兩相厭氧消化（TPAD）的研究現(xiàn)狀及展望

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簡(jiǎn)介： 綜合論述了兩相厭氧消化（TPAD）的原理、相分離的方法、影響因素和評(píng)價(jià)指標(biāo)及國(guó)內(nèi)外研究應(yīng)用現(xiàn)狀，展望了在廢水處理領(lǐng)域中的廣闊前景。
關(guān)鍵字：兩相厭氧消化 相分離 酸化 甲烷化 評(píng)價(jià)指標(biāo)

　　Progression and Prospects on the Research of Two-Phase Anaerobic Digestion (TPAD)

　　Wang Kehao1  Li Dongwei1,2  Li Dou1  Yuan Xue1  Xu Zhonghui1 

　　(1. College of Resource and Environmental Science，Chongqing University，  Chongqing  400030； 2. The Key Laboratory of the Exploitataion of Southwest Resources & the Environmental Hazards Control Engineering，Ministry of Education，Chongqing  400030)

　　Abstract: The article firstly summaries the principle of two-phase anaerobic digestion (TPAD), methods of phase-separation, affecting factors and evaluating indexes Then the situation of investigation and application in internal and external TPAD are introduced. Finally, the research directions and the prospects in two-phase anaerobic digestion processes are forecasted.

　　Keywords：two-phase anaerobic digestion; phase separation; acidogenesis; methogenesis; evaluating indexes

　　兩相厭氧消化系統(tǒng)(Two-Phase Anaerobic Digestion，簡(jiǎn)稱TPAD)是20世紀(jì)70年代初美國(guó)戈什(Ghosh)和波蘭特(Pohland)開(kāi)發(fā)的厭氧生物處理新工藝[1]，并于1977年在比利時(shí)首次應(yīng)用于生產(chǎn)。該技術(shù)與其他新型厭氧反應(yīng)器不同的是，它并不著重于反應(yīng)器結(jié)構(gòu)的改造，而是著重于工藝的變革。兩相厭氧技術(shù)的研究將促進(jìn)國(guó)內(nèi)厭氧技術(shù)的發(fā)展，同時(shí)解決目前對(duì)高濃度有機(jī)廢水進(jìn)行厭氧生物處理時(shí)易酸化、靠稀釋廢水的技術(shù)局面，是廢水厭氧生物處理的一個(gè)技術(shù)飛躍。

　　1 兩相厭氧消化的原理

　　傳統(tǒng)的應(yīng)用中，產(chǎn)酸菌和產(chǎn)甲烷菌在單個(gè)反應(yīng)器中，這兩類菌群之間的平衡是脆弱的。這是由于兩種微生物在生理學(xué)、營(yíng)養(yǎng)需求、生長(zhǎng)速度及對(duì)周圍環(huán)境的敏感程度等方面存在較大的差異。在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)用中所遇到的穩(wěn)定性和控制問(wèn)題迫使研究人員尋找新的解決途徑。

　　一般情況下，產(chǎn)甲烷階段是整個(gè)厭氧消化的控制階段。為了使厭氧消化過(guò)程完整的進(jìn)行就必須首先滿足產(chǎn)甲烷相細(xì)菌的生長(zhǎng)條件，如維持一定的溫度、增加反應(yīng)時(shí)間，特別是對(duì)難降解或有毒廢水需要長(zhǎng)時(shí)間的馴化才能適應(yīng)。二相厭氧消化工藝把酸化和甲烷化兩個(gè)階段分離在兩個(gè)串聯(lián)反應(yīng)器中，使產(chǎn)酸菌和產(chǎn)甲烷菌各自在最佳環(huán)境條件下生長(zhǎng)，這樣不僅有利于充分發(fā)揮其各自的活性，而且提高了處理效果，達(dá)到了提高容積負(fù)荷率，減少反應(yīng)容積，增加運(yùn)行穩(wěn)定性的目的。從生物化學(xué)角度看，產(chǎn)酸相主要包括水解、產(chǎn)酸和產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸階段，產(chǎn)甲烷相主要進(jìn)行產(chǎn)甲烷階段。從微生物學(xué)角度，產(chǎn)酸相一般僅存在產(chǎn)酸發(fā)酵細(xì)菌，而產(chǎn)甲烷相不但存在產(chǎn)甲烷細(xì)菌，且不同程度存在產(chǎn)酸發(fā)酵細(xì)菌[2]。

