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株洲市IC厭氧反應(yīng)器

　　IC厭氧反應(yīng)器是厭氧反應(yīng)器，即內(nèi)循環(huán)厭氧反應(yīng)器，相似由2層UASB反應(yīng)器串聯(lián)而成，用于機(jī)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(yīng)器當(dāng)前在造紙行業(yè)較多的是用各類廢紙作原料的造紙企業(yè)，處理的包括實(shí)現(xiàn)一般的，通過治理后的，從而達(dá)到節(jié)水和治污的雙重。

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

　　IC厭氧反應(yīng)器的水封罐可以隔空氣，可以維持厭氧反應(yīng)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(yīng)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(jìn)入水封罐的底部，通過底部篩管分散氣流后進(jìn)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(dāng)氣體不斷由液體中分離出來(lái)，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(dāng)發(fā)生回火時(shí)，水域成為含硫化氫天然氣流程的隔斷部分，能夠效的保護(hù)罐，同時(shí)天然氣通過水域空間時(shí)，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(yīng)器串聯(lián)而成。按功能劃分，反應(yīng)器由下而上共分為5個(gè)區(qū)：混合區(qū)、1厭氧區(qū)、2厭氧區(qū)、沉淀區(qū)和氣液分離區(qū)。

　　混合區(qū)：反應(yīng)器底部進(jìn)水、顆粒污泥和氣液分離區(qū)回流的泥水混合物效地在此區(qū)混合。

　　1厭氧區(qū)：混合區(qū)形成的泥水混合物進(jìn)入該區(qū)，在高濃度污泥下，大部分機(jī)物轉(zhuǎn)化為沼氣?；旌弦荷仙骱驼託獾膭×覕_動(dòng)使該反應(yīng)區(qū)內(nèi)污泥呈膨脹和流化狀態(tài)，加強(qiáng)了泥水表面接觸，污泥由此而保持著高的活性。隨著沼氣產(chǎn)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(qū)。

　　氣液分離區(qū)：被提升的混合物中的沼氣在此與泥水分離并導(dǎo)出處理系統(tǒng)，泥水混合物則沿著回流管返回到下端的混合區(qū)，與反應(yīng)器底部的污泥和進(jìn)水充分混合，實(shí)現(xiàn)了混合液的內(nèi)部循環(huán)。

　　2厭氧區(qū)：經(jīng)1厭氧區(qū)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(jìn)入2厭氧區(qū)。該區(qū)污泥濃度較低，且廢水中大部分機(jī)物已在1厭氧區(qū)被降解，因此沼氣產(chǎn)生量較少。沼氣通過沼氣管導(dǎo)入氣液分離區(qū)，對(duì)2厭氧區(qū)的擾動(dòng)很小，這為污泥的停留提供了利條件。

　　沉淀區(qū)：2厭氧區(qū)的泥水混合物在沉淀區(qū)進(jìn)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(qū)污泥床。

　　從IC反應(yīng)器工作原理中可見，反應(yīng)器通過2層三相分離器來(lái)實(shí)現(xiàn)SRT>HRT，獲得高污泥濃度;通過大量沼氣和內(nèi)循環(huán)的劇烈擾動(dòng)，使泥水充分接觸，獲得良好的傳質(zhì)效果。

　　優(yōu)點(diǎn)

　　IC 反應(yīng)器的構(gòu)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(yīng)器更具。

　　(1)容積負(fù)荷高：IC反應(yīng)器內(nèi)污泥濃，微生物量大，且存在內(nèi)循環(huán)，傳質(zhì)效果好，進(jìn)水機(jī)負(fù)荷可過普通厭氧反應(yīng)器的3倍以上。

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

　　(3)抗沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)：處理低濃度廢水(COD=2000—3000mg/L)時(shí)，反應(yīng)器內(nèi)循環(huán)流量可達(dá)進(jìn)水量的2—3 倍;處理高濃度廢水(COD=10000—15000mg/L)時(shí)，內(nèi)循環(huán)流量可達(dá)進(jìn)水量的10—20倍。大量的循環(huán)水和進(jìn)水充分混合，使原水中的害物質(zhì)得到充分稀釋，大大降低了毒物對(duì)厭氧消化過程的影響。

