厭氧內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)、應(yīng)用與優(yōu)化

戴若彬，陳小光，姬廣凱，Awad Abdelgad，向心怡，唐萌嫣，曾祥柳

（1東華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，國家環(huán)境保護(hù)紡織工業(yè)污染防治工程技術(shù)中心，上海 201620；2東華大學(xué)教務(wù)處，上海 201620）

厭氧內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)、應(yīng)用與優(yōu)化

戴若彬1，陳小光1，姬廣凱2，Awad Abdelgad1，向心怡1，唐萌嫣1，曾祥柳1

（1東華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，國家環(huán)境保護(hù)紡織工業(yè)污染防治工程技術(shù)中心，上海 201620；2東華大學(xué)教務(wù)處，上海 201620）

厭氧內(nèi)循環(huán)（IC）反應(yīng)器是第三代厭氧反應(yīng)器的典型代表之一，具有容積效能高、節(jié)省能源、占地面積小、高徑比大等特點(diǎn)，近年來逐漸在我國高濃度有機(jī)廢水處理領(lǐng)域嶄露頭角。本文闡述了IC反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)原理和水力特性，其結(jié)構(gòu)相當(dāng)于兩個(gè)升流式污泥床（UASB）反應(yīng)器串聯(lián)，并具有內(nèi)循環(huán)結(jié)構(gòu)，水力特性包括升流速度和系統(tǒng)壓降兩個(gè)重要參數(shù)；概述了IC反應(yīng)器的啟動(dòng)，其啟動(dòng)周期一般為3～6個(gè)月，增加污泥濃度可實(shí)現(xiàn)快速啟動(dòng)；介紹了IC反應(yīng)器的底物抑制特性，其表現(xiàn)出一定氨氮耐受性；綜述了該反應(yīng)器的工程應(yīng)用，論述了其在畜禽類高氨氮廢水的處理潛力，并提出了IC反應(yīng)器結(jié)構(gòu)與工藝的優(yōu)化方向。

厭氧內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器；結(jié)構(gòu)原理；水力特性；工程應(yīng)用；優(yōu)化

廢水處理厭氧生物流化床反應(yīng)器是一種集廢水處理技術(shù)、流態(tài)化技術(shù)與微生物技術(shù)于一體的高效厭氧生物處理裝置[1]。近年來厭氧反應(yīng)器技術(shù)發(fā)展迅速，自從1974年Lettinga等[2]發(fā)明了升流式厭氧污泥床（UASB）為代表的第二代厭氧反應(yīng)器以來，厭氧反應(yīng)器開始廣泛運(yùn)用于實(shí)際廢水處理。之后涌現(xiàn)了以厭氧顆粒污泥膨脹床（EGSB）[3]和厭氧內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器（IC）[4]為代表的第三代厭氧反應(yīng)器，尤其是IC反應(yīng)器將兩個(gè)UASB反應(yīng)器串聯(lián)并設(shè)置了內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)，極大地改善了污泥持留能力，具有容積負(fù)荷高、水力停留時(shí)間（HRT）短、高徑比大、占地面積小、耐沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)等特點(diǎn)，備受行業(yè)關(guān)注[5]。

盡管IC反應(yīng)器早在20世紀(jì)80年代就已研發(fā)成功，1986年荷蘭帕克公司就將其投入生產(chǎn)，但直至今日，其核心技術(shù)仍未公開，保密極好（1994年才首次見到相關(guān)報(bào)道）[4]。近年來，國內(nèi)外學(xué)者對其進(jìn)行了相關(guān)研究。截至2013年12月，Sciencedirect英文檢索文獻(xiàn)只有寥寥10余篇，可見IC反應(yīng)器的技術(shù)保密性極好。然而，國內(nèi)對其的研究狀況卻大相徑庭，自1995年上海富仕達(dá)釀酒公司從荷蘭帕克公司引進(jìn)我國第一套IC反應(yīng)器技術(shù)以來[6]，國內(nèi)逐漸出現(xiàn)了自主生產(chǎn)IC反應(yīng)器的廠商，有關(guān)IC反應(yīng)器的研究和應(yīng)用也越來越多，截至2013年12月，有關(guān)IC反應(yīng)器的CSCD中文文獻(xiàn)檢索約300余篇。鑒于此，本文對IC反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)、應(yīng)用和優(yōu)化作一綜述。

1 IC反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)特性

1.1 IC反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)原理

IC反應(yīng)器由第二代UASB厭氧反應(yīng)器發(fā)展而來，可視為兩個(gè)UASB反應(yīng)器串聯(lián)而成[7]，其結(jié)構(gòu)如圖1。

IC反應(yīng)器的特點(diǎn)之一是具有很大的高徑比，一般可達(dá)4～8[8]，而傳統(tǒng)的UASB反應(yīng)器的高徑比一般為2～3[9]。IC反應(yīng)器的基本框架（圖1）為兩個(gè)厭氧反應(yīng)區(qū)，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(gòu)成的內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)。廢水從進(jìn)水口進(jìn)入經(jīng)布水器均勻布水流至第一厭氧反應(yīng)區(qū)，IC反應(yīng)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(tài)，此時(shí)固-液接觸充分，大部分污水中的有機(jī)物在此被厭氧消化產(chǎn)生沼氣，少部分有機(jī)物進(jìn)入第二厭氧反應(yīng)區(qū)繼續(xù)厭氧消化并產(chǎn)生沼氣。兩個(gè)厭氧反應(yīng)區(qū)中所產(chǎn)生的沼氣分別被第一、第二三相分離器和收集，沼氣產(chǎn)生的升力可帶動(dòng)氣液混合物進(jìn)入提升管，到達(dá)氣液分離室后由于密度差產(chǎn)生氣液分離，沼氣從出氣口排出，此時(shí)液體密度增大，在密度差與重力的作用下經(jīng)回流管回流至第一厭氧反應(yīng)區(qū)，經(jīng)布水器導(dǎo)流與進(jìn)水混合繼續(xù)上升實(shí)現(xiàn)內(nèi)循環(huán)。