　　2 相分離的優(yōu)勢(shì)及方法

　　相分離的實(shí)現(xiàn)，對(duì)于整個(gè)處理工藝來(lái)說(shuō)主要可以帶來(lái)以下兩個(gè)方面的好處：1）可以提高產(chǎn)甲烷相反應(yīng)器中產(chǎn)甲烷菌的活性；2）可以提高整個(gè)處理系統(tǒng)的穩(wěn)定性和處理效果。厭氧消化過(guò)程中產(chǎn)生的氫不僅能調(diào)節(jié)中間代謝產(chǎn)物的形成，也能調(diào)節(jié)中間產(chǎn)物的進(jìn)一步降解。兩相厭氧生物處理系統(tǒng)本質(zhì)的特征是相的分離，這也是研究和應(yīng)用兩相厭氧生物處理工藝的第一步。一般來(lái)說(shuō)，所有相分離的方法都是根據(jù)兩大類菌群的生理生化特征差異來(lái)實(shí)現(xiàn)的。目前主要的相分離的技術(shù)可以分為物理化學(xué)法和動(dòng)力學(xué)控制法。

　　管運(yùn)濤等[3]采用傳統(tǒng)兩相厭氧工藝與膜分離技術(shù)相結(jié)合的系統(tǒng)(MBS)處理有機(jī)廢水的研究結(jié)果表明：系統(tǒng)COD去除率達(dá)到95%，SS去除率在92％以上，酸化率為60%~80%，氣化率在80%~90%左右，產(chǎn)酸反應(yīng)器出水酸化水平高，低分子有機(jī)酸含量高，使兩相工藝分相較為完全。隨后，應(yīng)用該系統(tǒng)于處理造紙廢水的研究。

　　洗萍等[5]采用兩段UASB厭氧反應(yīng)器為主體的工藝處理木薯淀粉廢水，在溫度為20℃左右，進(jìn)水為CODCr6000~8000mg/L反應(yīng)條件下二次啟動(dòng)。經(jīng)過(guò)33d的運(yùn)行，兩段厭氧處理CODCr去除率累計(jì)達(dá)85％以上，出水CODCr為400~800mg/L。試驗(yàn)結(jié)果表明，甲烷段是整個(gè)反應(yīng)器啟動(dòng)的控制階段，只要控制好各反應(yīng)器的運(yùn)行參數(shù)，便能很好達(dá)到兩相分離的目的。

　　樊國(guó)鋒等[6]以蔗糖為基質(zhì)，采用連續(xù)進(jìn)水的方式，研究?jī)上郩ASB反應(yīng)器的相分離。結(jié)果表明，控制酸化相pH值為5.50~6.00，可得到滿意的相分離效果。運(yùn)行80d后，酸化相顆粒污泥直徑為2~8mm，污泥濃度為73.61kg/m3，COD去除的產(chǎn)氣率740.0ml/g，COD容積負(fù)荷為20.82kg/(m3·d)；產(chǎn)甲烷相顆粒污泥直徑為1~3mm，污泥濃度為53.73kg/m3，COD去除的產(chǎn)氣率614.4ml/g，COD的容積負(fù)荷為19.91 kg/(m3·d)。兩相UASB反應(yīng)器的COD總?cè)コ蔬_(dá)93.3%，COD容積負(fù)荷為20.82kg/(m3·d)。

　　Beccari M等[7]在產(chǎn)酸相和產(chǎn)甲烷相中，基于不同水力停留時(shí)間和污泥齡的動(dòng)力學(xué)控制法，在不添加任何化學(xué)抑制劑的情況下，實(shí)現(xiàn)了部分相的分離。產(chǎn)酸相中主要為產(chǎn)酸菌以及少數(shù)的氫營(yíng)養(yǎng)產(chǎn)甲烷菌。同時(shí)，產(chǎn)甲烷相中同時(shí)進(jìn)行酸化和甲烷化過(guò)程。

　　3 影響因素和評(píng)價(jià)指標(biāo)

　　3.1 影響因素

　　（1）溫度

　　厭氧降解過(guò)程受溫度影響較大，厭氧降解的溫度可以分為低溫（0~20℃）、中溫（20~42℃）和高溫（42~75℃）。在中溫范圍，35℃以下每降低10℃，細(xì)菌的活性和生長(zhǎng)速率就減少一半[8]。溫度對(duì)產(chǎn)酸過(guò)程的影響不是很大，對(duì)產(chǎn)甲烷過(guò)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(guò)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)。

