3.3　厭氧生物處理的反應器類型

厭氧生物處理技術在污水處理中的應用已有一個多世紀，其中厭氧反應器是該技術發展最快的領域之一。厭氧反應器高效、穩定運行的關鍵是能夠保持足夠多的生物量并且能夠促進污水與活性污泥的充分接觸。下面介紹具有代表性的不同類型的厭氧反應器：AF、UASB、UBF、EGSB、IC。

3.3.1　厭氧生物濾池（AF）

厭氧生物濾池（Anaerobic Filter，AF）也稱厭氧濾池，是國際上使用最早的廢水厭氧生物處理構筑物之一。20世紀60年代末，美國McCarty和Young在Coulter等研究的基礎上，發展并確立厭氧生物濾池作為厭氧生物膜法的代表性工藝之一，并成為第一個高效厭氧反應器。厭氧生物濾池的工作過程為：有機廢水通過掛有生物膜的濾料時，廢水中的有機物擴散到生物膜表面，并被生物膜中的微生物降解轉化為沼氣；凈化后的廢水通過排水設備排至池外，沼氣則被收集利用。

據Bonastre和Paris報道，至1989年至少有30多個厭氧濾池用于工業規模的廢水處理，其容積負荷通常在5～12 kg COD/（m3·d）。厭氧濾池適用于低分子量的溶解性廢水處理，懸浮物較高的廢水易于引發堵塞。

（1）工藝構造

按水流方向，厭氧生物濾池可分為升流式厭氧生物濾池和降流式厭氧生物濾池兩類，近年來又出現了一種升流式混合型厭氧反應器，實際上是厭氧生物濾池的一種變形。這三種不同類型的厭氧生物濾池如圖3.2所示。無論哪種類型的厭氧生物濾池，其構造類似于一般的好氧生物濾池，包括池體、濾料、布水設備以及排水、排泥設備等；也可以按功能不同將濾池分為布水區、反應區（濾料區）、出水區、集氣區四部分。

厭氧生物濾池的中心構造是濾料，濾料的形態、性質及其裝填方式對濾池的凈化效果及其運行有著重要的影響。濾料要求質地堅固、耐腐蝕；濾料是微生物的固著部位，進而形成生物膜，因此需要具有大的比表面積，同時，又要有一定的空隙率以便廢水均勻擴散。濾料的形狀及其在生物濾池中的裝填方式等對厭氧濾池的運行性能有很大影響。

升流式厭氧生物濾池的流態接近于平推流，縱向混合不明顯。降流式厭氧生物濾池一般采用較大回流比，其流態接近于完全混合狀態。因此，在升流式厭氧生物濾池中，反應器內存在較明顯的有機物濃度梯度，進而出現明顯的微生物分層現象；而在降流式生物濾池內，上、中、下層的生物量接近。

（2）反應器特點

由于厭氧微生物在厭氧濾池中附著于載體表面并形成生物膜，微生物濃度較高，因此有機物去除能力強，出水懸浮固體SS較低，出水水質較好；微生物停留時間長，可縮短水力停留時間，生成的剩余污泥可不需要專設泥水分離和污泥回流設施，運行管理方便；耐沖擊負荷能力較強，適用的廢水有機物濃度范圍寬；啟動時間短，停止運行后的再啟動也較容易，無攪拌與回流設施，整個工藝能耗低，系統運行穩定；主要問題為布水不易均勻，濾料易堵塞。此缺點可通過改變濾料和運行方式而克服。

由于垃圾焚燒廠滲濾液的SS、COD、硬度等指標較高，使用AF易堵塞濾料，清洗頻繁，故AF在垃圾焚燒廠滲濾液處理中使用較少。

3.3.2　上流式厭氧污泥床反應器（UASB）

UASB是目前應用最為廣泛的一種厭氧反應器。如圖3.3所示，UASB反應器在運行過程中，廢水以一定的流速自反應器底部流入，一般為0.5～1.5m/h，多宜在0.6～0.9m/h之間。UASB底部有大量厭氧污泥，廢水從底部進入并通過污泥層，廢水中的有機物與其中的微生物充分接觸進而得到降解。產生的沼氣附著在污泥顆粒上，使其懸浮于廢水中，形成下密上疏的懸浮污泥層。懸浮的氣泡逐漸上浮、聚集、變大，能夠起到一定的攪拌作用；污泥顆粒被附著的氣泡帶到上層后撞在三相分離器上使氣泡脫離，污泥顆粒又沉降到污泥層，部分進入澄清區的微小懸浮固體也由于靜沉作用而被截留下來，最終滑落到反應器下層。這種反應器的污泥濃度可維持在40～80g/L，容積負荷達3～15kg （COD）/（m3·d）。

