IC反應器的設(shè)計11

第頁IC反應器設(shè)計參考loser設(shè)計說明IC反應器，即內(nèi)循環(huán)厭氧反應器，相似由2層UASB反應器串聯(lián)而成。其由上下兩個反應室組成。在處理高濃度有機廢水時，其進水負荷可提高至35～50kgCOD/(m3·d)。及UASB反應器相比，在獲得相同處理速率的條件下，IC反應器具有更高的進水容積負荷率和污泥負荷率，IC反應器的平均升流速度可達處理同類廢水UASB反應器的20倍左右。設(shè)計參數(shù)參數(shù)選取設(shè)計參數(shù)選取如下：第一反應室的容積負荷NV1＝35kgCOD/(m3·d)，：第二反應室的容積負荷NV2＝12kgCOD/(m3·d)；污泥產(chǎn)率0.03kgMLSS/kgCOD；產(chǎn)氣率0.35m3/kgCOD設(shè)計水質(zhì)設(shè)計參數(shù)CODcrBOD5SS進水水質(zhì)/(mg/L)120006000890去除率/%858030出水水質(zhì)/(mg/L)設(shè)計水量Q＝3000m3/d＝125m3/h=0.035m3/s反應器所需容積及主要尺寸的確定（見附圖6-4）有效容積本設(shè)計采用進水負荷率法，按中溫消化（35～37℃）、污泥為顆粒污泥等情況進行計算。V＝式中V－反應器有效容積，m3；Q－廢水的設(shè)計流量，m3/d；本設(shè)計流量日變化系數(shù)取Kd=1.2,Q=3600m3/dNv－容積負荷率，kgCOD/（m3·d）；C0－進水COD濃度，kg/m3；mg/L=10-3kg/m3，設(shè)計取24.074kg/m3Ce－出水COD濃度，kg/m3。設(shè)計取3.611kg/m3本設(shè)計采用IC反應器處理高濃度廢水，而IC反應器內(nèi)部第一反應室和第二反應室由于內(nèi)部流態(tài)及處理效率的不同，這里涉及一，二反應室的容積。據(jù)相關(guān)資料介紹，IC反應器的第一反應室（相當于EGSB）去除總COD的80％左右，第二反應室去除總COD的20％左右。第一反應室的有效容積V1＝＝＝700m3第二反應室的有效容積V1＝＝＝510m3IC反應器的總有效容積為V＝700＋510＝1210m3，這里取1250m3IC反應器幾何尺寸小型IC反應器的高徑比（H/D）一般為4～8，高度在15～20m,而大型IC反應器高度在20～25m,因此高徑比相對較小，本設(shè)計的IC反應器的高徑比為2.5.H=2.5/DV＝A×H＝＝則D＝=＝8.2m，取9m，已知體積V利用高徑比推直徑D，再由D反推IC高度。（這部可以直接求得底面積）H＝2.5×9＝22.5m，取23m。每個IC反應器總?cè)莘e負荷率：NV＝＝＝24.5[kgCOD/(m3·d)]IC反應器的底面積A＝＝＝63.6m2，則第二反應室高H2＝＝＝8m.第一反應室的高度H1＝H－H2＝23－8＝15mIC反應器的循環(huán)量進水在反應器中的總停留時間為tHRT＝＝＝10h設(shè)第二反應室內(nèi)液體升流速度為4m/h（IC反應器里第二反應室的上升流速一般為2～10m/h），則需要循環(huán)泵的循環(huán)量為256m3/h。(可能為V×A=254.4m3/h)第一反應室內(nèi)液體升流速度一般為10～20m/h，主要由厭氧反應產(chǎn)生的氣流推動的液流循環(huán)所帶動。第一反應室產(chǎn)生的沼氣量為Q沼氣＝Q（C0－Ce）×0.8×0.35式中廢水量Q=3000m3/d,C0和Ce分別為進出水COD濃度，0.8為第一反應室的效率，0.35為每千克去除的COD轉(zhuǎn)化為0.35m3的沼氣。則第一反應室沼氣量為：3000×（12－1.8）×0.8×0.35＝8568m3/d每立方米沼氣上升時攜帶1～2m3左右的廢水上升至反應器頂部，頂部氣水分離后，廢水從中心管回流至反應器底部，及進水混合后。由于產(chǎn)氣量為8568m3/d，則回流廢水量為8568～17136m3/d，即357～714m3/h，加上IC反應器廢水循環(huán)泵循環(huán)量256m3/h，則在第一反應室中總的上升水量達到了613～970m3/h，（V流速=Q/A）上流速度可達9.68～15.25m/h，IC反應器第一反應室上升流速一般為10～20m/h）,可見IC反應器設(shè)計符合要求。IC反應器第一反應室的氣液固分離不同于UASB反應器頂部的三項分離系統(tǒng)，IC第一反應室的頂部功能主要為氣體收集和固液兩相分離。較高的上升流速的廢水流至第一反應室頂部，大部分液體和顆粒污泥隨氣體流入氣室上升IC反應器頂部的氣液固分離器，部分液體和固體流入三相分離器,顆粒污泥在分離器上部靜態(tài)區(qū)沉淀，廢水從上部隔板流入第二反應室。圖6-4為第一反應室頂部氣液固分離器流態(tài)示意。IC反應器第一反應室的氣液固分離設(shè)計第一反應室三相分離器的氣液固三相分離是IC最重要組成部分，是IC反應器最有特點的裝置，它對該種反應器的高效率起了十分重要的作用。其設(shè)計直接影響氣液固三項分離及內(nèi)部循環(huán)效果。高效的三項分離器應具備以下幾個功能：氣液固混合液中氣體不得進入沉淀區(qū)，即流體（污泥及水混合物）進入沉淀區(qū)之前，氣體必須進行有效地分離去除，避免氣體在沉淀區(qū)干擾固，液的分離；沉淀區(qū)液流穩(wěn)定，使其具備良好的固液分離效果；沉淀分離的部分固體（污泥）能迅速通過斜板返回到反應器內(nèi)，以維持反應器內(nèi)很高的污泥濃度和較長的泥齡；防止上浮污泥洗出，提高出水凈化效果。