（环境工程专业论文）ic反应器的启动及酸性条件下运行特性研究.pdf

堡垒堡三些叁兰三兰堡圭兰篁篁兰 摘要 厌氧生物处理技术是解决环境污染和能源需求问题的重要途径之一，而 反应器易出现酸化现象是厌氧生物处理的主要制约因素。内循环( i c ) 厌氧 反应器则是当前高效处理技术研究的热点。本研究将这两个方面结合在一 起，试验采用厌氧生物处理工艺，并利用i c 反应器具有抗冲击负荷能力 强，运行稳定性好等特点，启动i c 反应器并在酸性条件下运行反应器。主 要研究结果如下： 在厌氧生物处理工艺的发展过程中，反应器启动困难始终是其工程应用 的制约因素，本文对i c 反应器的启动进行了探讨。反应器启动时接种絮状 厌氧污泥，启动过程中控制为温度为3 5 士1 ，反应器启动初投加适量 n a h c 0 3 调节出水p h 值在6 8 7 2 之间，以保证反应器内产甲烷菌适宜的 生存条件，此阶段共历时5 6 天，污泥v s s s s 由5 5 0 6 提升到8 6 5 6 ， c o d 去除率稳定在8 8 左右，具有较高的去除率和较好的抗冲击能力，反 应器内出现持续的内循环现象且反应器内已经形成以颗粒污泥为主的污泥体 系，这标志着反应器的启动已经基本完成。 为研究酸性条件下反应器运行特性及对产甲烷颗粒污泥的影响，实验过 程中，保持其它运行参数不变，逐渐降低进水p h 值，从而降低反应器内部 p h 值，考察反应器运行参数的变化规律。 在酸性条件运行过程中，实验成功培养出耐酸性颗粒污泥，并分析了反 应器内颗粒污泥的产甲烷活性，确定接种絮状污泥、酸性条件下和对比运行 实验情况下颗粒污泥产甲烷活性分别为1 2 5 4 3m l c h 4 g v s s d 、 4 1 3 8 4 m l c h 4 g v s s d 和3 7 1 0 4 m l c h 4 g v s s d 。在酸性条件下颗粒污泥产甲 烷活性为对比运行实验情况下颗粒污泥活性的9 0 ，且为接种污泥活性的3 倍。这说明在酸性条件下，颗粒污泥活性受到抑制，但影响并不十分严重。 上述研究结果表明，采用厌氧生物处理工艺时，尤其是在处理酸性或低 碱度废水时，如果能够培养出耐酸性颗粒污泥可以提高反应器运行稳定性， 为反应器提供更强的抵抗酸化能力、大幅度减少外源碱度的投加、简化运行 管理、减少运行费用，具有较高的工程应用价值。 关键词内循环厌氧反应器( i c ) ；启动；酸性条件；运行特性；颗粒污泥 坠垒堡三些尘兰三兰堡圭兰竺丝兰 a b s t r a c t a n a e r o b i cb i o t r e a t m e n ti so n eo ft h em o s ti m p o r t a n ta c c e s s e st os o l v et h e p r o b l e mo fe n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o na n dt h ep r o b l e mo fe n e r g yr e q u i r e m e n t t h e a c i d i f i c a t i o np h e n o m e n o ni st h em a i nr e s t r i c t e df a c t o ro ft h ea n a e r o b i cb i o t r e a t m e n t n o wi n t e r n a lc i r c u l a t i o nr e a c t o rf i c ) i st h er e s e a r c hh o t s p o to ft h e h i g h e f f e c t i v et r e a t m e n tt e c h n o l o g y i nt h i st h e s i s ，t h et w os i d e sw e r ec l o s e l y l i n k e dt o g e t h e ra n di cr e a c t o rw h i c hh a sm e r i t so fh i g hl o a d i n ga n ds t a b i l i z a t i o n e t c ，w a sa p p l i e di na n a e r o b i cb i o t r e a t m e n tp r o c e s s s t a r t u po fi cr e a c t o rw a s f i n i s h e ds u c c e s s f u l l ya n di cr e a c t o rw a sp e r f o r m e du n d e ra c i dc o n d i t i o n t h e f o l l o w i n gr e s u l t sw e r eo b t a i n e d ： t h e e n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n o fa n a e r o b i cb i o t r e a t m