圖1 厭氧內(nèi)循環(huán)（IC）反應(yīng)器結(jié)構(gòu)

1.2 IC反應(yīng)器的水力特性

IC反應(yīng)器內(nèi)的水力特性與傳統(tǒng)的UASB反應(yīng)器截然不同。水力特性是影響基質(zhì)濃度、產(chǎn)物濃度、反應(yīng)溫度和物料停留時(shí)間的均一性的重要因素，它們是基質(zhì)反應(yīng)速率快慢的主要致因，較好的水力條件可有效提升反應(yīng)器的抗負(fù)荷沖擊能力[10]。升流速度和系統(tǒng)壓降作為IC反應(yīng)器兩個(gè)重要的水力特性，是反應(yīng)器操作優(yōu)化與設(shè)計(jì)優(yōu)化的重要參考依據(jù)。

1.2.1 升流速度

本文所提出的升流速度特指IC反應(yīng)器的提升管內(nèi)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(yīng)區(qū)產(chǎn)沼氣速率約為第一厭氧反應(yīng)區(qū)的1/4，且該區(qū)污泥量較少，使得該區(qū)的流態(tài)趨于穩(wěn)定，再結(jié)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(nèi)循環(huán)的流速（升流速度）很大程度上控制著整個(gè)IC反應(yīng)器運(yùn)行的穩(wěn)定性。另外，回流管內(nèi)流速也與升流速度關(guān)系密切，較高的回流流速可增大第一厭氧反應(yīng)區(qū)內(nèi)混合液的湍流程度，進(jìn)而一定程度上增強(qiáng)了反應(yīng)器的固-液傳質(zhì)效果，提升反應(yīng)器容積負(fù)荷。可見，升流速度是IC反應(yīng)器設(shè)計(jì)的重要參數(shù)之一。因此，Pereboom等[4]提出了IC反應(yīng)器提升管液體升流速度ulr的表達(dá)式[見式（1），相關(guān)物理符號(hào)意義已在符號(hào)說明中給出，除特殊情況均不在正文內(nèi)再作介紹，下同]。

胡紀(jì)萃[6]結(jié)合IC反應(yīng)器的水力特性和邊界條件，對式（1）進(jìn)行了修正，得到式（2）。

其中影響式（2）準(zhǔn)確計(jì)算的一個(gè)重要因素是提升管底部阻力系數(shù)KB的值，參數(shù)KB一般通過生產(chǎn)性試驗(yàn)確定。胡紀(jì)萃[6]對進(jìn)水為易生物降解的有機(jī)廢水化學(xué)需氧量（COD）為6000mg/L、廢水量Q為540m3/d、水溫35℃的IC反應(yīng)器進(jìn)行了設(shè)計(jì)：進(jìn)水設(shè)計(jì)容積負(fù)荷為20kgCOD/(m3·d)，COD去除率為85%，沼氣產(chǎn)率為0.5m3/(kgCOD)，反應(yīng)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(jīng)試算得到εr=0.385，εd=0.01925，求得升流管提升速度ulr=1.148m/s，內(nèi)循環(huán)流量Qlr=73m3/h。

1.2.2 系統(tǒng)壓降

系統(tǒng)壓降直接影響IC反應(yīng)器的運(yùn)行能耗。在IC反應(yīng)器中內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)的能量消耗等于沼氣氣泡絕熱膨脹產(chǎn)生的能量[8]，即內(nèi)循環(huán)進(jìn)行所需能量完全由沼氣氣泡提供，因此內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)的阻力損失可不計(jì)算在系統(tǒng)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(chǎn)生的壓降極小，可以忽略不計(jì)，因此系統(tǒng)壓降=床層壓降+局部壓降。由于進(jìn)水速度的不同床層狀態(tài)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(tài)下產(chǎn)氣率較低，且大部分沼氣都被提升管收集，反應(yīng)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(dòng)。為計(jì)算系統(tǒng)壓降，可將IC反應(yīng)器物理模型概化（含主要尺寸）為圖2。圖2中右圖是一種布水器的物理概化模型，采用兩側(cè)切向進(jìn)水，兩側(cè)均有6根支管，每3根支管出水端圍成一個(gè)小環(huán)形，與底部的錐體配合可實(shí)現(xiàn)均勻布水。

若假設(shè)向反應(yīng)器中投加顆粒污泥占據(jù)整體反應(yīng)器容積的50%，顆粒污泥平均直徑[11]dp=1.14mm，顆粒污泥密度ρf=1.052g/cm3，床層初始空隙率ε0=0.50。固定床狀態(tài)下污泥覆蓋至截面4-4，即流體通過床層縫隙流動(dòng)，整體壓降ΔPf可視為由進(jìn)水管與截面5-5至截面7-7的局部阻力損失和由底部至截面4-4的床層壓降相加而成，即如式（3）。

圖2 IC反應(yīng)器概化物理模型（三相分離器組件簡化，內(nèi)循環(huán)管路省略）

式中，ΔPf0- 0'為進(jìn)水管的局部阻力導(dǎo)致的壓降，可近似視為12條150°彎頭管路局部阻力損失的疊加，表達(dá)式如式（4）。

式中，ζ0-0為進(jìn)水管150°彎頭阻力系數(shù)，由R/d=1，查得ζ0-0=0.058[12]；ζ0-1為流道突然擴(kuò)大的阻力系數(shù)，查得ζ0-1=0.5；ρl為流體密度，取0.993 g/cm3。

