朱灵峰，程 萌，苏彩丽，王 燕，张 楠，陈桂霞，田艳娥

(华北水利水电学院环境与市政工程学院，河南郑州450045)

IC反应器是高效厌氧反应器．其特征是在反应器中装有2级三相分离器，反应器下半部分可在极高的负荷条件下运行［1～3］．整个反应器的有机负荷率高，水力停留时间短，并可实现液体内部的无动力循环，从而克服了UASB反应器在较高的上升流速下颗粒污泥易流失的不足［4］．在生物发酵制氢反应器的研究中，国内外主要集中在对CSTR反应器、UASB反应器、填充床和膨胀床的研究［5］上，目前尚无人对IC反应器的发酵制氢特性进行研究，作者对小型IC反应器进行了发酵制氢的研究，主要考察了反应器在中温条件下发酵产氢的启动特性．

1 试验装置和方法

1．1 试验装置

IC反应器装置由有机玻璃制成，圆柱形，内径140 mm，壁厚5 mm，总高1520 mm，污泥床反应区高度为1260 mm，第1反应区高度为700 mm，集气罩尺寸为220 mm×140 mm，反应器底部设置布水器，顶部设置溢流装置，反应器内泥水上升管和下降管直径为15 mm，反应器总容积为23．1 L，反应区总容积为18．46 L，沿着反应器高度方向均匀设置8个取样口．

该工艺其它组成部分主要包括配水箱、蠕动泵、加热带、气体收集装置等．工艺流程如图1所示．

图1 IC反应器的工艺流程图Fig．1 The flow chart of internal circulation reactor

1．2 试验用水

试验采用人工合成废水，以葡萄糖为有机碳源，添加 NH4Cl和 KH2PO4调节 m(C)∶m(N)∶m(P)=200∶5∶1，同时加入 Ca，Mg，Fe，Cu，B，Mn，Zn，Co，Mo，Ni等微量元素以及酵母膏，并以 NaHCO3调节进水碱度．

1．3 接种污泥

接种污泥采用经过预处理的颗粒污泥，污泥呈灰黑色，污泥浓度(MLSS)为 82．95 g·L－1，可挥发性固体悬浮物(VSS)为 72．40 g·L－1．

1．4 分析方法

COD采用重铬酸钾法;挥发性脂肪酸(VFA)及碳酸氢盐碱度采用联合滴定法;pH值采用玻璃电极法;产气量采用湿式气体流量计;氢气含量采用气相色谱法;颗粒污泥粒径分布采用湿式筛分法［6］．

2 试验设计

在厌氧消化过程中，主要分为水解和发酵、产氢及产乙酸和产甲烷阶段．有机物通过发酵细菌的作用生成乙醇、丙酸、丁酸和乳酸等，接着通过产氢产乙酸菌的作用转化为乙酸、H2及CO2，最后被产甲烷菌转化为CH4和CO2．试验采用污泥预处理方法杀死污泥中的产甲烷菌，并通过控制试验条件，使发酵过程只进行前2个阶段，进而产氢．

反应器启动前先用加热法对污泥进行预处理，随后进行污泥的接种和驯化，并以连续进水方式进水．IC反应器初始进水质量浓度为2 000 mg·L－1，进水流量为 1．5 L·h－1，回流流量 10．42 L·h－1，水力停留时间(HRT) 为 12．3 h，容积负荷COD 为3．90 kg·m－3·d－1．启动进水 COD 质量浓度和有机负荷较小，且进行强制性外循环，有助于反应器的快速启动．运行过程中，通过调节进水质量浓度和进水流量相结合的方法提高反应器的容积负荷，试验过程中，进水 COD质量浓度由2 000 mg·L－1逐渐增加至 10 000 mg·L－1，进水流量由1．5 L·h－1逐步提高至4 L·h－1，回流流量逐渐降低至0．

3 结果与分析

3．1 出水pH值、碱度和挥发性脂肪酸的变化趋势

pH值是生物制氢过程中的重要影响因素．pH值的变化会影响参与新陈代谢过程的酶活性［7］，还会影响反应器中的优势菌群，进而改变反应器中的发酵类型［8］．由图2可知，启动试验初期，反应器出水pH值有所升高，随着发酵产酸过程的进行，pH值呈现降低的现象，然后随着部分失活污泥的排出，pH值又出现上升趋势，最后随着活性污泥对环境的适应，这2种过程逐渐达到平稳状态，出水pH值渐趋稳定，保持在3．5～4．5．产氢发酵过程中VFA的含量是衡量生物制氢系统优劣的另外一个重要指标，在试验初始阶段，厌氧微生物大量产酸，VFA的含量较高;随着试验的进行，微生物对VFA的利用率增加，出水中VFA含量降低;中间过程，微生物的产酸量大于利用率，出水中VFA又出现升高趋势;试验后期，微生物产酸量与利用率渐趋平衡，出水VFA缓慢下降．碱度是指反应系统中能够定量与强酸作用的物质总和，标志着反应体系在一定范围内对氢离子变化的中和能力［9］，它可以为反应系统的pH值和VFA变化提供有效缓冲．在试验过程中，出水碱度随着VFA含量的不断变化而高低起伏，含量保持在0～10 mmol·L－1．

