1、UASB和IC反应器工艺原理
1、UASB和IC反应器工艺原理
1.1 UASB反应器
1.1.1 UASB简介
上流式厌氧污泥床反应器是一种处理污水的厌氧生物方法，又叫升流式厌氧污泥床，英文缩写UASB，由荷兰Lettinga教授于1977年发明。
污水自下而上通过UASB。反应器底部有一个高浓度、高活性的污泥床，污水中的大部分有机污染物在此间经过厌氧发酵降解为甲烷和二氧化碳。因水流和气泡的搅动，污泥床之上有一个污泥悬浮层。反应器上部有设有三相分离器，用以分离消化气、消化液和污泥颗粒。消化气自反应器顶部导出；污泥颗粒自动滑落沉降至反应器底部的污泥床；消化液从澄清区出水。
UASB 负荷能力很大，适用于高浓度有机废水的处理。运行良好的UASB有很高的有机污染物去除率，不需要搅拌，能适应较大幅度的负荷冲击、温度和pH变化。
1.1.2 UASB构造
UASB构造上的特点是集生物反应与沉淀于一体，是一种结构紧凑的厌氧反应器。反应器主要由进水配水系统，反应区，三相分离器，气室，处理水排除系统这几个部分组成。
1.1.3 UASB工作原理
UASB反应器中的厌氧反应过程与其他厌氧生物处理工艺一样，包括水解，酸化，产乙酸和产甲烷等。通过不同的微生物参与底物的转化过程而将底物转化为最终产物——沼气、水等无机物。
UASB由污泥反应区、气液固三相分离器(包括沉淀区)和气室三部分组成。在底部反应区内存留大量厌氧污泥，具有良好的沉淀性能和凝聚性能的污泥在下部形成污泥层。要处理的污水从厌氧污泥床底部流入与污泥层中污泥进行混合接触，污泥中的微生物分解污水中的有机物，把它转化为沼气。沼气以微小气泡形式不断放出，微小气泡在上升过程中，不断合并，逐渐形成较大的气泡，在污泥床上部由于沼气的搅动形成一个污泥浓度较稀薄的污泥和水一起上升进入三相分离器，沼气碰到分离器下部的反射板时，折向反射板的四周，然后穿过水层进入气室，集中在气室沼气，用导管导出，固液混合液经过反射进入三相分离器的沉淀区，污水中的污泥发生絮凝，颗粒逐渐增大，并在重力作用下沉降。沉淀至斜壁上的污泥沿着斜壁滑回厌氧反应区内，使反应区内积累大量的污泥，与污泥分离后的处理出水从沉淀区溢流堰上部溢出，然后排出污泥床。
1.2 IC反应器
1.2.1 IC简介
随着生产发展与资金、能耗、占地等因素间矛盾的进一步突出, 水处理工作者必须努力寻求技术经济更优化的厌氧工艺, 尤其是如何处理生产发展带来的新的高浓度有机废水更使得这一努力成为必要。内循环厌氧反应器( IC )即是这一背景下产生的新型反应器, 是厌氧废水处理理论与工程实践相结合的产物,体现了厌氧工艺自身发展要求。1985年, 荷兰 PAQU ES 公司建立了第一个IC中试反应器, 1988年, 第一座生产性规模的IC 反应器投入运行。目前, IC 反应器已成功应用于啤酒生产、食品加工等行业的生产污水处理中。由于其处理容量高、投资少、占地省、运行稳定等特点, 引起了各国水处理人员的瞩目,有人视之为第三代厌氧生化反应器的代表工艺之一。进一步研究开发 IC反应器、 推广其应用范围已成为厌氧废水处理的热点之一。
1.2.2 IC构造
IC反应器由两个UASB反应器上下叠加串联构成,高度可达16～25m, 高径比一般为4～8, 由5个基本部分组成: 混合区、颗粒污泥膨胀床区、 精处理区、内循环系统和出水区。其中内循环系统是IC工艺的核心结构，由一级三相分离器、沼气提升管、气液分离器和泥水下降管等组成。
1.2.3 IC工作原理