　　（2）pH值

　　產(chǎn)甲烷菌的最適宜pH范圍是6.8~7.2，而產(chǎn)酸菌則需要偏低一點(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(zhǎng)，并阻止產(chǎn)酸菌（可引起VFA累積）占優(yōu)勢(shì)，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(lái)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(guò)程中局部酸化區(qū)域的形成。而在兩相厭氧系統(tǒng)中，兩相分別采用不同的pH，以便使產(chǎn)酸過(guò)程和產(chǎn)甲烷過(guò)程分別在最佳的條件下進(jìn)行，pH的控制對(duì)產(chǎn)甲烷階段尤為重要。

　?。?）HRT

　　最大去除效率經(jīng)常是通過(guò)操作保證產(chǎn)酸段短的水力停留時(shí)間（HRT）從而防止產(chǎn)甲烷菌的生長(zhǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。這個(gè)過(guò)程主要是通過(guò)調(diào)整水力停留時(shí)間來(lái)實(shí)現(xiàn)的，而不是微生物的量[12]。

　?。?）硫酸鹽[13]

　　當(dāng)進(jìn)水中含有較高濃度的硫酸鹽時(shí)，在厭氧條件下硫酸鹽會(huì)對(duì)厭氧細(xì)菌特別是產(chǎn)甲烷菌產(chǎn)生嚴(yán)重的抑制作用。主要是硫酸鹽還原菌（sulphate reducing bacteria, 簡(jiǎn)記SRB）和產(chǎn)甲烷菌存在明顯的基質(zhì)競(jìng)爭(zhēng)，而動(dòng)力學(xué)分析表明，硫酸鹽還原作用更容易進(jìn)行。另一方面，硫酸鹽的還原底物H2S對(duì)產(chǎn)甲烷有毒害作用。SRB對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力強(qiáng)于產(chǎn)甲烷菌，產(chǎn)酸相中SRB含量比產(chǎn)甲烷菌高2~3個(gè)數(shù)量級(jí)，用兩相厭氧消化工藝處理含硫酸鹽廢水時(shí)，在產(chǎn)酸相中控制適宜的條件促進(jìn)SRB的生長(zhǎng)，強(qiáng)化硫酸鹽還原作用，盡可能去除硫酸鹽，可減輕對(duì)下一階段產(chǎn)甲烷菌的抑制作用，使SRB和產(chǎn)甲烷菌都能發(fā)揮很好的活性。

　　（5）難降解有機(jī)物

　　Komatsu等[13]人研究了脂類物質(zhì)對(duì)兩相厭氧系統(tǒng)的抑制作用。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，脂類可以在一個(gè)兩相厭氧濾池系統(tǒng)得到滿意的降解，而在單相系統(tǒng)中其降解就相對(duì)較差。

　?。?）毒性物質(zhì)

　　Leighton等人研究了進(jìn)水中銅、鋅、鎳、鉛4中不同的重金屬離子對(duì)兩相厭氧消化工藝的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)產(chǎn)酸相污泥對(duì)鋅和鎳沒(méi)有很好的吸附作用，而對(duì)鉛的吸附很好，銅則適中。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，相的分離并沒(méi)有對(duì)產(chǎn)甲烷UASB反應(yīng)器提供任何保護(hù)作用。所有的金屬離子都會(huì)引起COD去除率明顯下降，而在停止重金屬的加入后，又會(huì)立即恢復(fù)。四種金屬中，鎳和鉛影響較大[12,13]。

　　除了以上因素，其他的參數(shù)也應(yīng)該考慮，主要有進(jìn)水底物濃度、有機(jī)負(fù)荷率（organic loading rate，簡(jiǎn)記OLR）、循環(huán)（recycle）、污泥停留時(shí)間和營(yíng)養(yǎng)需求等。

　　兩相厭氧消化過(guò)程是個(gè)多種微生物群系參與的復(fù)雜的生物反應(yīng)系統(tǒng)，郭養(yǎng)浩（1997）對(duì)兩相厭氧消化系統(tǒng)中影響反應(yīng)器內(nèi)微生物群系的生態(tài)平衡、微生物本征活性和反應(yīng)器宏觀行為的主要因素進(jìn)行了分類（見(jiàn)表2）和綜合討論[14]。

