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株洲市IC厭氧反應器

　　IC厭氧反應器是厭氧反應器，即內循環厭氧反應器，相似由2層UASB反應器串聯而成，用于機高濃度廢水，如，玉米淀粉廢水、檸檬酸廢水、啤酒廢水、土豆加工廢水、酒精廢水。IC 反應器當前在造紙行業較多的是用各類廢紙作原料的造紙企業，處理的包括實現一般的，通過治理后的，從而達到節水和治污的雙重。

　　IC厭氧反應器水封罐主要由杯形罐體和進、出水口組成，其特征在于 園底杯形罐的罐壁上部設相對的進、出水口，其進水口的水 平位置略高于出水口;進水口處裝活動式閥板，該閥板與進 水口的接觸面上設密封墊;下端為弧形的隔板從罐蓋的 扁孔垂直插入罐內至下部。

　　IC厭氧反應器的水封罐可以隔空氣，可以維持厭氧反應器的壓力，可以起阻火器的，還可以一定的沼氣凈化效果。

　　IC厭氧反應器水封罐工作原理如下：密閉罐中原油沉降分離后的含硫化氫天然氣通過水封罐管道進入水封罐的底部，通過底部篩管分散氣流后進入水域空間，含硫化氫天然氣從水域底部上升后聚集在水封罐的液體上部空間，當氣體不斷由液體中分離出來，在上部空間聚集形成一定壓力后，由水封罐部出口管線排出燃燒。當發生回火時，水域成為含硫化氫天然氣流程的隔斷部分，能夠效的保護罐，同時天然氣通過水域空間時，一部分凝液被降溫分離，在水域上部形成凝析液層，減緩了阻火器的堵塞情況。

　　工作原理

　　它相似由2層UASB反應器串聯而成。按功能劃分，反應器由下而上共分為5個區：混合區、1厭氧區、2厭氧區、沉淀區和氣液分離區。

　　混合區：反應器底部進水、顆粒污泥和氣液分離區回流的泥水混合物效地在此區混合。

　　1厭氧區：混合區形成的泥水混合物進入該區，在高濃度污泥下，大部分機物轉化為沼氣。混合液上升流和沼氣的劇烈擾動使該反應區內污泥呈膨脹和流化狀態，加強了泥水表面接觸，污泥由此而保持著高的活性。隨著沼氣產量的增多，一部分泥水混合物被沼氣提升至部的氣液分離區。

　　氣液分離區：被提升的混合物中的沼氣在此與泥水分離并導出處理系統，泥水混合物則沿著回流管返回到下端的混合區，與反應器底部的污泥和進水充分混合，實現了混合液的內部循環。

　　2厭氧區：經1厭氧區處理后的廢水，除一部分被沼氣提升外，其余的都通過三相分離器進入2厭氧區。該區污泥濃度較低，且廢水中大部分機物已在1厭氧區被降解，因此沼氣產生量較少。沼氣通過沼氣管導入氣液分離區，對2厭氧區的擾動很小，這為污泥的停留提供了利條件。

　　沉淀區：2厭氧區的泥水混合物在沉淀區進行固液分離，上清液由出水管排走，沉淀的顆粒污泥返回2厭氧區污泥床。

　　從IC反應器工作原理中可見，反應器通過2層三相分離器來實現SRT>HRT，獲得高污泥濃度;通過大量沼氣和內循環的劇烈擾動，使泥水充分接觸，獲得良好的傳質效果。

　　優點

　　IC 反應器的構造及其工作原理決定了其在控制厭氧處理影響因素方面比其它反應器更具。

　　(1)容積負荷高：IC反應器內污泥濃，微生物量大，且存在內循環，傳質效果好，進水機負荷可過普通厭氧反應器的3倍以上。

　　(2)節省投資和占地面積：IC 反應器容積負荷率高出普通UASB 反應器3倍左右，其體積相當于普通反應器的1/4—1/3 左右，大大降低了反應器的基建投資;而且IC反應器高徑比很大(一般為4—8)，所以占地面積少。

　　(3)抗沖擊負荷能力強：處理低濃度廢水(COD=2000—3000mg/L)時，反應器內循環流量可達進水量的2—3 倍;處理高濃度廢水(COD=10000—15000mg/L)時，內循環流量可達進水量的10—20倍。大量的循環水和進水充分混合，使原水中的害物質得到充分稀釋，大大降低了毒物對厭氧消化過程的影響。