（1）工藝構造

UASB反應器的基本構造主要包括以下幾個部分：污泥床、污泥懸浮層、沉淀區和三相分離器，各組成部分的功能、特點及工藝要求分述如下。

①污泥床：污泥床位于UASB反應器的底部，具有很高的污泥生物量，其混合液懸浮固體濃度（Mixed Liquid Suspended Solids，MLSS）一般為40～80g/L。污泥床中的污泥由活性生物量（或細菌）占70%～80%以上的顆粒污泥組成，正常運行的UASB中的顆粒污泥的粒徑一般在0.5～5mm之間，具有優良的沉降性能，其沉降速度一般為1.2～1.4cm/s，典型的SVI為10～20mL/g。顆粒污泥中的生物相組成較復雜，主要為桿菌、球菌和絲狀菌等。污泥床一般占UASB容積的30%左右，但它對有機物的降解量一般可占到整個反應器全部降解量的70%～90%。污泥床在對有機物降解的同時，產生的微小沼氣氣泡經不斷地積累、綜合而逐漸形成大氣泡，氣泡在上升過程中實現污泥混合。

②污泥懸浮層：污泥懸浮層位于污泥床的上部，占整個UASB容積的70%左右，其污泥濃度低于污泥床，通常為15～30g/L。污泥高度絮凝，一般為非顆粒狀，其沉降速度明顯小于顆粒污泥，SVI一般在30～40mL/g之間，靠來自污泥床中上升的氣泡實現混合。污泥懸浮層中絮凝污泥的濃度呈自下而上逐漸減小的分布狀態。該層負責降解整個UASB反應器10%～30%的有機物。

③沉淀區：沉淀區位于UASB反應器頂部，其作用之一是使隨水流上升的固體顆粒（主要是污泥懸浮層中的絮凝性污泥）沉淀下來，并沿沉淀區底部的斜壁滑落至反應區內（包括污泥床和污泥懸浮層），以減少反應器污泥流失、保證污泥床中污泥濃度。另一個作用是，可以通過調整沉淀區的水位高度來保證集氣室的有效體積，防止集氣空間破壞。

④三相分離器：三相分離器是UASB反應器的主要特點之一，三相分離器的合理設計是其正常運行的重要保證。三相分離器一般設在沉淀區下部，也可設在反應器頂部，主要作用是將氣體（沼氣）、固體（污泥）和液體（被處理的廢水）三相加以分離，沼氣被引入集氣室，而污泥和出水則進入上部的靜置沉淀區，泥水在重力的作用下發生分離，固體污泥顆粒下沉至反應區。三相分離器由氣體收集器和折流擋板組成。實質上，沉淀裝置也可看作三相分離器的組成部分，相當于傳統污水處理工藝中的二次沉淀池，并同時具有污泥回流功能。

（2）工藝設計

①反應器的有效容積計算公式如式（3-3）所示。

　　（3-3）

式中　Q——設計處理流量，m3/d；

C0——進出CODCr濃度，kg COD/m3；

E——去除率，一般取65%～80%；

Nv——容積負荷，m3/（m2·h）。

②反應器的形狀和尺寸。工程設計反應器n座，橫截面積為圓形。從布水均勻性和經濟性考慮，單池高徑比設計為1.2∶1較合適。

反應器有效高度計算公式如式（3-4）所示。

　　（3-4）

計算可得到單體的橫截面積S和高度H。

利用公式（3-5）可得反應器的水力負荷。

　　（3-5）

對于顆粒污泥，水力負荷Vr一般在0.1～0.9m3/（m2·h）。

③布水系統的設計計算。反應器布水點數量設置與進水濃度、處理流量、容積負荷等因素有關。當顆粒污泥的Nv為4kg COD/（m3·d）左右時；每個布水點服務區域2～5m2；出水宜為流速2～5m/s；配水中心距池底一般為20～25cm。

④污泥總量計算。UASB的污泥床主要由沉降性能良好的厭氧污泥組成，平均濃度為20g VSS/L，則UASB反應器中污泥的總量可由式（3-6）計算，總產泥量可由式（3-7）計算。

G=VC　　（3-6）

式中　V——反應器有效容積，m3；

C——懸浮顆粒物濃度，mg/L。

X=γQC0E　　（3-7）

式中　γ——污泥常數，kg VSS/kg CODCr，一般取0.05～0.10；

Q——每日進水量，m3/d；

C0——反應器內CODCr濃度，kg/m3；

E——CODCr去除率，%。

（3）UASB反應器特點

反應器中有高濃度的活性污泥。這種污泥是通過嚴格控制反應器的水力特性和容積負荷，通過污泥的自身絮凝、結合及逐步的固定化過程而形成的。污泥特性的好壞直接影響UASB反應器的運行性能；反應器具有三相分離器。這種三相分離器具有可以自動將泥、水、氣加以分離的功能；反應器無攪拌裝置。反應器的攪拌是通過產氣的上升遷移作用而實現的，因而操作管理比較簡單。

