了IC反应器和UASB反应器处理典型废水的对照结果，从表中数据可以看出，IC反应器在很大程度上解决了UASB的不足，大大提高了反应器单位容积的处理容量。

表1  IC反应器与UASB反应器处理相同废水的对比结果^[1]

对比指标

反应器类型

IC

UASB

啤酒废水

土豆加工废水

啤酒废水

土豆加工废水

反应器体积（m³）

6×162

100

1400

2×1700

反应器高度（m）

20

15

6.4

5.5

水力停留时间（h）

2.1

4.0

6

30

容积负荷kg/(m³·d)

24

48

6.8

10

进水COD（mg/L）

2000

6000～8000

1700

12000

η_COD（％）

80

85

80

95

    随着生产的发展，经济高效、节能省地的厌氧反应器越来越受到水处理工作者的青睐。IC反应器的一系列技术优点及其工程成功实践，是现代厌氧反应器的一个突破，值得进一步研究开发。而且由于反应器容积小，生产、运输、安装和维修都十分方便，产业化前景也很乐观。

5  IC反应器存在的几个问题

    COD容积负荷大幅度提高，使IC反应器具备很高的处理容量，同时也带来了不少新的问题：

    （1）从构造上看，IC反应器内部结构比普通厌氧反应器复杂，设计施工要求高。反应器高径比大，一方面增加了进水泵的动力消耗，提高了运行费用；另一方面加快了水流上升速度，使出水中细微颗粒物比UASB多，加重了后续处理的负担^[12]。另外内循环中泥水混合液的上升还易产生堵塞现象，使内循环瘫痪，处理效果变差。

    （2）发酵细菌通过胞外酶作用将不溶性有机物水解成可溶性有机物，再将可溶性的大分子有机物转化成脂肪酸和醇类等，该类细菌水解过程相当缓慢^[13]。IC反应器较短的水力停留时间势必影响不溶性有机物的去除效果。

    （3）在厌氧反应中，有机负荷、产气量和处理程度三者之间存在着密切的联系和平衡关系。一般较高的有机负荷可获得较大的产气量，但处理程度会降低^[13]。因此，IC反应器的总体去除效率相比UASB反应器来讲要低些。

    （4）缺乏在IC反应器水力条件下培养活性和沉降性能良好的颗粒污泥关键技术。目前国内引进的IC反应器均采用荷兰进口的颗粒污泥接种^[2]，增加了工程造价。

    上述问题有待在对IC厌氧处理技术内部规律进行更深入探讨的基础上，结合工程实践加以克服，使这一新技术更加完善。

6  参考文献

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2 吴静、陆正禹、胡纪萃，等. 新型高效内循环（IC）厌氧反应器. 中国给水排水，2001，17（1）：26～29.
3 贺廷龄. 废水的厌氧生物处理. 北京：中国轻工业出版社，1998：9~10.
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9 Pereboom  J H F. Methanogenic Granule debelopment in full scale internal circulation reactor. Water cience and Technology ,1994，30（8）：9～21.
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12 Pereboom J. H. F. Size dletribution model for methanogenic granules from full scale UASB and IC reactors. Water Science and Technology.1994，30(12)：211~221 .
13 张自杰. 环境工程手册－水污染防治卷. 北京：高等教育出版社，1996：659～661.