厌氧内循环反应器的结构应用与优化研究

　　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/(m3d)，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 r=0.385，d=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。
　　2.1.2 快速启动
　　鉴于 IC 反应器启动时间较长，吴静等[16]进行了 IC 反应器快速启动策略研究，发现采用高容积负荷+较高的接种颗粒污泥浓度启动策略优势明显，即接种污泥中悬浮固体(SS)浓度为 25.33 g/L、有机容积负荷为11kgCOD/(m3d)的条件下启动中温IC 反应器，可在第 10 天即可完成启动(有机负荷达到 13kgCOD/(m3d)，COD 去除率为 95%)。日本学者Tsuyoshi Imai等[17]研究发现在启动UASB反应器时投加吸水性聚合物能加速启动，即此时吸水性聚合物起到了生物载体的作用。同时王冰等[18]研究发现在启动UASB反应器时添加颗粒活性炭也能减少启动时间。可见，增加污泥浓度，可缩短 IC 反应器的启动周期。 另外，陈晨等[19]研究发现利用低强度的超声波照射启动前的颗粒污泥可将 IC 反应器启动时间由10 天缩短至 7 天，且基本不会对微生物细胞结构产生破坏作用，相反还可以促进微生物的生长和代谢，启动结束时的 VSS/SS 值达到 0.82，与种泥相比则有所升高，且其产甲烷活性也较高。
　　2.2 底物抑制
　　在良好启动的前提下，适宜的底物浓度是 IC反应器高效运行的保障。氨氮作为厌氧反应器内微生物氮源之一，浓度适宜的情况下能提高体系 pH值稳定性，但是，底物中过高的氨氮浓度会使游离氨浓度偏高，过高浓度的游离氨不仅能直接抑制甲烷合成酶的活性，且作为疏水性分子其能通过被动扩散进入细胞并转变为铵，铵的积累改变了细胞内的 pH 值，从而对细胞产生了毒害作用，导致体系产甲烷活性受到抑制[20-21]。于芳芳等[22]对取自某 IC反应器的厌氧颗粒污泥进行了不同氨氮浓度对其产甲烷活性影响的研究，发现在氨氮浓度为 800mg/L以下时颗粒污泥表现出产甲烷活性增强，当氨氮浓度高于1500mg/L时颗粒污泥活性产甲烷活性降低，并且该课题组还进行了高浓度氨氮对 IC 厌氧反应器运行的抑制性研究[23]，发现当 IC 厌氧反应器进水 COD 为 9000mg/L、氨氮浓度超过 3036mg/L 时对反应器的运行有抑制作用，氨氮对 IC 反应器的IC50(IC 反应器去除效率为 50%时的氨氮浓度)为4500mg/L，并且氨氮对反应器颗粒污泥的毒性是可恢复的，以葡萄糖为有机碳源，C N P 为 200 5 1 进水，7 天后 COD 去除率恢复到 93.10%，该点可作为工程上 IC 反应器氨中毒恢复的参考。 值得注意的是，与同类型厌氧反应器相比，IC反应器体系表现出了较好的高氨氮浓度耐受能力。何仕均等[24]对取自某厌氧折流板反应器(ABR)的颗粒污泥也进行了不同氨氮浓度对其产甲烷活性影响的研究，当氨氮浓度超过 800mg/L，颗粒污泥产甲烷活性明显被抑制。邓超冰等[25]对取自某UASB 反应器的颗粒污泥进行了相同的研究，也得到了类似的结论。可见，它们的氨氮耐受浓度均低于 IC 反应器。究其原因，可能与 IC 反应器具有更长的泥龄有关，还可能与 IC 反应器的水力特性有关(IC 反应器的内循环结构和较高的上升流速，使体系具有较强剪切力[26]，致使颗粒污泥粒径明显大于传统 UASB 反应器[4]，使其具有更好的氨氮耐受能力)。
　　3 IC 反应器的优化
　　尽管 IC 反应器已有成功案例，但鉴于其反应器结构的复杂性和水质成分的多样性，IC 反应器的可加工性和运行的稳定性难以获得普遍认可，其结构和工艺仍有较大优化空间。
　　3.1 结构优化
　　布水器和三相分离器是 IC 反应器的重要内部构件。全丽君[40]利用 Fluent 软件，通过分别建立液相模型以及气-液、液-固两相模型对不同布水形式和不同三相分离器折板角度的UASB反应器进行数值模拟和流场分析，进而达到优化 UASB 反应器结构的目的。其优化结果：①均匀进水形式和梯形进水形式对 UASB 反应器内部气-液分离效果影响基本相同，但梯形进水形式提高了 UASB 反应区气液混合均匀性;②三相分离器折板角度为 45 50有利于 UASB 反应器内气-液-固三相的分离。因此，针对 IC 反应器的内构件优化，也可借助 CFD 模拟(近年来 CFD 模拟发展迅速，在污水设备设计领域CFD 也表现优势)，有望取得较好成果。 内循环结构亦是 IC 反应器的技术核心之一。工程上由于诸多条件限制，IC 反应器的高径比往往在2 6，并且处理一些极高浓度有机废水(如垃圾渗滤液，COD20000mg/L)时 IC 反应器内流量较小，导致 IC 反应器内的上升流速较低，加上产气量较小，难于实现良好的内部循环，极大地制约了反应器处理潜能。若通过增设外部循环管路，依靠循环泵提供动力，增加上升流速，促进基质循环，能增强传质，优化菌群结构[41]，且附加外循环还能有效稀释进水，增强耐冲击负荷能力。因此，增设外循环管路可优化 IC 反应器的结构。阮文权[42]通过对 IC 反应器附加外循环结构，发明了一种沼气提升式强化厌氧反应器，并且在 2008 年 12 月起该反应器已被利用于对无锡惠联垃圾热电厂垃圾渗滤液的处理，反应器直径为 8m，高度为 23.6m，有效容积 800m3，进水 COD 为 40000mg/L，流量为 300t/d，出水 COD 为 5000mg/L 左右，去除率高达 85%，对垃圾渗滤液的处理达到了良好的效果。
　　4 结 语
　　厌氧内循环(IC)反应器具有与第二代厌氧反应器显著不同的典型结构，具有容积负荷高、占地面积小以及抗冲击负荷强等优点。IC 反应器相当于两个 UASB 反应器串联，以生物产气的提升力为动力，依靠内循环结构实现基质和污泥的内循环;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。
　　IC 反应器的启动速度是其工程推广的关键之一，其常规启动周期一般为 3 6 个月，增加污泥浓度可实现反应器的快速启动。IC 反应器在国内外的工程案例和相关试验研究反映出其不仅适合处理高浓度有机废水，而且其显示出一定氨氮浓度耐受性，在畜禽类高氨氮废水处理领域有较大潜力。 对于 IC 反应器的结构和工艺优化，布水器、三相分离器和循环结构是结构优化的主要部件;为进一步节省占地和提高容积效能，可将 IC 反应器与MBR 工艺组合;将 IC 反应器与外加场力(如磁场)耦合亦可能成为未来的发展趋势。