（4）滲濾液處理設計案例

宿遷某生活垃圾發電廠滲濾液處理規模為250m3/d，采用“調節池+加溫池+UASB厭氧反應器+MBR系統（SBR系統+內置式簾式膜）+深度處理系統（納濾系統+反滲透系統）”組合工藝，其進水水質如表3.1所示。出水達到《城市污水再生利用　工業水水質》（GB/T 19923—2005）中表1敞開式循環冷卻水水質標準，在全量處理滲濾液的同時，實現其全回用的目標。

①進出水水質

②設計參數

UASB反應器容積負荷：Nv=3.5kg COD/（m3·d）；

沼氣產氣率：0.35m3（標準）/kg COD；

沼氣熱值參考值：21000～25000kJ/m3（標準）；

沼氣產氣總量：Q≈2350m3（標準）/d（CH4含量按65%考慮）；

單格平面尺寸：φ=10m×16.5m；

設計總容積：V=1150m3；

總水力停留時間：HRT=9.2d；

有效水深：14.70m；

結構形式：地上式鋼結構；

數量：2座。

③設備清單及儀表

排泥泵：Q=29m3/h，H=12.7m，N=3.0kW，數量1臺；

循環泵：Q=160m3/h，H=16m，N=11.0kW，數量4臺；

電動蝶閥：DN100，數量6臺；

沼氣點火器：Q=100m3/h，H=7m，數量1臺；

流量計：介質為氣體，型號DN100，Q=30～200m3/h，數量2臺；

溫度計：DN100，數量6臺。

該滲濾液處理站目前已穩定運行6年，UASB反應器能有效地截留有機物，去除率仍可保持在80%左右。反應器設有三相分離器，可以有效地收集沼氣，便于沼氣回收利用。另外，該反應器操作管理比較簡單。然而，因為滲濾液水質的SS及硬度較大，在運行后期，該反應器經常會出現進水管路結垢，出水帶泥等現象，仍存在較多需要改善的地方。

3.3.3　升流式厭氧污泥床—濾層反應器（UBF）

升流式厭氧污泥床-濾層反應器，又稱厭氧復合反應器，由幾種厭氧反應器復合而成，目前已開發的多由升流式厭氧污泥床和厭氧生物濾池復合而成。

（1）工藝構造

1984年加拿大科學技術委員會生物科學部Guiot和den Berg等人開發了UBF，用來處理制糖廢水。反應器上部1/3容積為填料層，填充的塑料環比表面積為235m2/m3，反應器下部1/3容積為污泥床。容積負荷在26kg COD/（m3·d）和51kg COD/（m3·d）時的CODCr去除率分別為93%以上和64%。其后，加拿大多倫多附近城市污水處理廠將原有厭氧工程改建為3400m3的復合床反應器，反應器上部2/3填充波紋板塑料，比表面積125m2/m3，波紋板的間距為1.3cm。處理的廢水為丁氨二酸廢水，進水CODCr為18000mg/L，停留時間50h，容積負荷為6kg COD/（m3·d），CODCr去除率達80%，未出現堵塞和短流情況，底部的污泥濃度（VSS）達50～100g/L。

（2）反應器特點

載體填料的存在為微生物的附著和生長提供足夠空間，為反應器保持高濃度生物量，保證反應器的穩定進行和良好的出水水質；容積負荷較高，水力停留時間短，耐沖擊能力較強，不易堵塞；顆粒污泥的存在保證了反應器停運后可實現快速啟動。

（3）滲濾液處理設計案例

宜興某生活垃圾發電廠滲濾液處理規模為150m3/d，采用“調節池+氨吹脫預處理+厭氧池（UBF）+SBR池+臭氧系統+膜處理系統（微濾+納濾）”，其進水水質如表3.2所示。出水達到《污水綜合排放標準》（GB 8978—1996）中一級排放標準。

厭氧生物反應系統選用兩級UBF，中溫條件下消化。第一級的功能是：水解和液化固態有機物為有機酸；緩沖和稀釋負荷沖擊與有害物質，并將截留難降解的固態物質。第二級的功能是：保持嚴格的厭氧條件和pH值，以利于甲烷菌的生長；降解、穩定有機物，產生含甲烷較多的消化氣，并截留懸浮固體，以改善出水水質。該系統使用潛水攪拌機作為內循環裝置，池外設置污泥回流循環。

①進出水水質

②設計說明　UBF反應器的設計核心是容積負荷，一般情況下，一級UBF反應器容積負荷可以設置高一些，二級UBF反應器容積負荷設計值偏低一些，用于提高UBF反應器處理效果。

