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IC反應器未來應用將超過UASB

2009/4/6

IC反應器未來應用將超過UASB

2008年4月　來源: 中國水網 李建軍 王哲曉



　　厭氧生物處理是廢水生物處理技術中的一種重要方法。要提高厭氧生物處理的效果，除了要提供給微生物一個良好的生長環境外，保持反應器內的高污泥濃度，維持良好的傳質效果也是關鍵要素。以厭氧接觸工藝為代表的第一代厭氧反應器，污泥停留時間（SRT）和水力停留時間（HRT）大體相同，反應器內污泥濃度較低。如果想達到較好的處理效果，廢水在反應器內通常要停留幾天到幾十天之久。而以UASB工藝為代表的第二代厭氧反應器，依靠顆粒污泥的形成和三相分離器的作用，使得污泥在反應器中滯留，實現了SRT>HRT，從而提高了反應器內污泥濃度，但是反應器的傳質過程并不理想。要改善傳質效果，最有效的方法就是提高表面水力負荷和表面產氣負荷。然而高負荷產生的劇烈攪動又會使反應器內污泥處于完全膨脹狀態，使原本SRT>HRT向SRT=HRT方向轉變，污泥過量流失，處理效果變差。
　　近十幾年來，已建造了許多處理工業廢水的 UASB 反應器生產裝置。有關專家透露，為了防止升流速度太大使懸浮固體大量流失，UASB反應器在處理中低濃度（1.5～2.0 kgCOD/（m3•d））廢水時，反應器的進水容積負荷率一般限制在5～8kgCOD/（m3•d），在此負荷率下，最小 HRT 為 4 ～5h；在處理COD濃度為5～9g/L的高濃度有機廢水時，反應器的進水容積負荷率一般被限制在10～20kgCOD/（m3•d），以免由于產氣負荷率太高而增加紊流造成懸浮固體的流失。
　　為了克服這些條件的限制，荷蘭開發了一種內循環（internal circulation，IC）反應器，IC反應器在處理中低濃度廢水時，反應器的進水容積負荷率可提高至20～24kgCOD /（m3•d）；處理高濃度有機廢水時，進水容積負荷率可提高到35～50kg/（m3•d）。與 UASB 反應器相比，在獲得相同處理效率的條件下，IC 反應器具有更高的進水容積負荷率和污泥負荷率，IC 反應器的平均升流速度可達處理同類廢水 UASB 反應器的20倍左右。在處理低濃度廢水時，HRT可縮短至2.0～2.5h，使反應器的容積更加小型化。因此更加具有優勢。某設在中國的國際環保公司，已經將IC反應器應用于啤酒、發酵、造紙、食品、飲料及化工等行業。并且取得了不錯的效果。
　　為此，記者采訪了清華大學環境系從事IC反應器研究多年的吳靜博士。 她認為IC反應器的優點體現在以下方面。
　　（1）具有很高的容積負荷率。由于IC反應器存在著內循環，第一反應室有很高的升流速度，傳質效果很好，污泥活性很高，因而其有機容積負荷率比普通UASB反應器高許多，一般高出3倍以上。處理高濃度有機廢水，如土豆加工廢水，當COD為10000～15000mg/L時，進水容積負荷率可達30～40kgCOD/（m3•d）。處理低濃度有機廢水，如啤酒廢水，當 COD為2000～3000mg/L時，進水容積負荷率可達20～50kgCOD /（m3•d），HRT僅2～3h，COD去除率可達80%左右。
　　（2）節省基建投資和占地面積。由于 IC 反應器的容積負荷率大大高于 UASB 反應器，IC反應器的有效體積僅為UASB反應器的1/4～1/3，所以可顯著降低反應器的基建投資。由于IC反應器不僅體積小，而且有很大的高徑比，所以占地面積特別省，非常適用于占地面積緊張的廠礦企業。小型的 IC 反應器可以工廠預制，大型的可在現場制作，施工工期短，安裝簡便，且IC反應器的土方量很小，可節省施工費用。
　　（3）靠沼氣提升實現內循環。不必外加動力厭氧流化床和膨脹顆粒污泥床的流化是通過出水回流由泵加壓實現強制循環的，因此必須消耗一部分動力。而 IC 反應器是以自身產生的沼氣通過絕熱膨脹做功為動力實現混合液的內循環的，不必另設泵進行強制內循環，從而可節省能耗。
　　（4）抗沖擊負荷能力強由于IC反應器實現了內循環，處理低濃度水（如啤酒廢水）時，循環流量可達進水流量的 2 ～ 3 倍；處理高濃度水（如土豆加工廢水）時，循環流量可達進水流量的10～20倍。因為循環流量與進水在第一反應室充分混合，使原廢水中的有害物質得到充分稀釋，降低了有害程度，并可防止局部酸化發生，從而提高了反應器的耐沖擊負荷的能力。
　　（5）具有緩沖 pH 能力。內循環流量相當于第一級厭氧的出水回流量，可利用 COD 轉化的堿度，對 pH 起緩沖作用，使反應器內的 pH 保持穩定。處理缺乏堿度的廢水時，可減少進水的投堿量。
　　（6）出水的穩定性好于IC 反應器的第一、二反應室，相當于上下兩個 UASB 反應器，它們串聯運行，第一反應室有很高的有機容積負荷率，相當于起“粗”處理作用，第二反應室則具有較低的有機容積負荷率，相當于起“精”處理作用。整個 IC 反應器實際上是兩級厭氧處理。一般情況下，兩級厭氧處理比單級厭氧處理的穩定性好，出水也較穩定。
　　吳博士說，雖然IC使得COD容積負荷大幅度提高，具備很高的處理容量也起到一些很好的效果。但是，這種同時也帶來了不少新的問題。有學者認為IC主要存在的問題有下面幾個方面。
   　（1）從構造上看，IC反應器內部結構比普通厭氧反應器復雜，設計施工要求高。反應器高徑比大，一方面增加了進水泵的動力消耗，提高了運行費用；另一方面加快了水流上升速度，使出水中細微顆粒物比UASB多，加重了后續處理的負擔。另外內循環中泥水混合液的上升還易產生堵塞現象，使內循環癱瘓，處理效果變差。
　　（2）發酵細菌通過胞外酶作用將不溶性有機物水解成可溶性有機物，再將可溶性的大分子有機物轉化成脂肪酸和醇類等，該類細菌水解過程相當緩慢。IC反應器較短的水力停留時間勢必影響不溶性有機物的去除效果。
　　（3）在厭氧反應中，有機負荷、產氣量和處理程度三者之間存在著密切的聯系和平衡關系。一般較高的有機負荷可獲得較大的產氣量，但處理程度會降低。因此，IC反應器的總體去除效率相比UASB反應器來講要低些。
　　（4）缺乏在IC反應器水力條件下培養活性和沉降性能良好的顆粒污泥關鍵技術。目前國內引進的IC反應器均采用荷蘭進口的顆粒污泥接種，增加了工程造價。
　　最后，談到市場前景時，吳靜博士表示，盡管IC反應器在國內的應用仍不是很成熟，但是已經基本走過了市場培育期，從去年開始，已經有客戶開始主動提出對IC反應器的需求。IC反應器國內技術擁有者實力良莠不齊，清華大學環境系經過多年的試驗，積累了很多技術經驗，并且申請了很多相關技術專利。盡管從目前市場份額來看，IC反應器明顯落后于UASB的應用，但是吳博士認為未來前者將會超過后者的應用。

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