新型高效内循环(IC)厌氧反应器（转载）

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新型高效内循环(IC)厌氧反应器

作　　者：吴静;陆正禹;胡纪萃;顾夏声;;

出　　自：《中国给水排水》 VOL.17 No.1 2001

发表时间：2001-1-17

摘　　要：

吴静，陆正禹，胡纪萃，顾夏声 (清华大学环境科学与工程系，北京100084) 　　摘要：内循环厌氧反应器容积负荷高，占地面积少，在处理土豆加工废水时的容积负荷约为35～50 kgCOD/(m3·d)，处理啤酒废水时的容积负荷达到了15～ 30 kgCOD/(m3·d)，是一种值得推广的新技术。　　关键词：内循环厌氧反应器；高浓度有机废水；水力模型　　中图分类号：X703 　　文献标识码：B 　　文章编号：1000-4602(2001)01-0026-04 　　内循环(Internal Circulation，IC)厌氧反应器于20世纪80年代中期由荷兰PAQUES公司开发成功，并推入国际废水处理工程市场，可用于处理土豆加工、啤酒、食品、柠檬酸等废水。反应器高度约为16～25 m，容积负荷为普通升流式厌氧污泥床(UASB)的4倍左右［1］，占地少，是一种值得推广的新型反应器。 　　1 反应器的构造与特点 　　IC厌氧反应器是在UASB反应器的基础上发展而来的，结构见图1。 图1 IC厌氧反应器示意图 　　IC厌氧反应器和UASB反应器一样，能够形成高生物活性的厌氧颗粒污泥，但不同的是这种反应器内部还能够形成流体循环，其形成过程如下：　　进水由底部进入第一反应区与颗粒污泥混合，大部分有机物在此被降解，产生大量沼气，沼气被下层三相分离器收集，由于产气量大和液相上升流速较快，沼气、废水和污泥不能很好分离，形成了气、固、液混合流体。又由于气液分离器中的压力小于反应区压力，混合液体在沼气的夹带作用下进入气液分离器中，在此大部分沼气脱离混合液外排，混合流体的密度变大，在重力作用下通过回流管回到第一反应区的底部，与第一反应区的废水、颗粒污泥混合，从而实现了流体在反应器内部的循环。内循环使得第一反应区的液相上升流速大大增加，可以达到10～20 m/h［2］。　　第二反应区的液相上升流速小于第一反应区，一般仅为2～10 m/h［2］。这个区域除了继续进行生物反应之外，由于上升流速的降低，还充当第一反应区和沉淀区之间的缓冲段，对解决跑泥、确保沉淀后出水水质起着重要作用。　　IC厌氧反应器与UASB反应器相比具有以下优点：①有机负荷高。内循环提高了第一反应区的液相上升流速，强化了废水中有机物和颗粒污泥间的传质，使IC厌氧反应器的有机负荷远远高于普通UASB反应器。②抗冲击负荷能力强，运行稳定性好。内循环的形成使得IC厌氧反应器第一反应区的实际水量远大于进水水量，例如在处理与啤酒废水浓度相当的废水时，循环流量可达进水流量的2～3倍；处理土豆加工废水时，循环流量可达10～20倍［2］。循环水稀释了进水，提高了反应器的抗冲击负荷能力和酸碱调节能力，加之有第二反应区继续处理，通常运行很稳定。③基建投资省，占地面积少。在处理相同废水时，IC厌氧反应器的容积负荷是普通UASB的4倍左右，故其所需的容积仅为UASB的1/4～1/3，节省了基建投资。加上IC厌氧反应器多采用高径比为4～8的瘦高型塔式外形［1］，所以占地面积少，尤其适合用地紧张的企业。④节能。IC厌氧反应器的内循环是在沼气的提升作用下实现的，不需外加动力，节省了回流的能源。 　　2 水力模型 　　IC厌氧反应器内部能够形成循环，并且水力混合剧烈，这一点与现有的气升式反应器(Airlift Reactor)很相似。于是Pereboom等人于1994年在气升式反应器水力模型的基础上提出了IC厌氧反应器的水力模型，形式如下[3］： 　　 　　式中εgr——升流管中的持气率，% 　　　　hD——气—液扩散高度，m 　　　　εgd——回流管中的持气率，% 　　　　KT——顶部阻力损失系数　　　　KB——底部阻力损失系数　　　　Ar——升流管面积，m2 　　　　Ad——回流管面积，m2 　　　　ΔH——升流管与回流管间的液位差，m 　　　　Ugr——升流管中的表观气相上升速度，m/s 　　　　ULr——升流管中的表观液相上升速度，m/s 　　式(1)是关于气升式反应器的著名经验公式，1976年由Hills得到。