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1、收稿日期:2003-07-25.基金项目:黑龙江省重大科技攻关项目(G A01C201-01);哈尔滨工业大学校科学研究基金资助项目(HIT.2001.51)1作者简介:李 鹏(1976-),男,硕士,研究方向:高浓度有机废水的处理.污水厌氧生物处理的新工艺 IC厌氧反应器李 鹏,王爱杰,丁 杰,刘 敏(哈尔滨工业大学 市政环境工程学院,黑龙江 哈尔滨150090)摘 要:对IC反应器的结构、原理进行了简要介绍,并结合其工艺思想及应用实例指出IC反应器是对现代高效厌氧反应器的一种突破,具有处理效率高,抗冲击能力强等特点,有着重大的理论意义和实用价值.关键词:IC反应器;污水;厌氧生物处理中图分
2、类号:X703 文献标识码:A 文章编号:1672-0946(2004)01-03-0086Study on novel process of w astew ater treatment:IC anaerobic reactorLI Peng,WANGAi2jie,DINGJie,LIU Min(School of Municipal and Environmental Engineering,Harbin Institute of Technology,Harbin 150090,China)Abstract:Introduced the fundamental structure and
3、 the working principle of the IC reactor brief2ly.It was a breakthrough of the high effective anaerobic reactors from the view of the technicalidea and application.The IC reactor has many characteristics such as highly wastewater treatmentefficiency and strongly resisting for shock loading.It is imp
4、ortant for the new techniques devel2opment and utilization of anaerobic wastewater treatment.Key words:IC reactor;wastewater;anaerobic biological treatment20世纪70年代以来,厌氧技术以其节省能源并可进行能源回收、处理成本低以及更适于处理高浓度有机废水等突出优点受到了广大水处理工作者的认可与重视,其发展出现了第2个高潮.到了20世纪80年代中期,结合了现有废水处理工艺与内循环技术的内循环(IC)厌氧反应器应运而生,它是由荷兰Paques公司
5、在UASB基础上推出的第3代高效厌氧反应器,以其处理容量高,投资少,占地省,运行稳定等优点而深受瞩目,并已成功地应用于啤酒生产、造纸及食品加工等行业的生产污水处理中.IC反应器是对现代高效反应器的一种突破,有着重大的理论意义和实用价值.1IC反应器的构造、工作原理及工艺思想分析111IC反应器的构造IC反应器可以看作由2个UASB反应器串联构成,具有很大的高径比,一般为48,高度可达1625 m,由5个基本部分组成:混合区、第一反应室、内循环系统,第二反应室和出水区,其中内循环系统是IC工艺的核心构造,由一级三相分离器、沼气提升管、气液分离器和泥水下降管组成(见图1)1.112IC反应器的工作
6、原理IC反应器的5个基本部分有其各自的特点,以下对各部分作简要介绍.1)混合区(进液和混合)废水通过布水系统进入反应器内,在混合区与从IC反应器上部返回的泥水混合液,反应器底部的污泥充分混合,由此产生对进液的稀释和均质作用,从而大大减轻了冲击负荷及有害物质的不利影响.第20卷 第1期2004年2月哈 尔 滨 商 业 大 学 学 报(自然科学版)Journal of H arbin University of Commerce N atural Sciences EditionVol.20 No.1Feb.2004 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc
