厌氧内循环反应器的结构应用与优化研究论文(2)
时间：2021-08-312.1.2 快速启动
鉴于 IC 反应器启动时间较长，吴静等[16]进行了 IC 反应器快速启动策略研究，发现采用“高容积负荷+较高的接种颗粒污泥浓度”启动策略优势明显，即接种污泥中悬浮固体(SS)浓度为 25.33 g/L、有机容积负荷为11kgCOD/(m3·d)的条件下启动中温IC 反应器，可在第 10 天即可完成启动(有机负荷达到 13kgCOD/(m3·d)，COD 去除率为 95%)。日本学者Tsuyoshi Imai等[17]研究发现在启动UASB反应器时投加吸水性聚合物能加速启动，即此时吸水性聚合物起到了生物载体的作用。同时王冰等[18]研究发现在启动UASB反应器时添加颗粒活性炭也能减少启动时间。可见，增加污泥浓度，可缩短 IC 反应器的启动周期。 另外，陈晨等[19]研究发现利用低强度的超声波照射启动前的颗粒污泥可将 IC 反应器启动时间由10 天缩短至 7 天，且基本不会对微生物细胞结构产生破坏作用，相反还可以促进微生物的生长和代谢，启动结束时的 VSS/SS 值达到 0.82，与种泥相比则有所升高，且其产甲烷活性也较高。
2.2 底物抑制
在良好启动的前提下，适宜的底物浓度是 IC反应器高效运行的保障。氨氮作为厌氧反应器内微生物氮源之一，浓度适宜的情况下能提高体系 pH值稳定性，但是，底物中过高的氨氮浓度会使游离氨浓度偏高，过高浓度的游离氨不仅能直接抑制甲烷合成酶的活性，且作为疏水性分子其能通过被动扩散进入细胞并转变为铵，铵的积累改变了细胞内的 pH 值，从而对细胞产生了毒害作用，导致体系产甲烷活性受到抑制[20-21]。于芳芳等[22]对取自某 IC反应器的厌氧颗粒污泥进行了不同氨氮浓度对其产甲烷活性影响的研究，发现在氨氮浓度为 800mg/L以下时颗粒污泥表现出产甲烷活性增强，当氨氮浓度高于1500mg/L时颗粒污泥活性产甲烷活性降低，并且该课题组还进行了高浓度氨氮对 IC 厌氧反应器运行的抑制性研究[23]，发现当 IC 厌氧反应器进水 COD 为 9000mg/L、氨氮浓度超过 3036mg/L 时对反应器的'运行有抑制作用，氨氮对 IC 反应器的IC50(IC 反应器去除效率为 50%时的氨氮浓度)为4500mg/L，并且氨氮对反应器颗粒污泥的毒性是可恢复的，以葡萄糖为有机碳源，C∶N∶P 为 200∶5∶1 进水，7 天后 COD 去除率恢复到 93.10%，该点可作为工程上 IC 反应器氨中毒恢复的参考。 值得注意的是，与同类型厌氧反应器相比，IC反应器体系表现出了较好的高氨氮浓度耐受能力。何仕均等[24]对取自某厌氧折流板反应器(ABR)的颗粒污泥也进行了不同氨氮浓度对其产甲烷活性影响的研究，当氨氮浓度超过 800mg/L，颗粒污泥产甲烷活性明显被抑制。邓超冰等[25]对取自某UASB 反应器的颗粒污泥进行了相同的研究，也得到了类似的结论。可见，它们的氨氮耐受浓度均低于 IC 反应器。究其原因，可能与 IC 反应器具有更长的泥龄有关，还可能与 IC 反应器的水力特性有关(IC 反应器的内循环结构和较高的上升流速，使体系具有较强剪切力[26]，致使颗粒污泥粒径明显大于传统 UASB 反应器[4]，使其具有更好的氨氮耐受能力)。3 IC 反应器的优化
尽管 IC 反应器已有成功案例，但鉴于其反应器结构的复杂性和水质成分的多样性，IC 反应器的可加工性和运行的稳定性难以获得普遍认可，其结构和工艺仍有较大优化空间。
3.1 结构优化
布水器和三相分离器是 IC 反应器的重要内部构件。全丽君[40]利用 Fluent 软件，通过分别建立液相模型以及气-液、液-固两相模型对不同布水形式和不同三相分离器折板角度的UASB反应器进行数值模拟和流场分析，进而达到优化 UASB 反应器结构的目的。其优化结果：①均匀进水形式和梯形进水形式对 UASB 反应器内部气-液分离效果影响基本相同，但梯形进水形式提高了 UASB 反应区气液混合均匀性;②三相分离器折板角度为 45°～50°有利于 UASB 反应器内气-液-固三相的分离。因此，针对 IC 反应器的内构件优化，也可借助 CFD 模拟(近年来 CFD 模拟发展迅速，在污水设备设计领域CFD 也表现优势)，有望取得较好成果。 内循环结构亦是 IC 反应器的技术核心之一。工程上由于诸多条件限制，IC 反应器的高径比往往在2～6，并且处理一些极高浓度有机废水(如垃圾渗滤液，COD>20000mg/L)时 IC 反应器内流量较小，导致 IC 反应器内的上升流速较低，加上产气量较小，难于实现良好的内部循环，极大地制约了反应器处理潜能。若通过增设外部循环管路，依靠循环泵提供动力，增加上升流速，促进基质循环，能增强传质，优化菌群结构[41]，且附加外循环还能有效稀释进水，增强耐冲击负荷能力。因此，增设外循环管路可优化 IC 反应器的结构。阮文权[42]通过对 IC 反应器附加外循环结构，发明了一种沼气提升式强化厌氧反应器，并且在 2008 年 12 月起该反应器已被利用于对无锡惠联垃圾热电厂垃圾渗滤液的处理，反应器直径为 8m，高度为 23.6m，有效容积 800m3，进水 COD 为 40000mg/L，流量为 300t/d，出水 COD 为 5000mg/L 左右，去除率高达 85%，对垃圾渗滤液的处理达到了良好的效果。
4 结 语
厌氧内循环(IC)反应器具有与第二代厌氧反应器显著不同的典型结构，具有容积负荷高、占地面积小以及抗冲击负荷强等优点。IC 反应器相当于两个 UASB 反应器串联，以生物产气的提升力为动力，依靠内循环结构实现基质和污泥的内循环;升流速度和系统压降作为 IC 反应器两个重要的水力特性，是反应器操作优化与设计优化的重要参考 依据。
IC 反应器的启动速度是其工程推广的关键之一，其常规启动周期一般为 3～6 个月，增加污泥浓度可实现反应器的快速启动。IC 反应器在国内外的工程案例和相关试验研究反映出其不仅适合处理高浓度有机废水，而且其显示出一定氨氮浓度耐受性，在畜禽类高氨氮废水处理领域有较大潜力。 对于 IC 反应器的结构和工艺优化，布水器、三相分离器和循环结构是结构优化的主要部件;为进一步节省占地和提高容积效能，可将 IC 反应器与MBR 工艺组合;将 IC 反应器与外加场力(如磁场)耦合亦可能成为未来的发展趋势。
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