式(2)的原型式(3)是基于气升式反应器能量守恒提出的理论方程，这一方程也得到了广泛认可。 　　 　　3 工程应用实例 　　3.1处理土豆加工废水　　土豆加工废水是一种典型的高浓度有机废水，生产时主要产生高、低浓度两种废水，其中高浓度废水中含有氨基酸、蛋白质、糖类、酰胺类、钾盐和纤维素等多种化合物；低浓度废水主要是洗涤水。土豆加工废水具有COD含量高、可生化性强的特点，其水质特征见表1。 表1 土豆加工废水的特征［4］ 种类 温度 (℃) pH COD (g/L) BOD ( g/L) BOD/COD TP(%) TN(%) PO43- (%) 总S (g/L) TSS (g/L) 高浓度废水 15 　 54 34 0.63 0.55 3.6 0.15 0.125 　 低浓度废水 10～14 5.7 1.8 0.55 0.31 　 0.086 　 　 0.4 　　 　　IC厌氧反应器最先用于土豆加工废水的处理。1985年荷兰建成的第一个中试IC厌氧反应器以及其后建造的100 m3的IC厌氧反应器［3］都处理这种废水，从运行结果看(见表2)，IC厌氧反应器的容积负荷达到了35～50 kgCOD/(m3·d)，而处理同类废水的UASB反应器的容积负荷仅为10～15 kgCOD/(m3·d)，停留时间前者为4～6 h，而后者需要十几到几十小时。 表2 IC厌氧反应器和UASB反应器处理土豆加工废水的运行结果 编号 反应器类型 反应器 进水COD*(mg/L) 运行温 度(℃) HRT(h) 容积负荷［kgCOD/(m3·d)］ ηCOD(%) 容积(m3) 高(m) 1 IC 17 16.6 3500～9000 30～35 4～6 35～50 75～90 2［3］ IC 100 15 6000～8000 　 4 48 85 3［4］ UASB 800 6 10000 40 18.3 15 90～95 4［4］ UASB 1700 　 17800 33 41.5 10.3 78 注 *高、低浓度混合废水的COD值。 　　3.2 处理啤酒废水　　啤酒废水的高浓度部分来自糖化和发酵车间，COD浓度约为2 000～4 000 mg/L；低浓度部分的废水量大，COD浓度仅为300～800 mg/L。啤酒废水的BOD/COD值在0.7左右，且不含明显抑制厌氧微生物生长的物质，可生化性强［4］。表3给出了两家啤酒厂的废水水质。 表3 啤酒废水水质［4］ 编号 温度 (℃) pH 碱度 (CaCO3，mg/L) COD* (g/L) BOD5**(g/L) BOD5/COD TP (mg/L) PO3-4 (%) TN (mg/L) 氨氮(mg/L) TSS (g/L) 啤酒厂 1 19～28 8 120 1.0～3.0 1.2 0.6 微量 微量 40～50 20 1 啤酒厂2 23～26 8.5～9.5 120 1.1～1.3 0.74～1.0 0.72 10～20 　 30～50 　 0.7 注 *高、低浓度混合废水的COD，**高、低浓度混合废水的BOD5。 　　全球已建成的IC厌氧反应器大部分用于处理啤酒废水，目前中国已有三家啤酒厂引进了此工艺。IC厌氧反应器和UASB反应器处理啤酒废水的对比情况见表4。由表4可见，IC厌氧反应器处理啤酒废水的容积负荷可达15～30 kgCOD/(m3·d)，水力停留时间为2～4.2 h，CO D去除率在75%以上；而处理啤酒废水的UASB反应器的容积负荷一般仅为4～7 kgCOD/(m3 ·d)。 表4 IC厌氧反应器和UASB反应器处理啤酒废水的运行结果 厂名 反应器类型 厌氧反应器 进水 容积负荷［kgCOD/(m3·d)］ HRT (h) ηCOD (%) 反应温度 (℃) 容积(m3) 高(m) COD (g/L) SS(g /L) pH 上海富仕达啤酒厂［5 ］ IC 400 20.5 2 0.1～0.6 4～10 15 2 * 　 沈阳华润雪花啤酒有限公司［6］ IC 70 16 4.3 0.29 4.5～6.5 25～30 4.2 80 中温 国外啤酒厂甲［3］ IC 162 20 2.0 0.3 ～0.5 　 24 2.1 80 31 国外啤酒厂乙［3］ IC 50 22 1.6 0.4～0.6 　 20 2.3 85 24～28 北京啤酒厂［4］ UASB 2000 　 2 0.5 　 4.3 11.2 80以上 常温 荷兰Bavaria B.V. 