IC反應器的工作原理及其應用研究
1 前言
廢水厭氧生物技術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，廢水厭氧處理技術已日趨成熟。隨著生產(chǎn)發(fā)展與資源、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)技術經(jīng)濟更優(yōu)化的厭氧工藝非常必要[1]。內循環(huán)厭氧處理技術（以下簡稱IC厭氧技術）就是在這一背景下產(chǎn)生的高效處理技術，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[2]。實踐證明，該技術去除有機物的能力遠遠超過普通厭氧處理技術（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。
2 現(xiàn)有厭氧處理技術的局限性
厭氧處理是廢水生物處理技術的一種方法，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，保持反應器內高的污泥濃度和良好的傳質效果也是2個關鍵性舉措。
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，反應器內污泥濃度較低，處理效果差[3]。為了達到較好的處理效果，廢水在反應器內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污泥濃度，但是反應器的傳質過程并不理想。要改善傳質效果，最有效的方法就是提高表面水力負荷和表面產(chǎn)氣負荷[4]。然而高負荷產(chǎn)生的劇烈攪動又會使反應器內污泥處于完全膨脹狀態(tài)，使原本SRT>HRT向SRT=HRT方向轉變，污泥過量流失，處理效果變差。
3 IC反應器工作原理及技術優(yōu)點
3.1 IC反應器工作原理
IC反應器基本構造如圖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)。
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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，大部分有機物轉化為沼氣；旌弦荷仙骱驼託獾膭×覕_動使該反應區(qū)內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與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)，與反應器底部的污泥和進水充分混合，實現(xiàn)了混合液的內部循環(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；通過大量沼氣和內循環(huán)的劇烈擾動，使泥水充分接觸，獲得良好的傳質效果。
3.2 IC工藝技術優(yōu)點
IC反應器的構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反應器內污泥濃度高，微生物量大，且存在內循環(huán)，傳質效果好，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[5]。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，內循環(huán)流量可達進水量的10~20倍[5]。大量的循環(huán)水和進水充分混合，使原水中的有害物質得到充分稀釋，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：內循環(huán)流量相當于第1厭氧區(qū)的出水回流，可利用COD轉化的堿度，對pH起緩沖作用，使反應器內pH保持最佳狀態(tài)，同時還可減少進水的投堿量。
（6）內部自動循環(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)混合液內循環(huán)，不必設泵強制循環(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K s高產(chǎn)生的不利影響。Van Lier[6]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[7]。
（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[8]。
4 IC處理技術應用現(xiàn)狀及發(fā)展前景
IC處理技術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4～6 h[9]；而處理同類廢水的UASB反應器容積負荷僅有10～15 kg/(m3·d)，停留時間長達十幾到幾十個小時[3]。
在啤酒廢水處理工藝中，IC技術應用得較多，目前我國已有3家啤酒廠引進了此工藝。從運行結果看，IC工藝容積負荷（以COD計）可達15～30 kg/(m3·d)，停留時間2～4.2 h，COD去除率ηCOD>75%[9]；而UASB反應器容積負荷僅有4～7 kg/(m3·d)，停留時間近10 h[3]。
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31 kg/(m3·d)，ηCOD>80%，平均停留時間僅6.1 h[9]。
我國無錫羅氏中亞檸檬有限公司的IC厭氧處理系統(tǒng)自1998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30 kg/(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[11]。
表1列出了IC反應器和UASB反應器處理典型廢水的對照結果，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反應器與UASB反應器處理相同廢水的對比結果 |
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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）從構造上看，IC反應器內部結構比普通厭氧反應器復雜，設計施工要求高。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[12]。另外內循環(huán)中泥水混合液的上升還易產(chǎn)生堵塞現(xiàn)象，使內循環(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鍵技術。目前國內引進的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。
參考文獻（略）
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