為了達到上述要求，進行了許多研究開發(fā)。IC反應器有上.下兩個三相分離器，第一反應室三相分離器嚴格意義上講是不分離三相物質(zhì)，不分離氣體，僅分離液固體。IC反應器的第二反應器流態(tài)及UASB極為相似。一反應室的氣液固分離器結(jié)構(gòu)設(shè)計。第一反應室氣液固三相分離器通過擋板將氣液固收集，氣體和顆粒污泥受擋板的導流通過集氣罩進入上升導流管，其中顆粒污泥受強大水流的作用（在上升管中流速大于0.5m/s）和氣液一起流入反應器頂部的氣液（固）分離器。部分液體（含少量顆粒污泥）通過上下導流板進入分離器上部的沉淀區(qū)，在該區(qū)域所受水流影響較小，顆粒沉降從回流縫回到反應區(qū)域，廢水則進入第二反應室處理。圖6-5為第一反應室三相分離器設(shè)計示意圖。圖6-6為第一反應室三相分離器俯視圖。IC反應器第一反應室的氣液固分離幾何尺寸沉淀區(qū)設(shè)計三相分離器沉淀區(qū)固液分離是靠重力沉淀達到的，其設(shè)計的方法及普通二沉池設(shè)計相似，主要考慮沉淀面積和水深兩相因素。一般情況下沉淀區(qū)的沉淀面積即為反應器的水平面積；沉淀區(qū)的表面負荷率的大小及需要去除的污泥顆粒重力沉降速度vs數(shù)值相等，但方向相反。據(jù)報道，顆粒污泥沉降速度一般在100m/h以上，沉降速度<20m/h的顆粒污泥認為沉降性能較差，沉降速度>50m/h的顆粒污泥被認為沉降性能良好。顆粒在水中的沉降速度常用Stokes公式計算。顆粒污泥沉降性能的好壞主要取決于顆粒的有效直徑和密度。處于自由沉降狀態(tài)的污泥的自由沉降速度可用公式（6-2）計算。根據(jù)Stokes：vs＝式中－－顆粒污泥沉降速度，cm/s或36m/h－－顆粒污泥密度，g/cm3－－清水密度，g/cm3－－顆粒直徑。cm－－重力加速度，981cm/s2－－水的粘滯系數(shù)，g/(cm.s)－－水的運動粘滯系數(shù)，cm2/s－－水溫，℃上式可求出不同粒徑顆粒污泥在清水中的自由沉降速度，并以它近似地代表顆粒污泥的實際自由沉降速度。設(shè)溫度為35℃，則水的運動粘滯系數(shù)為：=0.0071(cm2/s)IC反應器由于升流速度較大，細小顆粒容易被沖刷而使反應器內(nèi)細小顆粒的比例減小，因此顆粒污泥的粒徑較粗。平均直徑在1.0～2.0mm,最大顆粒直徑為3.14～3.57mm；顆粒密度為1.04～1.06g/cm3。清水密度近似取1g/cm3,則=0.0071g/(cm·s)；顆粒污泥密度取1.05g/cm3，一般IC反應器中顆粒直徑大于0.1cm,算得沉降速度vs:vs＝=三相分離器單元結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖見圖6-7。三相分離器中物質(zhì)流態(tài)示意圖見圖6-8，圖中v1為上升液流流速，vs為氣泡上升速度。計算B-B‘間的負荷可以確定相鄰兩上擋板間的距離。三相分離器平面上共有10個氣固液分離單元，中部被集氣罩分隔（如圖6-5，圖6-6所示）。B-B‘間水流上升速度一般小于20m/h(1.0mm直徑的顆粒污泥沉降速度在100m/h以上)，則B-B‘間總面積S為：S＝＝＝12.7m2式中Q為IC反應器循環(huán)泵的流量。S=,則=0.45m,即相鄰兩上擋板間的間距為450mm。兩相鄰下?lián)醢彘g的間距b2＝200mm；上下?lián)醢彘g回流縫b3＝150mm，板間縫隙液流速度為30m/h；氣封及下?lián)醢彘g的距離b4＝100mm；兩下?lián)醢彘g距離（C－C‘）b5＝400mm，板間液流速度大于25m/h。沉淀區(qū)斜壁角度及分離器高度設(shè)計三相分離器沉淀區(qū)斜壁傾斜角度選50o（一般45o～60o之間），上擋板三角頂及集氣罩相距300mm。設(shè)計IC反應器=0.85m,=0.7m。氣液分離的設(shè)計欲達到較好的氣液分離效果，氣罩需及下?lián)醢逵幸欢ǖ闹丿B。重疊的水平距離（C的投影）越大，氣體分離效果越好，去除氣泡的直徑越小，對沉淀區(qū)固液分離的效果影響越小。所以重疊量的大小是決定氣液分離效果好壞的關(guān)鍵所在，重疊量一般為10～20cm。根據(jù)以上計算，上下三角形集氣罩在反應器內(nèi)的位置已經(jīng)確定。對已確定的三相分離器的構(gòu)造進行氣，液分離條件的校核。如圖6-8所示，當混合液上升至A點后，氣泡隨液體以速度v1沿斜面上升，同時，氣泡受浮力的作用有垂直上升的速度vg,所以氣泡將沿著v1和vg合成速度v合的方向運動。要使氣泡不隨回流縫液體流向沉淀區(qū)，vg+v1的合成速度（v合）必須大于回流縫中液體流速v回流（30m/h）。圖6-9是氣泡在下?lián)醢暹吘壛鲬B(tài)示意圖。氣泡上升流速v1的大小及其直徑.大小.水溫液體和氣體的密度.液體的粘滯系數(shù)等因素有關(guān)。當氣泡直徑很?。╠<0.1mm）時圍繞氣泡的水流呈層流狀態(tài)，Re<1,這時氣泡上升速度用Stokes公式計算：式中－－氣泡直徑，cm取0.01cm；－－液體密度，g/cm3，取1.02g/cm3；－－沼氣密度，g/cm3，取1.2×10-3g/cm3－－廢水動力粘滯系數(shù)，g/(cm·s)[廢水的一般比凈水大，這里取2×10-2g/(cm·s)]－－碰撞系數(shù)，取0.95－－重力加速度，cm/s2(取981cm/s2)所以，那么合速度的計算量為：可見合速度大于回流縫的回流速度，保證氣相不進入沉淀區(qū)。