e n t p r o c e s s w a s c o n f i n e db e c a u s eo ft h ed i f f i c u l t yo ft h es t a r t u po fa n a e r o b i cr e a c t o r sd u r i n gt h e d e v e l o p m e n to fa n a e r o b i cb i o t r e a t m e n tp r o c e s s f i s tt h es t a r t u po fi cr e a c t o r w a ss t u d i e d i cr e a c t o rw a si n o c u l a t e db yt h ef l o c c u l e n ta n a e r o b i cs l u d g e t h e t e m p e r a t u r ew a sc o n t r o l l e da t3 5 士1 p hv a l u eo fo u t f l o ww a ss t a b i l i z e d b e t w e e n6 8a n d7 2b ya d d i n gn a h c 0 3t oi n f l o w a f t e r5 6d a y sp e r f o r m a n c e v s s s so fa n a e r o b i cs l u d g er o s ef r o m5 5 0 6 t o8 6 5 6 ，c o dr e m o v a lr e a c h e d 8 8 a n di cr e a c t o rh a dh i g h e rc o dr e m o v a la n db e t t e rl o a d i n gr e s i s t a n tt h a n b e f o r e a tt h i st i m ei ni cr e a c t o rt h es t a b l ei n t e r n a lc i r c u l a t i o np h e n o m e n o nw a s f o u n da n dt h es l u d g es y s t e mh a db e e nf o r m e db ym o s ta n a e r o b i cg r a n u l es l u d g e a l lo ft h o s em a r k e dt h a ts t a r t u po fr e a c t o rw a sf i n i s h e ds u c c e s s f u l l y t h ep e r f o r m a n c ec h a r a c t e r i s t i c so fi cr e a c t o ra n dw h o s ei n f l u e n c e st o m e t h a n o g e n i cg r a n u l a rs l u d g ew e r ei n v e s t i g a t e du n d e ra c i d i cc o n d i t i o n d u r i n g t h e i n v e s t i g a t i o nt h e v a r i a t i o nr u l e so fp e r f o r m a n c ec h a r a c t e r i s t i c sw e r e r e s e a r c h e db yd e c r e a s i n gi n f l o wp hv a l u eg r a d u a l l ya n dk e e p i n ga n yo t h e r p e r f o r m a n c ep a r a m e t e r s u n d e ra c i d i cc o n d i t i o n ，a c i d - r e s i s t a n tm e t h a n o g e n i cg r a n u l a rs l u d g ew a s c u l t i v a t e ds u c c e s s f u l l y a f t e rt h er e s e a r c h ，m e t h a n o g e n i ca c t i v i t yo fg r a n u l a r s l u d g ew a sl e a r n e d t h ea c t i v i t i e so fi n o c u l a t i o nf l o c c u l e n t s l u d g e ，s l u d g eu n d e r a c i d i cc o n d i t i o na n ds l u d g e g o tf r o m c o n t r a s te x p e r i m e n t ( p h 2 7 0 ) w e r e 1 2 5 4 3 m l c h 4 g v