　　表2  兩相厭氧消化過(guò)程參數(shù)分類

影響反應(yīng)器內(nèi)微生物生態(tài)平衡的參數(shù)影響微生物本征活性的參數(shù)影響反應(yīng)器宏觀行為的參數(shù)■進(jìn)料組成（底物可利用性，抑制物質(zhì)的存在）■進(jìn)料組成（底物降解難易程度，可利用性，抑制物質(zhì)的存在）▲酸化反應(yīng)器結(jié)構(gòu)與體積●進(jìn)料堿度（維持甲烷菌適宜的pH條件）●進(jìn)料濃度▲甲烷化反應(yīng)器結(jié)構(gòu)與體積●▲酸化器出料的酸化率（防止甲烷化反應(yīng)器酸化，維持甲烷化反應(yīng)器內(nèi)生態(tài)平衡）●進(jìn)料堿度●▲進(jìn)料布水均勻性■污泥來(lái)源（微生物群系）●操作溫度●操作負(fù)荷（容積負(fù)荷） ●回流比（有害物質(zhì)的積累）●▲床層線速（外擴(kuò)散阻力） ●▲酸化反應(yīng)器出料的酸化率（提供甲烷化反應(yīng)器適宜的進(jìn)料組成）●回流比（物料返混，床層穩(wěn)定性）  ●操作溫度（物料粘度，顆粒內(nèi)分子擴(kuò)散速度）

　　注：參數(shù)屬性：■處理對(duì)象特性；●反應(yīng)器結(jié)構(gòu)參數(shù)；▲反應(yīng)器操作參數(shù)

　　3.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)

　?。?）酸化程度的衡量指標(biāo)

　　表示水解酸化過(guò)程酸化程度的最主要參數(shù)是一些短鏈有機(jī)酸的濃度，即揮發(fā)性脂肪酸（VFA）的濃度，通過(guò)測(cè)定進(jìn)入和流出反應(yīng)器的VFA濃度的變化可以判斷反應(yīng)進(jìn)行的情況。通常將不同的酸折算成COD當(dāng)量值，以酸化率（acidification）來(lái)衡量有機(jī)物的酸化程度。在水解酸化反應(yīng)器，在沒(méi)有甲烷產(chǎn)生下，進(jìn)水的有機(jī)物質(zhì)被降解為VFA和其他次要的發(fā)酵產(chǎn)物。在該情況下，酸化率等于出水VFA的COD當(dāng)量和進(jìn)水VFA的COD當(dāng)量差與進(jìn)水COD的比值，也就是酸化度（acidification degree，簡(jiǎn)寫AD）^[8]。

　　式中，——出水揮發(fā)酸濃度（以
醋酸計(jì)，mg/L）；

　　——進(jìn)水揮發(fā)酸濃度（以醋酸計(jì)，mg/L）；

　　——進(jìn)水COD（mg/L）；

　　——VFA的COD當(dāng)量系數(shù)，見(jiàn)表3。

　?。?）消化效率的評(píng)價(jià)參數(shù)

　　Jeyaseelan S.和 Matsuo T.在研究厭氧消化過(guò)程中相分離對(duì)不同底物降解的影響時(shí)，提出如果處理效率（treatment efficiency）建立在厭氧消化系統(tǒng)實(shí)際出水濃度基礎(chǔ)上，不能反映處理效率。同時(shí)，積累的生物量沒(méi)有考慮，以及出水中需要進(jìn)一步處理的生物污泥。因此，采用甲烷產(chǎn)量評(píng)價(jià)消化效率（digestion efficiency，簡(jiǎn)記DE），甲烷的體積為標(biāo)準(zhǔn)溫度和氣壓下，評(píng)價(jià)采用的理論COD當(dāng)量為0.35m³/kgCOD。通過(guò)測(cè)定氣體的產(chǎn)量和成分，甲烷的體積就可以得出^[15]。

　　5 兩相厭氧生物處理系統(tǒng)的應(yīng)用

　　應(yīng)用兩相厭氧處理潛在的優(yōu)勢(shì)在于：更好的控制酸化階段和產(chǎn)甲烷階段，減少了反應(yīng)器體積，較高的懸浮物去除效率，增強(qiáng)產(chǎn)酸微生物生長(zhǎng)而不影響產(chǎn)甲烷菌，第二相中更高的產(chǎn)甲烷活性。此外，第一相可能產(chǎn)生的產(chǎn)甲烷菌有毒物質(zhì)（氨、長(zhǎng)鏈脂肪酸及硫化物等）可以在兩相間的中間階段去除。由于兩相厭氧具有一系列優(yōu)點(diǎn)，使它具有廣泛的使用范圍^[2]。

