内循环厌氧反应器的运行特性

丁丽丽，任洪强，华兆哲，陈坚
(无锡轻工大学生物工程学院，江苏无锡　214036)

　　摘　要：以实验室规模的内循环厌氧反应器(IC)为研究对象，考察了其运行状况和影响运行的特征参数。试验结果表明：当进水容积负荷为24.9～37.52kgCOD/(m³·d)时对COD的去除率达83.2%～92.8%，其中Ⅰ室的去除率为60%～70%，Ⅱ室的去除率为20%～30%；进水的上升流速高(2.65～4.35m/h)有利于反应器的稳定运行；在较高的容积负荷[35.0kgCOD/(m3·d)]、进水pH值为8.5时反应器具有最大的COD去除率。
　　关键词：IC反应器；中温；运行特性
　　中图分类号：X703.1
　　文献标识码：C
　　文章编号：1000-4602(2002)11-0046-03

　　内循环厌氧反应器(Internal Circulation,简称IC)是在UASB反应器基础上开发出的第三代超高效厌氧反应器，其特征是在反应器中装有两级三相分离器，反应器下半部分可在极高的负荷条件下运行。整个反应器的有机负荷和水力负荷也较高，并可实现液体内部的无动力循环，从而克服了UASB反应器在较高的上升流速度下颗粒污泥易流失的不足^[1～3]。笔者在实验室对小型IC反应器(25 L)进行了系统研究，主要考察了反应器在中温条件下的运行特性及其影响因素，验证了IC反应器在UASB基础上的结构改进对处理效能的促进作用。

1　试验装置和方法

1.1　试验装置
　　IC反应器为有机玻璃制成，有效容积为25L，反应器总高度为1500mm，沿柱高设置多个取样孔。将反应器安装在恒温箱内，用WMZK-01温控仪和热源构成自动温控系统，将温度控制在(35±1)℃。工艺流程见图1。
　　试验配水首先进入Ⅰ室被降解，产生的沼气由Ⅰ室的集气罩收集，大量沼气携带Ⅰ室的泥水混合液沿着提升管上升至反应器顶部的气液分离器，沼气在此处逸出反应器，而泥水混合液则沿下降管返回到Ⅰ室的底部。Ⅰ室出水自动进入Ⅱ室继续处理，随后经Ⅱ室的三相分离器排出反应器外。

1.2　试验用水
　　采用人工合成的葡萄糖废水，并加入适量微量元素(见表1)。
1.3　接种污泥
　　接种污泥采用无锡狮王太湖水啤酒有限公司UASB反应器中的颗粒污泥，污泥的TSS为72.2g/L，VSS为56.6g/L。接种前先将污泥颗粒进行筛洗处理，再用COD为500mg/L的人工配水连续(8～10h)进行漂洗和活化。

表1　人工合成葡萄糖废水的组分及含量 组分 含量 组分 含量 葡萄糖(mg/L) 2000 CaCl₂(mg/L) 4 (NH₄)₂CO₃(mg/L) 40 MgSO₄(mg/L) 8 KH₂PO₄(mg/L) 40 NaHCO₃(mg/L) 660 NH₄Cl(mg/L) 40 酵母膏(mg/L) 80 FeCl₃·4H₂O(μg/L) 80 CoCl₂·6H₂O(μg/L) 80 MnCl₂·4H₂O(μg/L) 20 ZnCl₂(μg/L) 2 NiCl₂·6H₂O(μg/L) 2 CuCl₂·2H₂O(μg/L)[ 1.2 EDTA(μg/L) 40 H₃BO₃(μg/L) 2 (NH₄)₆Mo7O₂₄·4H₂O(μg/L) 3.6 36%HCl(μg/L) 0.04

1.4　分析方法
　　COD：重铬酸钾法；pH值：玻璃电极法；SS和VSS：称重法。

2　结果与讨论

2.1　运行结果
　　IC反应器的试验条件和运行结果见表2。

表2　运行结果 试验阶段 第一阶段 第二阶段 第三阶段 时间(d) 1～29 30～59 60～90 温度(℃) 35 进水pH 7.5～8.0 7.8～8.9 8.5～8.9 进水COD(mg/L) 1 865～2 587 3 885～4 877 8 023～11092 v(m/h) 2.65 3.22 4.35 OLR[gCOD/(L·d)] 15.0～24.9 27.3～36.96 33.88～37.52 SLR[gCOD/(gVSS·d)] 0.73～1.60 1.47～2.48 1.87～2.50 COD去除率(%) 83.2～91.8 83.9～89.8 89.3～92 .8 出水COD(mg/L) 184.6～386.6 447.1～658.9 575.0～1120.3 出水SS(mg/L) 159～377 342～552 501～780 阶段描述 提高负荷期 提高负荷期 稳定运行期 注：OLR为反应器的COD容积负荷；SLR为反应器的COD污泥负荷；v为上升流速。