③設計參數

一級UBF反應器容積負荷：Nv1=6.5kg COD/（m3·d）；

二級UBF反應器容積負荷：Nv2=2.0kg COD/（m3·d）；

沼氣產氣率：0.35Nm3/kg COD；

沼氣熱值參考值：21000～25000kJ/Nm3；

污泥產率：X=0.04kg干泥/kg COD；

沼氣產氣總量：Q≈1410Nm3/d（CH4含量按65%考慮）；

污泥總量：X=18m3/d（按99%的含水量考慮）；

單格平面尺寸：LB=7.00m×5.50m；

設計總容積：V=1440m3；

總水力停留時間：HRT=8d；

有效水深：9.50m；

結構形式：半地下式鋼筋混凝土結構；

數量：2座，每座分2格。

④設備清單及儀表

潛水攪拌機：Φ260，N=1.5kW，數量8臺；

排泥泵：Q=10m3/h，H=16m，N=4.0kW，數量2臺；

電動蝶閥：DN50，數量6臺；

沼氣點火器：Q=50m3/h，H=7m，數量1臺；

阻燃器：DN100，數量1臺；

安全閥：DN100，數量1臺；

流量計：介質為氣體，型號DN100，Q=30～200m3/h，數量1臺；

半軟性填料：Φ150，數量540m3。

UBF反應器中的填料為微生物的附著和生長提供足夠空間，使反應器內保持高濃度生物量，對有機物去除率可達85%，出水指標較優。然而，其結構形式為半地下式，在運行后期排泥較為困難，致使污泥沉積在池底，堵塞布水管并影響池容。此外，填料容易結垢，在影響了處理效率的同時也為檢修帶來較大不便。

3.3.4　膨脹顆粒污泥床反應器（EGSB）

膨脹顆粒污泥床反應器（Expanded Granular Sludge Blanket，EGSB），是第三代厭氧反應器，于20世紀90年代初由荷蘭瓦赫寧根大學的Lettinga等率先開發。

（1）工藝構造

EGSB的構造與UASB有相似之處，主要由布水裝置、三相分離器、出水收集裝置、循環裝置、排泥裝置及氣液分離裝置組成。與UASB反應器的不同之處是，EGSB反應器設有專門的出水回流系統。EGSB反應器一般為圓柱狀塔形，具有很大的高徑比，宜在3～8之間。顆粒污泥的膨脹床改善了廢水中有機物與微生物之間的接觸，強化了傳質效果，提高了反應器的生化反應速度，從而大大提高了反應器的處理效能。EGSB反應器結構形式如圖3.4所示。

EGSB反應器進水應符合如下條件：①pH值宜為6.0～8.0；②常溫厭氧溫度宜為20～25℃，中溫厭氧溫度宜為35～40℃，高溫厭氧溫度宜為50～55℃；③進水CODCr濃度宜大于1000mg/L；④營養元素COD∶N∶P宜為（100～500）∶5∶1；⑤懸浮物含量宜小于2000mg/L，氨氮濃度宜小于2000mg/L，硫酸鹽濃度應小1000mg/L，COD/S比值應大于10。

（2）工藝設計

①EGSB反應器的容積計算。對EGSB反應器容積的設計可由式（3-8）計算得出

　　（3-8）

式中　V——反應器有效容積，m3；

Q——EGSB反應器設計流量，m3/d；

Nv——容積負荷，kg COD/（m3·d），適宜范圍為10～30kg COD/（m3·d）；

S0——進水有機物濃度，mg COD/L。

②布水裝置。布水裝置宜采用一管多孔式布水和多管布水方式。一管多孔式布水孔口流速應大于2m/s，穿孔管直徑應大于100mm，配水管中心距反應器池底宜保持150～250mm的高度；多管布水每個進水口負責的布水面積宜為2～4m2。另外，EGSB反應器的有效水深宜在15～24m之間；EGSB反應器內廢水的上升流速宜在3～7m/h之間。

③三相分離器。EGSB宜采用整體式或組合式的三相分離器。整體式三相分離器斜板傾角范圍為55°～60°；組合式三相分離器反射板與隙縫之間的遮蓋應在100～200mm，層間距宜為100～200mm。EGSB反應器可采用單級三相分離器，也可采用雙級三相分離器，設置雙級三相分離器時，下級三相分離器宜設置在反應器中部，覆蓋面積宜為50%～70%，上級三相分離器宜設置在反應器上部，出氣管尺寸大小應滿足從集氣室安全、高效地收集沼氣的需要。