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

　　(5)具緩沖pH值的能力：內(nèi)循環(huán)流量相當(dāng)于1 厭氧區(qū)的出水回流，可利用COD轉(zhuǎn)化的堿度，對(duì)pH值起緩沖，使反應(yīng)器內(nèi)pH值保持好的狀態(tài)，同時(shí)還可減少進(jìn)水的投堿量。

　　(6)內(nèi)部自動(dòng)循環(huán)，不必外加動(dòng)力：普通厭氧反應(yīng)器的回流是通過外部加壓實(shí)現(xiàn)的，而IC 反應(yīng)器以自身產(chǎn)生的沼氣作為提升的動(dòng)力來(lái)實(shí)現(xiàn)混合液內(nèi)循環(huán)，不必設(shè)泵強(qiáng)制循環(huán)，節(jié)省了動(dòng)力消耗。

　　(7)出水：利用二UASB串聯(lián)分厭氧處理，可以補(bǔ)償厭氧過程中K s高產(chǎn)生的不利影響。Van Lier在1994年證明，反應(yīng)器分會(huì)降低出水VFA濃度，延長(zhǎng)生物停留時(shí)間，使反應(yīng)進(jìn)行穩(wěn)定。

　　(8)啟動(dòng)周期短：IC反應(yīng)器內(nèi)污泥活性高，生物增殖快，為反應(yīng)器快速啟動(dòng)提供利條件。IC反應(yīng)器啟動(dòng)周期一般為1～2個(gè)月，而普通UASB啟動(dòng)周期長(zhǎng)達(dá)4～6個(gè)月。

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

株洲市IC厭氧反應(yīng)器　

　適用范圍

　　IC厭氧反應(yīng)器是一種的多內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器，為三代厭氧反應(yīng)器的代表類型(UASB為二代厭氧反應(yīng)器的代表類型)，與二代厭氧反應(yīng)器相比，它具占地少、機(jī)負(fù)荷高、抗沖擊能力更強(qiáng)，性能更穩(wěn)定、操作管理更簡(jiǎn)單。當(dāng)COD為10000-15000mg/1時(shí)的高濃度機(jī)廢水;二代UASB反應(yīng)器一般容積負(fù)荷為5-8kgCOD/m3;三代AIC厭氧反應(yīng)器容積負(fù)荷率可達(dá)15-30kgCOD/m3。IC厭氧反應(yīng)器適用于機(jī)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(yīng)四個(gè)階段

　　一般來(lái)說，廢水中復(fù)雜機(jī)物物料比較多，通過厭氧分解分四個(gè)階段加以降解：

　　(1)水解階段：高分子機(jī)物由于其大分子體積，不能直接通過厭氧菌的細(xì)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(jī)物質(zhì)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(zhì)被分解成短肽和氨基酸。分解后的這些小分子能夠通過細(xì)胞壁進(jìn)入到細(xì)胞的體內(nèi)進(jìn)行下一步的分解。

　　(2)酸化階段：上述的小分子機(jī)物進(jìn)入到細(xì)胞體內(nèi)轉(zhuǎn)化成更為簡(jiǎn)單的化合物并被分配到細(xì)胞外，這一階段的主要產(chǎn)物為揮發(fā)性脂肪酸(VFA)，同時(shí)還部分的醇類、乳酸、二氧化碳、氫氣、氨、硫化氫等產(chǎn)物產(chǎn)生。

　　(3)產(chǎn)乙酸階段：在此階段，上一步的產(chǎn)物進(jìn)一步被轉(zhuǎn)化成乙酸、碳酸、氫氣以及新的細(xì)胞物質(zhì)。

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

　　再上述四個(gè)階段中，人認(rèn)為二個(gè)階段和三個(gè)階段可以分為一個(gè)階段，在這兩個(gè)階段的反應(yīng)是在同一類細(xì)菌體類完成的。前三個(gè)階段的反應(yīng)速度很快，如果用莫諾方程來(lái)模擬前三個(gè)階段的反應(yīng)速率的話，Ks(半速率常數(shù))可以在50mg/l以下，μ可以達(dá)到5KgCOD/KgMLSS.d。而四個(gè)反應(yīng)階段通常很慢，同時(shí)也是為重要的反應(yīng)過程，在前面幾個(gè)階段中，廢水的中污染物質(zhì)只是形態(tài)上發(fā)生變化，COD幾乎沒什么去除，只是在四個(gè)階段中污染物質(zhì)變成甲烷等氣體，使廢水中COD大幅度下降。同時(shí)在四個(gè)階段產(chǎn)生大量的堿度這與前三個(gè)階段產(chǎn)生的機(jī)酸相平衡，維持廢水中的PH穩(wěn)定，反應(yīng)的連續(xù)進(jìn)行。