啤酒厂［4］ UASB 1400 6. 5 1.0～1.5 0.2～0.3 6～10 4.5～7 3.4～8 75～80 　 注*该厂的IC厌氧反应器后接好氧处理系统，总出水COD为75 mg/L，COD的去除率为96.3%。 　　3.3 处理菊苣加工废水　　位于荷兰Roosendaal的一家菊苣加工厂产生的菊苣加工废水中有机物含量和含盐量均很高(进水COD约7 900 mg/L，SO42-为250 mg/L，Cl-为4 200 mg/L) 。该厂采用高22 m，容积1100 m3的IC厌氧反应器，每天处理8 000 m3废水，容积负荷达到31 kgCOD/(m3·d)，COD去除率在80%以上，平均停留时间仅6.1 h［2］。 　　4 关于IC厌氧反应器的几点看法 　　综上所述，IC厌氧反应器具有高效、占地少等优点，并在土豆加工、啤酒等废水的处理中都有出色表现，无锡罗氏中亚柠檬酸厂的IC厌氧反应器处理效果也很显著，这些资料说明该项技术已经成熟。而从理论研究的角度看，IC厌氧反应器已拥有水力模型，可用于指导设计和调试运行。然而，IC厌氧反应器仍有不少值得研究的地方：　　①从构造上看，IC厌氧反应器比UASB反应器复杂，施工和安装要求更高、难度更大。高径比大就意味着进水泵的能量消耗大，运行费用高，所以反应器的选择必须从建设投资和运行费等各方面进行综合考虑。　　②水力模型的合理性和实用性有待研究。该水力模型的原型是气升式反应器的水力模型，这个模型建立的基础是不考虑循环过程中的壁面磨损以及只考虑废水从升流管向降流管和从降流管向升流管流动处的局部损失。这种简化在气升式反应器中由于升流管和降流管的直径较大，是可以接受的，并且也获得了试验的证明，但IC厌氧反应器的升流管和降流管的直径十分有限，这种简化就不尽合理。从IC厌氧反应器的模型上看，Pereboom等人只考虑了气体提升作用，即升流管与降流管间的液位差(ΔH)对反应器水力特征的影响，并未作出相应的理论证明或试验验证，所以模型本身有待进一步研究。从模型的实用性上考虑，计算过程需用迭代法而比较复杂；计算参数的确定也有难度，例如现有的KB的经验式只适用于气升式反应器，是否可以用于IC厌氧反应器不得而知，公开的KB只有两个，分别是8和32，相差较大，难以构造恰当的经验式。　　③颗粒污泥在IC厌氧反应器中仍占有重要地位。它与处理同类废水的UASB反应器中的颗粒污泥相比，具有颗粒较大、结构较松散、强度较小等特点，尚未发现更进一步的研究报道。对IC厌氧反应器颗粒污泥的研究可能会成为现有颗粒污泥理论的有力证据或有益补充，具有较大的学术价值。国内引进的IC厌氧反应器均采用荷兰进口颗粒污泥接种，所以为降低工程造价，也需进一步掌握在IC厌氧反应器的水力条件下培养活性和沉降性能良好的颗粒污泥的关键技术。　　④IC厌氧反应器由于回流的稀释作用应该比UASB反应器更适于处理难降解有机物，但目前只有处理高含盐废水(菊苣加工废水)的报道，绝大部分IC厌氧反应器用于处理易降解的啤酒、柠檬酸等废水，所以IC厌氧反应器的应用领域有待开拓。 　　参考文献：　　［1］胡纪萃.试论内循环厌氧反应器［J］.中国沼气，1998，17(17)：3-6. 　　［2］Habets L H A.Anaerobic treatment of inuline effulent in an interna l circulation reactor［J］.Water Science and Technology，1997，35(10)：189-197. 　　［3］Pereboom J H F.Methanogenic Granule development in ful l scale internal circulation reactors［J］.Water Science and Technology，1994，3 0(8)：9-21. 　　［4］贺延龄.废水的厌氧生物处理［M］.北京：中国轻工业出版社，1998.335-3 47. 　　［5］何晓娟.IC-CIRCOX工艺及其在啤酒废水处理中的应用［J］.给水排水，1997 ，23(52)：26-28. 　　［6］吴允.啤酒生产废水处理新技术—内循环反应器［J］.环境保护，1997，9： 18-19.