ΔPf0'-4為由底部至截面4-4的床層壓降，由于床層為固定床，其壓降模型滿足Ergun方程，見式（5）。

式中，μ為35℃下液體黏度，取72.25×

ΔPf5-7為截面5-5至截面7-7的壓降，包括流道突然縮小、流道逐漸擴(kuò)大以及流道突然擴(kuò)大的局部阻力所導(dǎo)致的壓降，截面7-7處為環(huán)形堰流，可視為流道突然擴(kuò)大為無限。ΔPf5-7表達(dá)式如式（6）。

式中，α為局部阻力干擾修正系數(shù)；ζ5-5為突然縮小的阻力系數(shù)；ζ5-6為漸擴(kuò)管的阻力系數(shù)；ζ6-6為截面6-6的局部阻力系數(shù)；ζ6-7為截面6-6至截面7-7流道漸擴(kuò)的局部阻力系數(shù)；ζ7-7為截面7-7流道突然擴(kuò)大阻力系數(shù)；ua為流體剛過截面6-6時(shí)的流速，m/s。

床層起始流化速度umf即為固定床層壓降與流化床層壓降相等時(shí)的流化速度，表達(dá)式如式（7）。

式中，g為重力加速度=9.807m/s2。代入相關(guān)參數(shù)得umf=1.735×10-3m/s。

床層壓降ΔPf0-0'與表觀液速ul的關(guān)系式如式（9）。

由于ΔPfs-7的系數(shù)數(shù)量級(jí)為103，與式（9）、式（10）對比可明顯發(fā)現(xiàn)，IC反應(yīng)器截面5-5至截面7-7的壓降相比于床層壓降與進(jìn)水壓降極小，可以忽略，因此根據(jù)式（4）得到固定床狀態(tài)下（ul<1.735×10-3m/s）總壓降數(shù)學(xué)模型，如式（10）。

（2）流化床 在IC反應(yīng)器床層完全流化之后，其床層單元便完全處于氣液固三相流化床狀態(tài)，陳小光等[11]研究發(fā)現(xiàn)此時(shí)其床內(nèi)混合流體密度隨氣含率的增加而降低，導(dǎo)致反應(yīng)器壓降增加，以致一般厭氧反應(yīng)器三相條件下床層能耗比兩相條件最大能耗值高出一倍以上，可見流化床狀態(tài)下壓降受產(chǎn)氣影響極大。然而對于IC反應(yīng)器而言，由于其第一三相分離器（圖2，Ⅱ）的存在，收集了第一厭氧區(qū)（Ⅰ）所產(chǎn)生的大部分沼氣，且該部分沼氣占整體反應(yīng)器產(chǎn)氣的80%[6]，使得第二厭氧區(qū)（Ⅳ）的混合液體氣含率顯著降低?？梢奍C反應(yīng)器的第一三相分離器（Ⅰ）與內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)的設(shè)置還起到了有效降低系統(tǒng)能耗損失的作用。

2 IC反應(yīng)器的工程應(yīng)用

2.1 IC反應(yīng)器的啟動(dòng)

前已述及IC反應(yīng)器具有容積負(fù)荷高、水力停留時(shí)間短、高徑比大、占地面積小、出水水質(zhì)較穩(wěn)定、耐沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，但是其啟動(dòng)速度較慢，這也是厭氧反應(yīng)器存在的普遍問題[13]，已成為制約其推廣應(yīng)用的影響因素之一。

2.1.1 常規(guī)啟動(dòng)

為研究利用絮體污泥正常啟動(dòng)反應(yīng)器所需時(shí)間，劉冰等[14]以絮狀厭氧污泥為接種污泥，以生產(chǎn)淀粉和酒精的混合廢水為處理對象，采用低濃度進(jìn)水，逐漸增加有機(jī)和水力負(fù)荷的方法，歷時(shí)105天，實(shí)現(xiàn)了IC反應(yīng)器的啟動(dòng)。許英杰等[15]同樣以絮狀污泥接種IC反應(yīng)器處理酒糟廢水，運(yùn)行至180天時(shí)啟動(dòng)基本完成，此時(shí)進(jìn)水COD為20000～30000mg/L，COD去除率基本穩(wěn)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(dòng)IC反應(yīng)器一般需用3～6個(gè)月。

2.1.2 快速啟動(dòng)

鑒于IC反應(yīng)器啟動(dòng)時(shí)間較長，吳靜等[16]進(jìn)行了IC反應(yīng)器快速啟動(dòng)策略研究，發(fā)現(xiàn)采用“高容積負(fù)荷+較高的接種顆粒污泥濃度”啟動(dòng)策略優(yōu)勢明顯，即接種污泥中懸浮固體（SS）濃度為25.33 g/L、有機(jī)容積負(fù)荷為11kgCOD/(m3·d)的條件下啟動(dòng)中溫IC反應(yīng)器，可在第10天即可完成啟動(dòng)（有機(jī)負(fù)荷達(dá)到13kgCOD/(m3·d)，COD去除率為95%）。日本學(xué)者Tsuyoshi Imai等[17]研究發(fā)現(xiàn)在啟動(dòng)UASB反應(yīng)器時(shí)投加吸水性聚合物能加速啟動(dòng)，即此時(shí)吸水性聚合物起到了生物載體的作用。同時(shí)王冰等[18]研究發(fā)現(xiàn)在啟動(dòng)UASB反應(yīng)器時(shí)添加顆?；钚蕴恳材軠p少啟動(dòng)時(shí)間?？梢?，增加污泥濃度，可縮短IC反應(yīng)器的啟動(dòng)周期。

