IC厭氧處理新技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)展

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簡(jiǎn)介： 高濃度污泥和良好的傳質(zhì)效果使IC反應(yīng)器在厭氧處理技術(shù)方面比普通反應(yīng)器（如UASB）更具有優(yōu)勢(shì)。IC厭氧處理技術(shù)已被成功應(yīng)用于工程實(shí)踐中，由于反應(yīng)器處理容量高、投資少、占地省、運(yùn)行穩(wěn)定，發(fā)展?jié)摿艽蟆?br />關(guān)鍵字：內(nèi)循環(huán)厭氧處理技術(shù) IC反應(yīng)器 厭氧處理技術(shù)

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(yīng)用前景，一直是水處理技術(shù)研究的熱點(diǎn)。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)展與資源、能耗、占地等因素間矛盾的進(jìn)一步突出，現(xiàn)有的厭氧工藝又面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，尤其是如何處理生產(chǎn)發(fā)展帶來(lái)的大量高濃度有機(jī)廢水，使得研發(fā)技術(shù)經(jīng)濟(jì)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(jiǎn)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(jì)80年代中期由荷蘭PAQUES公司研發(fā)成功，并推入國(guó)際廢水處理工程市場(chǎng)，目前已成功應(yīng)用于土豆加工、啤酒、食品和檸檬酸等廢水處理中^[2]。實(shí)踐證明，該技術(shù)去除有機(jī)物的能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)普通厭氧處理技術(shù)（如UASB），而且IC反應(yīng)器容積小、投資少、占地省、運(yùn)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(gè)良好的生長(zhǎng)環(huán)境外，保持反應(yīng)器內(nèi)高的污泥濃度和良好的傳質(zhì)效果也是2個(gè)關(guān)鍵性舉措。

    以厭氧接觸工藝為代表的第1代厭氧反應(yīng)器，污泥停留時(shí)間（SRT）和水力停留時(shí)間（HRT）大體相同，反應(yīng)器內(nèi)污泥濃度較低，處理效果差^[3]。為了達(dá)到較好的處理效果，廢水在反應(yīng)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(yīng)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(yīng)器中滯留，實(shí)現(xiàn)了SRT>HRT，從而提高了反應(yīng)器內(nèi)污泥濃度，但是反應(yīng)器的傳質(zhì)過(guò)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(fù)荷和表面產(chǎn)氣負(fù)荷^[4]。然而高負(fù)荷產(chǎn)生的劇烈攪動(dòng)又會(huì)使反應(yīng)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(guò)量流失，處理效果變差。

3  IC反應(yīng)器工作原理及技術(shù)優(yōu)點(diǎn)

3.1 IC反應(yīng)器工作原理

    IC反應(yīng)器基本構(gòu)造如圖1所示，它相似由2層UASB反應(yīng)器串聯(lián)而成。按功能劃分，反應(yīng)器由下而上共分為5個(gè)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(yīng)器底部進(jìn)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(jìn)入該區(qū)，在高濃度污泥作用下，大部分有機(jī)物轉(zhuǎn)化為沼氣?；旌弦荷仙骱驼託獾膭×覕_動(dòng)使該反應(yīng)區(qū)內(nèi)污泥呈膨脹和流化狀態(tài)，加強(qiáng)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(dǎo)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(yīng)器底部的污泥和進(jìn)水充分混合，實(shí)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(guò)三相分離器進(jìn)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(jī)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(guò)沼氣管導(dǎo)入氣液分離區(qū)，對(duì)第2厭氧區(qū)的擾動(dòng)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(jìn)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(yīng)器工作原理中可見，反應(yīng)器通過(guò)2層三相分離器來(lái)實(shí)現(xiàn)SRT>HRT，獲得高污泥濃度；通過(guò)大量沼氣和內(nèi)循環(huán)的劇烈擾動(dòng)，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(diǎn)

    IC反應(yīng)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(yīng)器更具有優(yōu)勢(shì)。

    （1）容積負(fù)荷高：IC反應(yīng)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(jìn)水有機(jī)負(fù)荷可超過(guò)普通厭氧反應(yīng)器的3倍以上。