7、 Co.,Ltd.All rights reserved.图1IC反应器构造原理图Figure 1Construction of IC reactor1 进水;2 一级三相分离器;3 沼气提升;4 气液分离器;5 沼气排出管;6 回流管;9 沉淀区;10 出水管;11 气封2)第一反应室(污泥膨胀床区)废水和颗粒污泥混合物在进水与循环水的共同推动下,进入第一反应室,由于回流的影响,此部分产生较大的上升流速,最大可达1020 mh2,导致此部分污泥处于膨胀流化状态,废水和污泥之间产生强烈而有效的接触,优化了传质,大大地提高了生化反应速率.有机物质在此也尽可能多的被分解,同时产生大量的沼气,这些气
8、体被一级三相分离器收集并导入沼气提升管,通过这个提升装置部分泥水混合物被传送到反应器顶部的气液分离器,气体在这里被分离后导出系统.3)内循环系统第一反应室产生的气体被一级三相分离器收集进入沼气提升管中,产生气提作用,气体携带着泥水混合物快速上升,在反应器顶部的气液分离器分离之后排出,剩余的泥水混合物则经泥水下降管向下流入反应器底部的混合区,由此在反应器内形成内循环.气提动力来自于上升的和返回的泥水混合物中气体含量的巨大差别,因此,这个泥水混合物的内循环不需要任何外加动力.值得一提的是,这个循环流的流量随着进液中COD量的增大而自然增大,因此反应器具有自我调节的作用,原因是在高负荷条件下,产生更
9、多的气体,从而也产生更多的循环水量,稀释作用随之增大.根据不同的进水COD负荷和反应器的不同构造,内循环量可达进水流量的0155倍3.这对于反应器的稳定运行意义重大.4)第二反应室(精处理区)经第一反应室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进入第二反应室的污泥床进行剩余COD的降解过程,这部分相当于一个有效的后处理过程,提高和保证了出水水质.产生的气体被二级三相分离器收集并导出反应器.在第二反应室内的污泥负荷较低,水力停留时间相对较长,水力流态接近于推流状态,因此废水在此得到有效处理并避免了污泥的流失.废水中的可生物降解有机物几乎得到完全的去除.由于大量的COD已在第一
10、反应室中去除,第二反应室的产气量很小,不足以产生很大的流体湍动,加之,内循环流动不通过第二反应室,因此混合液的上升流度很小.这两个原因使生物污泥能很好地保留在反应器内.5)出水区经第一、二反应室处理的污水经溢流堰由出水管导出,进入后续的处理工艺.经IC反应器处理后的污水COD去除率一般在80%以上4.113IC反应器的工艺分析IC反应器是在UASB基础上发展起来的,它很好地解决了UASB的一些弊病.UASB反应器虽然利用了颗粒污泥实现了水力停留时间(HRT)与污泥停留时间(SRT)的分离,延长了污泥龄,保持了较高的污泥浓度,但在如何保持泥水的良好接触,强化传质过程,进一步加快生化反应速率方面却
11、存在不足,IC反应器则利用自身的特点较好的弥补了以上问题,减少了由于高的水力负荷产生的污泥流失问题.IC反应器采用了以下的工艺思想.1)IC反应器利用较大的高径比,采用了同一反应器内分段处理的工艺IC反应器通过第一反应室去除大部分进水中的COD,通过第二反应室降解剩余COD及一些难降解物质,提高出水水质.更重要的是,虽然由于污泥内循环,在第一反应室产生很大的上升流速,形成了污泥的膨胀流化状态,而在第二反应室内由于大量的COD已在第一反应室中去除,产气量很小,不足以产生很大的流体湍动,创造了颗粒污泥沉降的良好环境,较好地解决了在高的容积负荷下污泥流失的问题.另外,由于第二反应室的污泥浓度通常较低
12、,有相当大的空间允许第一反应室的污泥膨胀进入其中,这也防止了高负荷时易发生的污泥流失问题,保证运行稳定,即使反应器负荷数倍于UASB时也是如此.2)采用内循环技术IC反应器是在高的COD容积负荷的条件下,依据气体提升原理,利用沼气膨胀作用在无需外加78第1期 李 鹏,等:污水厌氧生物处理的新工艺 IC厌氧反应器 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co.,Ltd.All rights reserved.能源的条件下实现了内循环污泥回流,进一步加大生物量,大大提高了COD容积负荷,实现了泥水之间的良好接触.由于采用了高的有机负荷,所以沼气产量高,加之
