吳靜，陸正禹，胡紀(jì)萃，顧夏聲
(清華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程系，北京100084) 摘要：內(nèi)循環(huán)厭氧反應(yīng)器容積負(fù)荷高，占地面積少，在處理土豆加工廢水時的容積負(fù)荷約為35～50 kgCOD/(m3·d)，處理啤酒廢水時的容積負(fù)荷達到了15～ 30 kgCOD/(m3·d)，是一種值得推廣的新技術(shù)。
關(guān)鍵詞：內(nèi)循環(huán)厭氧反應(yīng)器；高濃度有機廢水；水力模型
中圖分類號：X703
文獻標(biāo)識碼：B
文章編號：1000-4602(2001)01-0026-04 內(nèi)循環(huán)(Internal Circulation，IC)厭氧反應(yīng)器于20世紀(jì)80年代中期由荷蘭PAQUES公司開發(fā)成功，并推入國際廢水處理工程市場，可用于處理土豆加工、啤酒、食品、檸檬酸等廢水。反應(yīng)器高度約為16～25 m，容積負(fù)荷為普通升流式厭氧污泥床(UASB)的4倍左右［1］，占地少，是一種值得推廣的新型反應(yīng)器。 1 反應(yīng)器的構(gòu)造與特點 IC厭氧反應(yīng)器是在UASB反應(yīng)器的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，結(jié)構(gòu)見圖1。 
圖1 IC厭氧反應(yīng)器示意圖 IC厭氧反應(yīng)器和UASB反應(yīng)器一樣，能夠形成高生物活性的厭氧顆粒污泥，但不同的是這種反應(yīng)器內(nèi)部還能夠形成流體循環(huán)，其形成過程如下：
進水由底部進入第一反應(yīng)區(qū)與顆粒污泥混合，大部分有機物在此被降解，產(chǎn)生大量沼氣，沼氣被下層三相分離器收集，由于產(chǎn)氣量大和液相上升流速較快，沼氣、廢水和污泥不能很好分離，形成了氣、固、液混合流體。又由于氣液分離器中的壓力小于反應(yīng)區(qū)壓力 ，混合液體在沼氣的夾帶作用下進入氣液分離器中，在此大部分沼氣脫離混合液外排，混合流體的密度變大，在重力作用下通過回流管回到第一反應(yīng)區(qū)的底部，與第一反應(yīng)區(qū)的廢水 、顆粒污泥混合，從而實現(xiàn)了流體在反應(yīng)器內(nèi)部的循環(huán)。內(nèi)循環(huán)使得第一反應(yīng)區(qū)的液相上升 流速大大增加，可以達到10～20 m/h［2］。
第二反應(yīng)區(qū)的液相上升流速小于第一反應(yīng)區(qū)，一般僅為2～10 m/h［2］。這個區(qū)域除了繼續(xù)進行生物反應(yīng)之外，由于上升流速的降低，還充當(dāng)?shù)谝环磻?yīng)區(qū)和沉淀區(qū)之間的緩沖段，對解決跑泥、確保沉淀后出水水質(zhì)起著重要作用。
IC厭氧反應(yīng)器與UASB反應(yīng)器相比具有以下優(yōu)點：①有機負(fù)荷高。內(nèi)循環(huán)提高了第一反應(yīng)區(qū)的液相上升流速，強化了廢水中有機物和顆粒污泥間的傳質(zhì)，使IC厭氧反應(yīng)器的有機負(fù)荷遠遠高于普通UASB反應(yīng)器。②抗沖擊負(fù)荷能力強，運行穩(wěn)定性好。內(nèi)循環(huán)的形成使得IC厭氧反應(yīng)器第一反應(yīng)區(qū)的實際水量遠大于進水水量，例如在處理與啤酒廢水濃度相當(dāng)?shù)膹U水時，循環(huán)流量可達進水流量的2～3倍；處理土豆加工廢水時，循環(huán)流量可 達10～20倍［2］。