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厌氧内循环反应器的结构应用与优化研究论文废水处理厌氧生物流化床反应器是一种集废水处理技术、流态化技术与微生物技术于一体的高效厌氧生物处理装置[1]。近年来厌氧反应器技术发展迅速，自从1974年Lettinga等[2]发明了升流式厌氧污泥床(UASB)为代表的第二代厌氧反应器以来，厌氧反应器开始广泛运用于实际废水处理。之后涌现了以厌氧颗粒污泥膨胀床(EGSB)[3]和厌氧内循环反应器(IC)[4]为代表的第三代厌氧反应器，尤其是IC反应器将两个UASB反应器串联并设置了内循环系统，极大地改善了污泥持留能力，具有容积负荷高、水力停留时间(HRT)短、高径比大、占地面积小、耐冲击负荷能力强等特点，备受行业关注[5]。尽管IC反应器早在20世纪80年代就已研发成功，1986年荷兰帕克公司就将其投入生产，但直至今日，其核心技术仍未公开，保密极好(1994年才首次见到相关报道)[4]。近年来，国内外学者对其进行了相关研究。截至2013年12月，Sciencedirect英文检索文献只有寥寥10余篇，可见IC反应器的技术保密性极好。然而，国内对其的研究状况却大相径庭，自1995年上海富仕达酿酒公司从荷兰帕克公司引进我国第一套IC反应器技术以来[6]，国内逐渐出现了自主生产IC反应器的厂商，有关IC反应器的研究和应用也越来越多，截至2013年12月，有关IC反应器的CSCD中文文献检索约300余篇。鉴于此，本文对IC反应器的结构、应用和优化作一综述。1IC反应器的结构特性1.1IC反应器的结构原理IC反应器由第二代UASB厌氧反应器发展而来，可视为两个UASB反应器串联而成[7]。IC反应器的特点之一是具有很大的高径比，一般可达4～8[8]，而传统的UASB反应器的高径比一般为2～3[9]。IC反应器的基本框架(图1)为两个厌氧反应区，它的核心是由三相分离器、布水器、提升管、气液分离室及回流管所构成的内循环系统。废水从进水口进入经布水器均匀布水流至第一厌氧反应区，IC反应器较大的高径比使其具有较大的上升流速，使颗粒污泥床处于流化状态，此时固-液接触充分，大部分污水中的有机物在此被厌氧消化产生沼气，少部分有机物进入第二厌氧反应区继续厌氧消化并产生沼气。两个厌氧反应区中所产生的沼气分别被第一、第二三相分离器和收集，沼气产生的升力可带动气液混合物进入提升管，到达气液分离室后由于密度差产生气液分离，沼气从出气口排出，此时液体密度增大，在密度差与重力的作用下经回流管回流至第一厌氧反应区，经布水器导流与进水混合继续上升实现内循环。1.2IC反应器的水力特性IC反应器内的水力特性与传统的UASB反应器截然不同。水力特性是影响基质浓度、产物浓度、反应温度和物料停留时间的均一性的重要因素，它们是基质反应速率快慢的主要致因，较好的水力条件可有效提升反应器的抗负荷冲击能力[10]。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。1.2.1升流速度本文所提出的升流速度特指IC反应器的提升管内混合液的上升速度。Habets等[5]提出第一提升管的升流速度一般到10～20m/h，而第二提升管的升流速度仅为2～10m/h，可以推断第二厌氧反应区产沼气速率约为第一厌氧反应区的1/4，且该区污泥量较少，使得该区的流态趋于稳定，再结合第二三相分离器的作用，可以有效防止污泥的流失，可见内循环的流速(升流速度)很大程度上控制着整个IC反应器运行的稳定性。另外，回流管内流速也与升流速度关系密切，较高的回流流速可增大第一厌氧反应区内混合液的湍流程度，进而一定程度上增强了反应器的固-液传质效果，提升反应器容积负荷。可见，升流速度是IC反应器设计的重要参数之一。因此，Pereboom等[4]提出了IC反应器提升管液体升流速度ulr的表达式[见式(1)，相关物理符号意义已在符号说明中给出，除特殊情况均不在正文内再作介绍，下同]。中影响式(2)准确计算的一个重要因素是提升管底部阻力系数KB的值，参数KB一般通过生产性试验确定。胡纪萃[6]对进水为易生物降解的有机废水化学需氧量(COD)为6000mg/L、废水量Q为540m3/d、水温35℃的IC反应器进行了设计：进水设计容积负荷为20kgCOD/(m3·d)，COD去除率为85%，沼气产率为0.5m3/(kgCOD)，反应器有效高度20.0m，直径3.2m，升流管回流管管径均为150mm，并且经试算得到εr=0.385，εd=0.01925，求得升流管提升速度ulr=1.148m/s，内循环流量Qlr=73m3/h。1.2.2系统压降系统压降直接影响IC反应器的运行能耗。在IC反应器中内循环系统的能量消耗等于沼气气泡绝热膨胀产生的能量[8]，即内循环进行所需能量完全由沼气气泡提供，因此内循环系统的