反應器頂部氣液分離器的設(shè)計IC頂部氣液分離器的目的是分離氣和固液由于采用切線流狀態(tài)，上部分離器中氣和固液分離較容易，這里設(shè)計直徑為3m的氣液分離器，筒體高2m，下錐底角度65°，上頂高500mm。IC反應器進水配水系統(tǒng)的設(shè)計設(shè)計說明布水區(qū)位于反應器的下端，其基本功能：一是將待處理的廢水均勻地分布在反應區(qū)的橫斷面上，因為生產(chǎn)裝置的橫斷面往往很大，均勻布水的難度高，需設(shè)置復雜的進水分布系統(tǒng)；二是水力攪拌，因為進入水流的動能會使進水孔口周圍產(chǎn)生縱向環(huán)流，有助于廢水中污染物及顆粒污泥的接觸，從而提高反應速率，同時也有利于顆粒污泥上粘附的微小氣泡脫離，防止其上浮。為實現(xiàn)這兩個功能，設(shè)計時應滿足下列原則。1.確保各單位面積的進水量基本相同，以防短路或表面符合不均勻等現(xiàn)象的發(fā)生。實踐證明，只有當負荷過低或配水系統(tǒng)不合理時會發(fā)生溝流。2.盡可能滿足水力攪拌需要，促使水中污染物及污泥迅速混合。3.易于觀察到進水管的堵塞，一旦發(fā)生堵塞，便于疏通。4.IC反應器進水管上設(shè)置調(diào)節(jié)閥和流量計，以均衡流量。布水方式采用切線進水的布水方式，布水器具有開閉功能，即泵循環(huán)時開口出水，停止運行時自動封閉。本工程擬每2～5m2設(shè)置一布水點，出口水流速度2～5m/s。擬設(shè)24個布水點，每個負荷面積為Si＝＝2.65m2。配水系統(tǒng)形式本工程采用無堵塞式進水分配系統(tǒng)（見附圖6-10）。為了配水均勻一般采用對稱布置，各支管出水口向著池底，出水口池底約20cm，位于服務(wù)面積的中心點。管口對準池底反射錐體，使射流向四周均勻散布于池底，出水口支管直徑約20mm，每個出水口的服務(wù)面積為2～4m2。此種配水系統(tǒng)的特點是比較簡單，只要施工安裝正確，配水可基本達到均勻分布的要求。單點配水面積Si＝2.65m2時，配水半徑r＝0.92m。取進水總管中流速為1.6m/s，則進水總管管徑為：D＝＝2×＝0.166m＝166mm配水口8個，配水口出水流速選為2.5m/s，則配水管管徑d＝＝＝47mm出水系統(tǒng)設(shè)計出水系統(tǒng)的設(shè)計在IC反應器的設(shè)計中占有重要地位，因為出水是否均勻也將影響沉淀效果和出水水質(zhì)。為保持出水均勻，沉淀區(qū)的出水系統(tǒng)通常采用出水渠。一般每個單元三相分離器沉淀區(qū)設(shè)一條出水渠，而出水渠每個一定距離設(shè)三角出水堰。一般出水渠前設(shè)擋板以防止漂浮物隨出水帶出，如果沉淀區(qū)水面漂浮物很少，有時也可不設(shè)擋板。出水渠寬取0.3m，工程設(shè)計4條出水渠。設(shè)出水渠渠口附近流速為0.2m/s，則出水渠水深＝＝＝0.145m設(shè)計出水渠渠高位0.2m,這樣基本可保持出水均勻，出水渠出水直接進入A/O反應池進一步處理。排泥系統(tǒng)設(shè)計設(shè)計說明由于厭氧消化過程微生物的不斷增長和反應器內(nèi)懸浮固體的積累，反應器內(nèi)的污泥量會不斷增加。為維持IC反應器內(nèi)的污泥量近于恒定，運行中產(chǎn)生的剩余污泥必須定期排出反應器。一般認為UASB反應器排出剩余污泥的位置上反應器的1/2高度處，但大部分設(shè)計者推薦把排泥設(shè)備安裝在反應器底部，也有人在三相反應器下0.5m處設(shè)排泥管以排出污泥床上面部分的剩余絮體污泥，而不會把顆粒污泥帶走。IC反應器排泥系統(tǒng)必須同時考慮上.中.下不同位置設(shè)置排泥設(shè)備，具體布置還應考慮生產(chǎn)運行的具體情況。因為大型IC反應器一般不設(shè)污泥斗，而池底面積較大，考慮排泥均勻的需要必須進行多點排泥。據(jù)相關(guān)資料介紹建議每10m2設(shè)一排泥點。為簡化設(shè)計，在離兩級三相分離器下三角以下0.5m處設(shè)一排泥口，在反應器設(shè)防空管，口徑均為100mm。此外，在池壁全高上設(shè)置若干（4～6）個取樣管，取反應器內(nèi)的污泥樣，以隨時掌握污泥在高度方向的濃度分布情況。并可據(jù)此計算出反應器的儲泥總量以確定是否需要排泥。IC反應器產(chǎn)泥量的計算根據(jù)經(jīng)驗數(shù)據(jù)，一般情況下每去除1kgCOD,可產(chǎn)生0.05～0.1kgVSS。這里取X=0.05KgVSS/KgCOD進行計算。設(shè)計流量3000m3/d,進水COD12000mg/L,出水為1800mg/L,則每天去除的COD量為：3000×（12000-1800）×10-3=30600(kg),那么IC反應器的產(chǎn)泥量為30600×0.05=1530（KgVSS/d）,根據(jù)VSS/SS=0.8，則SS的產(chǎn)量為1530/0.8=1912.5(kg/d）。IC反應器中第一反應室膨脹床污泥濃度較高，可達50～100gSS/L甚至更高，第二反應室污泥為20gSS/L,則IC反應器中污泥總量為：G＝100V1＋20V2＝100×700＋20×510＝80200（kgSS）因此，IC反應器的污泥齡為80200/1912.5＝42d沼氣的收集.儲存和利用產(chǎn)氣量計算本工程根據(jù)去除的COD量計算實際產(chǎn)氣量。