　　①Ⅰ室
　　IC反应器Ⅰ室在高负荷下运行，其COD去除率为60%～70%。反应器的初始容积负荷为31.25kgCOD/(m³·d)，COD去除率为62.3%。第29天容积负荷升至50.8kgCOD/(m³·d)，COD去除率为59.8%。在第55天反应器进水COD浓度为4500mg/L，污泥负荷为3.99gCOD/(gVSS·d)，COD去除率为61%。第89天容积负荷和污泥负荷分别为76.83kgCOD/(m³·d)、3.97gCOD/(gVSS·d)，COD去除率为64.3%。
　　②Ⅱ室
　　与Ⅰ室相比，Ⅱ室的运行负荷相对较低，以Ⅱ室进水COD浓度计算则Ⅱ室的COD去除率为60%～85%，去除的COD占反应器进水COD的20%～30%。Ⅱ室的初始负荷为10.9kgCOD/(m³·d)，COD去除率为61.0%；第57天有机负荷达到最大[28.8kgCOD/(m³·d)]，COD去除率为73.15%。
2.2　影响因素分析
　　在控制反应器温度为(35±1)℃、试验用水为葡萄糖配水的条件下，主要研究了容积负荷、升流速度、进水COD浓度和进水pH值的影响。
　　①容积负荷
　　UASB反应器在处理中、高浓度废水时最大容积负荷只能达到10～20 kgCOD/(m³·d)，因容积负荷过高会导致颗粒污泥流失^[2]，而IC反应器的最大容积负荷可达36.96～37.52kgCOD/(m³·d)(见表2)，这是因为60%～70%的有机物在Ⅰ室得到降解，产生的大量沼气被一级三相分离器收集后排出反应器，因此不会在Ⅱ室中产生很高的气体上升流速，对颗粒污泥的流失影响较小。?
　　IC反应器在高负荷下运行仍能达到很高的COD去除率(见表2)，这与反应器具有液体内循环密切相关。经分析可知，当容积负荷升高时产生的沼气量增加，推动液体形成的内循环流量增大，进水得到了更大程度的稀释和调节，Ⅰ室内液固充分接触，传质速率增加，使有机物易于得到降解。
　　②混合液的上升流速
　　一般认为，以颗粒污泥为主体的UASB的混合液上升流速宜控制在0.5～1.5m/h，而IC反应器的混合液上升流速为2.5～10m/h^[3](在一定程度上改善了基质与微生物间的传质过程)。试验发现，在2.65～4.35m/h的上升流速下Ⅰ室的沼气产量明显增加，造成气提管中的液体通量明显增大和中间回流管的流量加快，这说明通过增加进水量的方式可明显提高反应器中的循环比例(一方面可改善反应器底部对进水COD负荷的承受能力，提高反应器的抗冲击负荷能力；另一方面可提高流速而强化传质过程，避免了反应中可能出现的局部基质浓度过高现象，确保了反应器能正常稳定地运行)。
　　③进水COD浓度
　　在进水COD浓度分别为1300mg/L(A)、2000mg/L(B)、4500mg/L(C)、9897mg/L(D)的条件下，控制反应器的上升流速为4.0 m/h，沿反应器高度取样并测定COD浓度，结果见图2。

　　从图2可以看出，在不同的进水浓度条件下反应器中的COD浓度在高度上呈梯度分布，Ⅰ室中COD浓度下降较快，而Ⅱ室中COD浓度变化相对缓慢。因此，在设计IC反应器时要充分考虑进水浓度、上升流速和反应器高度间的关系。
　　④进水pH值
　　研究了反应器在较高容积负荷[35.0kgCOD/(m³·d)]、不同进水pH值条件下的COD去除率。当进水pH＜8.0时COD去除率为65%～75%，在pH=8.5时COD去除率达到最大值(89%)，随着pH值的进一步升高则COD去除率逐步下降，但至pH=8.9时下降幅度趋缓。笔者得到的进水最佳pH值(8.5)显然高于普通厌氧反应器中的最佳pH值(7.5～7.8)，这是由于当IC反应器的容积负荷(以总体积计算)为35 kgCOD/(m³·d)时Ⅰ室的容积负荷(以Ⅰ室的体积计算)高达72.0kgCOD/(m³·d)，虽然进水在布水系统处得到稀释和缓冲，但仍会使产酸菌产生过多的有机酸，在此区域内对产甲烷菌的活性会产生一定程度的抑制作用，导致反应器底部pH值明显下降(见图3)。与进水pH=7.5时相比，pH=8.5的进水之pH值下降速度慢，最低下降到7.1，随后趋于稳定，因此IC反应器的处理效果明显优于普通厌氧反应器。

3　结论

　　①在进水容积负荷为24.9～37.52 kgCOD/(m³·d)时，IC反应器Ⅰ室对进水COD的去除率为60%～70%，而Ⅱ室的去除率为20%～30%，对COD的总去除率达83.2%～92.8%。
　　②该反应器可承受较高的有机负荷，对于低浓度(COD为1865～2587mg/L)、中等浓度(COD为3885～4877mg/L)和高浓度(COD为8023～11092mg/L)的进水都具有很好的处理效果。
　　③对于IC反应器，较高的混合液上升流速(2.65～4.35m/h)有利于反应器稳定运行；在容积负荷为35.0kgCOD/(m³·d)和进水pH值为8.5时，反应器具有最大的COD去除率；在设计IC反应器时要充分考虑反应器进水浓度、上升流速和反应器高度间的关系。

参考文献：

　　[1]Lettinga G,Field J,Lier van J,et al.Advanced anaerobic wastewater treatment in the near future[J].Wat Sci Tech,1997,35(10):5-12.
　　[2]Driessen W,Yspeert P.Anaerobic treatment of low,medium and high strength effluent in the agro-industry[J].Wat Sci Tech,1999,40(8):221-228.
　　[3]胡纪萃.试论内循环厌氧反应器[J].中国沼气,1999,17(2):3-6.

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　　收稿日期：2002-05-19