厭氧內迴圈反應器的結構應用與最佳化研究論文
厭氧內迴圈反應器的結構應用與最佳化研究論文
廢水處理厭氧生物流化床反應器是一種集廢水處理技術、流態化技術與微生物技術於一體的高效厭氧生物處理裝置[1]。近年來厭氧反應器技術發展迅速，自從 1974 年 Lettinga 等[2]發明了升流式厭氧汙泥床(UASB)為代表的第二代厭氧反應器以來，厭氧反應器開始廣泛運用於實際廢水處理。之後湧現了以厭氧顆粒汙泥膨脹床(EGSB)[3]和厭氧內迴圈反應器(IC)[4]為代表的第三代厭氧反應器，尤其是 IC 反應器將兩個 UASB 反應器串聯並設定了內迴圈系統，極大地改善了汙泥持留能力，具有容積負荷高、水力停留時間(HRT)短、高徑比大、佔地面積小、耐衝擊負荷能力強等特點，備受行業關注[5]。
儘管IC反應器早在20世紀80年代就已研發成功，1986 年荷蘭帕克公司就將其投入生產，但直至今日，其核心技術仍未公開，保密極好(1994 年才首次見到相關報道)[4]。近年來，國內外學者對其進行了相關研究。截至 2013 年 12 月，Sciencedirect英文檢索文獻只有寥寥 10 餘篇，可見 IC 反應器的技術保密性極好。然而，國內對其的研究狀況卻大相徑庭，自 1995 年上海富仕達釀酒公司從荷蘭帕克公司引進我國第一套 IC 反應器技術以來[6]，國內逐漸出現了自主生產 IC 反應器的廠商，有關 IC 反應器的研究和應用也越來越多，截至 2013 年 12 月，有關 IC 反應器的 CSCD 中文文獻檢索約 300 餘篇。鑑於此，本文對 IC 反應器的結構、應用和最佳化作一綜述。
1 IC 反應器的結構特性
1.1 IC 反應器的結構原理
IC 反應器由第二代 UASB 厭氧反應器發展而來，可視為兩個 UASB 反應器串聯而成[7]。
IC 反應器的特點之一是具有很大的高徑比，一般可達 4～8[8]，而傳統的 UASB 反應器的高徑比一般為 2～3[9]。IC 反應器的基本框架(圖 1)為兩個厭氧反應區，它的核心是由三相分離器、布水器、提升管、氣液分離室及迴流管所構成的內迴圈系統。廢水從進水口進入經布水器均勻布水流至第一厭氧反應區，IC 反應器較大的高徑比使其具有較大的上升流速，使顆粒汙泥床處於流化狀態，此時固-液接觸充分，大部分汙水中的有機物在此被厭氧消化產生沼氣，少部分有機物進入第二厭氧反應區繼續厭氧消化併產生沼氣。兩個厭氧反應區中所產生的沼氣分別被第一、第二三相分離器和收集，沼氣產生的升力可帶動氣液混合物進入提升管，到達氣液分離室後由於密度差產生氣液分離，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迴流管迴流至第一厭氧反應區，經布水器導流與進水混合繼續上升實現內迴圈。
1.2 IC 反應器的水力特性
IC 反應器內的水力特性與傳統的 UASB 反應器截然不同。水力特性是影響基質濃度、產物濃度、反應溫度和物料停留時間的均一性的重要因素，它們是基質反應速率快慢的主要致因，較好的水力條件可有效提升反應器的抗負荷衝擊能力[10]。升流速度和系統壓降作為 IC 反應器兩個重要的水力特性，是反應器操作最佳化與設計最佳化的重要參考依據。
1.2.1 升流速度
本文所提出的升流速度特指 IC 反應器的提升管內混合液的上升速度。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區產沼氣速率約為第一厭氧反應區的 1/4，且該區汙泥量較少，使得該區的流態趨於穩定，再結合第二三相分離器的作用，可以有效防止汙泥的流失，可見內迴圈的流速(升流速度)很大程度上控制著整個 IC 反應器執行的穩定性。另外，迴流管內流速也與升流速度關係密切，較高的迴流流速可增大第一厭氧反應區內混合液的湍流程度，進而一定程度上增強了反應器的固-液傳質效果，提升反應器容積負荷。可見，升流速度是 IC 反應器設計的重要引數之一。因此，Pereboom 等[4]提出了 IC 反應器提升管液體升流速度 ulr的表示式[見式(1)，相關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再作介紹，下同]。中影響式(2)準確計算的一個重要因素是提升管底部阻力系數 KB的值，引數 KB一般透過生產性試驗確定。胡紀萃[6]對進水為易生物降解的有機廢水化學需氧量(COD)為 6000mg/L、廢水量 Q為 540m3/d、水溫 35℃的 IC 反應器進行了設計：進水設計容積負荷為 20kgCOD/(m3·d)，COD 去除率為 85%，沼氣產率為 0.5m3/(kgCOD)，反應器有效高度 20.0m，直徑 3.2m，升流管迴流管管徑均為150mm，並且經試算得到 εr=0.385，εd=0.01925，求得升流管提升速度 ulr=1.148m/s ，內迴圈流量Qlr=73m3/h。