④出水裝置。出水收集裝置應設在EGSB反應器頂部，圓柱形EGSB反應器出水宜采用放射狀的多槽或多邊形槽出水方式，集水槽上應加設三角堰，堰上水頭應大于25mm，水位宜在三角堰齒1/2處，出水堰口負荷宜小于1.7L/（s·m）。EGSB反應器進出水管道宜采用聚氯乙烯（PVC）、聚乙烯（PE）、聚丙烯（PPR）、不銹鋼、高密度聚乙烯（HDPE）等材料。若廢水中含有大量蛋白質、脂肪或懸浮固體，宜在出水收集裝置前設置消泡裝置。

⑤循環裝置。EGSB反應器設有循環裝置，分外循環和內循環兩種，二者均由水泵加壓實現，回流比根據上升流速確定，上升流速按公式（3-9）計算。

　　（3-9）

式中　V——反應器上升流速，m/h；

Q——EGSB反應器進水流量，m3/h；

Q回——EGSB反應器回流流量，包括內回流和外回流，m3/h；

A——反應器橫截面積，m2。

⑥排泥裝置。EGSB反應器的污泥產率為0.05～0.10kg VSS/kg COD，排泥頻率宜根據污泥濃度分布曲線確定。應在不同高度設置取樣口，根據污泥濃度制定分布曲線。EGSB反應器宜采用重力多點排泥方式，排泥點宜設在污泥區的底部。排泥管管徑應大于150mm，底部排泥管可兼作放空管。

（3）EGSB反應器特點

EGSB反應器作為一種改進型的UASB反應器，雖然在結構形式、污泥形態等方面與UASB反應器非常相似，但其工作運行方式與UASB顯然不同，高的液體表面上升流速使顆粒污泥床層處于膨脹狀態，不僅使進水能與顆粒污泥充分接觸，提高了傳質效率，而且有利于基質和代謝產物在顆粒污泥內外的擴散、傳送，保證了反應器在較高的容積負荷條件下正常運行。EGSB反應器的主要特點體現在以下幾個方面：

①結構方面：高徑比大，大大縮小占地面積；布水均勻，污泥床處于膨脹狀態，不易產生溝流和死角；三相分離器工作狀態、條件穩定。

②運行方面：反應器啟動時間短，容積負荷率可達40kg COD/（m3·d），污泥不易流失；液體表面上升流通常為2.5～6.0m/h，最高可達10m/h，液固混合狀態好，因而在低溫、處理低濃度有機廢水有明顯的優勢；反應器設有出水回流系統，更適合于處理含有懸浮性固體和有毒物質的廢水；以顆粒污泥接種，顆粒污泥粒徑較大、沉降性能好、活性較高，處理效果較好。

③適用性方面：對含有難降解有機物、大分脂肪酸類化合物、高鹽量、高懸浮性固體的廢水亦有優勢；適合處理中低濃度有機廢水。

生活垃圾焚燒廠滲濾液是一種高鹽量、高懸浮性固體的廢水，但因其還含有高有機物（CODCr在40000mg/L以上），因此，EGSB反應器在對生活垃圾滲濾液處理中應用較少。

3.3.5　內循環厭氧反應器（IC）

1985年，荷蘭Paques公司開發了一種被稱為內循環的反應器。IC反應器在處理中低濃度廢水時，容積負荷可達20～40kg COD/（m3·d），在處理高濃度有機廢水時，容積負荷可提高至35～50kg COD/（m3·d），這是對現代高效反應器的一種突破，有著重大的理論意義和實用價值。

（1）工藝構造

IC反應器的基本構造如圖3.5所示。

IC反應器的構造特點是具有很大的高徑比，一般可達到4～8，高度可達16～25m。IC反應器從功能上講由四個不同的功能部分組成，即混合部分、污泥膨脹床部分、精處理部分以及回流部分，具體的說明如下：

①混合區：由反應器底部進入的廢水與顆粒污泥、內部氣體循環所帶回的出水在該區域有效混合，使進水得到有效稀釋和均質化。

②污泥膨脹床：污泥床的膨脹或流化是由上流進水、回流沼液和沼氣造成的。廢水和污泥之間有效地接觸能夠保持污泥較高的活性，提高容積負荷和反應器處理效率。

③精處理區：由低的污泥負荷率、相對長的水力停留時間和推流的水力特性，使進水在該部分得到二次處理。另外，該部分由沼氣產生的擾動較小，生物可降解物質幾乎可被全部去除。雖然IC反應器的水力負荷率常高于UASB反應器，但因內部循環流體不經過精細處理區，因此，IC反應器在精處理區的上升流速也較低，這兩點為IC反應器二次處理進水提供了條件。

