一、設(shè)備概述

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)。

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。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，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。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。

二、IC厭氧反應(yīng)器的工作原理

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)、1厭氧區(qū)、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。

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)。

2厭氧區(qū)：經(jīng)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)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)：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2厭氧區(qū)污泥床。

從IC反應(yīng)器工作原理中可見(jiàn)，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。

三、IC厭氧反應(yīng)器優(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Ks高產(chǎn)生的不利影響。VanLier[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。

（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]。

四、IC厭氧反應(yīng)器工作流程

進(jìn)水經(jīng)過(guò)布水器輸入反應(yīng)器，與下降管循環(huán)來(lái)的污泥和出水均勻混和后，進(jìn)入一個(gè)反應(yīng)分離區(qū)內(nèi)，流化床反應(yīng)室。在那里，大部分COD被降解為沼氣，在這個(gè)分離區(qū)產(chǎn)生的沼氣由低位三相分離器收集和分離，并產(chǎn)生氣體提升。氣體被提升的同時(shí)，帶動(dòng)水和污泥作向上運(yùn)動(dòng)，經(jīng)過(guò)一級(jí)“上升”管達(dá)到位于反應(yīng)器頂部的氣體/液體分離器，在這里沼氣從水和污泥中分離，離開(kāi)整個(gè)反應(yīng)器。水和污泥混和經(jīng)過(guò)同心的“下降”管直接滑落到反應(yīng)器底部形成內(nèi)部循環(huán)流。從一級(jí)分離區(qū)的出水在二階段低負(fù)荷后處理區(qū)內(nèi)被深度處理，在那里剩余的可生物降解的COD被去除，在上層分離區(qū)產(chǎn)生的沼氣被頂部的三相分離器收集，并沿二級(jí)“上升管”，輸送到頂部旋流式氣體/液體分離器，實(shí)現(xiàn)沼氣分離和收集。同時(shí)，厭氧出水（12）經(jīng)過(guò)出水堰離開(kāi)反應(yīng)器自流進(jìn)入后續(xù)處理中。

五、IC厭氧反應(yīng)器適用范圍

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4～6h[9]；而處理同類廢水的UASB反應(yīng)器容積負(fù)荷僅有10～15kg/(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)15～30kg/(m3·d)，停留時(shí)間2～4.2h，COD去除率ηCOD>75％[9]；而UASB反應(yīng)器容積負(fù)荷僅有4～7kg/(m3·d)，停留時(shí)間近10h。

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)。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(yīng)器，容積負(fù)荷（以COD計(jì)）達(dá)31kg/(m3·d)，ηCOD>80％，平均停留時(shí)間僅6.1h。

六、IC厭氧反應(yīng)器控制參數(shù)

IC厭氧反應(yīng)器，其主要的控制參數(shù)有以下內(nèi)容：

PH值：反應(yīng)器進(jìn)水PH值要求控制在6.5~8.0之間，過(guò)低或過(guò)高的PH值都會(huì)對(duì)工藝造成巨大的影響，其影響主要體現(xiàn)在對(duì)厭氧菌（主要是產(chǎn)甲烷菌）的方面，包括：①影響菌體及酶系統(tǒng)的生理功能和活性②影響環(huán)境的氧化還原電位③影響基質(zhì)的活性。產(chǎn)甲烷菌的這些性質(zhì)功能遭到破壞后，處理COD的活性就會(huì)大大的降低。

溫度：反應(yīng)器進(jìn)水溫度要求控制在35.5~37.5之間，因?yàn)楫a(chǎn)甲烷菌大多數(shù)都屬于中溫菌，在這個(gè)范圍內(nèi)，其處理效率是很高的。溫度高于40℃時(shí)，處理效率會(huì)急劇下降；好也不要低于35℃，溫度過(guò)低，處理效率也會(huì)下降很多。

預(yù)酸化度：廢水進(jìn)入?yún)捬醴磻?yīng)器之前要保持足夠的預(yù)酸化度，一般在30%~50%之間，好是在40%左右。預(yù)酸化度高的情況下，VFA高，進(jìn)水PH值會(huì)降低，為調(diào)解PH值，會(huì)增高污水處理的運(yùn)行費(fèi)用，同時(shí)還會(huì)影響污泥的顆?；?。

有毒物質(zhì)：對(duì)厭氧顆粒污泥有抑制性作用的有毒物質(zhì)主要是H2S和亞硫酸鹽。H2S的允許濃度為小于150㎎/L，否則可能會(huì)使大部分產(chǎn)甲烷菌降低50%的活性；亞硫酸鹽的允許濃度是小于150ppm，否則將會(huì)導(dǎo)致一半的產(chǎn)甲烷菌失去活性，所以一定要嚴(yán)格控制這兩樣有毒物質(zhì)的含量，對(duì)其進(jìn)行定期的檢測(cè)。

容積負(fù)荷率：厭氧反應(yīng)器具有很高的容積負(fù)荷率，操作手冊(cè)上為16~24㎏COD/m3/d,而一些學(xué)者認(rèn)為其容積負(fù)荷率還可以更高可達(dá)30~40㎏COD/m3/d,但是這個(gè)數(shù)值的短期內(nèi)變化幅度好不要過(guò)大，就是說(shuō)要讓厭氧菌有一定的適應(yīng)時(shí)間，逐步增加或降低負(fù)荷。如果條件可以，盡量使其負(fù)荷率在一個(gè)范圍之間，趨于穩(wěn)定的狀態(tài)。

上升流速：IC反應(yīng)器的上升流速一般在4~10m/h,當(dāng)污水的進(jìn)水COD值濃度較低時(shí)，需要提高流量來(lái)增加COD的負(fù)荷率，較高的上升流速會(huì)有助于顆粒污泥與有機(jī)物之間的傳質(zhì)過(guò)程，避免了混合不均勻?qū)υO(shè)備的影響。

污泥菌種的成分：厭氧污泥中具有處理污染物能力的就是細(xì)菌等有機(jī)物質(zhì)，菌群的組成及菌種的成分決定了其顆粒強(qiáng)度、產(chǎn)甲烷活性及對(duì)污水的適應(yīng)能力。一般來(lái)說(shuō)，污泥中有機(jī)物的成分占70%左右，污泥外部菌種主要為絲菌，污泥內(nèi)部主要為桿菌、球菌等。