丁麗麗，任洪強，華兆哲，陳堅
(無錫輕工大學生物工程學院，江蘇無錫　214036)

　　摘　要：以實驗室規模的內循環厭氧反應器(IC)為研究對象，考察了其運行狀況和影響運行的特征參數。試驗結果表明：當進水容積負荷為24.9～37.52kgCOD/(m³·d)時對COD的去除率達83.2%～92.8%，其中Ⅰ室的去除率為60%～70%，Ⅱ室的去除率為20%～30%；進水的上升流速高(2.65～4.35m/h)有利于反應器的穩定運行；在較高的容積負荷[35.0kgCOD/(m3·d)]、進水pH值為8.5時反應器具有最大的COD去除率。
　　關鍵詞：IC反應器；中溫；運行特性
　　中圖分類號：X703.1
　　文獻標識碼：C
　　文章編號：1000-4602(2002)11-0046-03

　　內循環厭氧反應器(Internal Circulation,簡稱IC)是在UASB反應器基礎上開發出的第三代超高效厭氧反應器，其特征是在反應器中裝有兩級三相分離器，反應器下半部分可在極高的負荷條件下運行。整個反應器的有機負荷和水力負荷也較高，并可實現液體內部的無動力循環，從而克服了UASB反應器在較高的上升流速度下顆粒污泥易流失的不足^[1～3]。筆者在實驗室對小型IC反應器(25 L)進行了系統研究，主要考察了反應器在中溫條件下的運行特性及其影響因素，驗證了IC反應器在UASB基礎上的結構改進對處理效能的促進作用。

1　試驗裝置和方法

1.1　試驗裝置
　　IC反應器為有機玻璃制成，有效容積為25L，反應器總高度為1500mm，沿柱高設置多個取樣孔。將反應器安裝在恒溫箱內，用WMZK-01溫控儀和熱源構成自動溫控系統，將溫度控制在(35±1)℃。工藝流程見圖1。
　　試驗配水首先進入Ⅰ室被降解，產生的沼氣由Ⅰ室的集氣罩收集，大量沼氣攜帶Ⅰ室的泥水混合液沿著提升管上升至反應器頂部的氣液分離器，沼氣在此處逸出反應器，而泥水混合液則沿下降管返回到Ⅰ室的底部。Ⅰ室出水自動進入Ⅱ室繼續處理，隨后經Ⅱ室的三相分離器排出反應器外。

1.2　試驗用水
　　采用人工合成的葡萄糖廢水，并加入適量微量元素(見表1)。
1.3　接種污泥
　　接種污泥采用無錫獅王太湖水啤酒有限公司UASB反應器中的顆粒污泥，污泥的TSS為72.2g/L，VSS為56.6g/L。接種前先將污泥顆粒進行篩洗處理，再用COD為500mg/L的人工配水連續(8～10h)進行漂洗和活化。

表1　人工合成葡萄糖廢水的組分及含量 組分 含量 組分 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：重鉻酸鉀法；pH值：玻璃電極法；SS和VSS：稱重法。

2　結果與討論

2.1　運行結果
　　IC反應器的試驗條件和運行結果見表2。

表2　運行結果 試驗階段 第一階段 第二階段 第三階段 時間(d) 1～29 30～59 60～90 溫度(℃) 35 進水pH 7.5～8.0 7.8～8.9 8.5～8.9 進水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 階段描述 提高負荷期 提高負荷期 穩定運行期 注：OLR為反應器的COD容積負荷；SLR為反應器的COD污泥負荷；v為上升流速。