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论文有点老 中间有个图贴不上 不过想适当了解下的话 可以参考

huanxi2008

IC反应器工作原理及技术优点 3.1 IC反应器工作原理 IC反应器基本构造如图1所示，它相似由2层UASB反应器串联而成。按功能划分，反应器由下而上共分为5个区：混合区、第1厌氧区、第2厌氧区、沉淀区和气液分离区。 混合区：反应器底部进水、颗粒污泥和气液分离区回流的泥水混合物有效地在此区混合。 第1厌氧区：混合区形成的泥水混合物进入该区，在高浓度污泥作用下，大部分有机物转化为沼气。混合液上升流和沼气的剧烈扰动使该反应区内污泥呈膨胀和流化状态，加强了泥水表面接触，污泥由此而保持着高的活性。随着沼气产量的增多，一部分泥水混合物被沼气提升至顶部的气液分离区。 气液分离区：被提升的混合物中的沼气在此与泥水分离并导出处理系统，泥水混合物则沿着回流管返回到最下端的混合区，与反应器底部的污泥和进水充分混合，实现了混合液的内部循环。 第2厌氧区：经第1厌氧区处理后的废水，除一部分被沼气提升外，其余的都通过三相分离器进入第2厌氧区。该区污泥浓度较低，且废水中大部分有机物已在第1厌氧区被降解，因此沼气产生量较少。沼气通过沼气管导入气液分离区，对第2厌氧区的扰动很小，这为污泥的停留提供了有利条件。 沉淀区：第2厌氧区的泥水混合物在沉淀区进行固液分离，上清液由出水管排走，沉淀的颗粒污泥返回第2厌氧区污泥床。 从IC反应器工作原理中可见，反应器通过2层三相分离器来实现SRT>HRT，获得高污泥浓度；通过大量沼气和内循环的剧烈扰动，使泥水充分接触，获得良好的传质效果。 3.2 IC工艺技术优点 IC反应器的构造及其工作原理决定了其在控制厌氧处理影响因素方面比其它反应器更具有优势。 （1）容积负荷高：IC反应器内污泥浓度高，微生物量大，且存在内循环，传质效果好，进水有机负荷可超过普通厌氧反应器的3倍以上。 （2）节省投资和占地面积：IC反应器容积负荷率高出普通UASB反应器3倍左右，其体积相当于普通反应器的1/4~1/3左右，大大降低了反应器的基建投资[5]。而且IC反应器高径比很大（一般为4~8），所以占地面积特别省，非常适合用地紧张的工矿企业。 （3）抗冲击负荷能力强：处理低浓度废水（COD=2000~3000mg/L）时，反应器内循环流量可达进水量的2~3倍；处理高浓度废水（COD=10000~15000mg/L）时，内循环流量可达进水量的10~20倍[5]。大量的循环水和进水充分混合，使原水中的有害物质得到充分稀释，大大降低了毒物对厌氧消化过程的影响。 （4）抗低温能力强：温度对厌氧消化的影响主要是对消化速率的影响。IC反应器由于含有大量的微生物，温度对厌氧消化的影响变得不再显著和严重。通常IC反应器厌氧消化可在常温条件（20~25 ℃）下进行，这样减少了消化保温的困难，节省了能量。 （5）具有缓冲pH的能力：内循环流量相当于第1厌氧区的出水回流，可利用COD转化的碱度，对pH起缓冲作用，使反应器内pH保持最佳状态，同时还可减少进水的投碱量。 （6）内部自动循环，不必外加动力：普通厌氧反应器的回流是通过外部加压实现的，而IC反应器以自身产生的沼气作为提升的动力来实现混合液内循环，不必设泵强制循环，节省了动力消耗。 （7）出水稳定性好：利用二级UASB串联分级厌氧处理，可以补偿厌氧过程中K s高产生的不利影响。Van Lier[6]在1994年证明，反应器分级会降低出水VFA浓度，延长生物停留时间，使反应进行稳定。 （8）启动周期短：IC反应器内污泥活性高，生物增殖快，为反应器快速启动提供有利条件。IC反应器启动周期一般为1～2个月，而普通UASB启动周期长达4～6个月[7]。 （9）沼气利用价值高：反应器产生的生物气纯度高，CH4为70％～80％，CO2为20％～30％，其它有机物为1％～5％，可作为燃料加以利用[8]。 4 IC处理技术应用现状及发展前景 IC处理技术从问世以来已成功应用于土豆加工、菊苣加工、啤酒、柠檬酸和造纸等废水处理中。