吴静，陆正禹，胡纪萃，顾夏声
(清华大学环境科学与工程系，北京100084) 摘要：内循环厌氧反应器容积负荷高，占地面积少，在处理土豆加工废水时的容积负荷约为35～50 kgCOD/(m3·d)，处理啤酒废水时的容积负荷达到了15～ 30 kgCOD/(m3·d)，是一种值得推广的新技术。
关键词：内循环厌氧反应器；高浓度有机废水；水力模型
中图分类号：X703
文献标识码：B
文章编号：1000-4602(2001)01-0026-04 内循环(Internal Circulation，IC)厌氧反应器于20世纪80年代中期由荷兰PAQUES公司开发成功，并推入国际废水处理工程市场，可用于处理土豆加工、啤酒、食品、柠檬酸等废水。反应器高度约为16～25 m，容积负荷为普通升流式厌氧污泥床(UASB)的4倍左右［1］，占地少，是一种值得推广的新型反应器。 1 反应器的构造与特点 IC厌氧反应器是在UASB反应器的基础上发展而来的，结构见图1。 
图1 IC厌氧反应器示意图 IC厌氧反应器和UASB反应器一样，能够形成高生物活性的厌氧颗粒污泥，但不同的是这种反应器内部还能够形成流体循环，其形成过程如下：
进水由底部进入第一反应区与颗粒污泥混合，大部分有机物在此被降解，产生大量沼气，沼气被下层三相分离器收集，由于产气量大和液相上升流速较快，沼气、废水和污泥不能很好分离，形成了气、固、液混合流体。又由于气液分离器中的压力小于反应区压力 ，混合液体在沼气的夹带作用下进入气液分离器中，在此大部分沼气脱离混合液外排，混合流体的密度变大，在重力作用下通过回流管回到第一反应区的底部，与第一反应区的废水 、颗粒污泥混合，从而实现了流体在反应器内部的循环。内循环使得第一反应区的液相上升 流速大大增加，可以达到10～20 m/h［2］。
第二反应区的液相上升流速小于第一反应区，一般仅为2～10 m/h［2］。这个区域除了继续进行生物反应之外，由于上升流速的降低，还充当第一反应区和沉淀区之间的缓冲段，对解决跑泥、确保沉淀后出水水质起着重要作用。
IC厌氧反应器与UASB反应器相比具有以下优点：①有机负荷高。内循环提高了第一反应区的液相上升流速，强化了废水中有机物和颗粒污泥间的传质，使IC厌氧反应器的有机负荷远远高于普通UASB反应器。②抗冲击负荷能力强，运行稳定性好。内循环的形成使得IC厌氧反应器第一反应区的实际水量远大于进水水量，例如在处理与啤酒废水浓度相当的废水时，循环流量可达进水流量的2～3倍；处理土豆加工废水时，循环流量可 达10～20倍［2］。循环水稀释了进水，提高了反应器的抗冲击负荷能力和酸碱调节能力，加之有第二反应区继续处理，通常运行很稳定。③基建投资省，占地面积少。在处理相同废水时，IC厌氧反应器的容积负荷是普通UASB的4倍左右，故其所需的容积仅为UASB的1/4～1/3，节省了基建投资。加上IC厌氧反应器多采用高径比为4～8的瘦高型塔式外形［1］，所以占地面积少，尤其适合用地紧张的企业。④节能。IC厌氧反应器的内循 环是在沼气的提升作用下实现的，不需外加动力，节省了回流的能源。 2 水力模型 IC厌氧反应器内部能够形成循环，并且水力混合剧烈，这一点与现有的气升式反应器(Airlift Reactor)很相似。于是Pereboom等人于1994年在气升式反应器水力模型的基础上提出了IC厌氧反应器的水力模型，形式如下[3］：  式中εgr——升流管中的持气率，%
hD——气—液扩散高度，m
εgd——回流管中的持气率，%
KT——顶部阻力损失系数
KB——底部阻力损失系数
Ar——升流管面积，m2
Ad——回流管面积，m2
ΔH——升流管与回流管间的液位差，m
Ugr——升流管中的表观气相上升速度，m/s
ULr——升流管中的表观液相上升速度，m/s 式(1)是关于气升式反应器的著名经验公式，1976年由Hills得到。式(2)的原型式(3)是基于气升式反应器能量守恒提出的理论方程，这一方程也得到了广泛认可。  3 工程应用实例 3.1处理土豆加工废水
土豆加工废水是一种典型的高浓度有机废水，生产时主要产生高、低浓度两种废水，其中高浓度废水中含有氨基酸、蛋白质、糖类、酰胺类、钾盐和纤维素等多种化合物 ；低浓度废水主要是洗涤水。土豆加工废水具有COD含量高、可生化性强的特点，其水 质特征见表1。 表1 土豆加工废水的特征［4］| 种类 | 温度
(℃) | pH | COD
(g/L) | BOD
( g/L) | BOD/COD | TP(%) | TN(%) | PO43-
(%) | 总S
(g/L) | TSS
