IC 厌氧反应器的应用和技术特点
厌氧生物处理是废水生物处理技术中的一种重要方法。要提高厌氧生物处理的效果,除了要提供给微生物一个良好的生长环境外,保持反应器内的高污泥浓度,维持良好的传质效果也是关键要素。以厌氧接触工艺为代表的第一代厌氧反应器,污泥停留时间（SRT）和水力停留时间（HRT）大体相同,反应器内污泥浓度较低。如果想达到较好的处理效果,废水在反应器内通常要停留几天到几十天之久。而以UASB工艺为代表的第二代厌氧反应器,依靠颗粒污泥的形成和三相分离器的作用,使得污泥在反应器中滞留,实现了SRT>HRT,从而提高了反应器内污泥浓度,但是反应器的传质过程并不理想。要改善传质效果,最有效的方法就是提高表面水力负荷和表面产气负荷。然而高负荷产生的剧烈搅动又会使反应器内污泥处于完全膨胀状态,使原本SRT>HRT向SRT=HRT方向转变,污泥过量流失,处理效果变差。
近十几年来,已建造了许多处理工业废水的 UASB 反应器生产装置。有关专家透露,为了防止升流速度太大使悬浮固体大量流失,UASB反应器在处理中低浓度（1.5～2.0 kgCOD/（m3•d））废水时,反应器的进水容积负荷率一般限制在5～8kgCOD/（m3•d）,在此负荷率下,最小 HRT 为 4 ～5h;在处理COD浓度为5～9g/L的高浓度有机废水时,反应器的进水容积负荷率一般被限制在10～20kgCOD/（m3•d）,以免由于产气负荷率太高而增加紊流造成悬浮固体的流失。
为了克服这些条件的限制,荷兰开发了一种内循环（internal circulation,IC）反应器,IC反应器在处理中低浓度废水时,反应器的进水容积负荷率可提高至20～24kgCOD /（m3•d）;处理高浓度有机废水时,进水容积负荷率可提高到35～50kg/（m3•d）。与 UASB 反应器相比,在获得相同处理效率的条件下,IC 反应器具有更高的进水容积负荷率和污泥负荷率,IC 反应器的平均升流速度可达处理同类废水 UASB 反应器的20倍左右。在处理低浓度废水时,HRT可缩短至2.0～2.5h,使反应器的容积更加小型化。因此更加具有优势。某设在中国的国际环保公司,已经将IC反应器应用于啤酒、发酵、造纸、食品、饮料及化工等行业。并且取得了不错的效果。
一、为此,记者采访了清华大学环境系从事IC反应器研究多年的吴静博士。 她认为IC反应器的优点体现在以下方面。
（1）具有很高的容积负荷率。由于IC反应器存在着内循环,第一反应室有很高的升流速度,传质效果很好,污泥活性很高,因而其有机容积负荷率比普通UASB反应器高许多,一般高出3倍以上。处理高浓度有机废水,如土豆加工废水,当COD为10000～15000mg/L时,进水容积负荷率可达30～40kgCOD/（m3•d）。处理低浓度有机废水,如啤酒废水,当 COD为2000～3000mg/L时,进水容积负荷率可达20～50kgCOD /（m3•d）,HRT仅2～3h,COD去除率可达80%左右。
（2）节省基建投资和占地面积。由于 IC 反应器的容积负荷率大大高于 UASB 反应器,IC反应器的有效体积仅为UASB反应器的1/4～1/3,所以可显著降低反应器的基建投资。由于IC反应器不仅体积小,而且有很大的高径比,所以占地面积特别省,非常适用于占地面积紧张的厂矿企业。小型的 IC 反应器可以工厂预制,大型的可在现场制作,施工工期短,安装简便,且IC反应器的土方量很小,可节省施工费用。
（3）靠沼气提升实现内循环。不必外加动力厌氧流化床和膨胀颗粒污泥床的流化是通过出水回流由泵加压实现强制循环的,因此必须消耗一部分动力。而 IC 反应器是以自身产生的沼气通过绝热膨胀做功为动力实现混合液的内循环的,不必另设泵进行强制内循环,从而可节省能耗。
（4）抗冲击负荷能力强由于IC反应器实现了内循环,处理低浓度水（如啤酒废水）时,循环流量可达进水流量的 2 ～ 3 倍;处理高浓度水（如土豆加工废水）时,循环流量可达进水流量的10～20倍。因为循环流量与进水在第一反应室充分混合,使原废水中的有害物质得到充分稀释,降低了有害程度,并可防止局部酸化发生,从而提高了反应器的耐冲击负荷的能力。