循環(huán)水稀釋了進水，提高了反應(yīng)器的抗沖擊負(fù)荷能力和酸堿調(diào)節(jié)能力，加之有第二反應(yīng)區(qū)繼續(xù)處理，通常運行很穩(wěn)定。③基建投資省，占地面積少。在處理相同廢水時，IC厭氧反應(yīng)器的容積負(fù)荷是普通UASB的4倍左右，故其所需的容積僅為UASB的1/4～1/3，節(jié)省了基建投資。加上IC厭氧反應(yīng)器多采用高徑比為4～8的瘦高型塔式外形［1］，所以占地面積少，尤其適合用地緊張的企業(yè)。④節(jié)能。IC厭氧反應(yīng)器的內(nèi)循 環(huán)是在沼氣的提升作用下實現(xiàn)的，不需外加動力，節(jié)省了回流的能源。 2 水力模型 IC厭氧反應(yīng)器內(nèi)部能夠形成循環(huán)，并且水力混合劇烈，這一點與現(xiàn)有的氣升式反應(yīng)器(Airlift Reactor)很相似。于是Pereboom等人于1994年在氣升式反應(yīng)器水力模型的基礎(chǔ)上提出了IC厭氧反應(yīng)器的水力模型，形式如下[3］：  式中εgr——升流管中的持氣率，%
hD——氣—液擴散高度，m
εgd——回流管中的持氣率，%
KT——頂部阻力損失系數(shù)
KB——底部阻力損失系數(shù)
Ar——升流管面積，m2
Ad——回流管面積，m2
ΔH——升流管與回流管間的液位差，m
Ugr——升流管中的表觀氣相上升速度，m/s
ULr——升流管中的表觀液相上升速度，m/s 式(1)是關(guān)于氣升式反應(yīng)器的著名經(jīng)驗公式，1976年由Hills得到。式(2)的原型式(3)是基于氣升式反應(yīng)器能量守恒提出的理論方程，這一方程也得到了廣泛認(rèn)可。  3 工程應(yīng)用實例 3.1處理土豆加工廢水
土豆加工廢水是一種典型的高濃度有機廢水，生產(chǎn)時主要產(chǎn)生高、低濃度兩種廢水，其中高濃度廢水中含有氨基酸、蛋白質(zhì)、糖類、酰胺類、鉀鹽和纖維素等多種化合物 ；低濃度廢水主要是洗滌水。土豆加工廢水具有COD含量高、可生化性強的特點，其水 質(zhì)特征見表1。 表1 土豆加工廢水的特征［4］| 種類 | 溫度
(℃) | pH | COD
(g/L) | BOD
( g/L) | BOD/COD | TP(%) | TN(%) | PO43-
(%) | 總S
(g/L) | TSS
(g/L) | | 高濃度廢水 | 15 | | 54 | 34 | 0.63 | 0.55 | 3.6 | 0.15 | 0.125 | | | 低濃度廢水 | 10～14 | 5.7 | 1.8 | 0.55 | 0.31 | | 0.086 | | | 0.4 | IC厭氧反應(yīng)器最先用于土豆加工廢水的處理。1985年荷蘭建成的第一個中試IC厭氧反應(yīng)器以及其后建造的100 m3的IC厭氧反應(yīng)器［3］都處理這種廢水，從運行結(jié)果看(見表2)，IC厭氧反應(yīng)器的容積負(fù)荷達到了35～50 kgCOD/(m3·d)，而處理同類廢水的UASB反應(yīng)器的容積負(fù)荷僅為10～15 kgCOD/(m3·d)，停留時間前者為4～6 h，而后者需要十幾到幾十小時。 