s s d ，4 1 3 8 4 m l c h 4 g v s s d a n d 3 7 1 0 4 m l c h 4 g v s s d ， i i 竺垒堡三些奎兰三兰堡尘兰堡篁兰 g r a n u l a rs l u d g eg o tf r o ma c i d i cc o n d i t i o nk e p t9 0 a c t i v i t yc o m p a r e dt oo n eo f c o n t r a s te x p e r i m e n t ( p h 2 7 0 ) a n di t s a c t i v i t yw a st h r e et i m e st o o n eo f i n o c u l a t i o nf l o c c u l e n t s l u d g e a tt h i st i m ea c t i v i t yo fg r a n u l a rs l u d g ew a s s u p p r e s s e db u ti ti sn o ts e r i o u s a c c o r d i n gt ot h e s er e s u l t sw h e na n a e r o b i cb i o t r e a t m e n tp r o c e s si sa p p l i e d ， s p e c i a l l yi ti sa p p l i e dt od e a lw i t hl o wp h o rl o wa l k a l i n i t yw a s t e w a t e r , i fa c i d r e s i s t a n t m e t h a n o g e n i cg r a n u l a rs l u d g e i sc u l t i v a t e d s u c c e s s f u l l y , t h e p e r f o r m a n c es t a b l e n e s so f t h er e a c t o rw o u l db ep r o m o t e dg r e a t ，t h ei n p u to fo u t e r a l k a l i n i t yw o u l db el e s s ，t h ep e r f o r m a n c ea d m i n i s t r a t i o nw o u l db es i m p l i f i e da n d t h ep e r f b r m a n c ec o s tw o u l db ec u t a l lo ft h e s ea r ev a l u a b l et ot h ee n g i n e e r i n g a p p l i c a t i o n k e y w o r d s i n t e r n a lc i r c u l a t i o n r e a c t o r ( i c ) ；s t a r t u p ；a c i d i c c o n d i t i o n ； p e r f o r m a n c ec h a r a c t e r i s t i c s ；g r a n u l a rs l u d g e i i i - 里堑堡三些查兰三兰堡当兰竺篁三 1 1 概述 第1 章绪论 环境保护是我国的一项基本国策。世界经济发展的实践证明，为实现经 济的持续稳定发展，必须解决好发展与环境保护的矛盾。事实上，近代工业的 飞速发展所产生的严重经济问题，已经严重威胁了人类的生存与发展。由于我 国处于发展中国家的国情，水污染情况尤为严重，可利用的水资源大大减少。 如何有效地保护水资源，经济合理的防治水污染，已经成为迫切需要解决的问 题。 废水的厌氧生物处理技术以其运行简单、节约能源并可进行能源回收、处 理成本低以及更适合处理高浓度有机废水等优点而越发受到世界各国水处理人 员的重视，成为处理污水的重要手段之一。 1 2 废水厌氧生物处理技术的发展及现状 随着工业的飞速发展和人口的不断增加，能源、自然和环境等问题r 趋严 重，厌氧生物处理已经成为废水处理的主要手段之一。废水厌氧生物处理技术 是利用厌氧微生物达到污水、污泥处理及获取沼气过程的统称，废水厌氧生物 处理技术至今已有1 0 0 多年的历史。在其长期的发展过程中，由于科技的发展 程度以及厌氧技术本身存在的局限性，如厌氧处理出水c o d 浓度高于好氧处 理、需要后处理才能达到较高的排放标准、厌氧微生物对有毒物质较为敏感、 厌氧反应器初次启动较为缓慢等原因，使得厌氧生物处理技术的发展较好氧生 物处理技术起步晚，而且发展较为缓慢。 但相对好氧生物处理技术作为耗能型的废水处理技术而言，厌氧生物处理 技术作为高效率低能耗的废水生物处理技术有其不可替代的优势，特别是对于 发展中国家的国情和污染严重的现状来说，厌氧废水处理技术的优点更为突 出。因此，近2 0 多年来厌氧生物处理技术得到迅速发展，并得到世界各国的 广泛采用。表l l 为厌氧生物处理技术的主要突出优点。 