式中V－－每降解1KgCOD產(chǎn)生的甲烷產(chǎn)量，取0.4m3CH4/KgCODQ－－廢水流量，m3/dC0,Ce－－進出水COD濃度，mg/L。則本工程中的CH4產(chǎn)量為：=9172.8(m3/d)由于沼氣中除含CH4外，還有CO2.H2S等其他微量氣體。這里取沼氣中的CH4含量p=70%,那么沼氣產(chǎn)量V=9172.8/0.7=13104m3/d水封的設(shè)計水封是IC裝置內(nèi)外環(huán)境的屏障，一般設(shè)于反應器和沼氣柜之間，起調(diào)整和穩(wěn)定壓力作用。水封設(shè)計的關(guān)鍵參數(shù)是其高度，計算公式為；H=H1-H2=（h1-h2）-H2式中H－－水封有效高度，m；H1－－水封后面的阻力，m；h1－－氣室頂部到出水水面的高度，m；h2－－氣室高度，m。氣室高度（h2）的選擇應保證氣室出氣管在反應器運行中不被淹沒，能通常的將沼氣排出池體，防止浮渣堵塞。氣室水面常有浮渣層，在選擇h2時應留有浮渣層的高度，此外氣室還需設(shè)浮渣排放口，以便及時清理浮渣。綜上所述，h2取1.00m,h1=0.50m,H2=0.40m。所以，H=1.00+0.50-0.40=1.10m。水封罐的高度取為1.5m，直徑為1.0m,進氣管DN200一根，出氣管DN200一根，進水管DN50一根，并設(shè)液位計。儲氣柜的設(shè)計沼氣的產(chǎn)量和用量都不是恒定的，沼氣柜常采用前者。它是一種單級或多級濕式貯氣柜。貯氣柜直徑及高之比一般為1.5：1，浮動罩下的水室在有冰凍的地區(qū)應考慮防凍措施。本設(shè)計采用單擊濕式貯氣柜。貯氣柜的設(shè)計計算貯氣柜的容積V=13104÷24×3=1638(m3/d）。取D/H=1.5：1。而式中D－－貯氣柜鐘罩直徑，mH－－貯氣柜高度，mV－－貯氣柜體積,m3所以H=10，D=15m。貯氣柜中的壓力為600mmH2O，由于沼氣中含有少量H2S，對設(shè)備有腐蝕作用，貯氣柜內(nèi)涂以一層防腐材料。另外，為了減少太陽照射氣體受熱引起的容積增加，貯氣柜外側(cè)涂反射性色彩，如銀灰色涂料。氣柜其他部件的設(shè)計a,考慮到剛開始近氣時，使氣柜不壓到管底，在水池底部安裝6個鋼筋混凝土支撐，長600mm,寬400mm.b.為了使氣柜能上下沉浮，設(shè)計中安裝6個導輪。c.為維持氣柜內(nèi)恒定壓力及安全起見，在鐘罩的封頭上安裝一根放空管。d.進出氣管比自動放空管高400mme.鐘罩內(nèi)外設(shè)置人梯，鐘罩上開一人孔。(4)加熱及保溫厭氧生物處理及溫度密切相關(guān)，因此應常將厭氧反應器加熱和保溫。廢水加熱時所需的熱量式中QH－－加熱廢水至操作溫度時的熱量，kJ/h；－－廢水相對密度，按1計；－－廢水比熱容，kJ/(kg·K)；－－反應器內(nèi)的溫度，℃；－－廢水加熱前的溫度，℃；－－廢水的流量，m3/h；－－熱效率，可取=0.85。本工程設(shè)計中，檸檬酸廢水的溫度（約36℃）及反應器內(nèi)的溫度（35～37℃）相當，所以可不設(shè)加熱裝置以節(jié)省費用。反應器保溫所需熱量計算式中QD－－反應器保溫所需熱量,kJ/hA－－反應器外表面積，m2K－－總傳熱系數(shù)，W/（m2·K）ta－－反應器周圍環(huán)境溫度，℃K值可按下式計算：式中－－反應器內(nèi)壁的對流傳熱系數(shù)，W/(m2·K)－－反應器外壁的對流傳熱系數(shù)，W/(m2·K)，－－反應器壁和保溫層的厚度，m，－－反應器壁及保溫材料的熱導率見表6-7，W/(m·K)?！?.85，≈2000～4000W/(m2·K)，=20W/(m2·K)。加熱和保溫所需的總熱量：Q=QH+QD本工程設(shè)計中，Q=QD。反應器壁為鋼結(jié)構(gòu)，保溫層采用軟木；反應器壁厚200mm,保溫層厚150mm,則K=0.30反應器外表面積A=DH=3.14×9×23=649.98m2。反應器內(nèi)溫度取36℃，反應器周圍溫度按15℃計時，反應器保溫所需的熱量沼氣發(fā)電每立方米沼氣發(fā)電2kW·h,沼氣用于發(fā)電，電量為：W=9172.8m3/d×2kW·h/m3=18345.6(kW·h/d)選用兩臺1000kW發(fā)電機，一備一用。產(chǎn)生的電可以滿足廢水處理設(shè)施用電和部分廠區(qū)其他部門用電，每年有一百多萬元盈余，變廢為寶。IC反應器其他設(shè)計考慮在處理蛋白質(zhì)或脂肪含量較高的工業(yè)廢水時，這些化合物會使沉淀區(qū)和集氣罩的液面形成一層很厚的浮渣層。當浮渣層厚度太大時會阻礙沼氣的順利釋放，或堵塞集氣室的排氣管，導致部分沼氣從沉淀區(qū)逸出，嚴重干擾了固液分離的效果。為了清除沉淀區(qū)液面和氣室液面形成的浮渣層，必須設(shè)置專門的清除設(shè)備或預防措施。在沉淀區(qū)液面形成的浮渣層可采用撇渣機或刮泥機清除，而在氣室形成的浮渣清除較為困難，可用定期進行循環(huán)水或沼氣反沖洗等方法減少或去除浮渣，必須設(shè)置沖洗管和循環(huán)水泵（或氣泵）。IC反應器各部分應采取相應的防腐措施，尤其是采用鋼板制造三相分離器時，必須嚴加防腐。由于H2S在空氣中氧化成H2SO4。溶解性CO2都會產(chǎn)生腐蝕，所以應對反應器上部的混凝土和鋼結(jié)構(gòu)采取防腐措施。本工程處理的檸檬酸廢水由于硫酸鹽含量很高，更應加強防腐IC厭氧反應技術(shù)《后記》1