经过调节 pH 和温度的生产废水首先进入反应器底部的混合区 , 并与来自泥水下降管的内循环泥水混合液充分混合后进入颗粒污泥膨胀床进行COD的生化降解, 此处的COD容积负荷很高, 大部分进水COD在此处被降解 , 产生大量沼气。沼气由一级三相分离器收集。由于沼气气泡形成过程中对液体所作的膨胀功产生了气体提升作用 , 使得沼气、 污泥和水的混合物沿沼气提升管上升至反应器顶部的气液分离器 , 沼气在该处与泥水分离并被导出处理系统。泥水混合物则沿泥水下降管进入反应器底部的混合区 , 并与进水充分混合后进入污泥膨胀床区, 形成所谓内循环。根据不同的进水 COD负荷和反应器的不同构造 , 内循环流量可达进水流量的0. 5～5倍。经膨胀床处理后的废水除一部分参与内循环外 ,其余污水通过一级三相分离器后, 进入精处理区的颗粒污泥床区进行剩余COD降解与产沼气过程 , 提高和保证了出水水质。由于大部分 COD已被降解, 所以精处理区的COD负荷较低 , 产气量也较小。该处产生的沼气由二级三相分离器收集, 通过集气管进入气液分离器并被导出处理系统。经过精处理区处理后的废水经二级三相分离器作用后, 上清液经出水区排走 , 颗粒污泥则返回精处理区污泥床。
2、UASB和IC反应器国内外研究现状
2.1 UASB反应器国内外研究现状
UASB 反应器作为如今高效厌氧反应器中应用最广泛的反应器之一，具有能耗低、造价低、能产生生物能等特点， 因而是值得推广应用的一种新型生化厌氧处理反应器。长期以来被广泛应用于各种类型的废水处理，在国内外的应用研 究中也常常出现。在国外如美国、芬兰、泰国、瑞士、加拿大和奥地利都曾利用UASB反应器处理各种生产废水，如甜菜制 糖加工废水、啤酒和酒精加工废水、生活污水、牛奶废水的处理等，都取得了较好的处理效果。我国于1981年开始了对UASB反应器的试验研究，许多单位在处理高浓度有机废水时采用 UASB 反应器进行处理，已取得了较好的成效。对于UASB反应器等厌氧处理构筑物处理高浓度有机废水，其出水一般未能达到废水的最终排放要求，所以往往采取与其他处理工艺相结合的方式。 在90年代末期出现了UASB与其他工艺联合使用的例子，如 UASB-AF工艺处理维生素C废水，上流式厌氧污泥床过滤器处理涤纶废水等，提高了处理效果。
2.2 IC反应器国内外研究现状
从 IC 反应器的工程实践看,国内沈阳、上海率先采用了 IC工艺处理啤酒生产废水。以沈阳华润雪花啤酒有限公司采用的IC反应器为例, 反应器高16 m, 有效容积70 m 3 , 每天处理平均COD浓度为4300 mg / L 的啤酒废水 400 m 3 ,在COD去除率稳定在80%的条件下, 容积负荷高达25～30 kg /m 3·d。公司在解决处理生产废水问题的同时, 经济上也获得较大收益:每年节省排污费 75万元 ,沼气回收利用价值 45万元, 相比之下, 反应器年运行费用仅为62万元。可见, IC工艺达到了技术经济的优化。IC 工艺在国外的应用以欧洲较为普遍, 运行经验也较国内成熟许多, 不但已在啤酒生产、土豆加工、造纸等生产领域内的废水处理上有成功应用, 而且正日益扩展其应用范围, 规模也越来越大。荷兰SEN SUS公司就建造了容积为 1100 m 3 的IC 反应器处理菊粉 ( inuline ) 生产废水, 而据估算, 如采用UASB反应器处理同样废水,反应器容积将达 2200 m 3 ,投资及占地也将大大增加。1995年该反应器初期运行时,日处理 COD浓度约为7200 mg / L 的废3960 m 3 ,水力负荷达 30 kg COD /m 3·d, COD去除率稳定在70%～80%。
3、UASB和IC反应器异同比较
UASB在国内广泛应用，也得到许多水处理专业人士的认可。IC是一种内循环反应器，其构造就相当于将两个UASB叠加起来，可以看成UASB的衍生系统。IC反应器与UASB 反应器处理相同废水的对比结果如表1。
表1在给出 IC反应器实际应用的同时, 对采用UASB工艺处理相同废水进行了比较。可以看出, IC反应器很大程度上解决了UASB的相对不足, 大大提高了单位反应器容积的处理容量。
下面，我通过表格将两个系统各自优缺点进行归纳一下：
比较项目 |
UASB系统 |
IC系统 |
容积负荷 |
5~20kgCOD/m3·d |
20~50kgCOD/m3·d |
抗冲击负荷能力 |
原来UASB不设内循环系统，导致其抗冲击负荷能力较差；现在经过改良，增设内循环系统，提高了抗冲击符合负荷能力 |
有内循环系统，抗冲击负荷能力强 |
占地面积 |