(g/L) | | 高浓度废水 | 15 | | 54 | 34 | 0.63 | 0.55 | 3.6 | 0.15 | 0.125 | | | 低浓度废水 | 10～14 | 5.7 | 1.8 | 0.55 | 0.31 | | 0.086 | | | 0.4 | IC厌氧反应器最先用于土豆加工废水的处理。1985年荷兰建成的第一个中试IC厌氧反应器以及其后建造的100 m3的IC厌氧反应器［3］都处理这种废水，从运行结果看(见表2)，IC厌氧反应器的容积负荷达到了35～50 kgCOD/(m3·d)，而处理同类废水的UASB反应器的容积负荷仅为10～15 kgCOD/(m3·d)，停留时间前者为4～6 h，而后者需要十几到几十小时。 表2 IC厌氧反应器和UASB反应器处理土豆加工废水的运行结果| 编号 | 反应器类型 | 反应器 | 进水COD*(mg/L) | 运行温 度(℃) | HRT(h) | 容积负荷［kgCOD/(m3·d)］ | ηCOD(%) | | 容积(m3) | 高(m) | | 1 | IC | 17 | 16.6 | 3500～9000 | 30～35 | 4～6 | 35～50 | 75～90 | | 2［3］ | IC | 100 | 15 | 6000～8000 | | 4 | 48 | 85 | | 3［4］ | UASB | 800 | 6 | 10000 | 40 | 18.3 | 15 | 90～95 | | 4［4］ | UASB | 1700 | | 17800 | 33 | 41.5 | 10.3 | 78 | 注 *高、低浓度混合废水的COD值。 | 3.2 处理啤酒废水
啤酒废水的高浓度部分来自糖化和发酵车间，COD浓度约为2 000～4 000 mg/L；低浓度部分的废水量大，COD浓度仅为300～800 mg/L。啤酒废水的BOD/COD值在0.7左右，且不含明显抑制厌氧微生物生长的物质，可生化性强［4］。表3给出了两家啤酒 厂的废水水质。 表3 啤酒废水水质［4］| 编号 | 温度
(℃) | pH | 碱度
(CaCO3，mg/L) | COD*
(g/L) | BOD5**(g/L) | BOD5/COD | TP
(mg/L) | PO3-4 (%) | TN
(mg/L) | 氨氮(mg/L) | TSS
(g/L) | 啤酒
厂
1 | 19～28 | 8 | 120 | 1.0～3.0 | 1.2 | 0.6 | 微量 | 微量 | 40～50 | 20 | 1 | | 啤酒厂2 | 23～26 | 8.5～9.5 | 120 | 1.1～1.3 | 0.74～1.0 | 0.72 | 10～20 | | 30～50 | | 0.7 | 注 *高、低浓度混合废水的COD，**高、低浓度混合废水的BOD5。 | 全球已建成的IC厌氧反应器大部分用于处理啤酒废水，目前中国已有三家啤酒厂引进了此工 艺。IC厌氧反应器和UASB反应器处理啤酒废水的对比情况见表4。由表4可见，IC厌氧反 应器处理啤酒废水的容积负荷可达15～30 kgCOD/(m3·d)，水力停留时间为2～4.2 h，CO D去除率在75%以上；而处理啤酒废水的UASB反应器的容积负荷一般仅为4～7 kgCOD/(m3 ·d)。 表4 IC厌氧反应器和UASB反应器处理啤酒废水的运行结果 | 厂名 | 反应
器类
型 | 厌氧反应器 | 进水 | 容积负荷
［kgCOD/(m3·d)］ | HRT
(h) | ηCOD
(%) | 反应
温度
(℃) | | 容积(m3) | 高(m) | COD
(g/L) | SS(g /L) | pH | 上海富仕达
啤酒厂［5 ］ | IC | 400 | 20.5 | 2 | 0.1～0.6 | 4～10 | 15 | 2 | * | | 沈阳华润雪花
啤酒有限公司［6］ | IC | 70 | 16 | 4.3 | 0.29 | 4.5～6.5 | 25～30 | 4.2 | 80 | 中温 | | 国外啤酒厂甲［3］ | IC | 162 | 20 | 2.0 | 0.3 ～0.5 | | 24 | 2.1 | 80 | 31 | | 国外啤酒厂乙［3］ | IC | 50 | 22 | 1.6 | 0.4～0.6 | | 20 | 2.3 | 85 | 24～28 | | 北京啤酒厂［4］ | UASB | 2000 | | 2 | 0.5 | | 4.3 | 11.2 | 80以上 | 常温 | 荷兰Bavaria B.V.
