一、設備概述

廢水厭氧生物技術由于其巨大的處理能力和潛在的應用前景，一直是水處理技術研究的熱點。從傳統(tǒng)的厭氧接觸工藝發(fā)展到現今廣泛流行的UASB工藝，廢水厭氧處理技術已日趨成熟。隨著生產發(fā)展與資源、能耗、占地等因素間矛盾的進一步突出，現有的厭氧工藝又面臨著嚴峻的挑戰(zhàn)，尤其是如何處理生產發(fā)展帶來的大量高濃度有機廢水，使得研發(fā)技術經濟更優(yōu)化的厭氧工藝非常必要[1]。內循環(huán)厭氧處理技術（以下簡稱IC厭氧技術）就是在這一背景下產生的高效處理技術，它是20世紀80年代中期由荷蘭PAQUES公司研發(fā)成功，并推入國際廢水處理工程市場，目前已成功應用于土豆加工、啤酒、食品和檸檬酸等廢水處理中[2]。實踐證明，該技術去除有機物的能力遠遠超過普通厭氧處理技術（如UASB），而且IC反應器容積小、投資少、占地省、運行穩(wěn)定，是一種值得推廣的高效厭氧處理技術。

厭氧處理是廢水生物處理技術的一種方法，要提高厭氧處理速率和效率，除了要提供給微生物一個良好的生長環(huán)境外，保持反應器內高的污泥濃度和良好的傳質效果也是2個關鍵性舉措。

以厭氧接觸工藝為代表的1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，處理效果差。為了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。

以UASB工藝為代表的2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，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(tài)，使原本SRT>HRT向SRT=HRT方向轉變，污泥過量流失，處理效果變差。

二、IC厭氧反應器的工作原理

IC反應器基本構造如圖1所示，它相似由2層UASB反應器串聯而成。按功能劃分，反應器由下而上共分為5個區(qū)：混合區(qū)、1厭氧區(qū)、2厭氧區(qū)、沉淀區(qū)和氣液分離區(qū)。

混合區(qū)：反應器底部進水、顆粒污泥和氣液分離區(qū)回流的泥水混合物有效地在此區(qū)混合。

1厭氧區(qū)：混合區(qū)形成的泥水混合物進入該區(qū)，在高濃度污泥作用下，大部分有機物轉化為沼氣?；旌弦荷仙骱驼託獾膭×覕_動使該反應區(qū)內污泥呈膨脹和流化狀態(tài)，加強了泥水表面接觸，污泥由此而保持著高的活性。隨著沼氣產量的增多，一部分泥水混合物被沼氣提升至頂部的氣液分離區(qū)。

氣液分離區(qū)：被提升的混合物中的沼氣在此與泥水分離并導出處理系統(tǒng)，泥水混合物則沿著回流管返回到下端的混合區(qū)，與反應器底部的污泥和進水充分混合，實現了混合液的內部循環(huán)。

2厭氧區(qū)：經1厭氧區(qū)處理后的廢水，除一部分被沼氣提升外，其余的都通過三相分離器進入2厭氧區(qū)。該區(qū)污泥濃度較低，且廢水中大部分有機物已在1厭氧區(qū)被降解，因此沼氣產生量較少。沼氣通過沼氣管導入氣液分離區(qū)，對2厭氧區(qū)的擾動很小，這為污泥的停留提供了有利條件。

沉淀區(qū)：2厭氧區(qū)的泥水混合物在沉淀區(qū)進行固液分離，上清液由出水管排走，沉淀的顆粒污泥返回2厭氧區(qū)污泥床。

從IC反應器工作原理中可見，反應器通過2層三相分離器來實現SRT>HRT，獲得高污泥濃度；通過大量沼氣和內循環(huán)的劇烈擾動，使泥水充分接觸，獲得良好的傳質效果。

三、IC厭氧反應器優(yōu)點

IC反應器的構造及其工作原理決定了其在控制厭氧處理影響因素方面比其它反應器更具有優(yōu)勢。

（1）容積負荷高：IC反應器內污泥濃度高，微生物量大，且存在內循環(huán)，傳質效果好，進水有機負荷可超過普通厭氧反應器的3倍以上。

（2）節(jié)省投資和占地面積：IC反應器容積負荷率高出普通UASB反應器3倍左右，其體積相當于普通反應器的1/4~1/3左右，大大降低了反應器的基建投資[5]。而且IC反應器高徑比很大（一般為4~8），所以占地面積特別省，非常適合用地緊張的工礦企業(yè)。

（3）抗沖擊負荷能力強：處理低濃度廢水（COD=2000~3000mg/L）時，反應器內循環(huán)流量可達進水量的2~3倍；處理高濃度廢水（COD=10000~15000mg/L）時，內循環(huán)流量可達進水量的10~20倍[5]。大量的循環(huán)水和進水充分混合，使原水中的有害物質得到充分稀釋，大大降低了毒物對厭氧消化過程的影響。

（4）抗低溫能力強：溫度對厭氧消化的影響主要是對消化速率的影響。IC反應器由于含有大量的微生物，溫度對厭氧消化的影響變得不再顯著和嚴重。通常IC反應器厭氧消化可在常溫條件（20~25℃）下進行，這樣減少了消化保溫的困難，節(jié)省了能量。

（5）具有緩沖pH的能力：內循環(huán)流量相當于1厭氧區(qū)的出水回流，可利用COD轉化的堿度，對pH起緩沖作用，使反應器內pH保持佳狀態(tài)，同時還可減少進水的投堿量。

（6）內部自動循環(huán)，不必外加動力：普通厭氧反應器的回流是通過外部加壓實現的，而IC反應器以自身產生的沼氣作為提升的動力來實現混合液內循環(huán)，不必設泵強制循環(huán)，節(jié)省了動力消耗。

