兩相厭氧處理工藝的研究與應(yīng)用

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簡介： 利用各種高效反應(yīng)器對現(xiàn)有的單相厭氧處理系統(tǒng)進(jìn)行改造，以提高其穩(wěn)定性，獲得比現(xiàn)有單相系統(tǒng)更大的負(fù)荷和更高的效率。文章對廢水兩相厭氧處理工藝的研究和應(yīng)用作了綜述，概括了兩相厭氧處理酒廠廢水、垃圾填埋場滲濾液、乳品廢水、牛奶廠廢水、制漿造紙廢水等的應(yīng)用情況，對反應(yīng)器型式、環(huán)境和操作條件及兩相厭氧處理工藝與其他厭氧反應(yīng)器處理廢水效果進(jìn)行了總結(jié)和比較。
關(guān)鍵字：兩相厭氧 酸化 甲烷化 廢水

　　有機(jī)物的厭氧降解，在宏觀上和工程上可以簡化地分為產(chǎn)酸和產(chǎn)甲烷兩個(gè)階段。兩個(gè)階段在細(xì)菌種類、消化速率、環(huán)境要求、降解過程和產(chǎn)物等方面均有所不同。在一個(gè)反應(yīng)器內(nèi)要保持這兩大類微生物的成活，并有旺盛的生理功能活動、協(xié)調(diào)發(fā)展，對反應(yīng)器的維護(hù)管理是比較困難的。Pohland^［1］于1971年首次提出了兩相厭氧消化的概念，即把厭氧的兩個(gè)階段分別在兩個(gè)獨(dú)立的反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行，分別創(chuàng)造各自最佳的環(huán)境條件，培養(yǎng)兩類不同的微生物，并將這兩個(gè)反應(yīng)器串聯(lián)起來，形成兩相厭氧工藝系統(tǒng)。

　　兩相厭氧工藝系統(tǒng)能夠承受較高的負(fù)荷率，反應(yīng)器容積較小，運(yùn)行穩(wěn)定，日益受到人們的重視。廢水采用兩相厭氧處理的前景十分可觀，可以利用各種高效反應(yīng)器設(shè)備對現(xiàn)有的處理系統(tǒng)進(jìn)行改造，提高其穩(wěn)定性，可獲得比現(xiàn)有單相厭氧處理系統(tǒng)更高的負(fù)荷率和效率。

　　1 兩相厭氧處理工藝的研究與應(yīng)用

　　1.1 研究與應(yīng)用情況

　　兩相厭氧工藝可用于處理多種廢水，如：酒廠廢水、垃圾滲濾液、大豆加工廢水、酵母發(fā)酵廢水、乳清廢水、牛奶工業(yè)廢水、淀粉廢水、制漿造紙廢水、染料廢水等。表1列出了部分兩相厭氧工藝研究和應(yīng)用的運(yùn)行數(shù)據(jù)。

　　表1 部分兩相厭氧工藝研究和應(yīng)用運(yùn)行數(shù)據(jù)

處理對象產(chǎn)酸相反應(yīng)器產(chǎn)甲烷相反應(yīng)器有機(jī)負(fù)荷率/(kgCOD·m^-3·d^-1)COD(BOD)去除率/%參考文獻(xiàn)酒廠廢水上流式厭氧污泥床上流式厭氧污泥床酸相 16.5甲烷相 44.080[2]制漿造紙廢水上流式厭氧污泥床上流式厭氧污泥床(36℃)1284(96)[3]牛奶廢水連續(xù)攪拌池反應(yīng)器上流式厭氧濾池590(95)[4]染料廢水厭氧填充床反應(yīng)器厭氧填充床反應(yīng)器0.25～1.00脫色率90[5]大豆加工廢水厭氧流化床厭氧流化床1276酵母發(fā)酵廢水厭氧流化床厭氧流化床20～2270～75馬鈴薯淀粉廠廢水上流式厭氧濾池(33℃)上流式厭氧污泥床(35℃)酸相 45.0甲烷相 14.083乳清廢水連續(xù)攪拌池反應(yīng)器上流式厭氧濾池0.5～2.0(gCOD/(gMLSS·d))90[6]乳清加工和牛奶場廢水預(yù)酸化反應(yīng)器雜合反應(yīng)器1098[7]小麥淀粉廢水預(yù)酸化反應(yīng)器厭氧擋板反應(yīng)器2099[8]酒精廢水高溫酸化高溫消化4.65～20.0085[9]垃圾滲濾液中溫酸化中溫消化2.41～7.9890[10]合成牛奶廢水高溫厭氧濾池（56℃）中溫厭氧濾池（35℃）2.0～16.090～97[11]