    （2）節(jié)省投資和占地面積：IC反應(yīng)器容積負(fù)荷率高出普通UASB反應(yīng)器3倍左右，其體積相當(dāng)于普通反應(yīng)器的1/4~1/3左右，大大降低了反應(yīng)器的基建投資^[5]。而且IC反應(yīng)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(fù)荷能力強(qiáng)：處理低濃度廢水（COD=2000~3000mg/L）時(shí)，反應(yīng)器內(nèi)循環(huán)流量可達(dá)進(jìn)水量的2~3倍；處理高濃度廢水（COD=10000~15000mg/L）時(shí)，內(nèi)循環(huán)流量可達(dá)進(jìn)水量的10~20倍^[5]。大量的循環(huán)水和進(jìn)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(duì)厭氧消化過(guò)程的影響。

    （4）抗低溫能力強(qiáng)：溫度對(duì)厭氧消化的影響主要是對(duì)消化速率的影響。IC反應(yīng)器由于含有大量的微生物，溫度對(duì)厭氧消化的影響變得不再顯著和嚴(yán)重。通常IC反應(yīng)器厭氧消化可在常溫條件（20~25 ℃）下進(jìn)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(dāng)于第1厭氧區(qū)的出水回流，可利用COD轉(zhuǎn)化的堿度，對(duì)pH起緩沖作用，使反應(yīng)器內(nèi)pH保持最佳狀態(tài)，同時(shí)還可減少進(jìn)水的投堿量。

    （6）內(nèi)部自動(dòng)循環(huán)，不必外加動(dòng)力：普通厭氧反應(yīng)器的回流是通過(guò)外部加壓實(shí)現(xiàn)的，而IC反應(yīng)器以自身產(chǎn)生的沼氣作為提升的動(dòng)力來(lái)實(shí)現(xiàn)混合液內(nèi)循環(huán)，不必設(shè)泵強(qiáng)制循環(huán)，節(jié)省了動(dòng)力消耗。

    （7）出水穩(wěn)定性好：利用二級(jí)UASB串聯(lián)分級(jí)厭氧處理，可以補(bǔ)償厭氧過(guò)程中K _s高產(chǎn)生的不利影響。Van Lier^[6]在1994年證明，反應(yīng)器分級(jí)會(huì)降低出水VFA濃度，延長(zhǎng)生物停留時(shí)間，使反應(yīng)進(jìn)行穩(wěn)定。

    （8）啟動(dòng)周期短：IC反應(yīng)器內(nèi)污泥活性高，生物增殖快，為反應(yīng)器快速啟動(dòng)提供有利條件。IC反應(yīng)器啟動(dòng)周期一般為1～2個(gè)月，而普通UASB啟動(dòng)周期長(zhǎng)達(dá)4～6個(gè)月^[7]。

    （9）沼氣利用價(jià)值高：反應(yīng)器產(chǎn)生的生物氣純度高，CH₄為70％～80％，CO₂為20％～30％，其它有機(jī)物為1％～5％，可作為燃料加以利用^[8]。

4  IC處理技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展前景

    IC處理技術(shù)從問(wèn)世以來(lái)已成功應(yīng)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(yīng)用IC反應(yīng)器處理土豆加工廢水，容積負(fù)荷（以COD計(jì)）高達(dá)35～50kg/(m³·d)，停留時(shí)間4～6 h^[9]；而處理同類廢水的UASB反應(yīng)器容積負(fù)荷僅有10～15 kg/(m³·d)，停留時(shí)間長(zhǎng)達(dá)十幾到幾十個(gè)小時(shí)^[3]。

    在啤酒廢水處理工藝中，IC技術(shù)應(yīng)用得較多，目前我國(guó)已有3家啤酒廠引進(jìn)了此工藝。從運(yùn)行結(jié)果看，IC工藝容積負(fù)荷（以COD計(jì)）可達(dá)15～30 kg/(m³·d)，停留時(shí)間2～4.2 h，COD去除率η_COD>75％^[9]；而UASB反應(yīng)器容積負(fù)荷僅有4～7 kg/(m³·d)，停留時(shí)間近10 h^[3]。