哈尔滨工业大学j ：学硕十学位论文 表1 1 厌氧生物处理技术的优点 可直接处理高浓度有机废水，耗能少，运行费用低 污泥产率低 对营养物的需求量小 可网收沼气，具有较好的经济效益 具有较强抗冲击负荷能力及稳定性 厌氧系统规模灵活，设备简单，易于制作，无需昂贵的设各 厌氧生物处理技术是随着厌氧技术的发展而发展的，最初的研究首先是从 处理人类粪便开始，发展至今已有1 2 0 多年的历史。在1 8 8 1 年，法国科学家 m o u r a s 发明了处理污水的自动净化器( a u t o m a t i cs c a s e n g e r ) ，这是人工厌氧 处理废水的开始。随后，在1 8 9 0 年，第一个厌氧滤池建成；在1 8 9 5 年d o n a l d 建成了第一个厌氧化粪池；1 9 0 6 年i m h o f f 池( 又称隐化池或双层沉淀池) 设 计成功；1 9 1 2 年传统的消化池( c o n v e n f i o n a ld i g e s t o r ) ，又称普通消化池的二 级消化池开始投入使用；1 9 2 5 年，安装有加热设备和集气装置的密封式消化池 在美国威斯康星州安替哥市建成投产：1 9 5 0 年南非人s t a n d e r 丌发了厌氧澄清 器( a n a e r o b i cc l a r i d i g e s t o r ) ；1 9 5 6 年s c h r o e f e r 等人成功开发了厌氧接触法 ( a n a e r o b i cc o n t a c tp r o c e s s ) ，这标志着现代废水厌氧生物处理工艺的诞生。 2 0 世纪7 0 年代以来，随着能源问题的突出，大量关于高效节能的废水处 理新工艺的研究与开发工作大大推动了厌氧处理技术的发展。厌氧生物处理技 术因为其高效的污染物处理能力和可回收沼气能源而备受关注。 1 9 6 7 年j c y o u n g 和p lm c c a r t y 开发了厌氧滤池( a n a e r o b i cf i l t e r ) ， 并获得了广泛的应用。 1 9 7 4 年w a g e n i n g e n 农业大学的gl e r i n g a 等人成功开发了升流式厌氧污 泥层( u p f l o wa n a e r o b i cs l u d g eb l a n k e t ) 反应器，这就是对废水厌氧生物处理 具有划时代意义的u a s b 反应器。 在随后的几年里，厌氧膨胀床( a n a e r o b i ce x p e n d e db e d ) 、厌氧流化床 ( a n a e r o b i cf i u d i z e db e d ) 、厌氧生物转盘( a n a e r o b i cr o t a t i n gb i o l o g i 【c a l r e a c t o r ) 和厌氧折流板反应器( a n a e r o b i cb a f f i e dr e a c t o r ) 相继出现。 2 0 世纪8 0 年代里，一批新的高效厌氧处理工艺不断从上述工艺中派生出 来，如复合厌氧反应器( u p f l o wa n a e r o b i cb e d f i l t e r ，简称u b f ) 、u s r ( u p f l o ws o l i dr e a c t o r l 、e g s b ( e x p e n d e dg r a n u l a rs l u d g eb e d ) 和内循环厌氧反 应器( i n t e m a lc i r c u l a t i o n ，简称i c ) 等“j 。 堕查堡三些查兰三兰竺圭兰堡篁兰 这些新颖厌氧处理工艺的开发，打破了过去认为厌氧处理工艺处理效能 低，需要较高温度、较高废水浓度和较长停留时问的传统观念，正以全新的面 貌向人们说明，厌氧处理是高效能的，可适应不同的温度和不同的浓度。 厌氧反应器目前的主要研究应着眼以下几个方面【2 1 ： ( 1 ) 研究开发具有高稳定性，高负荷，并能处理低浓度有机废水以及含 高浓度有毒物质废水的厌氧反应器。 ( 2 ) 研究以颗粒载体为基础的固定化厌氧生物膜颗粒污泥，其能够改善 反应器中微生物与基质之间的传质条件，加快反应速率，提高污水处理效率。 ( 3 ) 研究内、外循环和沼气循环的复合循环方式来保证在厌氧反应器内 维持厌氧细菌所需要的最佳生存环境。 随着我国经济的迅速发展，人口的增多，城市生活污水和工业废水的总量 也迅速增加。为了达到可持续发展的要求，研究能在线反映反应器内重要参 数的传感器，开发具有多种附加功能( 脱氮、脱硫) 的新型高效厌氧反应器是我 国厌氧反应器的主要发展方向。 1 3 内循环( i c ) 厌氧反应器的研究与应用 废水厌氧生物处理技术已经展示出的处理能力和潜在的应用前景，一直是 水处理领域中占有重要的地位，到了8 0 9 0 年代，废水厌氧处理技术已日趋成 熟。随着生产发展与资金、能耗、占地等因素间矛盾的进一步突出，水处理工 作者一直在努力寻求技术经济更优的厌氧工艺，尤其是如何处理生产发展带来 的新的高浓度有机废水更使得这一努力成为必要。 