1985年荷兰首次应用IC反应器处理土豆加工废水，容积负荷（以COD计）高达35～50kg/(m3·d)，停留时间4～6 h[9]；而处理同类废水的UASB反应器容积负荷仅有10～15 kg/(m3·d)，停留时间长达十几到几十个小时[3]。 在啤酒废水处理工艺中，IC技术应用得较多，目前我国已有3家啤酒厂引进了此工艺。从运行结果看，IC工艺容积负荷（以COD计）可达15～30 kg/(m3·d)，停留时间2～4.2 h，COD去除率ηCOD>75％[9]；而UASB反应器容积负荷仅有4～7 kg/(m3·d)，停留时间近10 h[3]。 对于处理高浓度和高盐度的有机废水，IC反应器也有成功的经验。位于荷兰Roosendaal的一家菊苣加工厂的废水，COD约7900mg/L，SO42－为250mg/L，Cl－为4200mg/L。采用22m高、1100m3容积的IC反应器，容积负荷（以COD计）达31 kg/(m3·d)，ηCOD>80％，平均停留时间仅6.1 h[9]。 我国无锡罗氏中亚柠檬有限公司的IC厌氧处理系统自1998年12月运行以来一直都很稳定，进水COD一般在8000mg/L以上，pH5.0左右，容积负荷（以COD计）可达30 kg/(m3·d)，出水COD基本在2000mg/L以下，且每千克COD产沼气0.42m3[10]。1996年IC反应器首次应用于纸浆造纸行业，并迅速获得客户欢迎，至今全世界造纸行业已建造IC反应器23个[11]。 表1列出了IC反应器和UASB反应器处理典型废水的对照结果，从表中数据可以看出，IC反应器在很大程度上解决了UASB的不足，大大提高了反应器单位容积的处理容量。 表1 IC反应器与UASB反应器处理相同废水的对比结果[1] 对比指标 反应器类型 IC UASB 啤酒废水 土豆加工废水 啤酒废水 土豆加工废水 反应器体积（m3） 6×162 100 1400 2×1700 反应器高度（m） 20 15 6.4 5.5 水力停留时间（h） 2.1 4.0 6 30 容积负荷kg/(m3·d) 24 48 6.8 10 进水COD（mg/L） 2000 6000～8000 1700 12000 ηCOD（％） 80 85 80 95 随着生产的发展，经济高效、节能省地的厌氧反应器越来越受到水处理工作者的青睐。IC反应器的一系列技术优点及其工程成功实践，是现代厌氧反应器的一个突破，值得进一步研究开发。而且由于反应器容积小，生产、运输、安装和维修都十分方便，产业化前景也很乐观。 5 IC反应器存在的几个问题 COD容积负荷大幅度提高，使IC反应器具备很高的处理容量，同时也带来了不少新的问题： （1）从构造上看，IC反应器内部结构比普通厌氧反应器复杂，设计施工要求高。反应器高径比大，一方面增加了进水泵的动力消耗，提高了运行费用；另一方面加快了水流上升速度，使出水中细微颗粒物比UASB多，加重了后续处理的负担[12]。另外内循环中泥水混合液的上升还易产生堵塞现象，使内循环瘫痪，处理效果变差。 （2）发酵细菌通过胞外酶作用将不溶性有机物水解成可溶性有机物，再将可溶性的大分子有机物转化成脂肪酸和醇类等，该类细菌水解过程相当缓慢[13]。IC反应器较短的水力停留时间势必影响不溶性有机物的去除效果。 （3）在厌氧反应中，有机负荷、产气量和处理程度三者之间存在着密切的联系和平衡关系。一般较高的有机负荷可获得较大的产气量，但处理程度会降低[13]。因此，IC反应器的总体去除效率相比UASB反应器来讲要低些。 （4）缺乏在IC反应器水力条件下培养活性和沉降性能良好的颗粒污泥关键技术。目前国内引进的IC反应器均采用荷兰进口的颗粒污泥接种[2]，增加了工程造价。 上述问题有待在对IC厌氧处理技术内部规律进行更深入探讨的基础上，结合工程实践加以克服，使这一新技术更加完善。 [ 本帖最后由 huanxi2008 于 2007-2-10 09:27 编辑 ]

ky88

看不见图 真是 一大遗憾呀 楼主 传个 原文吧 正好 要研究ic呢

catalyst

谢谢楼主了！收藏并顶一个。