另外，陳晨等[19]研究發(fā)現(xiàn)利用低強(qiáng)度的超聲波照射啟動(dòng)前的顆粒污泥可將IC反應(yīng)器啟動(dòng)時(shí)間由10天縮短至7天，且基本不會(huì)對微生物細(xì)胞結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞作用，相反還可以促進(jìn)微生物的生長和代謝，啟動(dòng)結(jié)束時(shí)的VSS/SS值達(dá)到0.82，與種泥相比則有所升高，且其產(chǎn)甲烷活性也較高。

2.2 底物抑制

在良好啟動(dòng)的前提下，適宜的底物濃度是IC反應(yīng)器高效運(yùn)行的保障。氨氮作為厭氧反應(yīng)器內(nèi)微生物氮源之一，濃度適宜的情況下能提高體系pH值穩(wěn)定性，但是，底物中過高的氨氮濃度會(huì)使游離氨濃度偏高，過高濃度的游離氨不僅能直接抑制甲烷合成酶的活性，且作為疏水性分子其能通過被動(dòng)擴(kuò)散進(jìn)入細(xì)胞并轉(zhuǎn)變?yōu)殇@，銨的積累改變了細(xì)胞內(nèi)的pH值，從而對細(xì)胞產(chǎn)生了毒害作用，導(dǎo)致體系產(chǎn)甲烷活性受到抑制[20-21]。于芳芳等[22]對取自某IC反應(yīng)器的厭氧顆粒污泥進(jìn)行了不同氨氮濃度對其產(chǎn)甲烷活性影響的研究，發(fā)現(xiàn)在氨氮濃度為800mg/L以下時(shí)顆粒污泥表現(xiàn)出產(chǎn)甲烷活性增強(qiáng)，當(dāng)氨氮濃度高于1500mg/L時(shí)顆粒污泥活性產(chǎn)甲烷活性降低，并且該課題組還進(jìn)行了高濃度氨氮對IC厭氧反應(yīng)器運(yùn)行的抑制性研究[23]，發(fā)現(xiàn)當(dāng)IC厭氧反應(yīng)器進(jìn)水COD為9000mg/L、氨氮濃度超過3036mg/L時(shí)對反應(yīng)器的運(yùn)行有抑制作用，氨氮對IC反應(yīng)器的IC50（IC反應(yīng)器去除效率為50%時(shí)的氨氮濃度）為4500mg/L，并且氨氮對反應(yīng)器顆粒污泥的毒性是可恢復(fù)的，以葡萄糖為有機(jī)碳源，C∶N∶P為 200∶5∶1 進(jìn)水，7天后COD去除率恢復(fù)到93.10%，該點(diǎn)可作為工程上IC反應(yīng)器氨中毒恢復(fù)的參考。

值得注意的是，與同類型厭氧反應(yīng)器相比，IC反應(yīng)器體系表現(xiàn)出了較好的高氨氮濃度耐受能力。何仕均等[24]對取自某厭氧折流板反應(yīng)器（ABR）的顆粒污泥也進(jìn)行了不同氨氮濃度對其產(chǎn)甲烷活性影響的研究，當(dāng)氨氮濃度超過800mg/L，顆粒污泥產(chǎn)甲烷活性明顯被抑制。鄧超冰等[25]對取自某UASB反應(yīng)器的顆粒污泥進(jìn)行了相同的研究，也得到了類似的結(jié)論?？梢姡鼈兊陌钡褪軡舛染陀贗C反應(yīng)器。究其原因，可能與IC反應(yīng)器具有更長的泥齡有關(guān)，還可能與IC反應(yīng)器的水力特性有關(guān)（IC反應(yīng)器的內(nèi)循環(huán)結(jié)構(gòu)和較高的上升流速，使體系具有較強(qiáng)剪切力[26]，致使顆粒污泥粒徑明顯大于傳統(tǒng)UASB反應(yīng)器[4]，使其具有更好的氨氮耐受能力）。

2.3 IC反應(yīng)器的處理案例

IC反應(yīng)器的工程應(yīng)用可追溯至20世紀(jì)80年代，第一個(gè)中試IC反應(yīng)器及其后建造的100m3的IC反應(yīng)器在荷蘭建成投產(chǎn)，用于處理土豆加工廢水[4]，其進(jìn)水COD濃度達(dá)上萬mg/L，容積負(fù)荷可達(dá)35～50kgCOD/(m3·d)，而處理同類廢水的UASB的容積負(fù)荷僅為10～20kgCOD/(m3·d)[27]。近年來，IC反應(yīng)器已在我國廢水處理領(lǐng)域占有一席之地，見表1。

表1 IC反應(yīng)器工程案例

由表1可見，生產(chǎn)性的IC反應(yīng)器基本都被用于處理造紙、制藥和食品廢水等高濃度有機(jī)廢水，處理廢水最高COD達(dá)42500mg/L，并且容積負(fù)荷大多在10～30kgCOD/(m3·d)左右，去除效率大多數(shù)能達(dá)70%以上，最高可達(dá)91.5%，表現(xiàn)出極好的處理效能。同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)IC反應(yīng)器對溫度適應(yīng)范圍較廣，為15～40℃。另外，文獻(xiàn)[33]報(bào)道IC反應(yīng)器能很好應(yīng)對啤酒季節(jié)性生產(chǎn)排水，在間歇運(yùn)行下IC反應(yīng)器處理效果依舊穩(wěn)定，具有較好的抗沖擊負(fù)荷能力。

