IC反应器工作原理及技术优点

IC反应器工作原理及技术优点3.1IC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SRTHRT，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。3.2IC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Ks高产生的不利影响。VanLier[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]。4IC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4～6h[9]；而处理同类废水的UASB反应器容积负荷仅有10～15kg/(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15～30kg/(m3·d)，停留时间2～4.2h，COD去除率ηCOD75％[9]；而UASB反应器容积负荷仅有4～7kg/(m3·d)，停留时间近10h[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，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31kg/(m3·d)，ηCOD80％，平均停留时间仅6.1h[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30kg/(m3·d)，出水COD基本在2000mg/L以下，且每千克COD产沼气0.42m3[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1IC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ICUASB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）6×16210014002×1700反应器高度（m）20156.45.5水力停留时间（h）2.14.0630容积负荷kg/(m3·d)24486.810进水COD（mg/L）20006000～8000170012000ηCOD（％）80858095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。5IC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。内循环（IC）厌氧反应器近10年来，已建造了许多处理工业废水的UASB反应器生产装置。实践证明：为了防止升流速度太大使悬浮固体大量流失，UASB反应器在处理中低浓度（1.5～2.0gCOD/L）废水时，反应器的进水容积负荷率一般限制在5～8kgCOD/（m3·d），在此负荷率下，最小HRT为4～5h；在处理COD浓度为5～9g/L的高浓度有机废水时，反应器的进水容积负荷率一般被限制在10～20kgCOD/（m3·d），以免由于产气负荷率太高而增加紊流造成悬浮固体的流失。为了克服这些限制，荷兰PaquesBV公司开发了一种内循环（internalcirculation，IC）反应器，IC反应器在处理中低浓度废水时，反应器的进水容积负荷率可提高至20～24kgCOD/（m3·d）；处理高浓度有机废水时，进水容积负荷率可提高到35～50kg/（m3·d）。这是对现代高效反应器的一个突破，有着重大的理论意义和实用IC反应器的基本构造与工作原理如图17-1所示。IC反应器的构造特点是具有很大的高径比，一般可达4～8，反应器的高度可达16～25m。所以在外形上看，IC反应器实际上是个厌氧生化反应塔。由图17-1可知，进水通过泵由反应器底部进入第一反应室，与该室内的厌氧颗粒污泥均匀混合。废水中所含的大部分有机物在这里被转化成沼气，所产生的沼气被第一反应室的集气罩收集，沼气将沿着提升管上升。沼气上升的同时，把第一反应室的混合液提升至设在反应器顶部的气液分离器，被分离出的沼气由气液分离器顶部的沼气排出管排走。分离出的泥水混合液将沿着回流管回到第一反应室的底部，并与底部的颗粒污泥和进水充分混合，实现第一反应室混合液的内部循环。IC反应器的命名由此得来。内循环的结果是，第一反应室不仅有很高的生物量、很长的污泥龄，并具有很大的升流速度，使该室内的颗粒污泥完全达到流化状态，有很高的传质速率，使生化反应速率提高，从而大大提高第一反应室的去除有机物能力。经过第一反应室处理过的废水，会自动地进入第二反应室继续处理。废水中的剩余有机物可被第二反应室内的厌氧颗粒污泥进一步降解，使废水得到更好的净化，提高出水水质。产生的沼气由第二反应室的集气罩收集，通过集气管进入气液分离器。第二反应室的泥水混合液进入沉淀区进行固液分离，处理过的上清液由出水管排走，沉淀下来的污泥可自动返回第二反应室。这样，废水就完成了在IC反应器内处理的全过程。综上所述可以看出，IC反应器实际上是由两个上下重叠的UASB反应器串联组成的。由下面第一个UASB反应器产生的沼气作为提升的内动力，使升流管与回流管的混合液产生密度差，实现下部混合液的内循环，使废水获得强化预处理。上面的第二个UASB反应器对废水继续进行后处理（或称精处理），使出水达到预期的处理要求。IC反应器的运行特性J.H.F.Pereboom和T.L.F.M.Vereijken详细进行了IC反应器与UASB反应器生产性装置各项运行参数的测定和比较，如表17-1所示。下面从几方面进行分析。ＩＣ反应器的处理效能前已述及，与UASB反应器相比，在获得相同处理效率的条件下，IC反应器具有更高的进水容积负荷率和污泥负荷率，IC反应器的平均升流速度可达处理同类废水UASB反应器的20倍左右。在处理低浓度废水时，HRT可缩短至2.0～2.5h，使反应器的容积更加小型化。由表17-1可知，在处理同类废水时，IC反应器的高度为UASB反应器的3～4倍，进水容积负荷率为UASB反应器的4倍左右，污泥负荷率为UASB反应器的3～9倍。由此可见，IC反应器是一种非常高效能的厌氧反应器。污泥性质１.颗粒污泥的物理性质由表17-1可知，IC反应器颗粒的平均直径在0.66～0.87mm，略大于UASB反应器颗粒的平均直径0.51～0.83mm；IC反应器最大颗粒直径为3.14～3.57mm，UASB反应器颗粒的最大直径3.38～3.43mm；IC反应器颗粒密度为1.041～1.057g/cm3，与UASB反应器颗粒的密度1.039～1.065g/cm3较为接近。但是IC反应器颗粒相对剪切强度比UASB颗粒的强度差，如以UASB颗粒的相对强度为100%，则IC颗粒为32%～53%，这是由于IC反应器的污泥负荷率大大高于UASB反应器的污泥负荷率之故。IC颗粒污泥的灰分占0.13～0.15，低于UASB颗粒污泥的灰分0.2～0