（5）具有缓冲 pH 能力。内循环流量相当于第一级厌氧的出水回流量,可利用 COD 转化的碱度,对 pH 起缓冲作用,使反应器内的 pH 保持稳定。处理缺乏碱度的废水时,可减少进水的投碱量。
（6）出水的稳定性好于IC 反应器的第一、二反应室,相当于上下两个 UASB 反应器,它们串联运行,第一反应室有很高的有机容积负荷率,相当于起“粗”处理作用,第二反应室则具有较低的有机容积负荷率,相当于起“精”处理作用。整个 IC 反应器实际上是两级厌氧处理。一般情况下,两级厌氧处理比单级厌氧处理的稳定性好,出水也较稳定。
二、吴博士说,虽然IC使得COD容积负荷大幅度提高,具备很高的处理容量也起到一些很好的效果。但是,这种同时也带来了不少新的问题。有学者认为IC主要存在的问题有下面几个方面。
（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。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。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。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,增加了工程造价。
最后,谈到市场前景时,吴静博士表示,尽管IC反应器在国内的应用仍不是很成熟,但是已经基本走过了市场培育期,从去年开始,已经有客户开始主动提出对IC反应器的需求。IC反应器国内技术拥有者实力良莠不齐,清华大学环境系经过多年的试验,积累了很多技术经验,并且申请了很多相关技术专利。尽管从目前市场份额来看,IC反应器明显落后于UASB的应用,但是吴博士认为未来前者将会超过后者的应用。
厌氧颗粒污泥分为淀粉、淀粉糖、柠檬酸、酒精、造纸等行业高浓度污水处理系统中的高负荷厌氧反应器（EGSB、IC）生产出的新鲜颗粒污泥。
厌氧反应器的容积负荷、上升流速和去除率均分别高于
20kgCOD/m3d
、
5m/h
和
90%
。
厌氧颗粒污泥体型规则呈球形，
VSS/TSS≥0.7
，沉降速度
50-150m/h
，粒径
0.5-2mm
，颗粒
度大于
90%
，最大比产甲烷速率
≥400mlCH4/gVSSd
。作为接种污泥可用于淀粉、淀粉糖、
柠檬酸、酒精、啤酒、造纸、蛋白、食品、味精等行业的污水处理系统中高负荷厌氧反应器
（
IC
、
EGSB
、
UASB
等）的启动运行。
厌氧反应器的容积负荷、上升流速和去除率均分别高于
20kgCOD/m3d
、
5m/h
和
90%
。
厌氧颗粒污泥体型规则呈球形，
VSS/TSS≥0.7
，沉降速度
50-150m/h
，粒径
0.5-2mm
，颗粒
度大于
90%
，最大比产甲烷速率
≥400mlCH4/gVSSd
。作为接种污泥可用于淀粉、淀粉糖、
柠檬酸、酒精、啤酒、造纸、蛋白、食品、味精等行业的污水处理系统中高负荷厌氧反应器
（
IC
、
EGSB
、
UASB
等）的启动运行。
厌氧反应器的容积负荷、上升流速和去除率均分别高于20kgCOD/m3d、5m/h和 90%。 厌氧颗粒污泥体型规则呈球形，VSS/TSS≥0.7，沉降速度50-150m/h，粒径0.5-2mm，颗粒度大于90%，最大比产甲烷速率≥400mlCH4/gVSSd。作为接种污泥可用于淀粉、淀粉糖、柠檬酸、酒精、啤酒、造纸、蛋白、食品、味精等行业的污水处理系统中高负荷厌氧反应器（IC、EGSB、UASB等）的启动运行。2. 影响因素
2.1 基质
培养颗粒污泥首先对基质有一定的要求，一般的，在培养颗粒污泥的基质中COD：N：P=110~200：5：1.而有机废液的基质可分为偏碳水化合物类和偏蛋白质类。为了能顺利培养出颗粒污泥，对于偏碳水化合物类的污水需要添加N和P.而对于偏蛋白质类的污水需要添加碳源（如葡萄糖等）。有学者研究表明，不添加碳源，颗粒污泥的形成较为困难[1].可见，适当比例的碳源对促成颗粒污泥形成是必要的。
2.2 温度
