廢水處理厭氧生物流化床反應器是一種集廢水處理技術、流態化技術與微生物技術于一體的高效厭氧生物處理裝置[1]。近年來厭氧反應器技術發展迅速,自從 1974 年 Lettinga 等[2]發明了升流式厭氧污泥床(UASB)為代表的第二代厭氧反應器以來,厭氧反應器開始廣泛運用于實際廢水處理。之后涌現了以厭氧顆粒污泥膨脹床(EGSB)[3]和厭氧內循環反應器(IC)[4]為代表的第三代厭氧反應器,尤其是 IC 反應器將兩個 UASB 反應器串聯并設置了內循環系統,極大地改善了污泥持留能力,具有容積負荷高、水力停留時間(HRT)短、高徑比大、占地面積小、耐沖擊負荷能力強等特點,備受行業關注[5]。

盡管IC反應器早在20世紀80年代就已研發成功,1986 年荷蘭帕克公司就將其投入生產,但直至今日,其核心技術仍未公開,保密極好(1994 年才首次見到相關報道)[4]。近年來,國內外學者對其進行了相關研究。截至 2013 年 12 月,Sciencedirect英文檢索文獻只有寥寥 10 余篇,可見 IC 反應器的技術保密性極好。然而,國內對其的研究狀況卻大相徑庭,自 1995 年上海富仕達釀酒公司從荷蘭帕克公司引進我國第一套 IC 反應器技術以來[6],國內逐漸出現了自主生產 IC 反應器的廠商,有關 IC 反應器的研究和應用也越來越多,截至 2013 年 12 月,有關 IC 反應器的 CSCD 中文文獻檢索約 300 余篇。鑒于此,本文對 IC 反應器的結構、應用和優化作一綜述。
1 IC 反應器的結構特性
1.1 IC 反應器的結構原理
IC 反應器由第二代 UASB 厭氧反應器發展而來,可視為兩個 UASB 反應器串聯而成[7]。
IC 反應器的特點之一是具有很大的高徑比,一般可達 4~8[8],而傳統的 UASB 反應器的高徑比一般為 2~3[9]。IC 反應器的基本框架(圖 1)為兩個厭氧反應區,它的核心是由三相分離器、布水器、提升管、氣液分離室及回流管所構成的內循環系統。廢水從進水口進入經布水器均勻布水流至第一厭氧反應區,IC 反應器較大的高徑比使其具有較大的上升流速,使顆粒污泥床處于流化狀態,此時固-液接觸充分,大部分污水中的有機物在此被厭氧消化產生沼氣,少部分有機物進入第二厭氧反應區繼續厭氧消化并產生沼氣。兩個厭氧反應區中所產生的沼氣分別被第一、第二三相分離器和收集,沼氣產生的升力可帶動氣液混合物進入提升管,到達氣液分離室后由于密度差產生氣液分離,沼氣從出氣口排出,此時液體密度增大,在密度差與重力的作用下經回流管回流至第一厭氧反應區,經布水器導流與進水混合繼續上升實現內循環。
1.2 IC 反應器的水力特性
IC 反應器內的水力特性與傳統的 UASB 反應器截然不同。水力特性是影響基質濃度、產物濃度、反應溫度和物料停留時間的均一性的重要因素,它們是基質反應速率快慢的主要致因,較好的水力條件可有效提升反應器的抗負荷沖擊能力[10]。升流速度和系統壓降作為 IC 反應器兩個重要的水力特性,是反應器操作優化與設計優化的重要參考依據。
1.2.1 升流速度
本文所提出的升流速度特指 IC 反應器的提升管內混合液的上升速度。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僅為 2~10m/h,可以推斷第二厭氧反應區產沼氣速率約為第一厭氧反應區的 1/4,且該區污泥量較少,使得該區的流態趨于穩定,再結合第二三相分離器的作用,可以有效防止污泥的流失,可見內循環的流速(升流速度)很大程度上控制著整個 IC 反應器運行的穩定性。另外,回流管內流速也與升流速度關系密切,較高的回流流速可增大第一厭氧反應區內混合液的湍流程度,進而一定程度上增強了反應器的固-液傳質效果,提升反應器容積負荷。可見,升流速度是 IC 反應器設計的重要參數之一。因此,Pereboom 等[4]提出了 IC 反應器提升管液體升流速度 ulr的表達式[見式(1),相關物理符號意義已在符號說明中給出,除特殊情況均不在正文內再作介紹,下同]。中影響式(2)準確計算的一個重要因素是提升管底部阻力系數 KB的值,參數 KB一般通過生產性試驗確定。胡紀萃[6]對進水為易生物降解的有機廢水化學需氧量(COD)為 6000mg/L、廢水量 Q為 540m3/d、水溫 35℃的 IC 反應器進行了設計:進水設計容積負荷為 20kgCOD/(m3·d),COD 去除率為 85%,沼氣產率為 0.5m3/(kgCOD),反應器有效高度 20.0m,直徑 3.2m,升流管回流管管徑均為150mm,并且經試算得到 εr=0.385,εd=0.01925,求得升流管提升速度 ulr=1.148m/s ,內循環流量Qlr=73m3/h。
1.2.2 系統壓降
系統壓降直接影響 IC 反應器的運行能耗。在IC 反應器中內循環系統的能量消耗等于沼氣氣泡絕熱膨脹產生的能量[8],即內循環進行所需能量完全由沼氣氣泡提供,因此內循環系統的阻力損失可不計算在系統壓降中。由于相比于局部壓降,以 D1為直徑的管壁面沿程阻力所產生的壓降極小,可以忽略不計,因此系統壓降=床層壓降+局部壓降。由于進水速度的不同床層狀態可分為固定床與流化床,其壓降也不同。
(1)固定床
固定床狀態下產氣率較低,且大部分沼氣都被提升管收集,反應器中除提升管外的流體氣含率較低,可近似為液固兩相流動。為計系統壓降,可將 IC 反應器物理模型概化(含主要尺寸)。是一種布水器的物理概化模型,采用兩側切向進水,兩側均有 6 根支管,每3 根支管出水端圍成一個小環形,與底部的錐體配合可實現均勻布水。
2 IC 反應器的工程應用
2.1 IC 反應器的啟動
前已述及 IC 反應器具有容積負荷高、水力停留時間短、高徑比大、占地面積小、出水水質較穩定、耐沖擊負荷能力強等優點,但是其啟動速度較慢,這也是厭氧反應器存在的普遍問題[13],已成為制約其推廣應用的影響因素之一。
2.1.1 常規啟動
為研究利用絮體污泥正常啟動反應器所需時間,劉冰等[14]以絮狀厭氧污泥為接種污泥,以生產淀粉和酒精的混合廢水為處理對象,采用低濃度進水,逐漸增加有機和水力負荷的方法,歷時 105 天,實現了 IC 反應器的啟動。許英杰等[15]同樣以絮狀污泥接種 IC 反應器處理酒糟廢水,運行至 180 天時啟 動 基本 完 成 ,此時 進 水 COD 為 20000 ~30000mg/L,COD 去除率基本穩定在 95%以上,出水 COD 不超過 1000mg/L。可見,一般來說,若使用絮體污泥啟動 IC 反應器一般需用 3~6 個月。
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