　　水解反應(yīng)

　　水解可定義為復(fù)雜的非溶解性的聚合物被轉(zhuǎn)化成簡(jiǎn)單的溶解性單體和二聚體的過程。水解反應(yīng)針對(duì)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(zhì)素、大分子纖維素就很難水解。

　　水解速度的可由以下動(dòng)力學(xué)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(shù)(d-1);

　　T——停留時(shí)間(d)。

　　一般來(lái)說，影響Kh的因素很多，很難確定一個(gè)特定的方程來(lái)求解Kh，但我們可以根據(jù)一些特定條件的Kh，反推導(dǎo)出水解反應(yīng)器的容積和非常好的反應(yīng)條件。在實(shí)際工程實(shí)施中，條件的話，應(yīng)針對(duì)要處理的廢水作一些Kh的測(cè)試工作。通過對(duì)外一些報(bào)道的研究，提出在低溫下水解對(duì)脂肪和蛋白質(zhì)的降解速率非常慢，這個(gè)時(shí)候，可以不考慮厭氧處理方式。對(duì)于生活污水來(lái)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(gè)反應(yīng)器中你很難嚴(yán)格的把厭氧反應(yīng)的幾個(gè)階段區(qū)分開來(lái)，一旦停留時(shí)間過長(zhǎng)，對(duì)工程的性就不太。如果就單的水解反應(yīng)針對(duì)生活污水來(lái)說，COD可以控制到0.1的去除效果就可以了。

　　把這些參數(shù)和給定的條件代入到水解動(dòng)力學(xué)方程中，可以得到停留水解停留時(shí)間：

　　T=13.44h

　　這對(duì)于水解和后續(xù)階段處于一個(gè)反應(yīng)器中厭氧處理單元來(lái)說是一個(gè)很短的時(shí)間，在實(shí)際工程中也完可以實(shí)現(xiàn)。如果條件的地方我們可以適當(dāng)提高廢水的反應(yīng)溫度，這樣反應(yīng)時(shí)間還會(huì)大大縮短。而且一般對(duì)于城市污水來(lái)說，長(zhǎng)的排水管網(wǎng)和廢水中本生的生物多樣性，所以當(dāng)廢水流到廢水處理場(chǎng)時(shí)，這個(gè)過程也在很大程度上完成，到目前為止還沒看到關(guān)于水解作為生活污水厭氧反應(yīng)的限速報(bào)道。

　　發(fā)酵酸化反應(yīng)

　　發(fā)酵可以被定義為機(jī)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(jī)物被轉(zhuǎn)化成以揮發(fā)性脂肪酸為主的末端產(chǎn)物。

　　酸化過程是由大量的、多種多樣的發(fā)酵細(xì)菌來(lái)完成的，在這些細(xì)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(yīng)器受到氧氣的沖擊時(shí)，能迅速消耗掉這些氧氣，保持廢水低的氧化還原電位，同時(shí)也保護(hù)了產(chǎn)甲烷菌的運(yùn)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(duì)于一個(gè)穩(wěn)態(tài)的反應(yīng)器來(lái)說，乙酸、二氧化碳、氫氣則是酸化反應(yīng)的主要產(chǎn)物。這些都是產(chǎn)甲烷階段所需要的底物。

　　在這個(gè)階段產(chǎn)生兩種重要的厭氧反應(yīng)是否正常的底物就是揮發(fā)性脂肪酸(VFA)和氨氮。VFA過高會(huì)使廢水的PH下降，逐漸影響到產(chǎn)甲烷菌的正常進(jìn)行，使產(chǎn)氣量減小，同時(shí)整個(gè)反應(yīng)的自然堿度也會(huì)較少，系統(tǒng)平衡PH的能力減弱，整個(gè)反應(yīng)會(huì)形成惡性循環(huán)，使得整個(gè)反應(yīng)器終失敗。氨氮它起到一個(gè)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(shí)又給生物體合成自生生長(zhǎng)需要的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，但過高的氨氮會(huì)給微生物帶來(lái)毒性，廢水中的氨氮主要是由于蛋白質(zhì)的分解帶來(lái)的，的生活污水中含20-50mg/l左右的氨氮，這個(gè)范圍是厭氧微生物非常理想的范圍。