对厌氧生物处理技术工艺研究方面，目前国内外大多采用上流式厌氧污泥 床反应器( u a s b ) 。u a s b 反应器作为典型的第二代新型厌氧反应器，具有广 泛的适应性和高效性等特点，是目前应用最广泛的高速厌氧反应器之一，而且 其应用仍呈迅速增长之势【3 1 。但是，u a s b 反应器本身也存在一些明显的缺 陷，如：传质过程不理想，膨胀状态容易使污泥流失等【4 】。因此，开发第三代 新型厌氧反应器，改善以往厌氧反应器的缺点成了广大科技工作者的迫切任 务。 内循环( i n t e r n a lc i r c u l a t i o n ) ( 以下简称i c 反应器) 厌氧反应器就是在这 一背景下产生的第三代新型厌氧反应器，它是厌氧废水处理理论与工程实践相 结合的产物，体现了厌氧工艺自身发展要求。 i c 反应器是2 0 世纪8 0 年代中期由荷兰的p a q u e s 公司推出的新一代厌 篁尘堡三些尘耋三兰堡圭兰堡篁兰 氧反应器。目前该技术已成功地应用于啤酒生产、造纸及食品加工等行业的污 水处理中，由于其处理容量高，投资少，占地省，运行稳定等优点引起了各国 水处理人员的瞩目，被称为第三代厌氧生化反应器的代表工艺之一。进一步研 究开发i c 反应器，推广其应用范围已成为厌氧废水处理的热点之一。 i c 反应器最大的优点就是：实现了商负荷与污泥流失相分离，同时强化了 传质过程。同时它还具有以下特点： ( 1 ) 它具有一个无外加动力的内循环系统： ( 2 ) 内循环增加了水力负荷，强化了传质过程： ( 3 ) i c 反应器尤其适合于处理浓度较低和温度较低的有机废水。 i c 厌氧反应器与u a s b 反应器相比具有以下优点1 5 1 ： ( 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问的传质，使i c 厌氧反应器的有机负荷远远高于普通 u a s b 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i c 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1 叽2 0 倍。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，i c 厌氧反应器的容 积负荷是普通u a s b 的4 倍左右，故其所需的容积仅为u a s b 的l 体一1 3 ，节 省了基建投资。加上1 c 厌氧反应器多采用高径比为4 - 8 的瘦高型塔式外形， 所以占地面积少，尤其适合用地紧张的企业。 ( 4 ) 节能，i c 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。 1 3 1i c 反应器的研究现状与应用情况 1 3 1 1i c 反应器在国外的研究与应用情况 1 9 8 5 年，荷兰p a q u e s 公司建立第一个i c 中试反应器；1 9 8 8 年，第一 座生产性规模的i c 反应器投入运行1 6 1 。 i c 工艺在国外的应用以欧洲较为普遍，运行经验也较国内成熟许多，已成 功应用于啤酒、造纸、土豆加工等生产废水的处理中，而且其应用范围以及规 堕垒堡三些尘兰三兰堡圭兰堡篁圣 模也在日益加大。荷兰s e n s u s 公司建造的1 l o o m 3i c 反应器处理菊粉生产废 水，而据估算，若采用u a s b 处理同样废水，反应器容积将达2 2 0 0 m 3 ，投资 及占地将大大增加。 h a b e t s 等【7j 报道了1 9 9 5 年荷兰c o s u n 集团糖厂应用i c 反应器处理废水， 投资节省了2 5 ，占地面积从4 5 0 m 2 降低到5 5 m 2 ，反应器高2 2 m ，体积 11 0 0 m 3 ，相当于两个重叠的u a s b 反应器。运行过程中反应器在高低负荷都可 以运行，上升流速因回流量的不同在1 0 2 0 m h 之间变化。 但是，作为专利设备的i c 反应器，国外的研究报道很少。目前，国外在 l c 工艺的研究上虽较国内成熟许多，但在它的应用领域、污泥特性及机理方面 仍存在较多值得进一步研究的地方。 1 3 1 2i c 反应器在国内的研究与应用情况 目前，国内对i c 反应器的研究大都停留在实验室小试阶段，没有提出对 实际工程运行具有指导意义的工程运行参数，在这一方面开展研究有助于提高 我国污水厌氧处理的范围及厌氧生物处理技术。 国内对i c 反应器的报道多为一些综述性文章【89 ”j ，它们扼要介绍了i c 反应器的基本结构和原理，从工艺思想的角度进行了分析，并总结了i c 反应 器的应用特点。另外也有一些研究性的文章，如邓良伟等采用1 2 0 l 的i c 反应 器处理猪场废水，在水力停留时问为0 8 2 o d ，负荷3 0 7 0 k g c o d m 3 - d 的条 件下，c o d 平均去除率8 0 3 ，b o d 5 去除9 5 8 ，s s 去除7 8 5 ，总氮 ( t n ) 、总磷( t p ) 都有一定的去除率。 