近年來，IC反應(yīng)器在畜禽類高氨氮廢水處理領(lǐng)域也展現(xiàn)出一定潛力。鄧良偉等[38]通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)IC反應(yīng)器在用于處理豬場廢水時(shí)表現(xiàn)優(yōu)于大部分豬場廢水處理工藝，容積負(fù)荷為7kgCOD/（m3·d）左右，COD去除率可達(dá)80.3%。劉曉[39]在EGSB反應(yīng)器內(nèi)也發(fā)現(xiàn)同步硝化反硝化反應(yīng)脫氮功能[微氧狀態(tài)下（DO=0.3～0.4mg/L)]，當(dāng)HRT=8h、進(jìn)水COD濃度平均為400mg/L、進(jìn)水氨氮濃度平均為38mg/L、總氮平均為46mg/L時(shí)，COD去除率為94%，氨氮去除率平均為83%，總氮去除率平均為81%，而IC反應(yīng)器與EGSB反應(yīng)器在水力流態(tài)上具有諸多相似之處（較高的上升流速），也極可能在微氧條件下具有較好的脫氮效能。前已述及IC反應(yīng)器體系表現(xiàn)出了較好的高氨氮濃度耐受能力，因此，IC反應(yīng)器在處理畜禽類高氨氮高有機(jī)濃度廢水處理同樣具有推廣價(jià)值。

3 IC反應(yīng)器的優(yōu)化

盡管IC反應(yīng)器已有成功案例，但鑒于其反應(yīng)器結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和水質(zhì)成分的多樣性，IC反應(yīng)器的可加工性和運(yùn)行的穩(wěn)定性難以獲得普遍認(rèn)可，其結(jié)構(gòu)和工藝仍有較大優(yōu)化空間。

3.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

布水器和三相分離器是IC反應(yīng)器的重要內(nèi)部構(gòu)件。全麗君[40]利用Fluent軟件，通過分別建立液相模型以及氣-液、液-固兩相模型對不同布水形式和不同三相分離器折板角度的UASB反應(yīng)器進(jìn)行數(shù)值模擬和流場分析，進(jìn)而達(dá)到優(yōu)化UASB反應(yīng)器結(jié)構(gòu)的目的。其優(yōu)化結(jié)果：①均勻進(jìn)水形式和梯形進(jìn)水形式對UASB反應(yīng)器內(nèi)部氣-液分離效果影響基本相同，但梯形進(jìn)水形式提高了UASB反應(yīng)區(qū)氣液混合均勻性；②三相分離器折板角度為45°～50°有利于UASB反應(yīng)器內(nèi)氣-液-固三相的分離。因此，針對IC反應(yīng)器的內(nèi)構(gòu)件優(yōu)化，也可借助CFD模擬（近年來CFD模擬發(fā)展迅速，在污水設(shè)備設(shè)計(jì)領(lǐng)域CFD也表現(xiàn)優(yōu)勢），有望取得較好成果。

內(nèi)循環(huán)結(jié)構(gòu)亦是IC反應(yīng)器的技術(shù)核心之一。工程上由于諸多條件限制，IC反應(yīng)器的高徑比往往在2～6（表1），并且處理一些極高濃度有機(jī)廢水（如垃圾滲濾液，COD>20000mg/L）時(shí)IC反應(yīng)器內(nèi)流量較小，導(dǎo)致IC反應(yīng)器內(nèi)的上升流速較低，加上產(chǎn)氣量較小，難于實(shí)現(xiàn)良好的內(nèi)部循環(huán)，極大地制約了反應(yīng)器處理潛能。若通過增設(shè)外部循環(huán)管路，依靠循環(huán)泵提供動(dòng)力，增加上升流速，促進(jìn)基質(zhì)循環(huán)，能增強(qiáng)傳質(zhì)，優(yōu)化菌群結(jié)構(gòu)[41]，且附加外循環(huán)還能有效稀釋進(jìn)水，增強(qiáng)耐沖擊負(fù)荷能力。因此，增設(shè)外循環(huán)管路可優(yōu)化IC反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)。阮文權(quán)[42]通過對IC反應(yīng)器附加外循環(huán)結(jié)構(gòu)，發(fā)明了一種沼氣提升式強(qiáng)化厭氧反應(yīng)器，并且在2008年12月起該反應(yīng)器已被利用于對無錫惠聯(lián)垃圾熱電廠垃圾滲濾液的處理，反應(yīng)器直徑為8m，高度為23.6m，有效容積800m3，進(jìn)水COD為40000mg/L，流量為300t/d，出水COD為5000mg/L左右，去除率高達(dá)85%，對垃圾滲濾液的處理達(dá)到了良好的效果。

3.2 工藝優(yōu)化

工程中所處理的高濃度有機(jī)廢水種類繁多，成分復(fù)雜，一般采用傳統(tǒng)的厭氧+好氧工藝處理廢水，要將廢水達(dá)標(biāo)排放，往往占地面積較廣。我國土地資源日益緊張，若將IC反應(yīng)器與新型工藝進(jìn)行組合，以減少占地面積為目標(biāo)進(jìn)行工藝優(yōu)化，具有一定現(xiàn)實(shí)意義。