啤酒厂［4］ | UASB | 1400 | 6. 5 | 1.0～1.5 | 0.2～0.3 | 6～10 | 4.5～7 | 3.4～8 | 75～80 | | | 注*该厂的IC厌氧反应器后接好氧处理系统，总出水COD为75 mg/L，COD的去除率为96.3%。 |
3.3 处理菊苣加工废水
位于荷兰Roosendaal的一家菊苣加工厂产生的菊苣加工废水中有机物含量和含盐量均很高(进水COD约7 900 mg/L，SO42-为250 mg/L，Cl-为4 200 mg/L) 。该厂采用高22 m，容积1100 m3的IC厌氧反应器，每天处理8 000 m3废水，容积负荷达到31 kgCOD/(m3·d)，COD去除率在80%以上，平均停留时间仅6.1 h［2］。 4 关于IC厌氧反应器的几点看法 综上所述，IC厌氧反应器具有高效、占地少等优点，并在土豆加工、啤酒等废水的处理中 都有出色表现，无锡罗氏中亚柠檬酸厂的IC厌氧反应器处理效果也很显著，这些资料说明该 项技术已经成熟。而从理论研究的角度看，IC厌氧反应器已拥有水力模型，可用于指导设计 和调试运行。然而，IC厌氧反应器仍有不少值得研究的地方：
①从构造上看，IC厌氧反应器比UASB反应器复杂，施工和安装要求更高、难度更大。高径比大就意味着进水泵的能量消耗大，运行费用高，所以反应器的选择必须从建设投资和运 行费等各方面进行综合考虑。
②水力模型的合理性和实用性有待研究。该水力模型的原型是气升式反应器的水力模型，这个模型建立的基础是不考虑循环过程中的壁面磨损以及只考虑废水从升流管向降流管和从降流管向升流管流动处的局部损失。这种简化在气升式反应器中由于升流管和降流管的直径较大，是可以接受的，并且也获得了试验的证明，但IC厌氧反应器的升流管和降流管的直径十分有限，这种简化就不尽合理。从IC厌氧反应器的模型上看，Pereboom等人只考虑了气体提升作用，即升流管与降流管间的液位差(ΔH)对反应器水力特征的影响，并未作出相应的理论证明或试验验证，所以模型本身有待进一步研究。从模型的实用性上考虑，计算过程需用迭代法而比较复杂；计算参数的确定也有难度，例如现有的KB的经验式只适用于气升式反应器，是否可以用于IC厌氧反应器不得而知，公开的KB只有两个，分别是8和32，相差较大，难以构造恰当的经验式。
③颗粒污泥在IC厌氧反应器中仍占有重要地位。它与处理同类废水的UASB反应器中的颗粒污泥相比，具有颗粒较大、结构较松散、强度较小等特点，尚未发现更进一步的研究报道。对IC厌氧反应器颗粒污泥的研究可能会成为现有颗粒污泥理论的有力证据或有益补充，具有较大的学术价值。国内引进的IC厌氧反应器均采用荷兰进口颗粒污泥接种，所以为降低工程造价，也需进一步掌握在IC厌氧反应器的水力条件下培养活性和沉降性能良好的颗粒污泥的关键技术。
④IC厌氧反应器由于回流的稀释作用应该比UASB反应器更适于处理难降解有机物，但目前 只有处理高含盐废水(菊苣加工废水)的报道，绝大部分IC厌氧反应器用于处理易降解的啤酒、柠檬酸等废水，所以IC厌氧反应器的应用领域有待开拓。 参考文献：
［1］胡纪萃.试论内循环厌氧反应器［J］.中国沼气，1998，17(17)：3-6.
［2］Habets L H A.Anaerobic treatment of inuline effulent in an interna l circulation reactor［J］.Water Science and Technology，1997，35(10)：189-197.
［3］Pereboom J H F.Methanogenic Granule development in ful l scale internal circulation reactors［J］.Water Science and Technology，1994，3 0(8)：9-21.
［4］贺延龄.废水的厌氧生物处理［M］.北京：中国轻工业出版社，1998.335-3 47.
［5］何晓娟.IC-CIRCOX工艺及其在啤酒废水处理中的应用［J］.给水排水，1997 ，23(52)：26-28.
［6］吴允.啤酒生产废水处理新技术—内循环反应器［J］.环境保护，1997，9： 18-19.
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收稿日期：2000-05-15 | 