1.2.2 系統壓降
系統壓降直接影響 IC 反應器的執行能耗。在IC 反應器中內迴圈系統的能量消耗等於沼氣氣泡絕熱膨脹產生的能量[8]，即內迴圈進行所需能量完全由沼氣氣泡提供，因此內迴圈系統的阻力損失可不計算在系統壓降中。由於相比於區域性壓降，以 D1為直徑的管壁面沿程阻力所產生的壓降極小，可以忽略不計，因此係統壓降=床層壓降+區域性壓降。由於進水速度的不同床層狀態可分為固定床與流化床，其壓降也不同。
(1)固定床
固定床狀態下產氣率較低，且大部分沼氣都被提升管收集，反應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。為計系統壓降，可將 IC 反應器物理模型概化(含主要尺寸)。是一種布水器的物理概化模型，採用兩側切向進水，兩側均有 6 根支管，每3 根支管出水端圍成一個小環形，與底部的錐體配合可實現均勻布水。
2 IC 反應器的工程應用
2.1 IC 反應器的啟動
前已述及 IC 反應器具有容積負荷高、水力停留時間短、高徑比大、佔地面積小、出水水質較穩定、耐衝擊負荷能力強等優點，但是其啟動速度較慢，這也是厭氧反應器存在的普遍問題[13]，已成為制約其推廣應用的影響因素之一。
2.1.1 常規啟動
為研究利用絮體汙泥正常啟動反應器所需時間，劉冰等[14]以絮狀厭氧汙泥為接種汙泥，以生產澱粉和酒精的混合廢水為處理物件，採用低濃度進水，逐漸增加有機和水力負荷的方法，歷時 105 天，實現了 IC 反應器的啟動。許英傑等[15]同樣以絮狀汙泥接種 IC 反應器處理酒糟廢水，執行至 180 天時啟 動 基本 完 成 ，此時 進 水 COD 為 20000 ～30000mg/L，COD 去除率基本穩定在 95%以上，出水 COD 不超過 1000mg/L。可見，一般來說，若使用絮體汙泥啟動 IC 反應器一般需用 3～6 個月。
2.1.2 快速啟動
鑑於 IC 反應器啟動時間較長，吳靜等[16]進行了 IC 反應器快速啟動策略研究，發現採用“高容積負荷+較高的接種顆粒汙泥濃度”啟動策略優勢明顯，即接種汙泥中懸浮固體(SS)濃度為 25.33 g/L、有機容積負荷為11kgCOD/(m3·d)的條件下啟動中溫IC 反應器，可在第 10 天即可完成啟動(有機負荷達到 13kgCOD/(m3·d)，COD 去除率為 95%)。日本學者Tsuyoshi Imai等[17]研究發現在啟動UASB反應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]研究發現在啟動UASB反應器時新增顆粒活性炭也能減少啟動時間。可見，增加汙泥濃度，可縮短 IC 反應器的啟動週期。 另外，陳晨等[19]研究發現利用低強度的超聲波照射啟動前的顆粒汙泥可將 IC 反應器啟動時間由10 天縮短至 7 天，且基本不會對微生物細胞結構產生破壞作用，相反還可以促進微生物的生長和代謝，啟動結束時的 VSS/SS 值達到 0.82，與種泥相比則有所升高，且其產甲烷活性也較高。
2.2 底物抑制
在良好啟動的前提下，適宜的底物濃度是 IC反應器高效執行的保障。氨氮作為厭氧反應器內微生物氮源之一，濃度適宜的情況下能提高體系 pH值穩定性，但是，底物中過高的氨氮濃度會使遊離氨濃度偏高，過高濃度的遊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透過被動擴散進入細胞並轉變為銨，銨的積累改變了細胞內的 pH 值，從而對細胞產生了毒害作用，導致體系產甲烷活性受到抑制[20-21]。