將IC反應(yīng)器與膜生物反應(yīng)器（MBR）工藝進(jìn)行耦合，MBR膜能夠進(jìn)行極好的固液分離，去除絕大多數(shù)不溶性有機(jī)物，同時(shí)進(jìn)一步增強(qiáng)了系統(tǒng)的污泥持留能力，有利于增殖緩慢的細(xì)菌的截留、生長和繁殖，并且IC反應(yīng)器的高COD去除率能一定程度上控制膜污染[43]，兩者共同協(xié)作能夠同時(shí)高效地去除溶解性與不溶性有機(jī)物。Torres等[44]試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)即使厭氧膜生物反應(yīng)器（AnMBR）容積負(fù)荷率比UASB反應(yīng)器高50%，進(jìn)水SS濃度比UASB反應(yīng)器高一倍，AnMBR出水COD去除率可達(dá)99%，TSS去除率為100%，UASB反應(yīng)器COD去除率為92%，TSS去除率約70%。據(jù)此推斷，若將IC反應(yīng)器與MBR工藝耦合，既能減少工藝占地面積，又能提升對污染物的去除效果。

通過對IC反應(yīng)器外加場力可增強(qiáng)其容積效能，一定程度上降低了后續(xù)好氧工段的負(fù)荷。有研究表明，通過對生物反應(yīng)器附加適當(dāng)磁場能夠有效提高反應(yīng)器效率。劉建榮等[45]實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)向厭氧流化床中投加磁粉（鋇鐵氧體，表面磁感強(qiáng)度為5mT）形成穩(wěn)恒弱磁場，能微生物產(chǎn)生正的磁生物效應(yīng)有效提高生化反應(yīng)速率。Liu等[46]發(fā)現(xiàn)在厭氧氨氧化反應(yīng)器周圍附加磁場強(qiáng)度為16.8～95.0mT的靜磁場均能夠提高反應(yīng)器的去除效能，并且在磁場強(qiáng)度為75.0mT時(shí)反應(yīng)器去除效能提升最高，可達(dá)50%，另外還發(fā)現(xiàn)該磁場強(qiáng)度對厭氧氨氧化菌的生長活性也有一定的促進(jìn)作用。盡管目前對于磁場在厭氧生物反應(yīng)器影響的研究仍處于試驗(yàn)階段，但它在試驗(yàn)中表現(xiàn)出的積極效果使得其在IC反應(yīng)器的進(jìn)一步優(yōu)化方面不可忽視。

4 結(jié) 語

厭氧內(nèi)循環(huán)（IC）反應(yīng)器具有與第二代厭氧反應(yīng)器顯著不同的典型結(jié)構(gòu)，具有容積負(fù)荷高、占地面積小以及抗沖擊負(fù)荷強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。IC反應(yīng)器相當(dāng)于兩個(gè)UASB反應(yīng)器串聯(lián)，以生物產(chǎn)氣的提升力為動(dòng)力，依靠內(nèi)循環(huán)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)基質(zhì)和污泥的內(nèi)循環(huán)；升流速度和系統(tǒng)壓降作為IC反應(yīng)器兩個(gè)重要的水力特性，是反應(yīng)器操作優(yōu)化與設(shè)計(jì)優(yōu)化的重要參考依據(jù)。

IC反應(yīng)器的啟動(dòng)速度是其工程推廣的關(guān)鍵之一，其常規(guī)啟動(dòng)周期一般為3～6個(gè)月，增加污泥濃度可實(shí)現(xiàn)反應(yīng)器的快速啟動(dòng)。IC反應(yīng)器在國內(nèi)外的工程案例和相關(guān)試驗(yàn)研究反映出其不僅適合處理高濃度有機(jī)廢水，而且其顯示出一定氨氮濃度耐受性，在畜禽類高氨氮廢水處理領(lǐng)域有較大潛力。

對于IC反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)和工藝優(yōu)化，布水器、三相分離器和循環(huán)結(jié)構(gòu)是結(jié)構(gòu)優(yōu)化的主要部件；為進(jìn)一步節(jié)省占地和提高容積效能，可將IC反應(yīng)器與MBR工藝組合；將IC反應(yīng)器與外加場力（如磁場）耦合亦可能成為未來的發(fā)展趨勢。

符 號(hào) 說 明

Ad—— 回流管截面積，m2

Ai—— 對應(yīng)截面i-i的面積，m2

Ar—— 升流管截面積，m2

Di—— 對面截面i-i的直徑，m

dp—— 顆粒污泥直徑，mm

g—— 重力加速度，m2/s

H—— 床層高度，m

hD—— 氣體提升高度，m

hp—— 升流管出口液位與反應(yīng)器頂部自由液位的幾何高差，m

KB—— 升流管底部阻力系數(shù)，量綱為1

KT—— 升流管頂部阻力系數(shù)，量綱為1

p—— 氣液分離器內(nèi)沼氣壓力，mH2O

Q—— 廢水量，m3/h

Qlr—— 內(nèi)循環(huán)水量，m3/h

ui—— 對面截面i-i的液體流速，m/s

ul—— 表觀液速，m/s

umf—— 床層起始流化速度，m/s

ulr—— 升流管上升流速，m/s

α—— 局部阻力干擾修正系數(shù)，量綱為1

Δh—— 升流管與回流管液位高差，m

ΔPf—— 固定床層總壓降，Pa

ΔPfi-n—— 截面i-i至截面n-n的壓降，Pa

μ—— 流體動(dòng)力黏度，Pa·s

ρp—— 顆粒密度，g/cm3

ρl—— 流體密度，g/cm3

ε0—— 床層初始空隙率，量綱為1

εd—— 回流管持氣率，量綱為1

εr—— 升流管持氣率，量綱為1

ζi-i—— 截面i-i的局部阻力系數(shù)，量綱為1

ζi-n—— 截面i-i至截面n-n的局部阻力系數(shù)，量綱為1

[1] （美）Fan Liang-shih. 氣液固流態(tài)化工程[M]. 蔡平譯. 北京：中國石化出版社，1993：276.