引言

廢水厭氧生物技術(shù)由于其巨大的處理能力和潛在的應用前景，一直是水處理技術(shù)研究的熱點。從傳統(tǒng)的厭氧接觸工藝發(fā)展到現(xiàn)今廣泛流行的UASB工藝，廢水厭氧處理技術(shù)已日趨成熟。隨著生產(chǎn)發(fā)展及資源、能耗、占地等因素間矛盾的進一步突出，現(xiàn)有的厭氧工藝又面臨著嚴峻的挑戰(zhàn)，尤其是如何處理生產(chǎn)發(fā)展帶來的大量高濃度有機廢水，使得研發(fā)技術(shù)經(jīng)濟更優(yōu)化的厭氧工藝非常必要[1]。內(nèi)循環(huán)厭氧處理技術(shù)（以下簡稱IC厭氧技術(shù)）就是在這一背景下產(chǎn)生的高效處理技術(shù)，它是20世紀80年代中期由荷蘭PAQUES公司研發(fā)成功，并推入國際廢水處理工程市場，目前已成功應用于土豆加工、啤酒、食品和檸檬酸等廢水處理中。實踐證明，該技術(shù)去除有機物的能力遠遠超過普通厭氧處理技術(shù)（如UASB），而且IC反應器容積小、投資少、占地省、運行穩(wěn)定，是一種值得推廣的高效厭氧處理技術(shù)。2