　　(4)抗低溫能力強：溫度對厭氧消化的影響主要是對消化速率的影響。IC反應器由于含大量的微生物，溫度對厭氧消化的影響變得不再突出和嚴重。通常IC反應器厭氧消化可在常溫條件(20—25 ℃)下進行，這樣減少了消化保溫的困難，節省了能量。

　　(5)具緩沖pH值的能力：內循環流量相當于1 厭氧區的出水回流，可利用COD轉化的堿度，對pH值起緩沖，使反應器內pH值保持好的狀態，同時還可減少進水的投堿量。

　　(6)內部自動循環，不必外加動力：普通厭氧反應器的回流是通過外部加壓實現的，而IC 反應器以自身產生的沼氣作為提升的動力來實現混合液內循環，不必設泵強制循環，節省了動力消耗。

　　(7)出水：利用二UASB串聯分厭氧處理，可以補償厭氧過程中K s高產生的不利影響。Van Lier在1994年證明，反應器分會降低出水VFA濃度，延長生物停留時間，使反應進行穩定。

　　(8)啟動周期短：IC反應器內污泥活性高，生物增殖快，為反應器快速啟動提供利條件。IC反應器啟動周期一般為1～2個月，而普通UASB啟動周期長達4～6個月。

　　(9)沼氣利用價值高：反應器產生的生物氣純，CH4為70%～80%，CO2為20%～30%，其它機物為1%～5%，可作為燃料加以利用

株洲市IC厭氧反應器　

　適用范圍

　　IC厭氧反應器是一種的多內循環反應器，為三代厭氧反應器的代表類型(UASB為二代厭氧反應器的代表類型)，與二代厭氧反應器相比，它具占地少、機負荷高、抗沖擊能力更強，性能更穩定、操作管理更簡單。當COD為10000-15000mg/1時的高濃度機廢水;二代UASB反應器一般容積負荷為5-8kgCOD/m3;三代AIC厭氧反應器容積負荷率可達15-30kgCOD/m3。IC厭氧反應器適用于機高濃度廢水，如，玉米淀粉廢水、檸檬酸廢水、啤酒廢水、土豆加工廢水、酒精廢水。

　　厭氧反應四個階段

　　一般來說，廢水中復雜機物物料比較多，通過厭氧分解分四個階段加以降解：

　　(1)水解階段：高分子機物由于其大分子體積，不能直接通過厭氧菌的細胞壁，需要在微生物體外通過胞外酶加以分解成小分子。廢水中的機物質比如纖維素被纖維素酶分解成纖維二糖和葡萄糖，淀粉被分解成麥芽糖和葡萄糖，蛋白質被分解成短肽和氨基酸。分解后的這些小分子能夠通過細胞壁進入到細胞的體內進行下一步的分解。

　　(2)酸化階段：上述的小分子機物進入到細胞體內轉化成更為簡單的化合物并被分配到細胞外，這一階段的主要產物為揮發性脂肪酸(VFA)，同時還部分的醇類、乳酸、二氧化碳、氫氣、氨、硫化氫等產物產生。

　　(3)產乙酸階段：在此階段，上一步的產物進一步被轉化成乙酸、碳酸、氫氣以及新的細胞物質。

　　(4)產甲烷階段：在這一階段，乙酸、氫氣、碳酸、甲酸和甲醇都被轉化成甲烷、二氧化碳和新的細胞物質。這一階段也是整個厭氧過程為重要的階段和整個厭氧反應過程的限速階段。

　　再上述四個階段中，人認為二個階段和三個階段可以分為一個階段，在這兩個階段的反應是在同一類細菌體類完成的。前三個階段的反應速度很快，如果用莫諾方程來模擬前三個階段的反應速率的話，Ks(半速率常數)可以在50mg/l以下，μ可以達到5KgCOD/KgMLSS.d。而四個反應階段通常很慢，同時也是為重要的反應過程，在前面幾個階段中，廢水的中污染物質只是形態上發生變化，COD幾乎沒什么去除，只是在四個階段中污染物質變成甲烷等氣體，使廢水中COD大幅度下降。同時在四個階段產生大量的堿度這與前三個階段產生的機酸相平衡，維持廢水中的PH穩定，反應的連續進行。