废水中的厌氧处理主要依靠微生物的生命活动来达到处理的目的，不同微生物的生长需要不同的温度范围。温度稍有几度的差别，就可在两类主要种群之间造成不平衡。因此，温度对颗粒污泥的培养很重要。颗粒污泥在低温（15~25℃）、中温（30~40℃）和高温（50~60℃）都有过成功的经验。一般的，高温较中温的培养时间短，但由于高温下NH3与某些化合物混合毒性会增加，因而导致其应用上受一定的限制；中温一般控制在35℃左右，在其它条件适当的情况下，经1~3个月可成功的培养出颗粒污泥；低温下培养颗粒污泥的研究较少，但有文献报道在使用颗粒污泥低温驯化后处理底浓度制药废水的实验中，COD的去处率达90%，取得了较好的效果[2].因而低温培养颗粒污泥将是今后的研究的重点之一。
2.3 pH值
厌氧处理过程中，水解产酸菌对pH值有较大的适应范围，而产甲烷菌则对pH值的变化敏感，其最适pH值范围是6.8-7.2.如果反应器内的pH值超过这个范围。则会导致产甲烷菌受到抑制，并出现酸积累，进而使整个反应器酸化。因此，反应器内pH值范围应控制在产甲烷菌最适的范围内。由于不同性质的废水有不同的pH值，为了保证反应器内pH值的稳定，防止酸积累而产生的对产甲烷菌的抑制，可采用向废水中添加化学药品如NaHCO3、Na2CO3、Ca（OH）2等物质。
2.4 碱度
一般认为，进水水质中碱度通常应在1000mg/L（以CaCO3计）左右，而对于以碳水化合物为主的废水，进水碱度：COD >1：3是必要的。有学者研究表明，在颗粒污泥培养初期，控制出水碱度在1000mg/L（以CaCO3计）以上能成功培养出颗粒污泥。在颗粒污泥成熟后，对进水的碱度要求并不高[2].这对降低处理成本具有积极意义。
2.5 微量元素及惰性颗粒
微量元素对微生物良好的生长也有重要作用。其中Fe，Co，Ni，Zn等对提高污泥活性，促进颗粒污泥形成是有益的。 此外，惰性颗粒作为菌体附着的核，对颗粒化起着积极的作用。另外，有研究表明，投加活性炭可大大缩短污泥颗粒化的时间；在投加活性炭后颗粒污泥的粒径大，并使反应器运行更加稳定[3]. （考试大环境影响评价师）
2.6 SO42-
关于SO42-对颗粒污泥的形成目前尚在讨论中。据Sam-Soon的胞外多聚物假说，局部氢的高分压是诱导微生物产生胞外多聚物从而与细菌表面之间的相互作用，通过带电基团的静电吸引及物理接触等架桥作用，构成一种包含多种组分的生物絮体，从而形成颗粒污泥的必要条件，而有硫酸盐存在时，由于硫酸盐还原菌对氢的快速利用，使反应器无法建立高的氢分压，从而不利于形成颗粒污泥[5].但有些国内外外学者发现处理含高硫酸盐废水时，会有非常薄的丝状体产生，它可作为产甲烷丝菌附着的原始核，从此开始颗粒的形成；硫酸盐还原产生的硫化物与一些金属离子结合形成不溶性颗粒，可能成为颗粒污泥生长的二次核[4][5].
2.7 接种污泥及接种量
一般来说，对接种污泥无特殊要求，但接种污泥的不同对形成颗粒污泥的快慢有直接影响。因此，保证污泥的沉降性能好、厌氧微生物种类丰富、活性高，对加快颗粒污泥的形成是十分有利的。 对接种污泥的量，有学者研究认为，厌氧污泥接种量为11.5kgVSS/m3（按反应区容积计算）左右时，对于迅速培养出厌氧颗粒污泥是合适的[8].这与国外学者推荐的浓度范围10-20kgVSS/m3是相吻合的[6].
2.8 启动方式
采用低浓度进水，结合逐步提高水力负荷的启动方式有利于污泥颗粒化。这是因为低浓度进水可以有效避免抑制性生化物质的过度积累，同时较高的水力负荷可加强水力筛分作用[7].
2.9 水力负荷
水力负荷太低，会导致大量分散污泥过度生长，从而影响污泥的沉降性能，甚至会导致污泥膨胀[8]；但水力负荷过大，会对颗粒污泥造成剪切并会剥落未聚集细胞体的胞外多糖粘滞层而阻碍粘附聚集。因此，在启动初期，应采用较小的水力负荷（0.05-0.1m3/m2 ·h）使絮体污泥能够相互粘结，向集团化生长，有利于形成颗粒污泥的初生体。当出现一定量的污泥后，提高水力负荷至0.25 m3/m2·h以上，可以冲走部分絮体污泥，使密度较大的颗粒污泥沉降到反应器底部，形成颗粒污泥层。为了尽快实现污泥颗粒化，把水力负荷提高到0.6m3/m2·h时，可以冲走大部分的絮体污泥。但是，提高水力负荷不能过快，否则大量絮体污泥的过早淘汰会导致污泥负荷过高，影响反应器的稳定运行。http://www.pchbkj.com/
