IC反应器未来应用将超过UASB

IC反应器示意图

　　
　　厌氧生物处理是废水生物处理技术中的一种重要方法。要提高厌氧生物处理的效果，除了要提供给微生物一个良好的生长环境外，保持反应器内的高污泥浓度，维持良好的传质效果也是关键要素。以厌氧接触工艺为代表的第一代厌氧反应器，污泥停留时间（SRT）和水力停留时间（HRT）大体相同，反应器内污泥浓度较低。如果想达到较好的处理效果，废水在反应器内通常要停留几天到几十天之久。而以UASB工艺为代表的第二代厌氧反应器，依靠颗粒污泥的形成和三相分离器的作用，使得污泥在反应器中滞留，实现了SRT>HRT，从而提高了反应器内污泥浓度，但是反应器的传质过程并不理想。要改善传质效果，最有效的方法就是提高表面水力负荷和表面产气负荷。然而高负荷产生的剧烈搅动又会使反应器内污泥处于完全膨胀状态，使原本SRT>HRT向SRT=HRT方向转变，污泥过量流失，处理效果变差。
　　近十几年来，已建造了许多处理工业废水的 UASB 反应器生产装置。有关专家透露，为了防止升流速度太大使悬浮固体大量流失，UASB反应器在处理中低浓度（1.5～2.0 kgCOD/（m3•d））废水时，反应器的进水容积负荷率一般限制在5～8kgCOD/（m3•d），在此负荷率下，最小 HRT 为 4 ～5h；在处理COD浓度为5～9g/L的高浓度有机废水时，反应器的进水容积负荷率一般被限制在10～20kgCOD/（m3•d），以免由于产气负荷率太高而增加紊流造成悬浮固体的流失。
　　为了克服这些条件的限制，荷兰开发了一种内循环（internal circulation，IC）反应器，IC反应器在处理中低浓度废水时，反应器的进水容积负荷率可提高至20～24kgCOD /（m3•d）；处理高浓度有机废水时，进水容积负荷率可提高到35～50kg/（m3•d）。与 UASB 反应器相比，在获得相同处理效率的条件下，IC 反应器具有更高的进水容积负荷率和污泥负荷率，IC 反应器的平均升流速度可达处理同类废水 UASB 反应器的20倍左右。在处理低浓度废水时，HRT可缩短至2.0～2.5h，使反应器的容积更加小型化。因此更加具有优势。某设在中国的国际环保公司，已经将IC反应器应用于啤酒、发酵、造纸、食品、饮料及化工等行业。并且取得了不错的效果。
　　为此，记者采访了清华大学环境系从事IC反应器研究多年的吴静博士。 她认为IC反应器的优点体现在以下方面。
　　（1）具有很高的容积负荷率。由于IC反应器存在着内循环，第一反应室有很高的升流速度，传质效果很好，污泥活性很高，因而其有机容积负荷率比普通UASB反应器高许多，一般高出3倍以上。处理高浓度有机废水，如土豆加工废水，当COD为10000～15000mg/L时，进水容积负荷率可达30～40kgCOD/（m3•d）。处理低浓度有机废水，如啤酒废水，当 COD为2000～3000mg/L时，进水容积负荷率可达20～50kgCOD /（m3•d），HRT仅2～3h，COD去除率可达80%左右。
　　（2）节省基建投资和占地面积。由于 IC 反应器的容积负荷率大大高于 UASB 反应器，IC反应器的有效体积仅为UASB反应器的1/4～1/3，所以可显著降低反应器的基建投资。由于IC反应器不仅体积小，而且有很大的高径比，所以占地面积特别省，非常适用于占地面积紧张的厂矿企业。小型的 IC 反应器可以工厂预制，大型的可在现场制作，施工工期短，安装简便，且IC反应器的土方量很小，可节省施工费用。
　　（3）靠沼气提升实现内循环。不必外加动力厌氧流化床和膨胀颗粒污泥床的流化是通过出水回流由泵加压实现强制循环的，因此必须消耗一部分动力。而 IC 反应器是以自身产生的沼气通过绝热膨胀做功为动力实现混合液的内循环的，不必另设泵进行强制内循环，从而可节省能耗。
　　（4）抗冲击负荷能力强由于IC反应器实现了内循环，处理低浓度水（如啤酒废水）时，循环流量可达进水流量的 2 ～ 3 倍；处理高浓度水（如土豆加工废水）时，循环流量可达进水流量的10～20倍。因为循环流量与进水在第一反应室充分混合，使原废水中的有害物质得到充分稀释，降低了有害程度，并可防止局部酸化发生，从而提高了反应器的耐冲击负荷的能力。
　　（5）具有缓冲 pH 能力。内循环流量相当于第一级厌氧的出水回流量，可利用 COD 转化的碱度，对 pH 起缓冲作用，使反应器内的 pH 保持稳定。处理缺乏碱度的废水时，可减少进水的投碱量。
　　（6）出水的稳定性好于IC 反应器的第一、二反应室，相当于上下两个 UASB 反应器，它们串联运行，第一反应室有很高的有机容积负荷率，相当于起“粗”处理作用，第二反应室则具有较低的有机容积负荷率，相当于起“精”处理作用。整个 IC 反应器实际上是两级厌氧处理。一般情况下，两级厌氧处理比单级厌氧处理的稳定性好，出水也较稳定。
　　吴博士说，虽然IC使得COD容积负荷大幅度提高，具备很高的处理容量也起到一些很好的效果。但是，这种同时也带来了不少新的问题。有学者认为IC主要存在的问题有下面几个方面。
   　（1）从构造上看，IC反应器内部结构比普通厌氧反应器复杂，设计施工要求高。反应器高径比大，一方面增加了进水泵的动力消耗，提高了运行费用；另一方面加快了水流上升速度，使出水中细微颗粒物比UASB多，加重了后续处理的负担。另外内循环中泥水混合液的上升还易产生堵塞现象，使内循环瘫痪，处理效果变差。
　　（2）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。
　　（3）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反应器来讲要低些。
　　（4）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。
　　最后，谈到市场前景时，吴静博士表示，尽管IC反应器在国内的应用仍不是很成熟，但是已经基本走过了市场培育期，从去年开始，已经有客户开始主动提出对IC反应器的需求。IC反应器国内技术拥有者实力良莠不齐，清华大学环境系经过多年的试验，积累了很多技术经验，并且申请了很多相关技术专利。尽管从目前市场份额来看，IC反应器明显落后于UASB的应用，但是吴博士认为未来前者将会超过后者的应用。