北極星水處理網訊:1.UASB和IC反應器工藝原理
1.1 UASB反應器
1.1.1 UASB簡介
上流式厭氧汙泥床反應器是一種處理汙水的厭氧生物方法，又叫升流式厭氧汙泥床，英文縮寫UASB，由荷蘭Lettinga教授於1977年發明。
汙水自下而上通過UASB。反應器底部有一個高濃度、高活性的汙泥床，汙水中的大部分有機汙染物在此間經過厭氧發酵降解為甲烷和二氧化碳。因水流和氣泡的攪動，汙泥床之上有一個汙泥懸浮層。反應器上部有設有三相分離器，用以分離消化氣、消化液和汙泥顆粒。消化氣自反應器頂部導出;汙泥顆粒自動滑落沉降至反應器底部的汙泥床;消化液從澄清區出水。
UASB 負荷能力很大，適用於高濃度有機廢水的處理。運行良好的UASB有很高的有機汙染物去除率，不需要攪拌，能適應較大幅度的負荷衝擊、溫度和pH變化。
1.1.2 UASB構造
UASB構造上的特點是集生物反應與沉澱於一體，是一種結構緊湊的厭氧反應器。反應器主要由進水配水系統，反應區，三相分離器，氣室，處理水排除系統這幾個部分組成。
圖1 UASB反應器
1.1.3 UASB工作原理
UASB反應器中的厭氧反應過程與其他厭氧生物處理工藝一樣，包括水解，酸化，產乙酸和產甲烷等。通過不同的微生物參與底物的轉化過程而將底物轉化為最終產物——沼氣、水等無機物。
UASB由汙泥反應區、氣液固三相分離器(包括沉澱區)和氣室三部分組成。在底部反應區內存留大量厭氧汙泥，具有良好的沉澱性能和凝聚性能的汙泥在下部形成汙泥層。要處理的汙水從厭氧汙泥床底部流入與汙泥層中汙泥進行混合接觸，汙泥中的微生物分解汙水中的有機物，把它轉化為沼氣。沼氣以微小氣泡形式不斷放出，微小氣泡在上升過程中，不斷合併，逐漸形成較大的氣泡，在汙泥床上部由於沼氣的攪動形成一個汙泥濃度較稀薄的汙泥和水一起上升進入三相分離器，沼氣碰到分離器下部的反射板時，折向反射板的四周，然後穿過水層進入氣室，集中在氣室沼氣，用導管導出，固液混合液經過反射進入三相分離器的沉澱區，汙水中的汙泥發生絮凝，顆粒逐漸增大，並在重力作用下沉降。沉澱至斜壁上的汙泥沿著斜壁滑回厭氧反應區內，使反應區內積累大量的汙泥，與汙泥分離後的處理出水從沉澱區溢流堰上部溢出，然後排出汙泥床。
1.2 IC反應器
1.2.1 IC簡介
隨著生產發展與資金、能耗、佔地等因素間矛盾的進一步突出, 水處理工作者必須努力尋求技術經濟更優化的厭氧工藝, 尤其是如何處理生產發展帶來的新的高濃度有機廢水更使得這一努力成為必要。內循環厭氧反應器( IC )即是這一背景下產生的新型反應器, 是厭氧廢水處理理論與工程實踐相結合的產物,體現了厭氧工藝自身發展要求。1985年, 荷蘭 PAQU ES 公司建立了第一個IC中試反應器, 1988年, 第一座生產性規模的IC 反應器投入運行。目前, IC 反應器已成功應用於啤酒生產、食品加工等行業的生產汙水處理中。由於其處理容量高、投資少、佔地省、運行穩定等特點, 引起了各國水處理人員的矚目,有人視之為第三代厭氧生化反應器的代表工藝之一。進一步研究開發 IC反應器、 推廣其應用範圍已成為厭氧廢水處理的熱點之一。
1.2.2 IC構造
IC反應器由兩個UASB反應器上下疊加串聯構成,高度可達16～25m, 高徑比一般為4～8, 由5個基本部分組成: 混合區、顆粒汙泥膨脹床區、 精處理區、內循環系統和出水區。其中內循環系統是IC工藝的核心結構，由一級三相分離器、沼氣提升管、氣液分離器和泥水下降管等組成。
圖2 IC反應器
1.2.3 IC工作原理