④回流系統：IC反應器利用氣提原理完成內部回流，這是因為上、下層氣室間存在壓力差，回流比例由產氣量決定的。大部分有機物是在IC反應器下部的顆粒污泥膨脹床內降解的，產生的沼氣經由第一分離器收集，通過氣體升力攜帶水、污泥進入氣體上升管，至反應器頂部的液氣分離罐進行液氣分離，水與污泥經過中心循環下降管流向反應器底部，形成內循環。一級分離器的出水在第二級處理區（反應器上部）得到再處理，由此，大部分可降解有機物得到降解，產生的沼氣被二級分離器收集，出水通過溢流堰流出反應器。

（2）IC反應器特點

一般而言，與UASB反應器相比，在獲得相同處理效率的條件下，IC反應器具有更高的進水容積負荷和污泥負荷率，IC反應器的平均升流速率可達處理同類廢水UASB反應器的20倍左右。在處理低濃度廢水時，混合區水力停留時間可縮短至2.0～2.5h，反應器容積更趨小型化。IC反應器的優點如下：

①容積負荷率高：由于IC反應器存在內循環，第一反應區有很高的升流速率，傳質效果好，污泥活性高，能夠處理高濃度有機廢水，當CODCr為10000～15000mg/L時，進水容積負荷率可達30～40kg COD/（m3·d）。處理低濃度有機廢水，當CODCr為2000～3000mg/L時，進水容積負荷率可達20～50kg COD（m3·d），HRT僅為2～3h，其CODCr去除率可達80%。

②節省基建投資：IC反應器占地面積小，僅為UASB反應器的1/4～1/3，可顯著降低反應器的基建投資，適用于占地面積緊張的廠礦企業。

③形成內循環：與流化床和膨脹顆粒污泥床反應器不同，IC反應器靠沼氣實現混合液循環，無需外加動力，降低能耗。

④抗沖擊負荷能力強：以IC反應器處理低濃度廢水時，循環流量可達進水流量的2～3倍；處理高濃度廢水時，循環流量可達進水流量的10～20倍。循環流量與進水在第一反應室充分混合，使原污水中的有害物質得到充分稀釋，降低了有害程度，并可防止局部酸化，提高了反應器的耐沖擊負荷的能力。

⑤具有強緩沖能力：相對于進水，內循環液體堿度增加，后者通過與進水混合，提高進水pH值，提高對低pH值進水的適應性，使反應器的pH值保持穩定。處理缺乏堿度的廢水時，可減少進水的投堿量。

⑥出水穩定性好：IC反應器相當于兩個UASB反應器串聯運行，第一反應室有很高的容積負荷率，相當于起“粗”處理作用，第二反應室具有較低的容積負荷率，相當于起“精”處理作用，一般情況下，兩級厭氧處理比單級厭氧處理的穩定性好。

同樣地，IC反應器仍有以下問題亟待解決：內循環系統復雜，內部管路過多，控制繁瑣，占用了反應器的有效空間，影響了反應效率，增大了反應器的總容積；三相分離器的結構缺陷：IC反應器三相分離器造價較高，施工困難，日常維護復雜；高徑比問題：較大的高徑比使得水泵運行費用增加，且基建費用高，單位反應器體積造價的初始造價較高。

在滲濾液應用方面，IC反應器對進水SS要求較高，而生活垃圾滲濾液的SS較高，使IC反應器在處理滲濾液時，不易形成顆粒污泥，影響其處理效率；另外，生活垃圾滲濾液的硬度較大，IC反應器因其內部管線和構造較為復雜，因此較易出現結垢等問題，導致檢修頻繁。故IC反應器在焚燒廠垃圾滲濾液處理系統中應用較少。

3.3.6　內外循環厭氧反應器（IOC）

內外循環厭氧反應器（Internal Out Circulation，IOC）在結構上主要沿襲IC反應器的特點，如較大的高徑比、串聯的雙反應室、雙層三相分離器等特點。但是，IOC反應器主要改進了IC反應器的三相分離器、布水系統、排泥系統等。降低了系統調試和排泥的難度，同時，更加方便地控制反應器的上升流速，已經在項目上取得了較好的效果。

（1）工藝構造

如圖3.6所示，高效厭氧反應器（IOC）主要由底部布水系統、第一反應室、一級三相分離器、第二反應室、二級三相分離器、氣水分離器、內循環系統、外循環系統、排泥系統、沼氣系統等組成。

與UASB類似，廢水由IOC底部進入系統后在布水管道的作用下實現均勻布水。廢水中有機物與底部污泥充分接觸并被降解，產生的沼氣隨進水、污泥沿反應器上升至一級三相分離器，此時，大量沼氣被收集，部分顆粒污泥被截留并下沉至反應器（第一反應室）；同樣地，通過一級三相分離器的廢水繼續上升至第二反應室完成精處理，精處理后經二級三相分離器實現三相分離。由一級、二級三相分離器分離得到的沼氣攜帶大量的廢水沿管道進入氣水分離器，經過氣水分離器的沼氣被引至下游綜合利用設備，而廢水則回流至反應器底部形成內循環以提高第一反應室的上升流速。反應過程中產生的剩余污泥則通過排泥系統排入污泥池。