　　另外一個(gè)重要指標(biāo)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(huì)產(chǎn)生大量的氫氣，如果要使上述反應(yīng)得以正常進(jìn)行，必須在下一反應(yīng)中消耗掉足夠的氫氣，來(lái)維持這一反應(yīng)的平衡。如果廢水的氫氣指標(biāo)過高，表明廢水的產(chǎn)甲烷反應(yīng)已經(jīng)受到嚴(yán)重抑制，需要進(jìn)行修復(fù)，一般來(lái)說氫氣濃度升高是伴隨PH指標(biāo)降低的，所以不難監(jiān)測(cè)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(lái)判斷氫氣濃度的變化一定的滯后性，所以通過監(jiān)測(cè)廢水中氫氣濃度的變化是對(duì)整個(gè)反應(yīng)器反應(yīng)狀態(tài)一個(gè)快捷的表現(xiàn)形式。

　　產(chǎn)乙酸反應(yīng)

　　發(fā)酵階段的產(chǎn)物揮發(fā)性脂肪酸VFA在產(chǎn)乙酸階段進(jìn)一步降解成乙酸，其常用反應(yīng)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(yīng)方程式可以看出，乙醇、丁酸和丙酸不會(huì)被降解，但由于后續(xù)反應(yīng)中氫的消耗，使得反應(yīng)能夠向右進(jìn)行，在一階段，氫的平衡顯得更加重要，同時(shí)后續(xù)的產(chǎn)甲烷過程為這一階段的轉(zhuǎn)化提供能量。實(shí)際上這一階段和前面的發(fā)酵階段都是由同一類細(xì)菌完成，都在細(xì)菌體內(nèi)進(jìn)行，并且產(chǎn)物排放到水體中，界限并沒十分清楚，在設(shè)計(jì)反應(yīng)器時(shí)，沒足夠的理由把他們分開。

　　產(chǎn)甲烷反應(yīng)

　　在厭氧反應(yīng)中，大約70%左右的甲烷由乙酸歧化菌產(chǎn)生，這也是這幾個(gè)階段中遵循莫諾方程反應(yīng)的階段。

　　另一類產(chǎn)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(xì)菌也能利用甲酸產(chǎn)生甲烷。主要的產(chǎn)甲烷過程反應(yīng)：

　　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(chǎn)物是甲基輔酶M(CH3-S-CH2-SO3-)。這個(gè)過程可用以下圖示所標(biāo)：

　　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(duì)生活污水來(lái)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(bǔ)充一定的微量金屬離子是非常必要的。

　　低濃度廢水反應(yīng)速率的選擇

　　以生活污水為例，一般來(lái)說影響廢水厭氧反應(yīng)速率的因素很多，包括反應(yīng)溫度、廢水的毒性、原水基質(zhì)濃度、原水的PH值、傳質(zhì)效率、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的平衡、微量元素的催化等等。對(duì)于生活污水來(lái)說，影響比較大的因素反應(yīng)溫度、原水的基質(zhì)濃度、傳質(zhì)效率以及微量元素的催化。因?yàn)樯钗鬯臓I(yíng)養(yǎng)比和PH值被*為非常適合生物的生長(zhǎng)的。在前面的敘述中，已經(jīng)提及了厭氧反應(yīng)的前三個(gè)階段對(duì)于生活污水來(lái)說，很快就可以完成，尤其水解階段，不存在傳質(zhì)的限制，同時(shí)通常長(zhǎng)距離的管網(wǎng)也給水解提供了足夠的時(shí)間。因此我們提出的厭氧處理低濃度廢水設(shè)計(jì)思想中，主要考慮產(chǎn)甲烷過程作為限速步驟。

　　由于產(chǎn)甲烷階段遵循莫諾方程，整個(gè)速率的確定以莫諾方程為基礎(chǔ)。在上式中，很難把總體反應(yīng)的Ks值估算出來(lái)，因?yàn)樗艿降挠绊懸蛩睾芏?，?duì)于不同類型的廢水差別很大。對(duì)于生活污水來(lái)說可以根據(jù)不同的單個(gè)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(shù)，這個(gè)方程可以得出比較接近的Ks值，作為厭氧處理生活污水時(shí)的參考設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)。