經過調節 pH 和溫度的生產廢水首先進入反應器底部的混合區 , 並與來自泥水下降管的內循環泥水混合液充分混合後進入顆粒汙泥膨脹床進行COD的生化降解, 此處的COD容積負荷很高, 大部分進水COD在此處被降解 , 產生大量沼氣。沼氣由一級三相分離器收集。由於沼氣氣泡形成過程中對液體所作的膨脹功產生了氣體提升作用 , 使得沼氣、 汙泥和水的混合物沿沼氣提升管上升至反應器頂部的氣液分離器 , 沼氣在該處與泥水分離並被導出處理系統。泥水混合物則沿泥水下降管進入反應器底部的混合區 , 並與進水充分混合後進入汙泥膨脹床區, 形成所謂內循環。根據不同的進水 COD負荷和反應器的不同構造 , 內循環流量可達進水流量的0. 5～5倍。經膨脹床處理後的廢水除一部分參與內循環外 , 其餘汙水通過一級三相分離器後, 進入精處理區的顆粒汙泥床區進行剩餘COD降解與產沼氣過程 , 提高和保證了出水水質。由於大部分 COD已被降解, 所以精處理區的COD負荷較低 , 產氣量也較小。該處產生的沼氣由二級三相分離器收集, 通過集氣管進入氣液分離器並被導出處理系統。經過精處理區處理後的廢水經二級三相分離器作用後, 上清液經出水區排走 , 顆粒汙泥則返回精處理區汙泥床。
2.UASB和IC反應器國內外研究現狀
2.1 UASB反應器國內外研究現狀
UASB 反應器作為如今高效厭氧反應器中應用最廣泛的反應器之一，具有能耗低、造價低、能產生生物能等特點， 因而是值得推廣應用的一種新型生化厭氧處理反應器。長期以來被廣泛應用於各種類型的廢水處理，在國內外的應用研 究中也常常出現。在國外如美國、芬蘭、泰國、瑞士、加拿大和奧地利都曾利用UASB反應器處理各種生產廢水，如甜菜制 糖加工廢水、啤酒和酒精加工廢水、生活汙水、牛奶廢水的處理等，都取得了較好的處理效果。我國於1981年開始了對UASB反應器的試驗研究，許多單位在處理高濃度有機廢水時採用 UASB 反應器進行處理，已取得了較好的成效。對於UASB反應器等厭氧處理構築物處理高濃度有機廢水，其出水一般未能達到廢水的最終排放要求，所以往往採取與其他處理工藝相結合的方式。 在90年代末期出現了UASB與其他工藝聯合使用的例子，如 UASB-AF工藝處理維生素C廢水，上流式厭氧汙泥床過濾器處理滌綸廢水等，提高了處理效果。
2.2 IC反應器國內外研究現狀
從 IC 反應器的工程實踐看,國內瀋陽、上海率先採用了 IC工藝處理啤酒生產廢水。以瀋陽華潤雪花啤酒有限公司採用的IC反應器為例, 反應器高16 m, 有效容積70 m 3 , 每天處理平均COD濃度為4300 mg / L 的啤酒廢水 400 m 3 ,在COD去除率穩定在80%的條件下, 容積負荷高達25～30 kg /m 3˙d。公司在解決處理生產廢水問題的同時, 經濟上也獲得較大收益:每年節省排汙費 75萬元 , 沼氣回收利用價值 45萬元, 相比之下, 反應器年運行費用僅為62萬元。可見, IC工藝達到了技術經濟的優化。IC 工藝在國外的應用以歐洲較為普遍, 運行經驗也較國內成熟許多, 不但已在啤酒生產、土豆加工、造紙等生產領域內的廢水處理上有成功應用, 而且正日益擴展其應用範圍, 規模也越來越大。荷蘭SEN SUS公司就建造了容積為 1100 m 3 的IC 反應器處理菊粉 ( inuline ) 生產廢水, 而據估算, 如採用UASB反應器處理同樣廢水,反應器容積將達 2200 m 3 ,投資及佔地也將大大增加。1995年該反應器初期運行時,日處理 COD濃度約為7200 mg / L 的廢3960 m 3 ,水力負荷達 30 kg COD /m 3˙d, COD去除率穩定在70%～80%。