[2] Lettinga G，F(xiàn)ield J A，Sierra-Alvarez R，et al. Future perspectives for the anaerobic treatment of forest industry wastewaters[J].WaterScience & Technology，1991，24（3-4）：91-102.

[3] Guo Wanqian，Ren Nanqi，Wang Xiangjing，et al. Comparative study of influence of inoculating sludge with different pre-treatments on start-up process in EGSB bio-hydrogen producing reactor[J].Journalof Chemical Industry and Engineering，2008，59（5）：1283-1287.

[4] Pereboom J H F，Vereijken T L F M. Methanogenic granule development in full scale internal circulation reactors[J].Water Science and Technology，1994，30（8）：9-21.

[5] Habets L H A，Engelaar A J H H，Groeneveld N. Anaerobic treatment of inuline effluent in an internal circulation reactor[J].Water Science and Technology，1997，35（10）：189-187.

[6] 胡紀(jì)萃. 內(nèi)循環(huán)（IC）厭氧反應(yīng)器設(shè)計(jì)計(jì)算方法的探討[J]. 中國沼氣，2011，29（1）：3-6.

[7] Driessen W，Yspeert P. Anaerobic treatment of low，medium and high strength effluent in the agro-industry[J].Water Science andTechnology，1999，40（8）：221-228.

[8] 胡紀(jì)萃. 試論內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器[J].中國沼氣，1999，17（2）：3-6.

[9] Van Lier B，Grolle K C F，Stams A J M，et al. Start-up of a thermophilic upflow anaerobic sludge bed（UASB） reactor with mesophilic granular sludge[J].Applied Microbiology andBiotechnology，1992，37：130-135.

[10] Wu J，Zhang J B，Jiang Y，et al. Impacts of hydrodynamic conditions on sludge digestion in internal circulation anaerobic digester[J].Process Biochemistry，2012，47（11）：1627-1632.

[11] 陳小光，鄭平，唐崇儉，等. 超高效厭氧生物反應(yīng)器能耗特征[J].化工學(xué)報(bào)，2009，60（12）：3097-3103.

[12] 吳持恭. 水力學(xué)（上冊）[M]. 第4版. 北京：高等教育出版社，2008：354.

[13] Lettinga G，F(xiàn)ield J，Van Lier J，et al. Advanced anaerobic wastewater treatment in the near future[J].Water Science and Technology，1997， 35（10）：5-12.

[14] 劉冰，趙雅光，余國忠，等. 內(nèi)循環(huán)厭氧反應(yīng)器的啟動(dòng)及影響因素[J]. 環(huán)境工程學(xué)報(bào)，2012，6（10）：3412-2416.

[15] 許英杰，馮貴穎，買文寧. 生產(chǎn)性IC反應(yīng)器厭氧顆粒污泥的生物學(xué)特征[J]. 環(huán)境污染治理技術(shù)與設(shè)備，2005，6（4）：84-85.

[16] 吳靜，黃建東，陸正禹，等. 內(nèi)循環(huán)厭氧反應(yīng)器的快速啟動(dòng)策略[J].清華大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2010，50（3）：400-402，406.

[17] Imai Tsuyoshi，Ukita Masao，Liu Jun，et al. Advanced start up of UASB reactors by adding of water absorbing polymer[J].Water Science and Technology，1997，36（6-7）：399-406.

[18] 王冰，韓洪軍，劉碩，等. 顆?；钚蕴考铀賲捬醴磻?yīng)器污泥顆?；难芯縖J]. 中國給水排水，2011，27（11）：72-74.

[19] 陳晨，馬邕文，黃金泉，等. 低強(qiáng)度超聲波加速IC厭氧反應(yīng)器啟動(dòng)的研究[J]. 中國給水排水，2011，27（3）：33-36.

[20] Chen Y，Cheng J J，Creamer K S. Inhibition of anaerobic digestion process：A review[J].Bioresource Technology，2008，99（10）：4044-4064.

[21] 張波，徐劍波，蔡偉民. 有機(jī)廢物厭氧消化過程中氨氮的抑制性影響[J]. 中國沼氣，2003，21（3）：26-28.

[22] 于芳芳，伍健東. 氨氮對厭氧顆粒污泥產(chǎn)甲烷菌的毒性研究[J]. 化學(xué)與生物工程，2008，25（4）：75-78.

[23] 于芳芳，伍健東，周興求，等. 高濃度氨氮對 IC 厭氧反應(yīng)器運(yùn)行的抑制性研究[J]. 環(huán)境工程學(xué)報(bào)， 2008，2（4）：498-501.

[24] 何仕均，王建龍，趙璇. 氨氮對厭氧顆粒污泥產(chǎn)甲烷活性的影響[J].清華大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2005， 45（9）：1294-1296.

[25] 鄧超冰，楊劍，冼萍. 規(guī)?；i場原水氨氮對厭氧微生物活性的影響[J]. 環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2010（7）：10-15.

[26] 邢波，章燕，王志榮，等. 水力剪切條件對IC工藝處理豬場廢水的影響[J]. 中國沼氣，2012，30（5）：19-25.

[27] Chen X G，Zheng P，Qaisar M，et al. Dynamic behavior and concentration distribution of granular sludge in a super-high-rate spiral anaerobic bioreactor[J].Bioresource Technology，2012，111： 134-140.

[28] 劉愛軍，蔣成東，邵根波，等. 氣浮-水解酸化-IC-曝氣-混合反應(yīng)-砂濾工藝處理造紙制漿廢水[J]. 給水排水，2010，36（5）：62-64.

