厌氧内循环反应器的结构应用与优化研究论文

　　废水处理厌氧生物流化床反应器是一种集废水处理技术、流态化技术与微生物技术于一体的高效厌氧生物处理装置[1]。近年来厌氧反应器技术发展迅速，自从 1974 年 Lettinga 等[2]发明了升流式厌氧污泥床(UASB)为代表的第二代厌氧反应器以来，厌氧反应器开始广泛运用于实际废水处理。之后涌现了以厌氧颗粒污泥膨胀床(EGSB)[3]和厌氧内循环反应器(IC)[4]为代表的第三代厌氧反应器，尤其是 IC 反应器将两个 UASB 反应器串联并设置了内循环系统，极大地改善了污泥持留能力，具有容积负荷高、水力停留时间(HRT)短、高径比大、占地面积小、耐冲击负荷能力强等特点，备受行业关注[5]。

　　尽管IC反应器早在20世纪80年代就已研发成功，1986 年荷兰帕克公司就将其投入生产，但直至今日，其核心技术仍未公开，保密极好(1994 年才首次见到相关报道)[4]。近年来，国内外学者对其进行了相关研究。截至 2013 年 12 月，Sciencedirect英文检索文献只有寥寥 10 余篇，可见 IC 反应器的技术保密性极好。然而，国内对其的研究状况却大相径庭，自 1995 年上海富仕达酿酒公司从荷兰帕克公司引进我国第一套 IC 反应器技术以来[6]，国内逐渐出现了自主生产 IC 反应器的厂商，有关 IC 反应器的研究和应用也越来越多，截至 2013 年 12 月，有关 IC 反应器的 CSCD 中文文献检索约 300 余篇。鉴于此，本文对 IC 反应器的结构、应用和优化作一综述。

1 IC 反应器的结构特性

　　1.1 IC 反应器的结构原理

　　IC 反应器由第二代 UASB 厌氧反应器发展而来，可视为两个 UASB 反应器串联而成[7]。

　　IC 反应器的特点之一是具有很大的高径比，一般可达 4～8[8]，而传统的 UASB 反应器的高径比一般为 2～3[9]。IC 反应器的基本框架(图 1)为两个厌氧反应区，它的核心是由三相分离器、布水器、提升管、气液分离室及回流管所构成的内循环系统。废水从进水口进入经布水器均匀布水流至第一厌氧反应区，IC 反应器较大的高径比使其具有较大的上升流速，使颗粒污泥床处于流化状态，此时固-液接触充分，大部分污水中的有机物在此被厌氧消化产生沼气，少部分有机物进入第二厌氧反应区继续厌氧消化并产生沼气。两个厌氧反应区中所产生的沼气分别被第一、第二三相分离器和收集，沼气产生的升力可带动气液混合物进入提升管，到达气液分离室后由于密度差产生气液分离，沼气从出气口排出，此时液体密度增大，在密度差与重力的作用下经回流管回流至第一厌氧反应区，经布水器导流与进水混合继续上升实现内循环。

　　1.2 IC 反应器的水力特性

　　IC 反应器内的水力特性与传统的 UASB 反应器截然不同。水力特性是影响基质浓度、产物浓度、反应温度和物料停留时间的均一性的重要因素，它们是基质反应速率快慢的主要致因，较好的水力条件可有效提升反应器的抗负荷冲击能力[10]。升流速度和系统压降作为 IC 反应器两个重要的水力特性，是反应器操作优化与设计优化的重要参考依据。

　　1.2.1 升流速度

　　本文所提出的升流速度特指 IC 反应器的提升管内混合液的上升速度。Habets 等[5]提出第一提升管的升流速度一般到 10～20m/h，而第二提升管的升流速度仅为 2～10m/h，可以推断第二厌氧反应区产沼气速率约为第一厌氧反应区的 1/4，且该区污泥量较少，使得该区的流态趋于稳定，再结合第二三相分离器的作用，可以有效防止污泥的流失，可见内循环的流速(升流速度)很大程度上控制着整个 IC 反应器运行的稳定性。另外，回流管内流速也与升流速度关系密切，较高的回流流速可增大第一厌氧反应区内混合液的湍流程度，进而一定程度上增强了反应器的固-液传质效果，提升反应器容积负荷。可见，升流速度是 IC 反应器设计的重要参数之一。因此，Pereboom 等[4]提出了 IC 反应器提升管液体升流速度 ulr的表达式[见式(1)，相关物理符号意义已在符号说明中给出，除特殊情况均不在正文内再作介绍，下同]。中影响式(2)准确计算的一个重要因素是提升管底部阻力系数 KB的值，参数 KB一般通过生产性试验确定。胡纪萃[6]对进水为易生物降解的有机废水化学需氧量(COD)为 6000mg/L、废水量 Q为 540m3/d、水温 35℃的 IC 反应器进行了设计：进水设计容积负荷为 20kgCOD/(m3·d)，COD 去除率为 85%，沼气产率为 0.5m3/(kgCOD)，反应器有效高度 20.0m，直径 3.2m，升流管回流管管径均为150mm，并且经试算得到 εr=0.385，εd=0.01925，求得升流管提升速度 ulr=1.148m/s ，内循环流量Qlr=73m3/h。

　　1.2.2 系统压降

　　系统压降直接影响 IC 反应器的运行能耗。在IC 反应器中内循环系统的能量消耗等于沼气气泡绝热膨胀产生的能量[8]，即内循环进行所需能量完全由沼气气泡提供，因此内循环系统的阻力损失可不计算在系统压降中。由于相比于局部压降，以 D1为直径的管壁面沿程阻力所产生的压降极小，可以忽略不计，因此系统压降=床层压降+局部压降。由于进水速度的不同床层状态可分为固定床与流化床，其压降也不同。

　　(1)固定床

　　固定床状态下产气率较低，且大部分沼气都被提升管收集，反应器中除提升管外的流体气含率较低，可近似为液固两相流动。为计系统压降，可将 IC 反应器物理模型概化(含主要尺寸)。是一种布水器的物理概化模型，采用两侧切向进水，两侧均有 6 根支管，每3 根支管出水端围成一个小环形，与底部的锥体配合可实现均匀布水。

2 IC 反应器的工程应用

　　2.1 IC 反应器的启动

　　前已述及 IC 反应器具有容积负荷高、水力停留时间短、高径比大、占地面积小、出水水质较稳定、耐冲击负荷能力强等优点，但是其启动速度较慢，这也是厌氧反应器存在的普遍问题[13]，已成为制约其推广应用的影响因素之一。

　　2.1.1 常规启动

　　为研究利用絮体污泥正常启动反应器所需时间，刘冰等[14]以絮状厌氧污泥为接种污泥，以生产淀粉和酒精的混合废水为处理对象，采用低浓度进水，逐渐增加有机和水力负荷的方法，历时 105 天，实现了 IC 反应器的启动。许英杰等[15]同样以絮状污泥接种 IC 反应器处理酒糟废水，运行至 180 天时启 动 基本 完 成 ，此时 进 水 COD 为 20000 ～30000mg/L，COD 去除率基本稳定在 95%以上，出水 COD 不超过 1000mg/L。可见，一般来说，若使用絮体污泥启动 IC 反应器一般需用 3～6 个月。