无需三相分离器的新一代高速厌氧发酵技术

谈起污水处理的厌氧消化技术，大家比较熟悉的是UASB、EGSB和IC三种工艺技术。它们分别是升流式厌氧污泥床反应器(Upflow Anaerobic Sludge Bed)、膨胀式颗粒污泥床反应器(Expanded Granular Sludge Bed)和内循环厌氧反应器(Internal Circulation)的英文简称。UASB工艺由荷兰瓦赫宁根大学荣誉教授Gatze Lettinga在1970年代初发明。因Lettinga教授没有申请专利设置壁垒，这项技术得以快速推广普及。后进的EGSB和IC反应器都是基于UASB的改良优化，所以它们的反应器里都有经典的三相分离器。而最近5年，一种基于两步式分离理念的厌氧颗粒污泥反应器引起了业界的关注，因为它声称能对各种老式厌氧反应器进行升级，性能甚至高于IC。它在2013年完成小试，并在过去积累了超过70个全尺寸的工程案例。这种新工艺技术究竟有何特别之处？

ICX演示视频 | 视频来源：YouTube @PaqueTV
ICX反应器
ICX的全称是IC Experience，顾名思义，这是基于IC反应器的新一代高效厌氧生物反应器技术。下图是ICX反应器的结构图：
  1. 污水通过布水系统进入反应器

  2. 有机物转化为甲烷和二氧化碳(沼气)，通过顶部6号口离开反应器

  3. 经降解处理的污水进入脱气单元(一级分离器，3号)

  4. 污水和污泥颗粒在下方的二级分离器完成分离

  5. 出水通过5号口排出反应器

图1. ICX反应器结构图

正如上述所说，与UASB和IC反应器相比，ICX最大的特点在于没有使用经典的三相分离器。相反，沼气和颗粒污泥的分离分成两步完成。有研究表明，在底部分离颗粒生物质的优势在于更高的静水压力(hydrostatic pressure)减少了污泥颗粒的浮力：反应器中的颗粒物一般会带有沼气残留，如果在反应器顶部进行气、水、泥的分离，在接近大气压力的环境下，这些污泥颗粒常常会浮在顶部，因此有些生物质会随出水留出反应器。将泥水分离移回反应器底部，提高了静水压力，增加了生物质的截留效率。

图2. ICX更充分地利用了反应器的空间 | 图源：YouTube @PaqueTV

这种反应器设计另一大优点是单位体积负荷率(VLR)的进一步提升。UASB的VLR约为10–15kg-COD/m3/d，IC是UASB的两倍，即20–30 kg-COD/m3/d，但ICX可以高达 20–35 kg-COD/m3/d。这意味着但相同体积的反应器和相同时间内，ICX可以处理比IC更多的污水。为什么ICX会有更高的VLR？其中一个原因可能是因为IC反应器里要在上方留出第二厌氧区(内循环区)，用于进一步净化，生物质浓度很低。ICX的反应器则不需要这么一个区间，膨胀床体积比更大，填充了更多的活性颗粒污泥。

测试方法和内容

研究人员选取了第一个示范项目(85m³)和另外一个350m³的全尺寸反应器作为考察对象，对它们的运行表现进行了考察。前者高12米，直径3米；后者高16.9米，直径5.1米。两个反应器的主要参数情况如下：

表1. 两个ICX反应器的参数比较

主要考察参数有两个，一个是颗粒污泥浓度，研究人员通过在反应器的不同高度进行取样来测量，单位是mL-颗粒/L-样品。第二个参数是单位产甲烷活性(SMA)，采用Soto等人(1993)基于乙酸盐为底物的OxiTop方法来跟踪沼气产率。

测试结果

85m³反应器的表现

他们对该反应器进行了接近400天的跟踪观察。下图4和表2的结果显示，该反应器的VLR可以超过50 kg COD/m3/d ，而且COD去除率平均超过70%。如果将VLR降至18 kg-COD/m3/d，COD去除率则可升至81%。图5显示，COD的去除量和颗粒污泥的生长有相关性，而且这显示了大部分新增的生物质都以颗粒污泥的形式得以截留。
图3 . 示范反应器在超过350天的反应时间里的VLR和COD去除率表现。A到E五个阶段和下表2的A-E相对应。
表2. A-E五个阶段的VLR、总COD去除率和出水乙酸盐浓度情况
图4. D阶段的累计COD去除量和累计颗粒污泥生长量对比

这个示范项目主要考察了在特定条件下系统的水力和生物极限。实验得到的结果有助于工程师在日后升级至全尺寸的工程应用，例如大至5000m³的反应器。

由于这是示范项目，所以只选用了部分的造纸厂废水，以便排除进水水质的干扰。但在实际生产中，进水和负荷率难免会有波动，例如平均的负荷率会相对降低，所以研究团队还对一个全尺寸的反应器进行考察。

350m³反应器的表现

这个ICX反应器建于两个IC反应器旁边。进水在这3个反应器中分配。ICX反应器的颗粒污泥的外观如下图5b所示

图5. 全尺寸ICX反应器的外观以及与IC反应器的外观对比(左)；颗粒污泥外观(右)

下图7的结果显示，在244天的连续运行里，反应器会接收所有进来的污水，可以看到进水COD是有波动的，但COD的去除率稳定地维持在80%以上，平均值为84.8%), VLR平均为28 kg COD/m3/d。

图6. 全尺寸ICX反应的VLR (上) 和COD 去除率 (下) 的情况

下图8则显示，反应器的颗粒污泥在持续地增加。虽然可能有约207m3的剩余污泥排除反应器，但COD去除率还维持在一个较高的水平。单位产泥量为 12 kg VSS/ton COD，与示范反应器的水平相当。这说明，即使在面对进水水质波动的实际冲击下，ICX两段式的设计还是能够出色地保留足够的颗粒污泥在反应器里。

图7. 颗粒污泥累积流失量和COD去除率的情况

计算显示，该反应器的单位产甲烷活性(SMA)为1.1 g COD/gVSS/d。这数值高于此前各种处理造纸废水的厌氧反应器的SMA值(0.19–0.62 g COD/g VSS/d)。ICX优异的单位产甲烷活性，连同出众的颗粒污泥保留能力，是它可以在高速率运行同时保持较高的COD去除率的原因。

小结

上述的两个反应器的测试结果显示：ICX可以有很高的单位体积负荷率，而且在进水有波动的情况下，仍能维持可观而稳定的COD去除率，还能有效地留住生物质，在反应器里能清晰地看到颗粒污泥。它最大的亮点在于可以对现有的UASB或者EGSB反应器进行升级改造。可以根据实际需求放入2个甚至更多的二级分离器。这对于已经有厌氧消化器的用户，似乎是一个不错的选择。

图8. 位于法国Allard Emballages纸厂的ICX改造项目 | 图源：YouTube @PaqueTV

国际水协会（IWA）官网 www.iwa-network.org

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