　　水解反應

　　水解可定義為復雜的非溶解性的聚合物被轉化成簡單的溶解性單體和二聚體的過程。水解反應針對不同的廢水類型差別很大，這要取決于胞外酶能否效的接觸到底物。因此，大的顆粒比小顆粒底物要難降解很多，比如造紙廢水、印染廢水和制藥廢水的木質素、大分子纖維素就很難水解。

　　水解速度的可由以下動力學方程加以描述：

　　ρ=ρo/(1+Kh.T)

　　ρ ——可降解的非溶解性底物濃度(g/l);

　　ρo———非溶解性底物的初始濃度(g/l);

　　Kh——水解常數(d-1);

　　T——停留時間(d)。

　　一般來說，影響Kh的因素很多，很難確定一個特定的方程來求解Kh，但我們可以根據一些特定條件的Kh，反推導出水解反應器的容積和非常好的反應條件。在實際工程實施中，條件的話，應針對要處理的廢水作一些Kh的測試工作。通過對外一些報道的研究，提出在低溫下水解對脂肪和蛋白質的降解速率非常慢，這個時候，可以不考慮厭氧處理方式。對于生活污水來說，在溫度15的情況下，Kh=0.2左右。但在水解階段我們不需要過多的COD去除效果，而且在一個反應器中你很難嚴格的把厭氧反應的幾個階段區分開來，一旦停留時間過長，對工程的性就不太。如果就單的水解反應針對生活污水來說，COD可以控制到0.1的去除效果就可以了。

　　把這些參數和給定的條件代入到水解動力學方程中，可以得到停留水解停留時間：

　　T=13.44h

　　這對于水解和后續階段處于一個反應器中厭氧處理單元來說是一個很短的時間，在實際工程中也完可以實現。如果條件的地方我們可以適當提高廢水的反應溫度，這樣反應時間還會大大縮短。而且一般對于城市污水來說，長的排水管網和廢水中本生的生物多樣性，所以當廢水流到廢水處理場時，這個過程也在很大程度上完成，到目前為止還沒看到關于水解作為生活污水厭氧反應的限速報道。

　　發酵酸化反應

　　發酵可以被定義為機化合物既作為電子受體也作為電子供體的生物降解過程，在此過程中機物被轉化成以揮發性脂肪酸為主的末端產物。

　　酸化過程是由大量的、多種多樣的發酵細菌來完成的，在這些細菌中大部分是專性厭氧菌，只1%是兼性厭氧菌，但正是這1%的兼性菌在反應器受到氧氣的沖擊時，能迅速消耗掉這些氧氣，保持廢水低的氧化還原電位，同時也保護了產甲烷菌的運行條件。

　　酸化過程的底物取決于厭氧降解的條件、底物種類和參與酸化的微生物種群。對于一個穩態的反應器來說，乙酸、二氧化碳、氫氣則是酸化反應的主要產物。這些都是產甲烷階段所需要的底物。

　　在這個階段產生兩種重要的厭氧反應是否正常的底物就是揮發性脂肪酸(VFA)和氨氮。VFA過高會使廢水的PH下降，逐漸影響到產甲烷菌的正常進行，使產氣量減小，同時整個反應的自然堿度也會較少，系統平衡PH的能力減弱，整個反應會形成惡性循環，使得整個反應器終失敗。氨氮它起到一個平衡的，一方面，它能夠中和一部分VFA，使廢水PH具更大的緩沖能力，同時又給生物體合成自生生長需要的營養物質，但過高的氨氮會給微生物帶來毒性，廢水中的氨氮主要是由于蛋白質的分解帶來的，的生活污水中含20-50mg/l左右的氨氮，這個范圍是厭氧微生物非常理想的范圍。

　　另外一個重要指標就是廢水中氫氣的濃度，以含碳17的脂肪酸降解為例：

　　CH3(CH2)15COO-+14H2O—> 7CH3COO-+CH3CH2COO-+7H++14H2

　　脂肪酸的降解都會產生大量的氫氣，如果要使上述反應得以正常進行，必須在下一反應中消耗掉足夠的氫氣，來維持這一反應的平衡。如果廢水的氫氣指標過高，表明廢水的產甲烷反應已經受到嚴重抑制，需要進行修復，一般來說氫氣濃度升高是伴隨PH指標降低的，所以不難監測到廢水中氫氣的變化情況，但廢水本身一定的緩沖能力，所以完通過PH下降來判斷氫氣濃度的變化一定的滯后性，所以通過監測廢水中氫氣濃度的變化是對整個反應器反應狀態一個快捷的表現形式。