　　①Ⅰ室
　　IC反應器Ⅰ室在高負荷下運行，其COD去除率為60%～70%。反應器的初始容積負荷為31.25kgCOD/(m³·d)，COD去除率為62.3%。第29天容積負荷升至50.8kgCOD/(m³·d)，COD去除率為59.8%。在第55天反應器進水COD濃度為4500mg/L，污泥負荷為3.99gCOD/(gVSS·d)，COD去除率為61%。第89天容積負荷和污泥負荷分別為76.83kgCOD/(m³·d)、3.97gCOD/(gVSS·d)，COD去除率為64.3%。
　　②Ⅱ室
　　與Ⅰ室相比，Ⅱ室的運行負荷相對較低，以Ⅱ室進水COD濃度計算則Ⅱ室的COD去除率為60%～85%，去除的COD占反應器進水COD的20%～30%。Ⅱ室的初始負荷為10.9kgCOD/(m³·d)，COD去除率為61.0%；第57天有機負荷達到最大[28.8kgCOD/(m³·d)]，COD去除率為73.15%。
2.2　影響因素分析
　　在控制反應器溫度為(35±1)℃、試驗用水為葡萄糖配水的條件下，主要研究了容積負荷、升流速度、進水COD濃度和進水pH值的影響。
　　①容積負荷
　　UASB反應器在處理中、高濃度廢水時最大容積負荷只能達到10～20 kgCOD/(m³·d)，因容積負荷過高會導致顆粒污泥流失^[2]，而IC反應器的最大容積負荷可達36.96～37.52kgCOD/(m³·d)(見表2)，這是因為60%～70%的有機物在Ⅰ室得到降解，產生的大量沼氣被一級三相分離器收集后排出反應器，因此不會在Ⅱ室中產生很高的氣體上升流速，對顆粒污泥的流失影響較小。?
　　IC反應器在高負荷下運行仍能達到很高的COD去除率(見表2)，這與反應器具有液體內循環密切相關。經分析可知，當容積負荷升高時產生的沼氣量增加，推動液體形成的內循環流量增大，進水得到了更大程度的稀釋和調節，Ⅰ室內液固充分接觸，傳質速率增加，使有機物易于得到降解。
　　②混合液的上升流速
　　一般認為，以顆粒污泥為主體的UASB的混合液上升流速宜控制在0.5～1.5m/h，而IC反應器的混合液上升流速為2.5～10m/h^[3](在一定程度上改善了基質與微生物間的傳質過程)。試驗發現，在2.65～4.35m/h的上升流速下Ⅰ室的沼氣產量明顯增加，造成氣提管中的液體通量明顯增大和中間回流管的流量加快，這說明通過增加進水量的方式可明顯提高反應器中的循環比例(一方面可改善反應器底部對進水COD負荷的承受能力，提高反應器的抗沖擊負荷能力；另一方面可提高流速而強化傳質過程，避免了反應中可能出現的局部基質濃度過高現象，確保了反應器能正常穩定地運行)。
　　③進水COD濃度
　　在進水COD濃度分別為1300mg/L(A)、2000mg/L(B)、4500mg/L(C)、9897mg/L(D)的條件下，控制反應器的上升流速為4.0 m/h，沿反應器高度取樣并測定COD濃度，結果見圖2。

　　從圖2可以看出，在不同的進水濃度條件下反應器中的COD濃度在高度上呈梯度分布，Ⅰ室中COD濃度下降較快，而Ⅱ室中COD濃度變化相對緩慢。因此，在設計IC反應器時要充分考慮進水濃度、上升流速和反應器高度間的關系。
　　④進水pH值
　　研究了反應器在較高容積負荷[35.0kgCOD/(m³·d)]、不同進水pH值條件下的COD去除率。當進水pH＜8.0時COD去除率為65%～75%，在pH=8.5時COD去除率達到最大值(89%)，隨著pH值的進一步升高則COD去除率逐步下降，但至pH=8.9時下降幅度趨緩。筆者得到的進水最佳pH值(8.5)顯然高于普通厭氧反應器中的最佳pH值(7.5～7.8)，這是由于當IC反應器的容積負荷(以總體積計算)為35 kgCOD/(m³·d)時Ⅰ室的容積負荷(以Ⅰ室的體積計算)高達72.0kgCOD/(m³·d)，雖然進水在布水系統處得到稀釋和緩沖，但仍會使產酸菌產生過多的有機酸，在此區域內對產甲烷菌的活性會產生一定程度的抑制作用，導致反應器底部pH值明顯下降(見圖3)。與進水pH=7.5時相比，pH=8.5的進水之pH值下降速度慢，最低下降到7.1，隨后趨于穩定，因此IC反應器的處理效果明顯優于普通厭氧反應器。

3　結論

　　①在進水容積負荷為24.9～37.52 kgCOD/(m³·d)時，IC反應器Ⅰ室對進水COD的去除率為60%～70%，而Ⅱ室的去除率為20%～30%，對COD的總去除率達83.2%～92.8%。
　　②該反應器可承受較高的有機負荷，對于低濃度(COD為1865～2587mg/L)、中等濃度(COD為3885～4877mg/L)和高濃度(COD為8023～11092mg/L)的進水都具有很好的處理效果。
　　③對于IC反應器，較高的混合液上升流速(2.65～4.35m/h)有利于反應器穩定運行；在容積負荷為35.0kgCOD/(m³·d)和進水pH值為8.5時，反應器具有最大的COD去除率；在設計IC反應器時要充分考慮反應器進水濃度、上升流速和反應器高度間的關系。

參考文獻：

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　　[3]胡紀萃.試論內循環厭氧反應器[J].中國沼氣,1999,17(2):3-6.

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　　收稿日期：2002-05-19