王林山等】进行了国内首次i c 厌氧反应器启动研究，反应器有效容积 7 0 m 3 ，经过6 5 d 的启动期，反应器容积负荷达到2 5 3 0 k g c o d m 3 - d ，c o d 去 除率达到8 0 。吴静等 1 2 】对i c 厌氧反应器处理葡萄糖配水的启动规律进行了 研究，结果表明：当反应器的容积负荷达到6 0 k g c o d m 3 d 时，能够形成不连 续内循环，随着容积负荷的提高，循环之间的间隔越来越短，容积负荷达到 1 5 0 k g c o d m 3 d 时，可形成连续的内循环，当容积负荷达到3 1 4 4 5 0 k g c o d m s d 时，内循环良好。 丁丽丽等研究了i c 反应器的快速启动方法和启动过程中颗粒污泥性 质。结果表明，由于反应器成功滞留了大量活性高、沉降陛能好的颗粒污泥， 反应器初次启动可在2 0 d 内完成，二次启动1 5 d 内完成，反应器负荷可达 1 2 1 5 k g c o d m s d ，c o d 去除率8 5 以上；i c 反应器启动结束后，其颗粒污 泥的性质发生显著变化，平均粒径由o 8 8 m m 增大到1 2 5 m m ，平均沉降速度 由接种污泥的3 5 4 m h 增加到1 0 5 1 7 m h ，最大比产甲烷活性3 8 2 9 8 m l g d ， 晴尔滨工业人学工学硕士学位论文 几乎为初期的4 倍，产甲烷优势菌由m e t h a n o t h r i x 转变为产甲烷球菌和短杆 菌。 从i c 反应器的工程实践上看，国内沈阳、上海率先采用了i c 反应器处理 啤酒废水，近期哈尔滨啤酒厂也引进了i c 反应器处理生产废水。以沈阳华润 雪花啤酒有跟公司采用的i c 反应器为例，反应器高1 6 m ，有效容积7 0 m 3 ， 每天处理4 0 0 m 3 平均c o d 浓度为4 3 0 0 m g l 的废水，在c o d 去除率稳定在 8 0 以上时，容积负荷高达2 5 3 0 k g m 3 d 。公司在处理生产废水的同时，经 济卜也获得了较大的收益：每年节省排污费7 5 万元，沼气回收利用价值4 5 力n 元，而i c 反应器每年的运行费用仅为6 2 万元，可见，i c 工艺达到了技术经济 的优化。 但是，目前国内在实际工程中采用的i c 反应器都是从国外购买的成套设 备，而且除了购买设各之外，还需同时购买运行所需的颗粒污泥，这无疑大大 增加了工业水处理的成本，不利于我国环境工业健康有序的发展。同时，对颗 粒污泥形成的成因、颗粒污泥特性、处理效能及其机理的研究尚少，有必要对 其进行研究与改造，并开发推广适合我国国情的厌氧i c 反应器。 1 3 2i c 反应器的构造、工作原理及工艺思想分析 1 3 2 1i c 反应器的构造 i c 反应器可以看作有两个u a s b 反 应器串连构成，具有更大的高径比，一般 为4 8 ，高度可达1 6 2 5 m ，由5 个基本 部分组成：混合区、第一反应室、内循环 系统、第二反应室和出水区，其中内循环 系统是i c 反应器的核心构造，由一级三 相分离器、沼气提升管、气液分离器和泥 水下降管组成( 见图1 1 ) 。 1 ，3 2 2i c 反应器的工作原理 i c 反应器的5 个基本部分有其各自 的特点，以下对各部分作简要的介绍： ( 1 ) 混合区废水通过布水系统进入 反应器内，在混合区与从i c 反应器上部 返回的泥水混合液、反应器底部的污泥充 眩 图1 - 1i c 反应器构造原理图 儿乎为初期的4 倍，产甲烷优势菌由m e t h a n o t h r i x 转变为产甲烷球菌和短杆 菌。 从i c 反府器的工程实践上看，国内沈阳、上海率先采用了i c 反应器处理 啤酒废水，近期哈尔滨啤酒厂也引进了i c 反应器处理生产废水。以沈阳华润 雪花啤酒有限公司采用的i c 反应器为例，反虚器高1 6 m ，有效容积7 0 m 每天处理4 0 0 m 3 平均c o d 浓度为4 3 0 0 m g l 的废水，在c o d 去除率稳定在 8 0 以上时，容积负荷高达2 5 3 0 k g m d 。公司在处理生产废水的同时，经 济上也获得了较大的收益：每年节省排污费7 5 万元，沼气回收利用价值4 5 万 元，而i c 反应器每年的运行费用仅为6 2 万元，可见，i c 工艺达到了技术经济 的优化。 但是，目前国内在实际工程中采用的i c 反应器都是从国外购买的成套设 备，而且除了购买设备之外，还需同时购买运行所需的颗粒污泥，这无疑大大 增加了工业水处理的成本，不利于我国环境工业健康有序的发展。同时，对颗 粒污泥形成的成因、颗粒污泥特性、处理效能及其机理的研究尚少，有必要对 其进行研究与改造，并开发推广适合我国国情的厌氧i c 反应器。 1 3 2i c 反应器的构造、工作原理及工艺思想分析 1 1 32 1i c 反应器的构造 1 c 反应器可以看作有两个u a s b 反 应器串连构成，具有更大的高径比，一般 为4 8 ，高度可达1 6 2 5 m ，由5 个基本 部分组成：混合区、第一反应室、内循环 系统、第二反虑室和出水区，其中内循环 系统是i c 反应器的核心构造，由一级三 相分离器、沼气提升管、气液分离器和泥 水下降管组成( 见图1 1 ) 。 