13、内循环液的作用,使污泥处于膨胀流化状态,强化了传质效果,达到了泥水充分接触的目的.据有关研究报道,处理高质量浓度有机废水(5 0009 000mgL),相应COD容积负荷达到3550 kgCOD(m3d),膨胀区水流上升速度可达1020 mh2,4.可见内循环技术不但增加了生物量,也改善了传质,尽力挖掘了生化处理能力,抓住了厌氧处理技术的关键,体现了从根本上提高生化反应速率这一原则,实现了大幅度提供处理容量的目的5.2IC反应器的应用自1985年荷兰PAQUES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反应器投入运行以来.目前,IC反应器已成功地应用于啤酒生产、造纸及食品
14、加工等行业的生产污水处理中.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、造纸、土豆加工等生产领域的废水上有成功应用,而且正在扩展其应用范围,规模也日益加大,目前业已成功放大到1 100 m3.211 处理土豆加工废水土豆加工废水是典型的高浓度有机废水,生产时主要有高、低浓度2种,其中高浓度废水含有氨基酸、蛋白质、糖类、酰胺类、钾盐和纤维素等多种化合物;低浓度水主要是洗涤水.土豆加工废水具有COD浓度高可生化性强的特点.第一个中试IC厌氧反应器以及其后建成的100 m3IC厌氧反应器都是用于处理这种废水,IC厌氧反应器的容积负荷达到了3550 kgCOD(m3
15、d),停留时间为46 h,而处理同类废水的UASB反应器容积负荷为1015 kgCOD(m3d),停留时间为十几至几十小时6.212 处理啤酒废水啤酒废水主要来自糖化和发酵车间,COD质量浓度在2 0004 000 mgL左右,可生化性强.国内沈阳、上海率先采用了IC反应器处理啤酒废水,近期哈尔滨啤酒厂也引进了IC反应器处理生产废水.以沈阳华润雪花啤酒有限公司采用的IC反应器为例78,反应器高16 m,有效容积70 m3,每天处理COD平均浓度4 300 mgL废水400 m3,在COD去除率稳定在80%以上时,容积负荷高达2530 kg(m3d),公司在解决处理生产废水问题的同时,经济上也获
16、得了较大的收益: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,IC反应器每年的运行费用仅为62万元,可见,IC工艺达到了技术经济的优化.213 处理造纸废水在1996年以来的处理造纸废水的工程项目中,IC反应器工程比例大大超过了UASB反应器,造纸工业也已成为IC反应器应用最多的领域之一.例如德国某工厂年产30万t瓦楞纸和箱纸板,使用二次纤维为原料.直到1998年该厂还使用UASB反应器作为其厌氧-好氧工艺的关键设备,UASB之后是活性污泥工艺.由于生产能力增加,工厂需要新增12 500 kgCODd处理能力.最终工厂在465 m3的IC反应器和1 000 m3的UASB反应器的
17、方案中采用了前者.IC反应器高24 m,直径5 m,设计最大容积负荷27 kgCOD(m3d),实际运行容积负荷为924 kgCOD(m3d),进水COD质量浓度1 2503 515 mgL,处理效率61%86%9,10.表1UASB和IC反应器的运行参数及颗粒污泥特性比较1,11Table 1The characters of granular sludge and operation parameters of UASBand IC reactor反应器容积m3HRTh进水COD/(kgCODm-3)COD去除率%污泥活性/(gCODgVSS-1d-1)平均直径mm相对强度啤酒废水土豆加工
18、废水IC140061011780100111001600183UASB5021311685114001840132IC21 700301295110801510171UASB1004106885118301870153(下转92页)88哈 尔 滨 商 业 大 学 学 报(自 然 科 学 版)第20卷 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co.,Ltd.All rights reserved.纤维素的XRD(图5)可以看出:经氨处理后纤维素X-射线衍射峰强度增强,说明样品的纤维素含量提高,结晶成分降低,这说明氨处理不仅对样品的纤维物料的组成及形态有影