①布水系統。布水系統的合理設計對厭氧反應器的良好運轉至關重要，布水系統兼有配水和水力攪拌的雙重功能，為了實現此二功能，布水系統的設計需滿足如下條件：確保單位面積進水量相同，防止短路等現象發生；盡可能滿足水力攪拌需要，保證進水有機物與污泥迅速混合；根據實際應用情況及計算流體動力學（Computational Fluid Dynamics，CFD）模擬成果，完成布水管道的長度、角度以及開口位置的設計。IOC反應器布水系統采用外置可插拔式布水裝置，通過調節傾角角度，使進水形成旋流，提高生化反應傳質效率，改善布水效果，同時便于后期檢修。

②三相分離器。三相分離器是厭氧反應器最有特點和最重要的裝置。它同時具有兩個功能：截留上浮的懸浮物，收集分離器下方反應室產生的沼氣，保證反應器出水水質。若要同時實現上述兩種功能，則三相分離器的設計要力求高效收集沼氣，并避免沼氣和懸浮物上升至沉淀區，造成出水混濁和活性污泥流失。

根據垃圾滲濾液有機物、懸浮物濃度高的特點，IOC反應器的設計借鑒了IC反應器的特點，設置了上、下兩級三相分離器，并通過二者將反應器分為上、下兩個反應室和澄清區，下部為第一反應室，第一反應室內活性污泥濃度高、上升流速快，是降解有機物、產生沼氣的主要區域；上部為第二反應室，該反應室內污泥濃度低、上升流速慢，在進一步去除剩余有機物的同時，減少出水帶泥，提高出水水質；最上部為澄清區，進入澄清區的污水，通過溢流排出系統。

③內、外循環系統。循環系統能有效提高反應器內液體上升流速，使污泥處于流化膨脹狀態，增大其與污水中有機物的接觸幾率，提高了反應器的容積負荷。IOC反應器頂部增設氣水分離裝置，分離水由內循環系統引至反應器底部，在不消耗能源的條件下提高了第一反應室的上升流速，既滿足高效厭氧反應器上升流速高的要求，又最大限度地節約了能源。

IOC反應器設有外循環系統，外循環系統由集水裝置、循環管路、循環泵及布水系統等組成。在第二反應室中間位置設置外循環集水裝置，由集水管取水匯至集水筒，由外循環管路送至外循環泵，在泵的作用下，打入反應器底部布水管網，實現外循環。

④排泥系統。厭氧消化過程中由于微生物不斷繁殖和進水中不可降解懸浮固體的長期累積，導致系統內污泥量增多，為定期排出剩余污泥，IOC反應器有針對性地設計考慮了排泥系統。傳統厭氧反應器大多采用穿孔管多點排泥的方式，這種方式容易在穿孔管開口位置形成堵塞，造成排泥不均和形成死角，導致污泥無法及時排出。IOC反應器采用中心桶排泥，中心桶通過多根吸泥管與底部污泥斗連接，中心桶可雙向流動，由內及外為排泥，由外及內為沖洗。此種排泥方式管路簡單、排泥均勻、不短流；排泥前啟動沖洗和攪動，排泥順暢、不沉積。

⑤沼氣水封系統。IOC反應器的沼氣輸送管路上設置有水封系統，減少沼氣壓力波動，穩定沼氣壓力，同時亦可吸收沼氣中的水分。沼氣水封裝置內的液位可通過液位控制閥門組調節，多余的水分可自動排出，防止沼氣憋壓。

（2）IOC反應器特點

污泥濃度高，微生物量大，并且在內、外循環的作用下，傳質效果好，進水容積負荷為普通厭氧反應器的2～3倍；有機物去除率高，去除率基本在90%左右，出水水質穩定；IOC反應器高徑比大，占地面積小；高容積負荷率使其罐體體積相當于普通厭氧反應器的1/3～1/2，大大降低了基建投資；在以IOC處理滲濾液時，內循環流量可達進水量的20～30倍，大量循環水和進水充分混合，使原水中的有害物質得到充分稀釋，大大降低了毒性物質對厭氧消化系統的影響，使得IOC反應器抗負荷沖擊能力強；IOC反應器結合內、外循環系統，在厭氧罐正常運行時，只靠內循環即可滿足上升流速的要求，節約能耗；IOC反應器的有機物降解率高，沼氣產率高。