　　產乙酸反應

　　發酵階段的產物揮發性脂肪酸VFA在產乙酸階段進一步降解成乙酸，其常用反應式如以下幾種：

　　CH3CHOHCOO-+2H2O —> CH3COO-+HCO3-+H++2H2 ΔG’0=-4.2KJ/MOL

　　CH3CH2OH+H2O-> CH3COO-+H++2H2O ΔG’0=9.6KJ/MOL

　　CH3CH2CH2COO-+2H2O-> 2CH3COO-+H++2H2 ΔG’0=48.1KJ/MOL

　　CH3CH2COO-+3H2O-> CH3COO-+HCO3-+H++3H2 ΔG’0=76.1KJ/MOL

　　4CH3OH+2CO2-> 3CH3COO-+2H2O ΔG’0=-2.9KJ/MOL

　　2HCO3-+4H2+H+->CH3COO-+4H2O ΔG’0=-70.3KJ/MOL

　　從上面的反應方程式可以看出，乙醇、丁酸和丙酸不會被降解，但由于后續反應中氫的消耗，使得反應能夠向右進行，在一階段，氫的平衡顯得更加重要，同時后續的產甲烷過程為這一階段的轉化提供能量。實際上這一階段和前面的發酵階段都是由同一類細菌完成，都在細菌體內進行，并且產物排放到水體中，界限并沒十分清楚，在設計反應器時，沒足夠的理由把他們分開。

　　產甲烷反應

　　在厭氧反應中，大約70%左右的甲烷由乙酸歧化菌產生，這也是這幾個階段中遵循莫諾方程反應的階段。

　　另一類產生甲烷的微生物是由氫氣和二氧化碳形成的。在正常條件下，他們大約占30%左右。其中約一般的嗜氫細菌也能利用甲酸產生甲烷。主要的產甲烷過程反應：

　　CH3COO-+H2O->CH4+HCO3- ΔG’0=-31.0KJ/MOL

　　HCO3-+H++4H2->CH4+3H2O ΔG’0=-135.6KJ/MOL

　　4CH3OH->3CH4+CO2+2H2O ΔG’0=-312KJ/MOL

　　4HCOO-+2H+->CH4+CO2+2HCO3- ΔG’0=-32.9KJ/MOL

　　在甲烷的形成過程中，主要的中間產物是甲基輔酶M(CH3-S-CH2-SO3-)。這個過程可用以下圖示所標：

　　在甲基輔酶M還原成甲烷的過程中，需要非常重要的甲基還原酶，其中含重要的金屬離子Ni+。這對生活污水來說是比較缺乏微量金屬離子，所以在生活污水的厭氧生物處理過程中補充一定的微量金屬離子是非常必要的。

　　低濃度廢水反應速率的選擇

　　以生活污水為例，一般來說影響廢水厭氧反應速率的因素很多，包括反應溫度、廢水的毒性、原水基質濃度、原水的PH值、傳質效率、營養物質的平衡、微量元素的催化等等。對于生活污水來說，影響比較大的因素反應溫度、原水的基質濃度、傳質效率以及微量元素的催化。因為生活污水的營養比和PH值被*為非常適合生物的生長的。在前面的敘述中，已經提及了厭氧反應的前三個階段對于生活污水來說，很快就可以完成，尤其水解階段，不存在傳質的限制，同時通常長距離的管網也給水解提供了足夠的時間。因此我們提出的厭氧處理低濃度廢水設計思想中，主要考慮產甲烷過程作為限速步驟。

　　由于產甲烷階段遵循莫諾方程，整個速率的確定以莫諾方程為基礎。在上式中，很難把總體反應的Ks值估算出來，因為它受到的影響因素很多，對于不同類型的廢水差別很大。對于生活污水來說可以根據不同的單個因素影響列成很多分式莫諾方程，后各式相乘再加上修正系數，這個方程可以得出比較接近的Ks值，作為厭氧處理生活污水時的參考設計數據。