两相厌氧消化工艺的应用现状

摘 要: 两相厌氧消化工艺因产酸相和产甲烷相的分离而具有一系列的特点和优势。针对该工艺的理论依据和运行机理进行了阐述, 讨论了两相厌氧消化工艺的相分离以及相分离的实现对整个工艺的影响, 着重剖析了两相厌氧消化工艺的影响因素, 并对该工艺的应用现状及存在的问题进行了论述。

关键词: 两相厌氧消化；产酸相； 产甲烷相

Abstract: The technology of two phase anaerobic digestion have a series of characteristics and advantages because of the separation of acidogenic phase and methanogenic phase.According to the principle of its elaborating of the technol-ogy, the separated phase and the influence of the realization upon the whole technology have been discussed in the article, emphasized to analyze the influence of two Phase anaerobic digestion and carried on the treatise to the appli-cation and existent problems of that technology.

Key words: two phase anaerobic digestion； acidogenic phase； methanogenic phase

中图分类号： TQ241.4文献标识码：A 文章编号：

1 引言

两相厌氧消化也称两步或两段厌氧消化是20世纪70年代初由美国戈什和波兰特开发的厌氧处理新工艺。并于1977年在比利时首先应用于生产。随后引入我国, 与其它的厌氧反应器不同的是, 它并不着重于反应器结构的改造, 而是着重于工艺的变革。

2 两相厌氧消化工艺特性

2.1基本原理

厌氧过程中两大类菌群，即产酸菌群和产甲烷菌群，它们在营养要求、生理代谢、繁殖速度和最适环境条件等方面，都存在很大的差异，在单相厌氧消化工艺中，两大类菌群在一个反应器内，不利于充分发挥各自的最佳活性。两相厌氧消化工艺则将产酸和产甲烷过程分离，使两类菌群分别在各自适宜的生态环境

下生长繁殖，能显著提高活性。

2.2 生物相分离

2.2.1相分离途径

人们开始根据两大类菌群的不同特性探索相分离途径。目前相分离途径可以归纳为以下三种，一是在酸化反应器中通过某种条件对产甲烷菌进行选择性抑制。如投加适量的CH3Cl、CCl4，控制微量氧，调节氧化还原电位和pH值等。但在废水的厌氧消化处理中，相分离的目的是提高处理效果，因加入的抑制剂对后一阶段的产甲烷菌有抑制作用，故不宜采用；二是对产酸和产甲烷菌进行渗析分离, Dong Ha Kim等用直径为1.2～10µm的软性微生物过滤膜实现了产酸相和产甲烷相的分离，以淀粉为主要基质的试验研究表明产酸相的效率大大提高；三是通过动力学参数来控制。如有机负荷率、停留时间等。一般负荷率高时产酸菌繁殖快，有机酸浓度高，对产甲烷菌的抑制作用就强，从而达到有效相分离的目的。

以上几种相分离途径中，利用动力学参数特别是用提高有机负荷率进行控制是一种最简便、最有效的方法，也是目前使用较普遍的一种方法。

2.3 两相厌氧消化工艺微生物特性

表1产酸相细菌和产甲烷相细菌的特性

Table1 Characteristic of acidogenic and methanogenic

通过对厌氧消化过程中产酸菌和产甲烷菌的形态特性的研究，人们逐渐发现，产酸菌种类繁多，生长快，对环境条件变化不太敏感。而产甲烷菌则恰好相反，专一性很强，对环境条件要求苛刻，繁殖缓慢。这也正是人们可以把一个厌氧消化过程分为产酸相和产甲烷相两相工艺的理论依据。表1总结了两类不同细菌群在厌氧消化过程中的相对特性。

3 两相厌氧消化工艺的应用现状

传统的厌氧消化工艺中，产酸菌和产甲烷菌在单相反应器内完成厌氧消化的全过程。由于二者的特性有较大的差异，对环境条件的要求迥异，无法使产酸菌和产甲烷菌都处于最佳的生理生态环境条件，因而影响了反应器的效率。

在两相厌氧消化工艺中，使产酸相和产甲烷相有效分离的途径有三种：投加抑制剂法，在产酸相中通过某种条件对产甲烷菌进行选择性抑制。如投加抑制剂、控制微量氧，调节氧化还原电位和pH等但该方法对下一阶段的产甲烷菌有抑制作用，不宜采用。渗析法，可以采用在产酸相和产甲烷相之间加膜分离单元的方法进行相分离。Kim和Chang[1]用直径为0.2-10μm的软性微生物过滤膜实现了产酸相和产甲烷相的分离，以淀粉为主要基质的试验研究表明产酸相的效率大大提高。该方法目前还处于研究阶段，因技术条件和经济成本等困难而无法满足实际工程的需要。动力学控制法，通过动力参数(如有机负荷率、停留时间等)的调控实现产酸菌和产甲烷菌的有效分离。第一种方法因对后续反应相有影响而应该慎重使用；第二种方法很有发展前景，但现在还不能推广应用于工程中；第三种方法易于实现且不会对后续反应过程有不利影响，目前被普遍采用。周岳溪等人[2]对水葫芦和猪粪进行了两相厌氧处理，发现水葫芦加猪粪的两相厌氧消化工艺具有实际推广价值，产气量是水葫芦直接厌氧消化处理的34倍，气体中甲烷含量74%，出水COD为150～235mg·L-1，SS为40 mg·L-1。产酸相处于乙酸状态，启动期短，有效克服了现有沼气发酵池运行中存在的浮泥、污泥结块等现象，提高了有机物的厌氧产气率和工艺运行的稳定性。