表2 IC厭氧反應(yīng)器和UASB反應(yīng)器處理土豆加工廢水的運行結(jié)果| 編號 | 反應(yīng)器類型 | 反應(yīng)器 | 進水COD*(mg/L) | 運行溫 度(℃) | HRT(h) | 容積負(fù)荷［kgCOD/(m3·d)］ | ηCOD(%) | | 容積(m3) | 高(m) | | 1 | IC | 17 | 16.6 | 3500～9000 | 30～35 | 4～6 | 35～50 | 75～90 | | 2［3］ | IC | 100 | 15 | 6000～8000 | | 4 | 48 | 85 | | 3［4］ | UASB | 800 | 6 | 10000 | 40 | 18.3 | 15 | 90～95 | | 4［4］ | UASB | 1700 | | 17800 | 33 | 41.5 | 10.3 | 78 | 注 *高、低濃度混合廢水的COD值。 | 3.2 處理啤酒廢水
啤酒廢水的高濃度部分來自糖化和發(fā)酵車間，COD濃度約為2 000～4 000 mg/L；低濃度部分的廢水量大，COD濃度僅為300～800 mg/L。啤酒廢水的BOD/COD值在0.7左右，且不含明顯抑制厭氧微生物生長的物質(zhì)，可生化性強［4］。表3給出了兩家啤酒 廠的廢水水質(zhì)。 表3 啤酒廢水水質(zhì)［4］| 編號 | 溫度
(℃) | pH | 堿度
(CaCO3，mg/L) | COD*
(g/L) | BOD5**(g/L) | BOD5/COD | TP
(mg/L) | PO3-4 (%) | TN
(mg/L) | 氨氮(mg/L) | TSS
(g/L) | 啤酒
廠
1 | 19～28 | 8 | 120 | 1.0～3.0 | 1.2 | 0.6 | 微量 | 微量 | 40～50 | 20 | 1 | | 啤酒廠2 | 23～26 | 8.5～9.5 | 120 | 1.1～1.3 | 0.74～1.0 | 0.72 | 10～20 | | 30～50 | | 0.7 | 注 *高、低濃度混合廢水的COD，**高、低濃度混合廢水的BOD5。 | 全球已建成的IC厭氧反應(yīng)器大部分用于處理啤酒廢水，目前中國已有三家啤酒廠引進了此工 藝。IC厭氧反應(yīng)器和UASB反應(yīng)器處理啤酒廢水的對比情況見表4。由表4可見，IC厭氧反 應(yīng)器處理啤酒廢水的容積負(fù)荷可達15～30 kgCOD/(m3·d)，水力停留時間為2～4.2 h，CO D去除率在75%以上；而處理啤酒廢水的UASB反應(yīng)器的容積負(fù)荷一般僅為4～7 kgCOD/(m3 ·d)。 表4 IC厭氧反應(yīng)器和UASB反應(yīng)器處理啤酒廢水的運行結(jié)果 | 廠名 | 反應(yīng)
器類
型 | 厭氧反應(yīng)器 | 進水 | 容積負(fù)荷
［kgCOD/(m3·d)］ | HRT
(h) | ηCOD
(%) | 反應(yīng)
溫度
(℃) | | 容積(m3) | 高(m) | COD
(g/L) | SS(g /L) | pH | 上海富仕達
啤酒廠［5 ］ | IC | 400 | 20.5 | 2 | 0.1～0.6 | 4～10 | 15 | 2 | * | | 沈陽華潤雪花
啤酒有限公司［6］ | IC | 70 | 16 | 4.3 | 0.29 | 4.5～6.5 | 25～30 | 4.2 | 80 | 中溫 | | 國外啤酒廠甲［3］ | IC | 162 | 20 | 2.0 | 0.3 ～0.5 | | 24 | 2.1 | 80 | 31 | | 國外啤酒廠乙［3］ | IC | 50 | 22 | 1.6 | 0.4～0.6 | | 20 | 2.3 | 85 | 24～28 | | 北京啤酒廠［4］ | UASB | 2000 | | 2 | 0.5 | | 4.3 | 11.2 | 80以上 | 常溫 | 荷蘭Bavaria B.V.