19、响,还使纤维素的结晶区受到一定程度的影响.图5 预处理前后大豆秸秆XRD图(1-未处理;2,3,4,5 预处理6 h,12 h,18 h,24 h;6 纤维素)Figure 5 XRD of the soybean straw ofpretreated and untreated3 结论1)粉碎和氨处理均使大豆秸秆的化学成分及物理结构发生部分改变,纤维素含量提高,结晶成分降低,有利于大豆秸秆的酶解产糖.2)粉碎结合氨处理对大豆秸秆酶解产糖影响较大,较适宜的预处理条件是大豆秸秆粉碎至140目,室温下用质量分数为10%氨水处理24 h,酶解产糖量较高.参考文献:1 胡代泽.我国农作物秸秆资源的利用
20、现状与前景J.资源开发与市场,2000,16(1):19-20.2Tae Hyun K im,Jun Seok K im,Changshin Sunwoo.Pretreatment ofcorn stover by aqueows ammoniaJ.Bioresource Technology,2003,90:39-47.3VLASENK O E Y,Ding H,LBAVITCH J M.Enzymatic hydrolysis ofpretreated rice strawJ.Bioresource Technology,1997,59:109-119.4BANCHOMDHEVAK UL,
21、SIRIWATTANA.Effect of urea and urea-gamma treatments on cellulose degradation of thai rice straw andcorn stalkJ.Radiation physics and chemistry,2002,64:417-4225 宁正祥.食品成分分析手册S.北京:中国轻工业出版社,2001.(上接88页)3 存在的问题1)由于采用内循环技术,反应器结构较复杂,使得施工安装和日常维护增加困难;而由于反应器的高度很大,将增加水泵的动力消耗,运行费用增加.2)除颗粒污泥外,反应器的构造和结构尺寸对反应器的运行
22、同样起着至关重要的作用,决定着反应器能否成功运行.而现在一些报道的水力模型为气升式反应器模型,其合理性及实用性有待进一步研究.3)IC反应器虽已成功地应用于啤酒生产、造纸及食品加工等行业的生产污水处理中,但其应用领域有待进一步研究与拓宽.4 结语IC反应器是一种新型的高效厌氧反应器,它是对现代高效反应器的一种突破,有着重要的理论意义与实用价值,应用前景广阔,值得深入研究与实践.参考文献:1 胡纪萃,周孟津,左剑恶,等.废水厌氧生物处理理论与技术M.北京:中国建筑工业出版社,2003.2PEREBOOMJ H,VEREIJKEN TL.Methanogenic granule develop2m
23、ent in full scale internal circulation reactorsJ.Wat.Sci Tech.,1994,30(8):9-21.3 胡纪萃.试论内循环厌氧反应器J.中国沼气,1999,17(2):3-6.4PEREBOOMJ H.Size distribution model for methanogenic granulesfromfull scale UASB and IC reactorsJ.Wat.Sci.Tech,1994,30(12):211-221.5 张忠波.IC反应器技术的发展J.环境污染与防治,2000,22(3):39-41.6 吴 静,陆正
24、禹,胡纪萃,等.新型高效内循环(IC)厌氧反应器J.中国给水排水,2001,17(1):26-29.7 吴 允.张世江.啤酒生产废水处理新技术 内循环反应器J.环境保护,1997,9:18-19.8 王山林,吴 允,张 勇,等.生产性IC反应器处理啤酒废水启动研究J.环境导报,1998,4:22-24.9 戚 恺.IC反应器在造纸行业的应用J.国际造纸,2001,20(3):59-60.10 贺延龄.废水厌氧处理技术的新进展-IC反应器在造纸工业上的应用J.纸和造纸,2001,6:45-48.11 丁丽丽.内循环式厌氧反应器启动过程中颗粒污泥的特性J.环境科学,2001,22(3):30-34.29哈 尔 滨 商 业 大 学 学 报(自 然 科 学 版)第20卷 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co.,Ltd.All rights reserved.