3.UASB和IC反應器異同比較
UASB在國內廣泛應用，也得到許多水處理專業人士的認可。IC是一種內循環反應器，其構造就相當於將兩個UASB疊加起來，可以看成UASB的衍生系統。IC反應器與UASB 反應器處理相同廢水的對比結果如表1。
表1在給出 IC反應器實際應用的同時, 對採用UASB工藝處理相同廢水進行了比較。可以看出, IC反應器很大程度上解決了UASB的相對不足, 大大提高了單位反應器容積的處理容量。
下面，我通過表格將兩個系統各自優缺點進行歸納一下：
4.UASB和IC的應用實例
4.1 山東青援食品集團玉米澱粉廢水UASB處理工藝
玉米澱粉廢水含有豐富的碳水化合物及氮、 磷等營養物, CODCr界於10000～20000 mg/L 之間, 屬可生化性較好的高濃度有機廢水, 適宜採用生化處理工藝。廢水中懸浮物及膠體蛋白含量較高,含量過高對厭氧汙泥系統的發展會產生不利影響。玉米浸泡過程中會有少量 SO32-及SO42-進入廢水系統, 在厭氧處理過程中, 這些含硫的化合物被微生物還原為硫化氫, 當亞硫酸鹽及硫化氫超過一定值時, 就會對厭氧系統產生一定的抑制作用。
圖3 玉米澱粉廢水處理工藝流程
該工程 UASB 裝置設計尺寸為:θ8×16 m , 有效容積750 m3 , 停留時間36 h。UASB裝置的主要作用是將廢水中高分子有機物降解為低分子有機物, 並去除廢水中大部分有機物。
4.2 燕京啤酒集團啤酒廢水IC處理工藝流程
2004年5月，燕京集團總部投資500多萬元，從上海荷蘭帕斯公司引進了好氧、厭氧相結合的汙水處理系統的IC反應器，新技術工藝不僅大大節約了用水量，各項汙染物排放指標也遠低於國家規定的排放標準，使汙水排放達到綠色奧運標準。
原水中COD值一般在1300-1500 mg/L，經過IC反應器後，COD降到600-700 mg/L，通過SBR處理後，出水COD在60 mg/L以下，符合二級出水標準。
啤酒廢水一般偏酸性(pH5~6)，含有大量的懸浮固體(SS為400~1000mg/L)，含有大量易生物降解的有機物(COD為1500～3000mg/L)。廢水中BOD/COD高達0.5～0.7，一般不含有毒有害成份，具有良好的可生化性能。若僅採用好氧法處理，存在能耗高、費用大等問題，若結合先進的厭氧處理技術，將提高效率，降低處理費。本套工藝就是先採用目前較為先進的IC厭氧處理技術，但是光用厭氧處理，出水不達標，且水中溶解氧較低，不能直接排放，所以用SBR進一步處理，然後排放，處理效果好。
5.總結與展望
與UASB等第二代厭氧反應器相比，IC反應器具有以下優點：<1>有機負荷率高，水力停留時間短;<2>高徑比大，佔地面積小，基建投資省;<3>出水穩定，耐衝擊負荷能力強。國內現在越來越多的廠家開始運用IC反應器，它的沼氣回收利用價值也很大，IC反應器最大的特點是擁有兩個厭氧反應室。並實現了泥水混合液在反應器內部的循環。這樣就解決了UASB反應器中由於泥水接觸不夠充分導致顆粒汙泥生化處理能力減弱的負面影響。
因此，IC反應器是對現代厭氧反應器的一個突破,在工業上應用於廢水處理有機汙染物具有廣闊的發展前景，將越來越多的替代UASB反應器，值得進一步研究開發與推廣。
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