現(xiàn)有厭氧處理技術(shù)的局限性

厭氧處理是廢水生物處理技術(shù)的一種方法，要提高厭氧處理速率和效率，除了要提供給微生物一個良好的生長環(huán)境外，保持反應器內(nèi)高的污泥濃度和良好的傳質(zhì)效果也是2個關(guān)鍵性舉措。

以厭氧接觸工藝為代表的第1代厭氧反應器，污泥停留時間（SRT）和水力停留時間（HRT）大體相同，反應器內(nèi)污泥濃度較低，處理效果差。為了達到較好的處理效果，廢水在反應器內(nèi)通常要停留幾天到幾十天之久。

以UASB工藝為代表的第2代厭氧反應器，依靠顆粒污泥的形成和三相分離器的作用，使污泥在反應器中滯留，實現(xiàn)了SRT>HRT，從而提高了反應器內(nèi)污泥濃度，但是反應器的傳質(zhì)過程并不理想。要改善傳質(zhì)效果，最有效的方法就是提高表面水力負荷和表面產(chǎn)氣負荷。然而高負荷產(chǎn)生的劇烈攪動又會使反應器內(nèi)污泥處于完全膨脹狀態(tài)，使原本SRT>HRT向SRT=HRT方向轉(zhuǎn)變，污泥過量流失，處理效果變差。3

IC反應器工作原理及技術(shù)優(yōu)點3.1IC反應器工作原理

IC反應器基本構(gòu)造如圖1所示，它相似由2層UASB反應器串聯(lián)而成。按功能劃分，反應器由下而上共分為5個區(qū)：混合區(qū)、第1厭氧區(qū)、第2厭氧區(qū)、沉淀區(qū)和氣液分離區(qū)。

混合區(qū)：反應器底部進水、顆粒污泥和氣液分離區(qū)回流的泥水混合物有效地在此區(qū)混合。

第1厭氧區(qū)：混合區(qū)形成的泥水混合物進入該區(qū)，在高濃度污泥作用下，大部分有機物轉(zhuǎn)化為沼氣?；旌弦荷仙骱驼託獾膭×覕_動使該反應區(qū)內(nèi)污泥呈膨脹和流化狀態(tài)，加強了泥水表面接觸，污泥由此而保持著高的活性。隨著沼氣產(chǎn)量的增多，一部分泥水混合物被沼氣提升至頂部的氣液分離區(qū)。

氣液分離區(qū)：被提升的混合物中的沼氣在此及泥水分離并導出處理系統(tǒng)，泥水混合物則沿著回流管返回到最下端的混合區(qū)，及反應器底部的污泥和進水充分混合，實現(xiàn)了混合液的內(nèi)部循環(huán)。

第2厭氧區(qū)：經(jīng)第1厭氧區(qū)處理后的廢水，除一部分被沼氣提升外，其余的都通過三相分離器進入第2厭氧區(qū)。該區(qū)污泥濃度較低，且廢水中大部分有機物已在第1厭氧區(qū)被降解，因此沼氣產(chǎn)生量較少。沼氣通過沼氣管導入氣液分離區(qū)，對第2厭氧區(qū)的擾動很小，這為污泥的停留提供了有利條件。

沉淀區(qū)：第2厭氧區(qū)的泥水混合物在沉淀區(qū)進行固液分離，上清液由出水管排走，沉淀的顆粒污泥返回第2厭氧區(qū)污泥床。

從IC反應器工作原理中可見，反應器通過2層三相分離器來實現(xiàn)SRT>HRT，獲得高污泥濃度；通過大量沼氣和內(nèi)循環(huán)的劇烈擾動，使泥水充分接觸，獲得良好的傳質(zhì)效果。3.2

IC工藝技術(shù)優(yōu)點

IC反應器的構(gòu)造及其工作原理決定了其在控制厭氧處理影響因素方面比其它反應器更具有優(yōu)勢。

（1）容積負荷高：IC反應器內(nèi)污泥濃度高，微生物量大，且存在內(nèi)循環(huán)，傳質(zhì)效果好，進水有機負荷可超過普通厭氧反應器的3倍以上。

（2）節(jié)省投資和占地面積：IC反應器容積負荷率高出普通UASB反應器3倍左右，其體積相當于普通反應器的1/4～1/3左右，大大降低了反應器的基建投資。而且IC反應器高徑比很大（一般為4～8），所以占地面積特別省，非常適合用地緊張的工礦企業(yè)。

（3）抗沖擊負荷能力強：處理低濃度廢水（COD=2000～3000mg/L）時，反應器內(nèi)循環(huán)流量可達進水量的2～3倍；處理高濃度廢水（COD=10000～15000mg/L）時，內(nèi)循環(huán)流量可達進水量的10～20倍。大量的循環(huán)水和進水充分混合，使原水中的有害物質(zhì)得到充分稀釋，大大降低了毒物對厭氧消化過程的影響。

（4）抗低溫能力強：溫度對厭氧消化的影響主要是對消化速率的影響。IC反應器由于含有大量的微生物，溫度對厭氧消化的影響變得不再顯著和嚴重。通常IC反應器厭氧消化可在常溫條件（20～25℃）下進行，這樣減少了消化保溫的困難，節(jié)省了能量。