　　1.2 反應(yīng)器型式

　　兩相厭氧降解的產(chǎn)酸過程和產(chǎn)甲烷過程分別在兩個(gè)獨(dú)立的反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行。為了分別提高兩個(gè)階段的效率，這兩個(gè)階段可以應(yīng)用各種高效厭氧反應(yīng)器，如：上流式厭氧污泥床（UASB）－UASB系統(tǒng)^[2，3]、連續(xù)攪拌池反應(yīng)器（CSTR）－上流式厭氧濾池（UAF）系統(tǒng)^[4，6]、CSTR－厭氧填充床反應(yīng)器（APBR）系統(tǒng)、APBR－APBR系統(tǒng)^[5]、厭氧流化床(AFBR)－AFBR系統(tǒng)、UAF－UASB系統(tǒng)等。

　　1.3 環(huán)境和操作條件

　　厭氧消化過程受環(huán)境和操作條件的影響比較大。兩相厭氧工藝能使產(chǎn)酸過程和產(chǎn)甲烷過程均處于最佳的環(huán)境條件和操作條件。兩相厭氧降解的每個(gè)階段不僅僅只是采用不同的反應(yīng)器型式，而且還可應(yīng)用不同的溫度、pH、水力停留時(shí)間、有機(jī)物負(fù)荷率等，以取得最好的結(jié)果。

　　厭氧降解過程受溫度影響較大，厭氧降解的溫度可分為低溫（0～20 ℃）、中溫（20～42 ℃）和高溫（42～75 ℃）^[12]。在中溫范圍，35 ℃以下，每降低10 ℃，細(xì)菌的活性和生長率就減少一半。因此，對于預(yù)定的消化程度，溫度越低，消化時(shí)間越長。溫度對產(chǎn)酸過程的影響不是很大，對產(chǎn)甲烷過程則影響較大。高濃度廢水或污泥的厭氧處理通常采用中溫或高溫范圍。兩相厭氧降解過程的每個(gè)階段也可采用中溫或高溫范圍。根據(jù)厭氧消化的溫度范圍，兩相厭氧消化的溫度有高溫－高溫系統(tǒng)^[9]、中溫－中溫系統(tǒng)^[10]、高溫－中溫系統(tǒng)^[11]和中溫－高溫系統(tǒng)。

　　pH是厭氧反應(yīng)的重要影響因素。產(chǎn)甲烷菌的最適宜pH范圍是6.8～7.2，而產(chǎn)酸菌則需要偏酸一點(diǎn)的pH。傳統(tǒng)厭氧系統(tǒng)通常維持一定的pH，使其不限制產(chǎn)甲烷菌生長，并阻止產(chǎn)酸菌（可引起VFA累積）占優(yōu)勢，因此必須使反應(yīng)器內(nèi)的反應(yīng)物能夠提供足夠的緩沖能力來中和任何可能的VFA累積，這樣就防止了在傳統(tǒng)厭氧消化過程中局部酸化區(qū)域的形成。而在兩相厭氧系統(tǒng)中，每相可以用不同的pH，以便使產(chǎn)酸過程和產(chǎn)甲烷過程分別在最佳的條件下進(jìn)行，pH的控制對產(chǎn)甲烷階段尤為重要。