　?。?）適合處理易酸化廢水（富含碳水化合物而有機(jī)氮含量低的高濃度廢水），可以避免易酸化、易降解廢水負(fù)荷過(guò)高時(shí)，因單相反應(yīng)器中產(chǎn)酸速率遠(yuǎn)大于產(chǎn)甲烷速率而導(dǎo)致厭氧系統(tǒng)pH迅速下降，是反應(yīng)器中生態(tài)系統(tǒng)崩潰^[2,16]。

　　（2）眾多研究顯示，兩相厭氧系統(tǒng)更適合處理含高懸浮有機(jī)顆粒的廢水^[8]，由于在第一個(gè)反應(yīng)器中水解菌和酸化菌可以把其轉(zhuǎn)化為揮發(fā)性脂肪酸（Volatile Fatty Acids，簡(jiǎn)稱VFA），并在第二個(gè)反應(yīng)器中轉(zhuǎn)化為甲烷。有關(guān)研究表明，最終產(chǎn)生的VFA的組分分布特征（即不同產(chǎn)酸發(fā)酵類型）主要依賴于底物的特性(有機(jī)物濃度，氧化還原電位ORP等)，操作條件（水力停留時(shí)間HRT，有機(jī)負(fù)荷，溫度等），尤其是pH。

　?。?）兩相厭氧技術(shù)可廣泛應(yīng)用于中藥廢水^[4,17]、造紙廢水^[18-19]等高濃度難降解廢水的處理，應(yīng)用范圍廣泛，是常用厭氧技術(shù)（UASB、接觸厭氧等）的取代技術(shù)。

　　橄欖油廢水（OME）^[20]屬季節(jié)性排放、地區(qū)分散性高濃度有機(jī)廢水，且含有難生物降解或產(chǎn)甲烷抑制性底物：脂類、多酚及不飽和長(zhǎng)鏈脂肪酸（LCFAs）。Beccari M等^[12]采用部分相分離的兩相系統(tǒng)（two-reactor system with partial phase separation）處理該種廢水。在產(chǎn)酸相中得到不飽和LCFAs到棕櫚酸近乎定量的生物轉(zhuǎn)化，因此大大降低了產(chǎn)甲烷相中脂類對(duì)產(chǎn)甲烷菌的抑制作用。并認(rèn)為部分相分離的兩相系統(tǒng)可以應(yīng)用于含脂類廢水的厭氧處理。

　?。?）適合處理有毒性的工業(yè)廢水，許多工業(yè)有機(jī)廢水中含有濃度較高的硫酸鹽、苯甲酸、氰、酚等成分，由于產(chǎn)酸菌能改變毒物的結(jié)構(gòu)或?qū)⑵浞纸?，使毒性減弱甚至消失，故能有效地消除毒物對(duì)產(chǎn)甲烷菌的抑制作用^[21-23]。

　　（5）處理固體含量很高的農(nóng)業(yè)有機(jī)廢棄物或城市有機(jī)垃圾等。兩相厭氧消化系統(tǒng)的應(yīng)用，主要用于沼氣的制?。何鬯Ｓ辔勰嗟奶幹?、城市固體廢物處理、工業(yè)廢物及泥漿、橄欖廠固體廢物及橄欖果渣、食品廢物及失效茶葉等的處理^[24-29]。

　?。?）兩相厭氧技術(shù)處理城市生活污水的的可行性研究。Arsov R.等^[9]研究了兩相厭氧硝化技術(shù)在環(huán)境溫度下處理城市污水的可行性研究。試驗(yàn)證實(shí)，不完全分相是產(chǎn)甲烷菌的顆粒化、微生物活性提高的重要因素。此外，合適的水力攪拌（70rpm）、可迅速生物降解的有機(jī)底物也是形成顆粒污泥的重要因素。由于厭氧處理不能去除營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)（N、P），后續(xù)處理可以通過(guò)濕地處理達(dá)標(biāo)排放。研究指出，該技術(shù)具有技術(shù)及經(jīng)濟(jì)潛力，尤其適用于熱帶或溫帶地區(qū)、經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)國(guó)家，在不久的將來(lái)得到普及。