啤酒廠［4］ | UASB | 1400 | 6. 5 | 1.0～1.5 | 0.2～0.3 | 6～10 | 4.5～7 | 3.4～8 | 75～80 | | | 注*該廠的IC厭氧反應(yīng)器后接好氧處理系統(tǒng)，總出水COD為75 mg/L，COD的去除率為96.3%。 |
3.3 處理菊苣加工廢水
位于荷蘭Roosendaal的一家菊苣加工廠產(chǎn)生的菊苣加工廢水中有機物含量和含鹽量均很高(進水COD約7 900 mg/L，SO42-為250 mg/L，Cl-為4 200 mg/L) 。該廠采用高22 m，容積1100 m3的IC厭氧反應(yīng)器，每天處理8 000 m3廢水，容積負(fù)荷達到31 kgCOD/(m3·d)，COD去除率在80%以上，平均停留時間僅6.1 h［2］。 4 關(guān)于IC厭氧反應(yīng)器的幾點看法 綜上所述，IC厭氧反應(yīng)器具有高效、占地少等優(yōu)點，并在土豆加工、啤酒等廢水的處理中 都有出色表現(xiàn)，無錫羅氏中亞檸檬酸廠的IC厭氧反應(yīng)器處理效果也很顯著，這些資料說明該 項技術(shù)已經(jīng)成熟。而從理論研究的角度看，IC厭氧反應(yīng)器已擁有水力模型，可用于指導(dǎo)設(shè)計 和調(diào)試運行。然而，IC厭氧反應(yīng)器仍有不少值得研究的地方：
①從構(gòu)造上看，IC厭氧反應(yīng)器比UASB反應(yīng)器復(fù)雜，施工和安裝要求更高、難度更大。高徑比大就意味著進水泵的能量消耗大，運行費用高，所以反應(yīng)器的選擇必須從建設(shè)投資和運 行費等各方面進行綜合考慮。
?、谒δＰ偷暮侠硇院蛯嵱眯杂写芯?。該水力模型的原型是氣升式反應(yīng)器的水力模型，這個模型建立的基礎(chǔ)是不考慮循環(huán)過程中的壁面磨損以及只考慮廢水從升流管向降流管和從降流管向升流管流動處的局部損失。這種簡化在氣升式反應(yīng)器中由于升流管和降流管的直徑較大，是可以接受的，并且也獲得了試驗的證明，但IC厭氧反應(yīng)器的升流管和降流管的直徑十分有限，這種簡化就不盡合理。從IC厭氧反應(yīng)器的模型上看，Pereboom等人只考慮了氣體提升作用，即升流管與降流管間的液位差(ΔH)對反應(yīng)器水力特征的影響，并未作出相應(yīng)的理論證明或試驗驗證，所以模型本身有待進一步研究。從模型的實用性上考慮，計算過程需用迭代法而比較復(fù)雜；計算參數(shù)的確定也有難度，例如現(xiàn)有的KB的經(jīng)驗式只適用于氣升式反應(yīng)器，是否可以用于IC厭氧反應(yīng)器不得而知，公開的KB只有兩個，分別是8和32，相差較大，難以構(gòu)造恰當(dāng)?shù)慕?jīng)驗式。
③顆粒污泥在IC厭氧反應(yīng)器中仍占有重要地位。它與處理同類廢水的UASB反應(yīng)器中的顆粒污泥相比，具有顆粒較大、結(jié)構(gòu)較松散、強度較小等特點，尚未發(fā)現(xiàn)更進一步的研究報道。對IC厭氧反應(yīng)器顆粒污泥的研究可能會成為現(xiàn)有顆粒污泥理論的有力證據(jù)或有益補充，具有較大的學(xué)術(shù)價值。國內(nèi)引進的IC厭氧反應(yīng)器均采用荷蘭進口顆粒污泥接種，所以為降低工程造價，也需進一步掌握在IC厭氧反應(yīng)器的水力條件下培養(yǎng)活性和沉降性能良好的顆粒污泥的關(guān)鍵技術(shù)。
④IC厭氧反應(yīng)器由于回流的稀釋作用應(yīng)該比UASB反應(yīng)器更適于處理難降解有機物，但目前 只有處理高含鹽廢水(菊苣加工廢水)的報道，絕大部分IC厭氧反應(yīng)器用于處理易降解的啤酒、檸檬酸等廢水，所以IC厭氧反應(yīng)器的應(yīng)用領(lǐng)域有待開拓。 參考文獻：
?。?］胡紀(jì)萃.試論內(nèi)循環(huán)厭氧反應(yīng)器［J］.中國沼氣，1998，17(17)：3-6.
［2］Habets L H A.Anaerobic treatment of inuline effulent in an interna l circulation reactor［J］.Water Science and Technology，1997，35(10)：189-197.
［3］Pereboom J H F.Methanogenic Granule development in ful l scale internal circulation reactors［J］.Water Science and Technology，1994，3 0(8)：9-21.
［4］賀延齡.廢水的厭氧生物處理［M］.北京：中國輕工業(yè)出版社，1998.335-3 47.
［5］何曉娟.IC-CIRCOX工藝及其在啤酒廢水處理中的應(yīng)用［J］.給水排水，1997 ，23(52)：26-28.
?。?］吳允.啤酒生產(chǎn)廢水處理新技術(shù)—內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器［J］.環(huán)境保護，1997，9： 18-19.
電話：(010)62789747
E-mail:lxorb@263.net
收稿日期：2000-05-15 | 