於芳芳等[22]對取自某 IC反應器的厭氧顆粒汙泥進行了不同氨氮濃度對其產甲烷活性影響的研究，發現在氨氮濃度為 800mg/L以下時顆粒汙泥表現出產甲烷活性增強，當氨氮濃度高於1500mg/L時顆粒汙泥活性產甲烷活性降低，並且該課題組還進行了高濃度氨氮對 IC 厭氧反應器執行的抑制性研究[23]，發現當 IC 厭氧反應器進水 COD 為 9000mg/L、氨氮濃度超過 3036mg/L 時對反應器的執行有抑制作用，氨氮對 IC 反應器的IC50(IC 反應器去除效率為 50%時的氨氮濃度)為4500mg/L，並且氨氮對反應器顆粒汙泥的毒性是可恢復的，以葡萄糖為有機碳源，C∶N∶P 為 200∶5∶1 進水，7 天后 COD 去除率恢復到 93.10%，該點可作為工程上 IC 反應器氨中毒恢復的參考。 值得注意的是，與同類型厭氧反應器相比，IC反應器體系表現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器(ABR)的顆粒汙泥也進行了不同氨氮濃度對其產甲烷活性影響的研究，當氨氮濃度超過 800mg/L，顆粒汙泥產甲烷活性明顯被抑制。鄧超冰等[25]對取自某UASB 反應器的顆粒汙泥進行了相同的研究，也得到了類似的結論。可見，它們的氨氮耐受濃度均低於 IC 反應器。究其原因，可能與 IC 反應器具有更長的泥齡有關，還可能與 IC 反應器的水力特性有關(IC 反應器的'內迴圈結構和較高的上升流速，使體系具有較強剪下力[26]，致使顆粒汙泥粒徑明顯大於傳統 UASB 反應器[4]，使其具有更好的氨氮耐受能力)。
3 IC 反應器的最佳化
儘管 IC 反應器已有成功案例，但鑑於其反應器結構的複雜性和水質成分的多樣性，IC 反應器的可加工性和執行的穩定性難以獲得普遍認可，其結構和工藝仍有較大最佳化空間。
3.1 結構最佳化
布水器和三相分離器是 IC 反應器的重要內部構件。全麗君[40]利用 Fluent 軟體，透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反應器進行數值模擬和流場分析，進而達到最佳化 UASB 反應器結構的目的。其最佳化結果：①均勻進水形式和梯形進水形式對 UASB 反應器內部氣-液分離效果影響基本相同，但梯形進水形式提高了 UASB 反應區氣液混合均勻性;②三相分離器折板角度為 45°～50°有利於 UASB 反應器內氣-液-固三相的分離。因此，針對 IC 反應器的內構件最佳化，也可藉助 CFD 模擬(近年來 CFD 模擬發展迅速，在汙水裝置設計領域CFD 也表現優勢)，有望取得較好成果。 內迴圈結構亦是 IC 反應器的技術核心之一。工程上由於諸多條件限制，IC 反應器的高徑比往往在2～6，並且處理一些極高濃度有機廢水(如垃圾滲濾液，COD>20000mg/L)時 IC 反應器內流量較小，導致 IC 反應器內的上升流速較低，加上產氣量較小，難於實現良好的內部迴圈，極大地制約了反應器處理潛能。若透過增設外部迴圈管路，依靠迴圈泵提供動力，增加上升流速，促進基質迴圈，能增強傳質，最佳化菌群結構[41]，且附加外迴圈還能有效稀釋進水，增強耐衝擊負荷能力。因此，增設外迴圈管路可最佳化 IC 反應器的結構。阮文權[42]透過對 IC 反應器附加外迴圈結構，發明了一種沼氣提升式強化厭氧反應器，並且在 2008 年 12 月起該反應器已被利用於對無錫惠聯垃圾熱電廠垃圾滲濾液的處理，反應器直徑為 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 85%，對垃圾滲濾液的處理達到了良好的效果。
4 結 語
厭氧內迴圈(IC)反應器具有與第二代厭氧反應器顯著不同的典型結構，具有容積負荷高、佔地面積小以及抗衝擊負荷強等優點。IC 反應器相當於兩個 UASB 反應器串聯，以生物產氣的提升力為動力，依靠內迴圈結構實現基質和汙泥的內迴圈;升流速度和系統壓降作為 IC 反應器兩個重要的水力特性，是反應器操作最佳化與設計最佳化的重要參考 依據。
IC 反應器的啟動速度是其工程推廣的關鍵之一，其常規啟動週期一般為 3～6 個月，增加汙泥濃度可實現反應器的快速啟動。IC 反應器在國內外的工程案例和相關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域有較大潛力。 對於 IC 反應器的結構和工藝最佳化，布水器、三相分離器和迴圈結構是結構最佳化的主要部件;為進一步節省佔地和提高容積效能，可將 IC 反應器與MBR 工藝組合;將 IC 反應器與外加場力(如磁場)耦合亦可能成為未來的發展趨勢。