两级分离内循环厌氧反应器的设计和应用

两级分离内循环厌氧反应器（IC）是世界上最先进的厌氧处理技术，该技术在第三代厌氧反应器UASB的基础上，把多级处理技术、流化床技术、污泥颗粒化技术、内外循环等技术整合在同一个反应器内，在反应器中，颗粒污泥（厌氧细菌）将废水中有机污染物降解生成CH₄等气体^[63]。两级分离内循环厌氧反应器（IC）是基于气体提升原理，而由上升管和下降管中所含气体量的不同而产生的受反应器气流的驱动，使循环流比率取决于进水COD浓度，因此可达到自行调节。

废水的厌氧处理技术发展到今天已有120多年的历史，现对几种常见厌氧技术的工艺特点简要列举于表7.4.1中，以供比较。

表7.4.1 各种厌氧技术工艺要点对比

续表

其他厌氧工艺相比，IC反应器具有明显的技术优势。图7.4.2显示了IC反应器的基本结构，现将其组成单元与工作原理简介如下。

图7.4.2 IC反应器基本构造示意图

1—进水2—布水器 3—流化床反应器 4—一级三相分离器 5—上升管 6—深度净化反应室 7—二级三项分离室 8—旋流气液分离器 9—下降管 10—出水11—沼气收集

（1）进水布水器

包括图中1进水分配器和2布水器。使用小阻力没有堵塞旋流布水技术，进水、回流水、内循环水和颗粒污泥在此空间内迅速、完全混合接触。强力的水流能量促使废水旋转运动，表现出强烈运动和紊流形态，水力流场中形成大量的漩涡，泥水的混合达到非常好的混合效果。促使原水中有机物质快速被冲散并与污泥中的微生物充分接触，可确保系统内部相对平稳的微生物环境，进而形成了IC反应器在运行稳定性和耐负荷冲击性能方面的独到优势。

（2）三相分离与气力提升系统

包括图中4一级三相分离器和7二级三相分离器。将有机污染物质降解为可供燃烧的生物沼气是废水厌氧生物处理的另一特征。IC反应器中，细小的气泡比较容易吸附在颗粒污泥或絮体污泥上并使得污泥随气泡向上漂浮，造成了IC反应器内部气体搅拌混合。如不能及时脱附，厌氧污泥将随沼气气泡升至反应器顶部并随出水水流流出，不仅造成污泥流失，更会影响出水水质。IC反应器中两层三相分离器的设计即缓解了以上问题，它可以实现IC反应器中水、泥、气等三相的有效的分离，使IC反应器出水水质更好，并最大限度的将厌氧污泥截留在反应器中。同时，产生的沼气被暂时储存在三相分离器的内部，生成了液体气体提升的能源，是IC反应器产生内循环的基本条件。

（3）两级净化反应区

包括图中3流化床反应室和6深度净化反应室。流化床反应室中保存着数量巨大的活性较好的厌氧颗粒污泥，负担了IC反应器70%以上的COD去除效率。在这个空间内，IC反应器的进水和回流水剧烈混合，很大程度上提高了进水的上升流速，使得颗粒污泥表现出流化形态，提高了泥水混合接触效果，防止了有机物的局部过度积累。深度净化反应室中颗粒污泥量较少，用于有机物质的进一步降解。该空间内没有内循环回流的扰动，上升速度较低，所以有足够的空间截留厌氧颗粒污泥，促使IC反应器在较高的上升流速的条件下截留颗粒污泥的效果较好，确保了出水SS保持在比较低的浓度水平。

（4）气液分离与混合液回流系统

主要包括图7.4.2中8旋流气液分离器。内循环流是由一级三相分离器补集到的沼气气提作用推动泥水混合液上升流动而形成的。混合液内部含有大量的沼气。作为厌氧反应的产物，沼气如不能及时排出反应器，将对厌氧生物反应产生“产物抑制”，影响反应器的正常运行。旋流气液分离器即用于将沼气从上升内循环流混合液中分离并导出反应器，并将脱气后的混合液返回至反应器底部以形成强大的内循环搅拌作用。设计合理的气液分离器应当既能够充分的分离和导出沼气，又能够有效阻止厌氧污泥和污水被沼气携带至沼气系统；既能够有效接纳上升内循环流的瞬时流量冲击，又能够顺利地将混合液返回反应器内部，避免内循环流在气液分离器中积累甚至溢出从而影响沼气的顺利导出。(www.xing528.com)

厌氧系统的降解有机物的稳定性和高效性在于能否培养驯化出具有比较好的沉降性能和微生物活性的厌氧颗粒污泥。与此对应，如果系统内的污泥以较分散的絮体状况存在，则常常较易发生污泥损失，系统不能在较高的有机物进水条件下良好运行。颗粒污泥的特点主要表现在以下方面：