大 |
小 |
建设难度 |
工艺成熟、建设简单 |
结构复杂，设计施工难度高 |
运行控制难度 |
方便 |
难度较高 |
运行费用
|
一般
|
高径比大，增加进水泵动力消耗，增加运行费用 |
去除效率 |
较高 |
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 |
难溶物质处理 |
有较长的停留时间，能保证难溶有机物的去除效果 |
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 |
出水效果 |
稳定 |
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 |
调试难度 |
调试相对简单，具备一定厌氧调试经验即可。 |
国内缺乏在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。 |
运行稳定性 |
系统构造简单实用，不易产生问题 |
内循环中泥水混合液的上升易产生堵塞现象，使内循环瘫痪，处理效果变差 |
建设投资 |
设备投资相对较大 |
设备投资成本小，但由于现在IC技术还存在许多专利，市场技术成本较高，所以整体建设成本也不低 |
4、UASB和IC的应用实例
4.1 山东青援食品集团玉米淀粉废水UASB处理工艺
玉米淀粉废水含有丰富的碳水化合物及氮、 磷等营养物, CODCr界于10000～20000 mg/L 之间,属可生化性较好的高浓度有机废水, 适宜采用生化处理工艺。废水中悬浮物及胶体蛋白含量较高, 含量过高对厌氧污泥系统的发展会产生不利影响。玉米浸泡过程中会有少量 SO32-及SO42-进入废水系统,在厌氧处理过程中, 这些含硫的化合物被微生物还原为硫化氢, 当亚硫酸盐及硫化氢超过一定值时, 就会对厌氧系统产生一定的抑制作用。
该工程 UASB 装置设计尺寸为:θ8×16 m , 有效容积750 m3 , 停留时间36 h。UASB装置的主要作用是将废水中高分子有机物降解为低分子有机物, 并去除废水中大部分有机物。
4.2 燕京啤酒集团啤酒废水IC处理工艺流程
2004年5月，燕京集团总部投资500多万元，从上海荷兰帕斯公司引进了好氧、厌氧相结合的污水处理系统的IC反应器，新技术工艺不仅大大节约了用水量，各项污染物排放指标也远低于国家规定的排放标准，使污水排放达到绿色奥运标准。
原水中COD值一般在1300-1500 mg/L，经过IC反应器后，COD降到600-700 mg/L，通过SBR处理后，出水COD在60 mg/L以下，符合二级出水标准。
啤酒废水一般偏酸性(pH5~6)，含有大量的悬浮固体(SS为400~1000mg／L)，含有大量易生物降解的有机物(COD为1500～3000mg／L)。废水中BOD／COD高达0．5～0．7，一般不含有毒有害成份，具有良好的可生化性能。若仅采用好氧法处理，存在能耗高、费用大等问题，若结合先进的厌氧处理技术，将提高效率，降低处理费。本套工艺就是先采用目前较为先进的IC厌氧处理技术，但是光用厌氧处理，出水不达标，且水中溶解氧较低，不能直接排放，所以用SBR进一步处理，然后排放，处理效果好。
5、总结与展望
与UASB等第二代厌氧反应器相比，IC反应器具有以下优点：<1>有机负荷率高，水力停留时间短；<2>高径比大，占地面积小，基建投资省；<3>出水稳定，耐冲击负荷能力强。国内现在越来越多的厂家开始运用IC反应器，它的沼气回收利用价值也很大，IC反应器最大的特点是拥有两个厌氧反应室。并实现了泥水混合液在反应器内部的循环。这样就解决了UASB反应器中由于泥水接触不够充分导致颗粒污泥生化处理能力减弱的负面影响。
因此，IC反应器是对现代厌氧反应器的一个突破,在工业上应用于废水处理有机污染物具有广阔的发展前景，将越来越多的替代UASB反应器，值得进一步研究开发与推广。
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