13 22i c 反应器的工作原理 i c 反应器的5 个摹本部分有其各自 的特点，以下对各部分作简要的介绍： ( 1 ) 混合区废水通过布水系统进入 反应器内，在混合区与从i c 反应器上部 返回的泥水混合液、反应器底部的污泥充 返回的泥水混合液、反应器底部的污泥充 园 圈1 - 1i c 反应器构造原理图 坠玺堡三些奎兰三兰堡圭兰堡篁兰 分混合，由此产生对迸液的稀释和均质作用，从而大大减轻了冲击负荷及有害 物质的不利影响。 ( 2 ) 第反应室废水和颗粒污泥混合物在进水与循环水的共同推动下， 迅速进入第一反应室，由于回流的影响，在此部分产生较大的上升流速，最大 可达1 0 2 0 m h 1 1 4 1 , 导致此部分污泥处于膨胀流化状态，废水和污泥之间产生 强烈而有效的接触，优化了传质，大大提高了生化反应速率。有机物质在此也 尽可能多地被分解，同时产生大量的沼气，这些气体被以及三相分离器收集并 导入沼气提升管，通过这个提升装置部分泥水混合物被送到反应器顶部的气液 分离器，气体在这里被分离后导出系统。 ( 3 ) 内循环系统第一反应室产生的气体被一级三相分离器收集进入沼气 提升管中，产生气提作用，气体携带着泥水混合物快速上升，在反应器顶部的 气液分离器分离之后排出，剩余的泥水混合物则经泥水下降管向下流入反应器 底部的混合区，由此在反应器内形成内循环。气提动力来自于上升的和返回的 泥水混合物中气体含量的巨大差别，因此，这个泥水混合物的内循环不需要任 何外加动力。值得一提的是，这个循环流的流量随着进液中c o d 的量的增大 而自然增大，因此反应器具有自我调节的作用，原因是在高负荷条件下，产生 更多的气体，从而也产生更多的循环水量，稀释作用随之增大。根据不同的进 水c o d 符合和反应器的不同构造，内循环量可进水流量的o 5 5 倍。这对于 反应器的稳定运行意义重大。 ( 4 ) 第二反应室经第一反应室处理后的废水除一部分参与内循环外，其 余污水通过一级三相分离器进入第二反应器的污泥床进行剩余c o d 的降解过 程，这部分相当于一个有效的后处理过程，提高和保证了出水水质。产生的气 体被二级三相分离器收集并导出反应器。在第二反应器内的污泥负荷较低，水 力停留时问相对较长，水力停留状态接近于推流状态，因此废水在此得到有效 处理并避免了污泥的流失。废水中可生物降解有机物几乎得到完全的去除。由 于大量的c o d 已经在第一反应室中除去，第二反应室的气体产量很小，不足 以产生很大的流体湍动，加之内循环流动不通过第二反应室，因此混合液的上 升流速很小。这两个原因使生物污泥能很好地保留在反应器内。 ( 5 ) 出水区经第一、二反应室处理的污水经溢流堰由出水管导出，进入 后续处理工艺。经i c 反应器处理的污水c o d 去除率一般在8 0 以上“。 1 3 2 3i c 反应器的工艺思想分析 i c 反应器是在u a s b 基础上发展起来的，它很好的解决了u a s b 的一些 弊病。u a s b 反应器虽然利用了颗粒污泥实现了水力停留时间( h r t ) 与污泥 ：堕! ：堡三些垒茎三兰堡圭耋竺丝兰 停留时恻( s r t ) 的分离，延长了污泥龄，保持了较高的污泥浓度，但在如何 保持泥水的良好接触，强化传质过程，进一步加快生化反应速率方面却存在不 足，i c 反应器则利用自身的特点较好的弥补了以上问题，减少了由于高的水力 负荷产生的污泥流失问题。i c 反应器采用了以下的工艺思想： ( 1 ) i c 反应器利用较大的高径比，采用了同一反应器内分段处理的工 艺。i c 反应器通过第一反应室去除大部分进水中的c o d ，通过第二反应室降 解剩余的c o d 及一些难降解物质，提高出水水质。更重要的是虽然由于污泥 内循环，在笫一反应室产生很大的上升流速，形成了污泥的膨胀流化状态，而 在第二反应室内由于大量的c o d 已在第一反应室中去除，产气量很小，不足 以产生很大的流体湍动，创造了颗粒污泥沉降的良好环境，较好的解决了在高 的容积负荷下污泥流失的问题。另外，由于第二反应室的污泥浓度通常较低， 有相当大的空间允许第一反应室的污泥膨胀进入其中，这也防止了高负荷时易 发生的污泥流失问题，保证运行稳定，即使反应器负荷数倍于u a s b 时也是如 此。 ( 2 ) 采用内循环技术i c 反应器是在高的c o d 容积负荷的条件下，依据 气体提升原理，利用沼气膨胀作用在无需外加能源的条件下实现了内循环污泥 回流，进一步加大生物量，大大提高了c o d 容积负荷，实现了泥水之问的良 好接触。由于采用了高的有机负荷，所以沼气产量高，加之内循环液的作用， 使污泥处于膨胀流化状态，强化了传质效果，达到了泥水充分接触的目的。据 有关的研究报道，处理高浓度有机废水( c o d 浓度在5 0 0 0 9 0 0 0 m g l ) ，相应 c o d 容积负荷达到3 5 5 0 k g c o d m s d ，膨胀区水流上升速度可达1 0 2 0 m h 。 可见内循环技术不但增加了生物量，也改善了传质，尽力挖掘了生化处理能 力，抓住了厌氧处理技术的关键，体现了从根本上提高生化反应速率这一原 则，实现了大幅度提供处理容量的目的【“。 1 3 2 4i c 反应器存在的问题 作为一个较新的污水处理工艺，客观的认识它是进一步研究开发的基础。 