① 污泥颗粒化可增加其沉降速度，防止污泥流失，确保系统中有比较高的污泥量；

② 颗粒污泥能长时间保存在系统中，具备较长的污泥停留时间（SRT），可减小水力停留时间（HRT），使系统有较高的处理能力；

③ 颗粒污泥生成以后，产甲烷微生物大部分在其内部，而酸化菌大部分在其表层，这分布形式为产甲烷微生物生存提供了一个有利环境，不但能保持较小氧化还原电位，有利于产甲烷菌的生存，并可增加颗粒污泥对pH改变、温度改变和进水水质改变应对的能力；

④ 颗粒污泥是多种厌氧微生物组合在一起的细菌胶团，是个小的生态系统，各种微生物之间相对距离比较近，能增加微生物间氢的传递速率，和絮体污泥比较，其氢传递速率增加了100倍，可迅速高效地达到污染物代谢为CH₄和CO₂等的过程，因此颗粒污泥具备较高的微生物代谢活性；

⑤ 采用颗粒污泥作为厌氧反应器的接种污泥，可大大缩短反应器启动调试周期：据科学研究，颗粒污泥与同等体积的絮状污泥相比，其发酵性细菌比后者高出约3个数量级，产氢产乙酸菌高出约4个数量级，产甲烷菌高出4～5个数量级，正因如此，采用颗粒污泥接种的厌氧反应器，其启动调试周期可大大缩短，一般可在30～45d内完成，而采用絮状污泥接种的厌氧反应器，其启动周期往往在6个月以上。

厌氧颗粒污泥的培养是反应器高效运行的保证，但并非所有的厌氧反应器都能够培养出颗粒污泥，也并非任何类型的废水都能够培养出颗粒污泥，如不具备相关条件，非但不能使反应器中的厌氧污泥颗粒化，即使作为接种污泥的颗粒污泥也会解体、破碎和流失，进而造成资源的浪费并影响反应器的正常运行，给企业带来巨大的经济损失。现将影响厌氧颗粒污泥生成和破碎的主要原因介绍如下：

① 废水性质：不同性质的废水，其对污泥颗粒化的进程有不同的影响。实践表明，酒精废水、造纸废水、淀粉废水、柠檬酸废水等含碳水化合物较多的废水更容易培养出颗粒污泥；而其他有毒有害的难降解工业废水较难培养出颗粒污泥，甚至不能培养出颗粒污泥。此外，向废水中投加必要的营养物质和微量元素可加速污泥颗粒化过程。

② 污泥负荷率：污泥负荷率代表了为细菌提供的营养源物质，这是细菌生长的物质条件。实际表明，厌氧系统的污泥负荷率小于0.6mgCOD/（kgVSS·d）时，污泥颗粒化程度非常有限，因此低负荷运行的厌氧反应器中很难出现颗粒污泥，一般合适的颗粒污泥形成的系统容积负荷大于8～10kgCOD/（m³·d）。

③ 碱度：碱度对于生成颗粒污泥有着比较大的影响，确保一定量碱度可以对系统pH起到重要的缓冲作用，确保系统的pH保持在6.5～7.5之间是生成颗粒污泥的保证，对于不同的废水，碱度应维持在不同的水平，具体应根据实际情况确定。

④ 不同的温度条件下，都能培养生成颗粒污泥。按照常规来说，温度越高，生成颗粒污泥的时间越短，但温度超过厌氧微生物的合适范围对产生颗粒污泥都是不利的，且依据企业实际情况，过于追求确定的温度可能增加其费用。

⑤ 反应器内部结构和流态：反应器内部结构及水力状态是影响厌氧污泥颗粒化的关键。合理的布水系统和反应器结构带来的良好水力状态有利于促进污泥的颗粒化和维持污泥颗粒的稳定性。良好的水力状态主要指适宜的升流速度、混合力度和涡旋强度等，在此状态下，反应器内部可实现良好的水力筛分作用和传质作用，使得反应器底部泥水完全混合、避免死区和沟流现象的发生，同时可对厌氧污泥进行有效选择，冲洗出性能较差的破碎污泥、保存性能较好的颗粒污泥。没有合理的反应器结构，即使其他条件十分完美，也很难培养出优良的颗粒污泥，这是诸多厌氧反应器始终无法获得污泥颗粒的重要原因。

苏振华等对厌氧技术处理杨木P-RCAPMP（意大利杨碱性过氧化氢热磨机械浆）废水的效果进行了研究，结果表明：在35℃条件下，利用厌氧技术处理此废水后，COD和BOD的降解效果可分别高于60%和90%。杨斌对采用两段A/O工艺处理某废纸造纸废水的工程进行了长时间的观察，得出采用此工艺处理高浓度的造纸废水中有机物的降解效果均可以达到95%以上。