3．2 水力停留时间和容积负荷对系统的影响

水力停留时间是连续性发酵产氢系统的重要调控因子，而容积负荷是影响发酵类型的生态因子，二者对产氢系统有重要影响［5］．水力停留时间与COD去除率的关系见图3．从图3可以看出，试验前期，进水流量逐渐变大，HRT逐渐变小，从12．3 h降至5．3 h，此时反应器处于启动阶段，污泥活性逐渐恢复，其对有机物的摄取量逐渐增加，COD去除率呈上升趋势，并渐趋稳定．试验中期，HRT降至4．6 h，由于HRT的降低，微生物对环境变化一时难以适应，COD去除率大幅度下降．试验后期，HRT保持在4．6 h不变，微生物对环境开始逐渐适应，COD去除率也稳步上升，最后COD去除率在50%左右．

产气量与容积负荷的关系见图4．从图4可以看出，在试验前40 d，由于微生物对环境的不适应，污泥活性尚未完全恢复，而且容积负荷较低，即使逐步提高容积负荷，反应器内仍无气体产生;在实验过程中微生物对环境逐渐适应，在容积负荷COD 为31．20 kg·m－3·d－1时开始产气，产气量呈升高趋势;在提高负荷前2～3 d，产气量大幅度下降，之后随着微生物对条件的适应，产气量逐步增加，最高产气量可达到350 L·d－1．

图4 产气量与容积负荷的关系曲线Fig．4 Relationship between gas production and volume loading rate

发酵气体中氢气含量的变化如图5所示．随着试验的进行，产氢菌活性逐步提高，气体中的氢气含量也逐渐提高，最高时可达48%，证明用IC反应器厌氧发酵产氢，产生的气体中氢气纯度也较高．

图5 发酵气体中氢气含量的变化Fig．5 The change trend of hydrogen content in fermentation gas

3．3 系统中污泥特性分析

在高效厌氧产氢反应器中，颗粒污泥的粒径分布可以直观的反映出系统水力条件、底物类型、底物浓度对污泥产生的影响，也可以出侧面反映出系统的运行状况［6］．

污泥粒径分布如图6所示，接种污泥粒径小于0．45 mm 的占 3%，0．45 ～2．0 mm 之间的占 85%，大于2．0 mm的占12%，由此可知污泥粒径比较分散，小颗粒较多．在试验过程中，随着对环境的适应，颗粒污泥逐渐长大，但是一部分污泥由于剧烈的水力筛分作用和气动作用使外层剥落，粒径有所减少，小于0．45 mm的所占比例增加到16%，而大于2．0 mm 的所占比例也增加到46%，0．45 ～2．0 mm之间的占38%．运行后期，大部分颗粒污泥粒径增大，小于0．45 mm 的仅占0．5%，大于2．0 mm的占21%．

图6 颗粒污泥粒径的分布Fig．6 Size distributions of the granular sludge

4 结论

1)试验通过出水pH值、碱度及VFA来判断IC反应器的运行状况，当反应系统良好时，出水pH值稳定在3．5～4．5之间，碱度及VFA含量也较稳定．

2)该反应器可承受较高的有机负荷，当进水COD质量浓度为10 000 mg·L－1，容积负荷COD为52．00 kg·m－3·d－1时仍有较高的产气量，但是提高容积负荷，产气量增加较少，为了节约成本，可以控制容积负荷 COD 为 31．20 kg·m－3·d－1，此时产气量可达到350 L·d－1．

3)该反应器厌氧发酵产氢，产生气体量较大，最高时可达360 L·d－1，气体中氢气含量较高，最高可达48%．

［1］ PEREBOOM J H ．Methanogenic granule development in full scale internal circulation reactors［J］．Wat Sci Tech，1994，30(8):9 －12．

［2］ 胡纪萃．试论内循环厌氧反应器［J］．中国沼气，1999，17(2):3 －6．

［3］ 王凯军．厌氧工艺的发展和新型厌氧反应器［J］．环境科学，1998，19(1):94 －96．

［4］ 吴 静，陆正禹，胡纪萃，等．新型高效内循环(IC)厌氧反应器［J］．中国给水排水，2001，17(1):26 －29．

［5］ 郭婉茜．附着型和颗粒性膨胀床生物制氢反应器的运行调控［D］．哈尔滨:哈尔滨工业大学，2008．

［6］ 虞嘉东，张振家，王新泽．厌氧颗粒污泥粒径分布的分析测试方法简介［J］．工业用水与废水，2004，35(2):57－59．

［7］ HORIUCHI J I，SHIMIZU T，TADA K，et al．Selective production of organic acids in anaerobic acid reactor by pH control［J］．Bioresource Technology，2002，82:209－213．

［8］ 张顺泽．讨论废水碱度对活性污泥的影响［J］．化工环保，1994(1):17－19．