　　1.4 兩相厭氧系統(tǒng)的優(yōu)化運(yùn)行

　　兩相厭氧廢水處理系統(tǒng)的優(yōu)化運(yùn)行是將產(chǎn)甲烷反應(yīng)器的出水再循環(huán)至產(chǎn)酸反應(yīng)器^[13]。系統(tǒng)可以把一個(gè)混合良好的連續(xù)反應(yīng)器作為酸化階段的反應(yīng)器，以一個(gè)流化砂床反應(yīng)器作為產(chǎn)甲烷階段的反應(yīng)器。產(chǎn)酸階段通過自動添加苛性鈉來控制pH為6；產(chǎn)甲烷階段對pH則可不加以控制。結(jié)果表明，引入循環(huán)后，可以節(jié)省堿的投加量，從而減少處理成本。Shin等 ^[2]用一個(gè)兩相UASB-UASB系統(tǒng)處理制酒廠廢水，在兩個(gè)反應(yīng)器的顆粒污泥均形成之后，為了維持第一階段適宜的pH，只須通過產(chǎn)甲烷階段出水的循環(huán)，而無須投加堿性化合物。在韓國首都漢城附近的Anyany市，就有處理食物廢水的兩相厭氧消化池^[14]，該系統(tǒng)就是將甲烷相反應(yīng)器的出水再循環(huán)至酸相反應(yīng)器以提供堿度。

　　2 高濃度廢水不同處理工藝的效果比較

　　2.1 屠宰廢水

　　屠宰廢水來自屠宰過程的不同工序，如：沖洗牲畜、放血、剝皮、清洗牲畜尸體、打掃房間等，包括血水、皮肉顆粒、糞便和其他污染物質(zhì)。屠宰廢水的典型特征如下^[15]：pH=6.8～7.8；COD=5200～11400 mg/L；TSS=570～1690 mg/L；磷=7.0～28.3 mg/L；NH₃-N=19～74 mg/L；蛋白質(zhì)=3250～7860 mg/L。各種厭氧反應(yīng)器處理屠宰廢水的運(yùn)行數(shù)據(jù)見表2。

　　表2 各種厭氧反應(yīng)器處理屠宰廢水的運(yùn)行數(shù)據(jù)

反應(yīng)器類型有機(jī)負(fù)荷率/(kgCOD·m^-3·d^-1)COD去除率/%參考文獻(xiàn)UASB（粒狀污泥）11.085[16]UASB（絮狀污泥）5.080～89[16]UASB2.777[17]UASB7.085[18]UASB6.0～10.087～91[19]UASB1.0～6.590[15]厭氧濾池(AF)2.385[16]AF1.0～6.5< 90[15]厭氧接觸法(AC)3.092.6[16]厭氧折（擋）板反應(yīng)器(ABR)0.9～4.775[20]兩相厭氧工藝1.4～7.087[21]

　　2.2 乳清和牛奶廢水

　　牛奶場廢水來自制造過程、公用事業(yè)和服務(wù)機(jī)構(gòu)，廢水的各種來源為濺出液、廢棄液、撇乳、乳清，以及沖洗奶罐、設(shè)備、奶瓶和地板的廢水。乳清是制造奶酪時(shí)產(chǎn)生的最難處理的高濃度廢物，它包括一部分牛奶蛋白質(zhì)、水溶性維生素和無機(jī)鹽^[22]。不同類型厭氧反應(yīng)器處理乳品加工和牛奶場廢水的運(yùn)行數(shù)據(jù)見表3。

　　表3 各種厭氧反應(yīng)器處理乳清和牛奶廢水的運(yùn)行數(shù)據(jù)

反應(yīng)器類型有機(jī)負(fù)荷率/(kgCOD·m^-3·d^-1)COD去除率/%參考文獻(xiàn)UASB1.0～28.595～99[23]UASB7.0～9.590～94[23]UASB1.0～6.790～95[23]UASB31.090[24]UASB7.194[25]UASB0.9～6.097～99[26]上流式固定膜反應(yīng)器14.095[27]下流式固定膜反應(yīng)器2.688[28]厭氧流化床(AFBR)7.790[29]厭氧流化床(AFBR)6.0～40.063～87[30]厭氧附著膜膨脹床反應(yīng)器8.2～22.061～92[31]厭氧生物轉(zhuǎn)盤10.276[32]添加絮凝劑半連續(xù)式消化池16.199[33]兩相厭氧工藝10.097[34]兩相厭氧工藝10.098[7]兩相厭氧工藝0.97～2.8291～97[35]兩相厭氧工藝5.090[4]