（7）出水穩(wěn)定性好：利用二級UASB串聯分級厭氧處理，可以補償厭氧過程中Ks高產生的不利影響。VanLier[6]在1994年證明，反應器分級會降低出水VFA濃度，延長生物停留時間，使反應進行穩(wěn)定。

（8）啟動周期短：IC反應器內污泥活性高，生物增殖快，為反應器快速啟動提供有利條件。IC反應器啟動周期一般為1～2個月，而普通UASB啟動周期長達4～6個月。

（9）沼氣利用價值高：反應器產生的生物氣純度高，CH4為70％～80％，CO2為20％～30％，其它有機物為1％～5％，可作為燃料加以利用[8]。

四、IC厭氧反應器工作流程

進水經過布水器輸入反應器，與下降管循環(huán)來的污泥和出水均勻混和后，進入一個反應分離區(qū)內，流化床反應室。在那里，大部分COD被降解為沼氣，在這個分離區(qū)產生的沼氣由低位三相分離器收集和分離，并產生氣體提升。氣體被提升的同時，帶動水和污泥作向上運動，經過一級“上升”管達到位于反應器頂部的氣體/液體分離器，在這里沼氣從水和污泥中分離，離開整個反應器。水和污泥混和經過同心的“下降”管直接滑落到反應器底部形成內部循環(huán)流。從一級分離區(qū)的出水在二階段低負荷后處理區(qū)內被深度處理，在那里剩余的可生物降解的COD被去除，在上層分離區(qū)產生的沼氣被頂部的三相分離器收集，并沿二級“上升管”，輸送到頂部旋流式氣體/液體分離器，實現沼氣分離和收集。同時，厭氧出水（12）經過出水堰離開反應器自流進入后續(xù)處理中。

五、IC厭氧反應器適用范圍

IC處理技術從問世以來已成功應用于土豆加工、菊苣加工、啤酒、檸檬酸和造紙等廢水處理中。1985年荷蘭應用IC反應器處理土豆加工廢水，容積負荷（以COD計）高達35～50kg/(m3·d)，停留時間4～6h[9]；而處理同類廢水的UASB反應器容積負荷僅有10～15kg/(m3·d)，停留時間長達十幾到幾十個小時[3]。

在啤酒廢水處理工藝中，IC技術應用得較多，目前我國已有3家啤酒廠引進了此工藝。從運行結果看，IC工藝容積負荷（以COD計）可達15～30kg/(m3·d)，停留時間2～4.2h，COD去除率ηCOD>75％[9]；而UASB反應器容積負荷僅有4～7kg/(m3·d)，停留時間近10h。

對于處理高濃度和高鹽度的有機廢水，IC反應器也有成功的經驗。廢水COD約7900mg/L，SO42－為250mg/L，Cl－為4200mg/L。采用22m高、1100m3容積的IC反應器，容積負荷（以COD計）達31kg/(m3·d)，ηCOD>80％，平均停留時間僅6.1h。

六、IC厭氧反應器控制參數

IC厭氧反應器，其主要的控制參數有以下內容：

PH值：反應器進水PH值要求控制在6.5~8.0之間，過低或過高的PH值都會對工藝造成巨大的影響，其影響主要體現在對厭氧菌（主要是產甲烷菌）的方面，包括：①影響菌體及酶系統(tǒng)的生理功能和活性②影響環(huán)境的氧化還原電位③影響基質的活性。產甲烷菌的這些性質功能遭到破壞后，處理COD的活性就會大大的降低。

溫度：反應器進水溫度要求控制在35.5~37.5之間，因為產甲烷菌大多數都屬于中溫菌，在這個范圍內，其處理效率是很高的。溫度高于40℃時，處理效率會急劇下降；好也不要低于35℃，溫度過低，處理效率也會下降很多。

預酸化度：廢水進入厭氧反應器之前要保持足夠的預酸化度，一般在30%~50%之間，好是在40%左右。預酸化度高的情況下，VFA高，進水PH值會降低，為調解PH值，會增高污水處理的運行費用，同時還會影響污泥的顆粒化。

有毒物質：對厭氧顆粒污泥有抑制性作用的有毒物質主要是H2S和亞硫酸鹽。H2S的允許濃度為小于150㎎/L，否則可能會使大部分產甲烷菌降低50%的活性；亞硫酸鹽的允許濃度是小于150ppm，否則將會導致一半的產甲烷菌失去活性，所以一定要嚴格控制這兩樣有毒物質的含量，對其進行定期的檢測。

容積負荷率：厭氧反應器具有很高的容積負荷率，操作手冊上為16~24㎏COD/m3/d,而一些學者認為其容積負荷率還可以更高可達30~40㎏COD/m3/d,但是這個數值的短期內變化幅度好不要過大，就是說要讓厭氧菌有一定的適應時間，逐步增加或降低負荷。如果條件可以，盡量使其負荷率在一個范圍之間，趨于穩(wěn)定的狀態(tài)。

上升流速：IC反應器的上升流速一般在4~10m/h,當污水的進水COD值濃度較低時，需要提高流量來增加COD的負荷率，較高的上升流速會有助于顆粒污泥與有機物之間的傳質過程，避免了混合不均勻對設備的影響。

污泥菌種的成分：厭氧污泥中具有處理污染物能力的就是細菌等有機物質，菌群的組成及菌種的成分決定了其顆粒強度、產甲烷活性及對污水的適應能力。一般來說，污泥中有機物的成分占70%左右，污泥外部菌種主要為絲菌，污泥內部主要為桿菌、球菌等。