厭氧內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)應(yīng)用與優(yōu)化研究論文
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)器開始廣泛運用于實際廢水處理。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 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、水力停留時間(HRT)短、高徑比大、占地面積小、耐沖擊負(fù)荷能力強等特點，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)報道)[4]。近年來，國內(nèi)外學(xué)者對其進行了相關(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 UASB 反應(yīng)器串聯(lián)而成[7]。
IC 反應(yīng)器的特點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)。廢水從進水口進入經(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)，此時固-液接觸充分，大部分污水中的有機物在此被厭氧消化產(chǎn)生沼氣，少部分有機物進入第二厭氧反應(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)生的升力可帶動氣液混合物進入提升管，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)流與進水混合繼續(xù)上升實現(xiàn)內(nèi)循環(huán)。
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)器兩個重要的水力特性，是反應(yīng)器操作優(yōu)化與設(shè)計優(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 IC 反應(yīng)器運行的穩(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，進而一定程度上增強了反應(yīng)器的固-液傳質(zhì)效果，提升反應(yīng)器容積負(fù)荷�？梢�，升流速度是 IC 反應(yīng)器設(shè)計的重要參數(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)物理符號意義已在符號說明中給出，除特殊情況均不在正文內(nèi)再作介紹，下同]。中影響式(2)準(zhǔn)確計算的一個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)性試驗確定。胡紀(jì)萃[6]對進水為易生物降解的有機廢水化學(xué)需氧量(COD)為 6000mg/L、廢水量 Q為 540m3/d、水溫 35℃的 IC 反應(yīng)器進行了設(shè)計：進水設(shè)計容積負(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，因此系統(tǒng)壓降=床層壓降+局部壓降。由于進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。為計系統(tǒng)壓降，可將 IC 反應(yīng)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(cè)切向進水，兩側(cè)均有 6 根支管，每3 根支管出水端圍成一個小環(huán)形，與底部的錐體配合可實現(xiàn)均勻布水。
2 IC 反應(yīng)器的工程應(yīng)用
2.1 IC 反應(yīng)器的啟動
前已述及 IC 反應(yīng)器具有容積負(fù)荷高、水力停留時間短、高徑比大、占地面積小、出水水質(zhì)較穩(wěn)定、耐沖擊負(fù)荷能力強等優(yōu)點，但是其啟動速度較慢，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
為研究利用絮體污泥正常啟動反應(yīng)器所需時間，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，采用低濃度進水，逐漸增加有機和水力負(fù)荷的方法，歷時 105 天，實現(xiàn)了 IC 反應(yīng)器的啟動。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(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 IC 反應(yīng)器一般需用 3～6 個月。
2.1.2 快速啟動
鑒于 IC 反應(yīng)器啟動時間較長，吳靜等[16]進行了 IC 反應(yīng)器快速啟動策略研究，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、有機容積負(fù)荷為11kgCOD/(m3·d)的條件下啟動中溫IC 反應(yīng)器，可在第 10 天即可完成啟動(有機負(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UASB反應(yīng)器時投加吸水性聚合物能加速啟動，即此時吸水性聚合物起到了生物載體的作用。同時王冰等[18]研究發(fā)現(xiàn)在啟動UASB反應(yīng)器時添加顆粒活性炭也能減少啟動時間�？梢�，增加污泥濃度，可縮短 IC 反應(yīng)器的啟動周期。 另外，陳晨等[19]研究發(fā)現(xiàn)利用低強度的超聲波照射啟動前的顆粒污泥可將 IC 反應(yīng)器啟動時間由10 天縮短至 7 天，且基本不會對微生物細(xì)胞結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞作用，相反還可以促進微生物的生長和代謝，啟動結(jié)束時的 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
在良好啟動的前提下，適宜的底物濃度是 IC反應(yīng)器高效運行的保障。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擴散進入細(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以下時顆粒污泥表現(xiàn)出產(chǎn)甲烷活性增強，當(dāng)氨氮濃度高于1500mg/L時顆粒污泥活性產(chǎn)甲烷活性降低，并且該課題組還進行了高濃度氨氮對 IC 厭氧反應(yīng)器運行的抑制性研究[23]，發(fā)現(xiàn)當(dāng) IC 厭氧反應(yīng)器進水 COD 為 9000mg/L、氨氮濃度超過 3036mg/L 時對反應(yīng)器的運行有抑制作用，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，以葡萄糖為有機碳源，C∶N∶P 為 200∶5∶1 進水，7 天后 COD 去除率恢復(fù)到 93.10%，該點可作為工程上 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)器的顆粒污泥進行了相同的研究，也得到了類似的結(jié)論。可見，它們的氨氮耐受濃度均低于 IC 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)。
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)器進行數(shù)值模擬和流場分析，進而達(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均勻進水形式和梯形進水形式對 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，并且處理一些極高濃度有機廢水(如垃圾滲濾液，COD>20000mg/L)時 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)泵提供動力，增加上升流速，促進基質(zhì)循環(huán)，能增強傳質(zhì)，優(yōu)化菌群結(jié)構(gòu)[41]，且附加外循環(huán)還能有效稀釋進水，增強耐沖擊負(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。
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)荷強等優(yōu)點。IC 反應(yīng)器相當(dāng)于兩個 UASB 反應(yīng)器串聯(lián)，以生物產(chǎn)氣的提升力為動力，依靠內(nèi)循環(huán)結(jié)構(gòu)實現(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)器兩個重要的水力特性，是反應(yīng)器操作優(yōu)化與設(shè)計優(yōu)化的重要參考 依據(jù)。
IC 反應(yīng)器的啟動速度是其工程推廣的關(guān)鍵之一，其常規(guī)啟動周期一般為 3～6 個月，增加污泥濃度可實現(xiàn)反應(yīng)器的快速啟動。IC 反應(yīng)器在國內(nèi)外的工程案例和相關(guān)試驗研究反映出其不僅適合處理高濃度有機廢水，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。
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