（5）具有緩沖pH的能力：內(nèi)循環(huán)流量相當于第1厭氧區(qū)的出水回流，可利用COD轉(zhuǎn)化的堿度，對pH起緩沖作用，使反應器內(nèi)pH保持最佳狀態(tài)，同時還可減少進水的投堿量。

（6）內(nèi)部自動循環(huán)，不必外加動力：普通厭氧反應器的回流是通過外部加壓實現(xiàn)的，而IC反應器以自身產(chǎn)生的沼氣作為提升的動力來實現(xiàn)混合液內(nèi)循環(huán)，不必設(shè)泵強制循環(huán)，節(jié)省了動力消耗。

（7）出水穩(wěn)定性好：利用二級UASB串聯(lián)分級厭氧處理，可以補償厭氧過程中Ks高產(chǎn)生的不利影響。VanLier在1994年證明，反應器分級會降低出水VFA濃度，延長生物停留時間，使反應進行穩(wěn)定。

（8）啟動周期短：IC反應器內(nèi)污泥活性高，生物增殖快，為反應器快速啟動提供有利條件。IC反應器啟動周期一般為1～2個月，而普通UASB啟動周期長達4～6個月。

（9）沼氣利用價值高：反應器產(chǎn)生的生物氣純度高，CH4為70％～80％，CO2為20％～30％，其它有機物為1％～5％，可作為燃料加以利用。4

IC處理技術(shù)應用現(xiàn)狀及發(fā)展前景

IC處理技術(shù)從問世以來已成功應用于土豆加工、菊苣加工、啤酒、檸檬酸和造紙等廢水處理中。1985年荷蘭首次應用IC反應器處理土豆加工廢水，容積負荷（以COD計）高達35～50kg/(m3·d)，停留時間4～6h；而處理同類廢水的UASB反應器容積負荷僅有10～15kg/(m3·d)，停留時間長達十幾到幾十個小時。

在啤酒廢水處理工藝中，IC技術(shù)應用得較多，目前我國已有3家啤酒廠引進了此工藝。從運行結(jié)果看，IC工藝容積負荷（以COD計）可達15～30kg/(m3·d)，停留時間2～4.2h，COD去除率ηCOD>75％；而UASB反應器容積負荷僅有4～7kg/(m3·d)，停留時間近10h。

對于處理高濃度和高鹽度的有機廢水，IC反應器也有成功的經(jīng)驗。位于荷蘭Roosendaal的一家菊苣加工廠的廢水，COD約7900mg/L，SO42－為250mg/L，Cl－為4200mg/L。采用22m高、1100m3容積的IC反應器，容積負荷（以COD計）達31kg/(m3·d)，ηCOD>80％，平均停留時間僅6.1h。

我國無錫羅氏中亞檸檬有限公司的IC厭氧處理系統(tǒng)自2019年12月運行以來一直都很穩(wěn)定，進水COD一般在8000mg/L以上，pH5.0左右，容積負荷（以COD計）可達30kg/(m3·d)，出水COD基本在2000mg/L以下，且每千克COD產(chǎn)沼氣0.42m3[10]。1996年IC反應器首次應用于紙漿造紙行業(yè)，并迅速獲得客戶歡迎，至今全世界造紙行業(yè)已建造IC反應器23個。

表1列出了IC反應器和UASB反應器處理典型廢水的對照結(jié)果，從表中數(shù)據(jù)可以看出，IC反應器在很大程度上解決了UASB的不足，大大提高了反應器單位容積的處理容量。表1

IC反應器及UASB反應器處理相同廢水的對比結(jié)果[1]對比指標反應器類型ICUASB啤酒廢水土豆加工廢水啤酒廢水土豆加工廢水反應器體積（m3）6×16210014002×1700反應器高度（m）20156.45.5水力停留時間（h）2.14.0630容積負荷kg/(m3·d)24486.810進水COD（mg/L）20006000～80ηCOD（％）80858095

隨著生產(chǎn)的發(fā)展，經(jīng)濟高效、節(jié)能省地的厭氧反應器越來越受到水處理工作者的青睞。IC反應器的一系列技術(shù)優(yōu)點及其工程成功實踐，是現(xiàn)代厭氧反應器的一個突破，值得進一步研究開發(fā)。而且由于反應器容積小，生產(chǎn)、運輸、安裝和維修都十分方便，產(chǎn)業(yè)化前景也很樂觀。5

IC反應器存在的幾個問題

COD容積負荷大幅度提高，使IC反應器具備很高的處理容量，同時也帶來了不少新的問題：

（1）從構(gòu)造上看，IC反應器內(nèi)部結(jié)構(gòu)比普通厭氧反應器復雜，設(shè)計施工要求高。反應器高徑比大，一方面增加了進水泵的動力消耗，提高了運行費用；另一方面加快了水流上升速度，使出水中細微顆粒物比UASB多，加重了后續(xù)處理的負擔。另外內(nèi)循環(huán)中泥水混合液的上升還易產(chǎn)生堵塞現(xiàn)象，使內(nèi)循環(huán)癱瘓，處理效果變差。

（2）發(fā)酵細菌通過胞外酶作用將不溶性有機物水解成可溶性有機物，再將可溶性的大分子有機物轉(zhuǎn)化成脂肪酸和醇類等，該類細菌水解過程相當緩慢[13]。IC反應器較短的水力停留時間勢必影響不溶性有機物的去除效果。

