内循环厌氧反应器(简称IC反应器)是在升流式厌氧污泥床UASB的基础上发展而来的一种高效厌氧生物反应器,是最具代表性的第三代厌氧反应器。在IC反应器的诸多部件中,对运行负荷与去除率有着显著影响的关键结构有布水系统、重渣排放和反应器循环系统,目前主要存在布水不均匀、容易出现死区、反应器钙化严重且重渣无法实现有效排放、循环量不足、反应器缓冲能力差、生物颗粒污泥流失严重等问题。因此,对IC反应器的关键结构进行优化,使反应器实现长期稳定高效的运行具有重要的理论与现实意义。(1)在对比分析各种布水系统的设计思想、结构形式和混合机理等研究现状的基础上,结合运用旋流布水和大阻力配水技术,设计出一套反应器梯度多层旋流布水系统。提高系统的布水均匀性,布水区域无死区,使污泥床处于流化状态以增强废水和颗粒污泥的混合度,有效强化传质和反应过程。(2)对反应器重渣形成机理进行研究,借鉴水力旋流除渣原理对反应器重渣分离与排放装置进行结构设计。在反应器污泥床底部设计一套倒锥型重渣水力旋流筛选装置,并在其底部设计一个圆柱形的集渣槽以使重渣得以有效收集后分离,最终成功实现重渣的排放并使排出重渣中灰分含量不低于80%,能根据反应器重渣含量随时进行排放。(3)综合运用厌氧颗粒污泥膨胀床和固体流态化技术,对IC反应器循环系统水力条件进行优化。通过调整反应器出水设计,在内循环系统的基础上增加一套功能上可以实现上部溢流出水,部分出水和洗出污泥循环回流至反应器的立管结构。由立管构成IC反应器的外部循环系统,提高了反应器的液面上升流速而且可以使其稳定在5~8m/h的中高负荷区间,出水颗粒污泥浓度≤5ml/L,保证了基质的混合强度和稳定运行能力。(4)制作出实验室规模的小试反应器装置以检测布水均匀性、重渣排放效果、流场形态和传质效果、COD去除率与运行稳定性等。小试装置运行状态表明:布水系统均匀性显著提高,布水区域无死区;重渣成功从反应器中得到筛选分离;反应器基质间传质明显。反应器运行综合评价体系项目中COD去除率达到80%,污泥负荷0.2kg COD/(kgVSS·d),容积负荷30kg COD/(m~3·d),出水VFA稳定在5mmol/L左右,说明反应器运行状况良好。最后,对原结构形式的IC反应器的关键结构进行了工程改造及应用,此工程是国内首次采用优化后的关键结构对原有反应器进行的改造。改造后反应器运行数据及红外热成像检测表明改造取得了预计效果:反应器布水均匀性得到改善;解决了原先存在的反应器钙化和重渣不能筛选排放的问题;温度场均衡分布区域占比达到90%以上;传质效果较好,反应器运行稳定高效,去除率较原设计值提高10个百分点。为IC厌氧反应器关键结构的研究、优化和应用提供了新的参考。