[29] 崔俊峰，唐啟，王俊，等. 一種廢箱紙板生產(chǎn)紙板的廢水處理工藝[J]. 紙和造紙，2013，32（1）：62-64.

[30] 謝付兵，買文寧，梁允. 混凝氣浮IC接觸氧化工藝處理纖維板廢水[J]. 給水排水，2008，34（9）：70-72.

[31] 梁家偉，買文寧，李偉民，等. 水解酸化/IC/曝氣池工藝處理維生素生產(chǎn)廢水[J]. 中國給水排水，2011，27（8）：80-82.

[32] 夏怡. IC反應(yīng)器在抗生素廢水處理中的調(diào)試運(yùn)行研究[J]. 中國給水排水，2011，27（11）：88-90.

[33] 盧姿. IC反應(yīng)器在啤酒廢水處理中的應(yīng)用[J]. 水處理技術(shù)，2013，39（7）：124-127.

[34] Li Jie，Chen Shijun，Wang Jianhua，et al. Treatment of brewery wastewater by the method of internal circulation anaerobic reactor（IC）[C]//Proceedings of the 2nd International Conference on Asian-European Environmental Technology and Knowledge Transfer，Anhui，2008.

[35] 李平，徐文英. 厭氧（IC反應(yīng)器）/好氧聯(lián)用處理淀粉生產(chǎn)廢水[J].中國給水排水，2009，25（2）：52-54.

[36] 王白楊，嫦娥，歐陽二明，等. IC+A/O+BIOFOR處理高濃度有機(jī)廢水工程實(shí)例[J]. 環(huán)境工程，2011，29（6）：36-38.

[37] 趙希錦. IC+ SBR 組合工藝在酒精廢水中的應(yīng)用研究[D]. 成都：西南交通大學(xué)，2006.

[38] 鄧良偉，陳鉻銘. IC 工藝處理豬場廢水試驗(yàn)研究[J]. 中國沼氣，2001，19（2）：12-15.

[39] 劉曉. 微氧狀態(tài)下 EGSB 反應(yīng)器除污染性能研究[D]. 哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2010.

[40] 全麗君. CFD對UASB 反應(yīng)器內(nèi)流態(tài)的模擬研究[D]. 長沙：湖南大學(xué)，2012.

[41] 張燚，陳瀅，劉敏，等. 外循環(huán)對 IC 反應(yīng)器運(yùn)行效果的影響[J]. 化工學(xué)報(bào)，2014，65（6）：2329-2334.

[42] 阮文權(quán). 一種沼氣提升式強(qiáng)化厭氧反應(yīng)器及其應(yīng)用：中國，ZL200910032414.1[P]. 2009-12-09.

[43] Lin H，Peng W，Zhang M，et al. A review on anaerobic membrane bioreactors：Applications，membrane fouling and future perspectives[J].Desalination，2013，314：169-188.

[44] Torres A，Hemmelmann A，Vergara C，et al. Application of two-phase slug-flow regime to control flux reduction on anaerobic membrane bioreactors treating wastewaters with high suspended solids concentration[J].Separation and Purification Technology，2011，79（1）：20-25.

[45] 劉建榮，吳國慶，牛志卿，等. 磁態(tài)厭氧流化床處理印染廢水[J]. 中國環(huán)境科學(xué)，1996，16（1）：64-67.

[46] Liu Sitong，Yang Fenglin，Meng Fangang，et al. Enhanced anammox consortium activity for nitrogen removal：Impacts of static magnetic field[J].Journal of Biotechnology，2008，138：96-102.

Configuration，applications and optimization of internal circulation anaerobic bioreactor

DAI Ruobin1，CHEN Xiaoguang1，JI Guangkai2，AWAD Abdelgad1，XIANG Xinyi1，TANG Mengyan1，ZENG Xiangliu1
（1College of Environmental Science and Engineering，State Environmental Protection Engineering Center for Pollution Treatment and Control in Textile Industry，Donghua University，Shanghai 201620，China；2Office of Teaching Affairs，Donghua University，Shanghai 201620，China）

As one of the third-generation of anaerobic bioreactors，anaerobic internal circulation （IC）bioreactor has as advantages in high volume efficiency，energy saving，small floor area and high height/diameter ratio. It has become an important technology in high concentration organic wastewater treatment in recent years. This paper introduced the configuration principle and hydraulic characteristics of IC reactor. The configuration of IC reactor is equivalent to two of up flow anaerobic sludge blanket（UASB） series，with internal circulation. The hydraulic characteristics include two important parameters as up-flow velocity and system pressure drop. The start-up，substrates inhibition characteristic，and applications of IC reactor was overviewed. The prospect of IC reactor to treat livestock wastewater with high ammonia nitrogen was analyzed. The optimization orientation of IC reactor’s configuration and process was also discussed.

anaerobic internal circulation reactor；configuration principle；hydraulic characteristics；engineering applications；optimization

X 703

A

1000-6613（2014）09-2244-08

10.3969/j.issn.1000-6613.2014.09.003

2014-02-18；修改稿日期：2014-04-02。

國家青年科學(xué)基金（51208087）、上海自然科學(xué)基金（12ZR1400800）、教育部博士點(diǎn)基金（20120075120001）及中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金（2232012D3- 08）項(xiàng)目。

戴若彬（1993—），男，研究方向?yàn)閺U水生物處理過程及設(shè)備。E-mail dairuobin@163.com。聯(lián)系人：陳小光，博士，副教授，主要從事廢水生物處理工藝及設(shè)備的研究。E-mail cxg@dhu.edu.cn。