　　7 兩相厭氧生物處理技術(shù)的研究現(xiàn)狀

　　兩相厭氧生物處理技術(shù)的研究，早期主要集中在應(yīng)用動(dòng)力學(xué)控制法實(shí)現(xiàn)相分離方面，所以采用的試驗(yàn)裝置多為完全混合反應(yīng)器。

　　20世紀(jì)80年代，從產(chǎn)甲烷階段為限速步驟出發(fā)，從微生物、動(dòng)力學(xué)角度開(kāi)展研究，尋求系統(tǒng)高效處理的條件^[30-32]。從國(guó)內(nèi)外的兩相厭氧系統(tǒng)研究采用的工藝形式看，主要有兩種：一種是兩相均采用UASB反應(yīng)器，一種是產(chǎn)酸相為接觸式反應(yīng)器，產(chǎn)甲烷相采用UASB反應(yīng)器。

　　任南琪和王寶貞（1994）^[33]開(kāi)發(fā)的CSTR-IC兩相厭氧生物處理工藝，通過(guò)控制水力停留時(shí)間或有機(jī)負(fù)荷能夠成功地實(shí)現(xiàn)相分離。

　　20世紀(jì)90年代，產(chǎn)酸相的研究工作集中在對(duì)末端發(fā)酵產(chǎn)物的分析，其主要目的是探討產(chǎn)酸相的末端產(chǎn)物對(duì)產(chǎn)甲烷相反應(yīng)器運(yùn)行特性的影響，研究產(chǎn)甲烷相的運(yùn)行穩(wěn)定性。任南琪等^[33,34]在研究中發(fā)現(xiàn)了一種新型發(fā)酵類型——乙醇型發(fā)酵，研究結(jié)果顯示，在正常厭氧條件下的ORP（-400~-150mV）范圍內(nèi)，pH4.0~4.5往往發(fā)生乙醇型發(fā)酵；pH4.5~5.0常發(fā)生丁酸型發(fā)酵，但也可發(fā)生乙醇型發(fā)酵；pH5.0左右時(shí)，發(fā)生混合酸型發(fā)酵；pH5.5左右發(fā)生丙酸型發(fā)酵；pH6.0以上往往發(fā)生丁酸型發(fā)酵。

　　近年來(lái)，隨著對(duì)兩相厭氧消化概念和厭氧降解機(jī)理的進(jìn)一步理解，隨著各種新型厭氧反應(yīng)器的出現(xiàn)，如何針對(duì)不同的水質(zhì)（如含硫酸鹽有機(jī)廢水^[35]）并結(jié)合各種新型高效厭氧反應(yīng)器的特點(diǎn)進(jìn)行產(chǎn)酸相和產(chǎn)甲烷相的組合才能達(dá)到更好的處理效果成為新的研究方向^[33]。

　　郭養(yǎng)浩等^[36]研究填充床酸化反應(yīng)器及其與UASB甲烷化反應(yīng)器組成的兩相厭氧消化系統(tǒng)的運(yùn)行特性。填充床酸化反應(yīng)器啟動(dòng)方便，酸化速率高、抗水力沖擊和pH波動(dòng)的能力強(qiáng)、COD容積負(fù)荷達(dá)200kg/(m³·d)。采用預(yù)調(diào)堿工藝，兩相消化系統(tǒng)運(yùn)行正常，可高效地處理釀酒廢水。在進(jìn)料COD濃度1000~7000mg/L、COD負(fù)荷40kg/(m³·d)時(shí)，出料COD濃度小于200mg/L，對(duì)抗生素生產(chǎn)廢水也有較好的處理效果。

　　周雪飛和任南琪等^[37]開(kāi)發(fā)研制的CUBF一體化兩相厭氧反應(yīng)器，特別適用于高濃度難降解有機(jī)廢水的處理。祁佩時(shí)等^[38]采用一體化兩相厭氧反應(yīng)器處理抗生素廢水，當(dāng)最大進(jìn)水COD達(dá)到26347mg/L，最大容積負(fù)荷達(dá)到8.54kgCOD/(m³·d)；SO₄^2-絕對(duì)值濃度為1325mg/L，COD/SO₄^2-比值最低達(dá)到3時(shí)，反應(yīng)器對(duì)各種抑制物質(zhì)和沖擊負(fù)荷均表現(xiàn)出很好的適應(yīng)性。Wang JingYuan等^[39]采用改良的兩相厭氧消化及淹沒(méi)式曝氣生物過(guò)濾器復(fù)合系統(tǒng)處理食品固廢中氨的去除，并得到較高的沼氣產(chǎn)量和甲烷含量。