    對(duì)于處理高濃度和高鹽度的有機(jī)廢水，IC反應(yīng)器也有成功的經(jīng)驗(yàn)。位于荷蘭Roosendaal的一家菊苣加工廠的廢水，COD約7900mg/L，SO₄^2－為250mg/L，Cl^－為4200mg/L。采用22m高、1100m³容積的IC反應(yīng)器，容積負(fù)荷（以COD計(jì)）達(dá)31 kg/(m³·d)，η_COD>80％，平均停留時(shí)間僅6.1 h^[9]。

    我國(guó)無(wú)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(yùn)行以來(lái)一直都很穩(wěn)定，進(jìn)水COD一般在8000mg/L以上，pH5.0左右，容積負(fù)荷（以COD計(jì)）可達(dá)30 kg/(m³·d)，出水COD基本在2000mg/L以下，且每千克COD產(chǎn)沼氣0.42m^3[10]。1996年IC反應(yīng)器首次應(yīng)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(yīng)器23個(gè)^[11]。

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

表1  IC反應(yīng)器與UASB反應(yīng)器處理相同廢水的對(duì)比結(jié)果^[1]

對(duì)比指標(biāo)

反應(yīng)器類型

IC

UASB

啤酒廢水

土豆加工廢水

啤酒廢水

土豆加工廢水

反應(yīng)器體積（m³）

6×162

100

1400

2×1700

反應(yīng)器高度（m）

20

15

6.4

5.5

水力停留時(shí)間（h）

2.1

4.0

6

30

容積負(fù)荷kg/(m³·d)

24

48

6.8

10

進(jìn)水COD（mg/L）

2000

6000～8000

1700

12000

η_COD（％）

80

85

80

95

    隨著生產(chǎn)的發(fā)展，經(jīng)濟(jì)高效、節(jié)能省地的厭氧反應(yīng)器越來(lái)越受到水處理工作者的青睞。IC反應(yīng)器的一系列技術(shù)優(yōu)點(diǎn)及其工程成功實(shí)踐，是現(xiàn)代厭氧反應(yīng)器的一個(gè)突破，值得進(jìn)一步研究開發(fā)。而且由于反應(yīng)器容積小，生產(chǎn)、運(yùn)輸、安裝和維修都十分方便，產(chǎn)業(yè)化前景也很樂(lè)觀。

5  IC反應(yīng)器存在的幾個(gè)問(wèn)題

    COD容積負(fù)荷大幅度提高，使IC反應(yīng)器具備很高的處理容量，同時(shí)也帶來(lái)了不少新的問(wèn)題：

    （1）從構(gòu)造上看，IC反應(yīng)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)比普通厭氧反應(yīng)器復(fù)雜，設(shè)計(jì)施工要求高。反應(yīng)器高徑比大，一方面增加了進(jìn)水泵的動(dòng)力消耗，提高了運(yùn)行費(fèi)用；另一方面加快了水流上升速度，使出水中細(xì)微顆粒物比UASB多，加重了后續(xù)處理的負(fù)擔(dān)^[12]。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(xì)菌通過(guò)胞外酶作用將不溶性有機(jī)物水解成可溶性有機(jī)物，再將可溶性的大分子有機(jī)物轉(zhuǎn)化成脂肪酸和醇類等，該類細(xì)菌水解過(guò)程相當(dāng)緩慢^[13]。IC反應(yīng)器較短的水力停留時(shí)間勢(shì)必影響不溶性有機(jī)物的去除效果。

    （3）在厭氧反應(yīng)中，有機(jī)負(fù)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(jī)負(fù)荷可獲得較大的產(chǎn)氣量，但處理程度會(huì)降低^[13]。因此，IC反應(yīng)器的總體去除效率相比UASB反應(yīng)器來(lái)講要低些。

    （4）缺乏在IC反應(yīng)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(guó)內(nèi)引進(jìn)的IC反應(yīng)器均采用荷蘭進(jìn)口的顆粒污泥接種^[2]，增加了工程造價(jià)。

    上述問(wèn)題有待在對(duì)IC厭氧處理技術(shù)內(nèi)部規(guī)律進(jìn)行更深入探討的基礎(chǔ)上，結(jié)合工程實(shí)踐加以克服，使這一新技術(shù)更加完善。

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