（3）在厭氧反應中，有機負荷、產(chǎn)氣量和處理程度三者之間存在著密切的聯(lián)系和平衡關(guān)系。一般較高的有機負荷可獲得較大的產(chǎn)氣量，但處理程度會降低[13]。因此，IC反應器的總體去除效率相比UASB反應器來講要低些。

（4）缺乏在IC反應器水力條件下培養(yǎng)活性和沉降性能良好的顆粒污泥關(guān)鍵技術(shù)。目前國內(nèi)引進的IC反應器均采用荷蘭進口的顆粒污泥接種[2]，增加了工程造價。

上述問題有待在對IC厭氧處理技術(shù)內(nèi)部規(guī)律進行更深入探討的基礎(chǔ)上，結(jié)合工程實踐加以克服，使這一新技術(shù)更加完善。厭氧顆粒污泥的培養(yǎng)注意事項首先要有接種污泥，如果是已經(jīng)顆粒污泥，只需培養(yǎng)馴化一下就可以了；如果采用活性污泥的話就比較麻煩。必須注意以下幾點：1營養(yǎng)元素和微量元素在當廢水中N、P等營養(yǎng)元素不足時，不易于形成顆粒，對于已經(jīng)形成的顆粒污泥會發(fā)生細胞自溶，導致顆粒破碎，因此要適當加以補充。N源不足時，可添加氮肥、含氮量高的糞便、氨基酸渣及剩余活性污泥等；P源不足時，可適當投加磷肥。鐵、鎳、鈷和錳等微量元素是產(chǎn)甲烷輔酶重要的組成部分，適量補充可以增加所有種群單位質(zhì)量微生物中活細胞的濃度以及它們的酶活性。2選擇壓通常將水力負荷率和產(chǎn)氣負荷率兩者作用的總和稱為系統(tǒng)的選擇壓。選擇壓對污泥床產(chǎn)生沿水流方向的攪拌作用和水力篩選作用，是UASB等一系列無載體厭氧反應器形成顆粒污泥的必要條件。高選擇壓條件下，水力篩選作用能將微小的顆粒污泥及絮體污泥分開，污泥床底聚集比較大的顆粒污泥，而比重較小的絮體污泥則進入懸浮層區(qū)，或被淘汰出反應器。定向攪拌作用產(chǎn)生的剪切力使顆粒產(chǎn)生不規(guī)則的旋轉(zhuǎn)運動，有利于絲狀微生物的相互纏繞，為顆粒的形成創(chuàng)造一個外部條件。低選擇壓條件下，主要是分散微生物的生長，這將產(chǎn)生膨脹型污泥。當這些微生物不附著在固體支撐顆粒上生長時，形成沉降性能很差的松散絲狀纏繞結(jié)構(gòu)。液體上升流速在2.5～3.0m/d之間內(nèi)，最有利于UASB反應器內(nèi)污泥的顆?；?有機負荷率和污泥負荷率可降解的有機物為微生物提供充足的碳源和能源，是微生物增長的物質(zhì)基礎(chǔ)。在微生物關(guān)鍵性的形成階段，應盡量避免進水的有機負荷率劇烈變化。實驗研究表明，由絮狀污泥作為種泥的初次啟動時，有機負荷率在0.2～0.4kgCOD/(kgVSS;d)和污泥負荷率在0.1～0.25kgCOD/(kgVSS;d)時，有利于顆粒污泥的形成。4堿度堿度對污泥顆?；挠绊懕憩F(xiàn)在兩方面：一是對顆粒化進程的影響；二是對顆粒污泥活性的影響。后者主要表現(xiàn)在通過調(diào)節(jié)pH值(即通過堿度的緩沖作用使pH值變化較小)使得產(chǎn)甲烷菌呈不同的生長活性，前者主要表現(xiàn)在對污泥顆粒分布及顆?；俣鹊挠绊憽Ｔ谝欢ǖ膲A度范圍內(nèi)，進水堿度高的反應器污泥顆粒化速度快，但顆粒污泥的產(chǎn)甲烷活性低；進水堿度低的反應器其污泥顆粒化速度慢，但顆粒污泥的產(chǎn)甲烷活性高。因此，在污泥顆?；^程中進水堿度可以適當偏高(這主要是因為此時產(chǎn)甲烷菌會受到嚴重抑制)以加速污泥的顆粒化，使反應器快速啟動；而在顆?；^程基本結(jié)束時，進水堿度應適當偏低以提高顆粒污泥的產(chǎn)甲烷活性。5接種污泥顆粒污泥形成的快慢很大程度上決定于接種污泥的數(shù)量和性質(zhì)[1]。根據(jù)Lettinga的經(jīng)驗，中溫型UASB反應器的污泥接種量需稠密型污泥12～15kgVSS/m3或稀薄型污泥6kgVSS/m。高溫型UASB反應器最佳接種量在6～15kgVSS/m3。過低的接種污泥量會造成初始的污泥負荷過高，污泥量的迅速增長會使反應器內(nèi)各種群數(shù)量不平衡，降低運行的穩(wěn)定性，一旦控制不當便會造成反應器的酸化。較多的接種菌液可大大縮短啟動所需的時間，但過多的接種污泥量沒有必要。一般說來，用處理同樣性