总的来说，i c 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。从理论研究的角度看，i c 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，i c 厌氧反应器仍有不少值得研究的地 方1 7 ： ( 1 ) 从反应器构造和工程应用来看，i c 厌氧反应器比u a s b 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 竺竺堡三些奎兰三兰竺圭兰竺篁兰 合考虑。 ( 2 ) 颗粒污泥在i c 厌氧反应器中占有重要地位。通过污泥分析表明，i c 反应器比u a s b 反应器内含有较高浓度的细微颗粒污泥( 形成大颗粒污泥的前 体) ，加之水力停留时间相对较短和较大的高径比，所以与u a s b 反应器相比 i c 反应器出水中含有更多的微细固体颗粒，这不仅使后续的沉淀处理成为必 要，还加重了后续处理负担，所以研究i c 反应器内颗粒污泥的性质，微生物 的特性及无机金属离子对其的影响都有利于进一步揭示i c 反应器的作用机 理；为了使i c 反应器具有更高更好的处理效率与效果，更充分地发挥其处理 效能进行理论探索，更广泛的应用于生产实践。另外，它与处理同类废水的 u a s b 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i c 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i c 厌氧反应器均采用荷兰进口颗粒污泥接种，为降低工程造价，也需掌 握i c 厌氧反应器培养活性和沉降性能良好的颗粒污泥关键技术。 ( 3 ) 水力模型的合理性和实用性有待研究。目前采用的水力模型原型是 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， 并且也得到了试验的证实，但i c 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i c 厌氧反应器的模型上看，p e r e b o o m 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( a h ) 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，难以构造恰当的经验式。 ( 4 ) i c 厌氧反应器由于回流的稀释作用应该比u a s b 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i c 厌氧反应器用于处理易降解的啤酒、柠檬酸等废水，所以i c 厌氧反应器 的应用领域有待开拓。 1 4 颗粒污泥 颗粒污泥( g r a n u l a rs l u d g e ) 是厌氧微生物在不依赖惰性载体的情况下，依 靠自固定化，形成的种结构紧密地污泥聚集体，它是个具有自我平衡的微 坠尘堡三些尘耋三兰堡兰堡篁兰 生物系统1 8 】。其中厌氧微生物一般包括产甲烷菌、水解发酵细菌、产乙酸菌 等，这个微生物生态系统具有良好的沉淀性能和比较规则的外形结构，物理性 状稳定，很高的比产甲烷活性。目前，很多高效厌氧反应器启动成功的标志就 是颗粒污泥的形成与成熟。 1 4 1 颗粒污泥的优点 颗粒污泥具有以下优点： ( 1 ) 大量细菌形成颗粒状聚集体，是一个非常稳定的微生物生态系统， 其中不同类型的微生物种群组成共生或互生体系，有利于形成适合细菌选择并 栖息生长的生理生化条件，利于有机物的降解； ( 2 ) 颗粒的形成有利于其中细菌对营养的吸收，增强了微生物活性； ( 3 ) 颗粒化使发酵中间产物与产氢产乙酸菌和产甲烷菌之间的距离大大 缩短，强化了厌氧生物降解的过程； ( 4 ) 在废水性质突然变化时( 例如p h 值冲击、有毒物质的进入等) ，颗 粒污泥能够维持一个相对稳定的微环境，通过微生物种内及种间的协同作用及 负反馈作用，降低影响，使代谢过程继续进行； ( 5 ) 颗粒污泥通常具有一定的机械强度，可以避免因水流的剪切、内部 产气的压力而破碎，导致微生物被洗出反应器，这对于有效截流微生物，增加 固体停留时间都非常重要。 1 4 2 颗粒污泥的形成 1 4 2 1 颗粒污泥的形成条件 至今研究发现仅在升流式厌氧反应器内发现和培养出颗粒污泥，说明升流 条件是形成颗粒污泥的必要条件。但这并不是充分条件，形成颗粒污泥还有其 他因素。快速的形成颗粒污泥的条件一直是研究的焦点。下面将总结一下形成 颗粒污泥的主要条件【i 。 1 废水性质 根据文献报道，处理甜菜制糖废水、土豆加工废水、酒精废水、甲醇废 水、屠宰废水、啤酒废水以及柠檬酸废水等，均可培养出颗粒污泥。一般处理 含糖废水易于形成颗粒污泥，而脂类废水和蛋白质废水及有毒难降解废水则较 难培养出颗粒污泥，或不能培养出颗粒污泥。要求废水的c ：n ：p 约为2 0 0 ： 5 ：1 ，否则要适当加以补充。投加补充适量的镍、钴、钼和锌等微量元素有利 坠堡堡三些叁兰三兰堡圭兰竺尘兰 于提高污泥产甲烷活性，因为这些元素是产甲烷辅酶重