　　2.3 造紙廢水

　　 在制漿造紙工業(yè)，紙漿的沖洗和漂白過程產(chǎn)生各種不同性質(zhì)的廢水，廢水也來自造紙機(jī)器、苛性氯的制造和黑液的回收，造紙廢水含有木質(zhì)素及其衍生物和各類氯代有機(jī)物。COD、抑制因素和可生化性的變化取決于廢水的來源^[22]。處理制漿造紙廢水的各種厭氧反應(yīng)器的運(yùn)行數(shù)據(jù)的比較見表4。

　　表4 各種厭氧反應(yīng)器處理制漿造紙廢水的運(yùn)行數(shù)據(jù)

反應(yīng)器類型廢水類型有機(jī)負(fù)荷率/(kgCOD·m^-3·d^-1)COD(BOD)去除率/%參考文獻(xiàn)厭氧流化床脫墨造漿0.66(m³/m³·d)50(BOD)[22]UASB脫墨造漿4040[22]UASB機(jī)械制漿4～3135～70[22]厭氧接觸法(AC)亞硫酸鹽冷凝液530～50[22]兩相UASB機(jī)械制漿1284[3]

　　3 討論與總結(jié)

　　由于厭氧過程每個(gè)階段的菌種都有一個(gè)與其他階段菌種不同的最佳微生物環(huán)境，在一個(gè)單相的厭氧消化池或反應(yīng)器中不可能實(shí)現(xiàn)最佳的厭氧運(yùn)行效果，將兩個(gè)階段的菌種用于同一個(gè)反應(yīng)器，會明顯地阻礙彼此的效率。兩相厭氧降解過程有其特點(diǎn)，因?yàn)槊肯喽急３制渥钸m宜的pH和氧化還原電位，使其在較高的效率下運(yùn)行。兩相厭氧工藝的啟動可以在幾周內(nèi)完成，而無須幾個(gè)月，并且所需設(shè)備尺寸至少可以縮小1/3。兩相厭氧工藝的優(yōu)點(diǎn)在于：分離和優(yōu)化了潛在的限速階段，使水解酸化過程和產(chǎn)甲烷過程均處于最佳狀態(tài)；提高了反應(yīng)動力和穩(wěn)定性（控制各階段pH，提高反應(yīng)器抵抗沖擊負(fù)荷的穩(wěn)定性，選擇生長較快的細(xì)菌）；酸化階段具有潛在的解毒作用。

　　兩相厭氧工藝還有以下不足：分相后原厭氧消化微生物共生關(guān)系被打破；難于管理；缺乏對各種廢水的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)；底物類型與反應(yīng)器型式之間的關(guān)系不確定。有研究者認(rèn)為，從微生物的角度來看，厭氧消化過程是由多種菌群參與的生物過程，這些微生物種群之間通過代謝的相互連貫、制約和促進(jìn)，最終達(dá)到一定的平衡，在厭氧消化最優(yōu)化的條件下不能分開，否則不符合最優(yōu)化條件，而兩相厭氧過程勢必會改變穩(wěn)定的中間代謝產(chǎn)物水平，有可能對某些特殊營養(yǎng)型的細(xì)菌產(chǎn)生抑制作用，甚至造成熱力學(xué)上不適于中間產(chǎn)物繼續(xù)降解的條件。然而從目前的研究結(jié)果來看，雖然相分離后中間代謝產(chǎn)物發(fā)生了變化，但相的分離基本上都是不完全的，所以產(chǎn)甲烷相中的污泥仍是由多種菌群組成的，可以適應(yīng)變化了的各種中間產(chǎn)物，因此相分離后中間產(chǎn)物的變化對產(chǎn)甲烷相沒有不利影響。相反，由于產(chǎn)酸相去除了大量的氫及某些抑制物，可以為后一階段的產(chǎn)甲烷菌提供了更適宜的底物及環(huán)境條件，從而使產(chǎn)甲烷相中的污泥活性得以提高，處理效果及運(yùn)行穩(wěn)定性也相應(yīng)提高。

　　一般情況下，底物類型和反應(yīng)器型式?jīng)Q定了某種廢水能否適用于兩相厭氧處理，這也得到了許多試驗(yàn)的驗(yàn)證。兩相厭氧處理工藝是可以推廣應(yīng)用的，但對各種廢水的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)卻不足，因此仍有許多工作要做。

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