（3）工藝設計

①有效容積設計。厭氧罐的有效容積計算公式如式（3-10）所示。

　　（3-10）

式中　V——反應器有效容積，m3；

Q——廢水的設計流量，m3/d；

Nv——容積負荷率，kg COD/（m3·d）；

C0——進水CODCr濃度，kg/m3；

Ce——出水CODCr濃度，kg/m3。

②反應器尺寸設計。本項目設計IOC反應器的高徑比為1.9，體積計算如式（3-11）所示。

　　（3-11）

③循環量設計。反應器中的進水總水力停留時間計算見式（3-12）。

　　（3-12）

式中　V——反應器有效容積，m3；

Q——廢水的設計流量，m3/d。

④厭氧反應器的沼氣產量還可以通過公式（3-13）計算得到。

　　（3-13）

式中　Qa——沼氣產量，m3（標準）/d；

Q——進水流量，m3/d；

η——沼氣產率，m3（標準）/kg COD，一般為0.45～0.50m3（標準）/kg COD；

S0——進水有機物濃度，mg COD/L；

Se——出水有機物濃度，mg COD/L。

（4）滲濾液厭氧處理案例

常州某項目設計處理規模為400m3/d，采用“調節池+IOC厭氧反應器+MBR系統（A/O系統+外置管式超濾膜處理系統）+深度處理系統（納濾系統+反滲透系統）”組合工藝，進水水質如表3.3所示。出水達到《城市污水再生利用　工業水水質》（GB/T 19923—2005）中表1敞開式循環冷卻水水質標準，在全量處理滲濾液的同時，實現其全回用的目標。

①進出水水質

②設計說明　滲濾液厭氧部分的設計核心要點是控制好污泥負荷，IOC厭氧反應器由上下兩個反應室構成，當其應用于高濃度廢水處理時，如滲濾液等，進水容積負荷可以達5～8kg COD/（m3·d）。厭氧反應器在實際應用中已經標準化，可根據滲濾液水量來合理選擇不同規格的厭氧反應器，使得厭氧反應器各反應室的容積負荷處于合理的區間。此處，取容積負荷為5kg COD/（m3·d）。其中厭氧反應器第一反應室需去除總COD的80%，其容積負荷可適當放大。第二反應室去除總COD的20%，其容積負荷可以適當縮小。

以第一反應室有機負荷取6.8kg COD/（m3·d），第二反應室有機負荷取2.4kg COD/（m3·d）為例。在厭氧罐選型中，可根據有機負荷、水量由式（3-10）計算得第一、二反應室體積；由反應室總容積、厭氧罐高徑比（經驗值）計算出厭氧罐的直徑，以確定厭氧罐的規格、尺寸，由厭氧罐直徑及反應室容積等，可計算出理論第一、二反應室高度，考慮到厭氧罐三相分離器，出水堰等部件，可對厭氧罐的設計高度再進行調整，由式（3-11）計算；厭氧罐中滲濾液的水力停留時間可用式（3-12）計算；沼氣產量可由式（3-13）計算所得。最終，通過一系列計算可得厭氧反應器的各項重要參數。其具體的計算過程如下所示。

③設計參數

設計規模：Q=400m3/d；

設計COD去除率：90%；

設計數量：2座；

結構形式：地上式鋼結構。

則，單座厭氧罐的計算過程如下。

容積尺寸：

第一反應室有效容積：

第二反應室有效容積：

IOC反應器的總有效容積為V=V1+V2=1140+810=1950m3

本設計的IOC反應器的高徑比為1.9。

則，取11m。

H=1.9×10.7=20.3m，有效高度取20.5m，設計高度取22m。

IOC反應器的底面積，則

第二反應室高，預留出水堰高度1.5m，取10m。

第一反應室的高度H1=H-H2=22-10=12m

設計水力停留時間：

沼氣產量計算：

④主要設備及儀表

厭氧進水泵，Q=36m3/h，H=30m，N=7.5kW，2臺；

厭氧循環泵：Q=200m3/h，H=9m，N=7.5kW，4臺；

厭氧排泥泵：Q=49m3/h，H=17.5m，N=7.5kW，2臺；

進水電動調節閥：DN65，2臺；

排泥電動閥：DN150，pn=1.0MPa；

溫度計：2臺；

進水電磁流量計：DN65，2臺；

循環電磁流量計：DN200，2臺；

火炬：Q=600m3/h，N=3.0kW；

沼氣壓力傳感器：1臺；

沼氣流量計：1臺；

溫度傳感器：1臺。

IOC厭氧反應器針對生活垃圾滲濾液的復雜性進行了針對性的設計，使其可以高效地處理生活垃圾滲濾液。在項目運行中，IOC對于有機物的去除率可達90%以上；對SS的截留效率較高，出水無帶泥現象；通過結構形式的優化，可以大大降低反應器結垢速率。得益于以上優點，IOC在滲濾液處理行業內得到越來越多的應用。