同济大学的高廷耀等人[3]对城市污水厂的气浮浓缩污泥进行高温酸化（55ºC）、中温甲烷化（35ºC）两相研究，并和中温单相厌氧消化工艺进行了比较，认为污泥的两相工艺并不是比单相工艺优越，在较长水力停留时间下，两种工艺的性能无明显区别，但当进水浓度提高并适当缩短水力停留时间时，两相工艺开始显示明显的优势，高温酸化—中温甲烷化两相工艺在灭活病原微生物性能上要明显优于中温单相工艺。赵庆良等人[3]研究了污泥和马铃薯加工废水、猪血、灌肠加工废水的高温酸化（75ºC，2.5d）、中温甲烷化(37ºC，10d）两相厌氧消化。认为污泥混和一定比例的其他高浓度有机废物进行高温/中温两相厌氧消化在技术上是可行和有效的。控制高温产酸相在75ºC和2.5d可基本达到水解与产酸（兼作灭菌）的目的，控制中温产甲烷相在37ºC和10d（或14d）可达到最大产气与产甲烷，系统稳定性较好。

在实现相分离方面，国内学者也进行了相关研究。李圭白等人[3]采用将产酸相pH控制在4.0-5.0的办法实现了相分离，但是该方法对下一阶段的产甲烷菌有抑制作用。目前有研究者提出了两相厌氧消化和膜分离技术相结合的两相厌氧膜生物技术，在产酸反应器和产甲烷反应器之间添加膜分离组件，使两相厌氧系统的相分离更加完全，有机物的去除能力得以较大的提高。付胜涛等人[4]研究了初沉污泥和厨余垃圾的混合中温厌氧消化。试验结果表明，在所有的反应器运行过程中，进料有机负荷为1.66-4.19 gVS/(L·d)，所有反应器系统中均没有出现如pH降低、碱度不足、氨抑制和VFA积累等抑制现象。在两种进料条件下，相应的VS去除率分别为61.8%-66.4%和67.5%～70.4%，甲烷产率分别为0.441-0.447 L/gVS和0.47-0.482 L/gVS。

20世纪80年代以来，两相厌氧工艺主要应用于高浓度有机废水的处理。如法国的Raynal等人[5]研究了35ºC 下不同蔬菜的两相固态厌氧消化，发现除苹果渣外，其余废物在水解酸化段的水解率都高于80%，各种废物的酸化水进入同一个甲烷罐中进行处理，降解率达80%，总有机质去除率为87%。Zhang等人[6]利用厌氧两相消化的方法研究稻草固态发酵产沼气，并且设计用一个产甲烷反应器连结多个稻草水解酸化反应器，取得很好的效果。但在实际的市场运作中，两相消化并没有表现出优越性。 DeBaere[7]通过对欧洲固体垃圾厌氧消化的调查发现，两相消化所占的比重比单相消化要小得多，原因是两相消化系统需要更多的投资，以及运转维护也更为复杂。Goel等人[8]对速溶茶提取后茶叶渣进行了固态两相厌氧消化研究，水解酸化后的高浓度有机废水COD达12880mg·L-1，过滤液进行分批产甲烷试验，每去除1千克COD，平均产气量为0.48m3，COD去除率93%，甲烷含量73%。

综上所述，两相厌氧消化工艺具有单相工艺所不具备的优点。国内外有关两相厌氧消化工艺的研究主要集中在高浓度有机废水和有机固体废物处理方面，而对采用该工艺处理污泥的研究，尚只侧重于厌氧消化机理方面的内容，很少有试验研究报道。

参考文献

[1].D. H. Kim, Y. C. Chang. Development of two phase anaerobic reactor with membrane filter [A]. Proc. 8th International Conf. On Anaerobic Digestion. 1997, (2): 77~78

[2].周岳溪. 水葫芦加动物排泄物两相厌氧生物处理工艺. 环境科学研究. 1996，9(6)：6~10

[3].高廷耀，周恭明，周增炎. 污泥两相和单相厌氧消化性能比较研究. 同济大学学报.1997，25(6)：629~634

[4].付胜涛, 于水利, 严晓菊. 初沉污泥和厨余垃圾的混合中温厌氧消化. 给水排水. 2006, 32(1): 24~28

[5].J. Raynal, J. P. Delgnes, R. Moletta. Two phase anaerobic digestion of solid waste by a multiple liquefaction reactors process. Biores. Technol. 1998，65：97~103

[6].R. Zhang, Z. Zhang. Biogasification of rice straw with an anaerobic phased solids digester system. Bioresource technology. 1999, 68：235~245

[7].S. Sung, T. Liu. Ammonia inhibition on thermophilic anaerobic digestion. Chemosphere. 2003, 53: 43~52

[8].C. H. Ting, D. J. Lee. Production of hydrogen and methane from wastewater sludge using anaerobic fermentation. International Journal of Hydrogen Energy. 2007, 32: 677~682