　　國(guó)外方面，Arsov R.等^[40]采用兩相厭氧技術(shù)處理生活污水，研究發(fā)現(xiàn)兩相均遵循Monod動(dòng)力學(xué)，通過(guò)控制酸相適當(dāng)?shù)乃l件和甲烷相顆粒污泥的形成，達(dá)到很高的厭氧污泥活性。并討論了生物反應(yīng)器結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)以及在沿海區(qū)域?qū)嵺`應(yīng)用的可行性。Baloch M.I.^[41]提出顆粒床折流板反應(yīng)器（GRABBR）作為單獨(dú)操作的兩相厭氧系統(tǒng)的選擇性工藝。Von Sachs Jürgen等^[42]開(kāi)發(fā)了控制兩相厭氧中產(chǎn)甲烷相的控制系統(tǒng)，用于兩相厭氧處理抑制性廢水的檢測(cè)和控制。系統(tǒng)基于產(chǎn)甲烷相進(jìn)水VFA（可以計(jì)算出理論甲烷氣產(chǎn)量）和實(shí)際甲烷產(chǎn)量，通過(guò)控制產(chǎn)甲烷相進(jìn)水來(lái)調(diào)節(jié)兩相系統(tǒng)。Kraemer Jeremy T.等^[43]用出水回流式兩相厭氧反應(yīng)器發(fā)酵制氫，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：出水循環(huán)可以降低因控制pH值所需要的40％的堿度，要得到較高的H₂產(chǎn)量，采用高濃度廢水更有挑戰(zhàn)性，并且采用膜過(guò)濾回流水，可以防止耗氫微生物進(jìn)入。Isa M. Hasnain等^[44]在采用兩相厭氧系統(tǒng)研究鉬酸鹽（MoO₄^2-）是否可以作為厭氧反應(yīng)器中硫酸鹽降解菌的抑制劑時(shí)，發(fā)現(xiàn)鉬酸鹽對(duì)硫酸鹽的降解及甲烷的產(chǎn)量均有影響，而且VFA的主要成分由乙酸變?yōu)槎∷?。進(jìn)一步研究顯示，一旦停止鉬酸鹽的投加，SRB可以完全恢復(fù)，產(chǎn)甲烷菌（MPB）卻不能。從而得到結(jié)論：鉬酸鹽對(duì)SRB是抑制性的，對(duì)MPB是殺滅性的，產(chǎn)酸菌最先適應(yīng)鉬酸鹽。

　　Guerrero L.等^[7]采用連續(xù)攪拌反應(yīng)器研究富含有機(jī)懸浮固體及蛋白質(zhì)的廢水的厭氧水解和酸化。試驗(yàn)廢水取自魚肉加工廠（30~120gCOD/L，5~40gVSS/L，蛋白質(zhì)10~30g/L），首先研究了攪拌對(duì)生物降解能力的影響，在此基礎(chǔ)上，對(duì)水解酸化階段在溫度和pH值方面進(jìn)行了優(yōu)化。在不添加任何營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、pH7.2~7.7、OLR為400kgCOD/(m³·d)、HRT24h、55℃的條件下，獲得最大酸化效率（acidification efficiency）44%，VSS去除率58％，蛋白質(zhì)去除率80％。即便在很短的停留時(shí)間下，絕大多數(shù)蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)化為VFA和氨。因此，在兩種情況下（55℃和37℃）反應(yīng)器中總氨的含量是相當(dāng)高的（15~17gTN/L），這表明很高的自由氨的濃度（高達(dá)0.66gN/L在37℃，1.64gN/L在55℃），這個(gè)差異主要是由于溫度對(duì)電離平衡的影響引起的。盡管在55℃下處理效率高，但是研究者更推薦中溫（37℃）作為兩相厭氧處理處理該廢水的條件，因?yàn)楦邷叵伦杂砂钡亩拘詫⒆璧K產(chǎn)甲烷反應(yīng)器的穩(wěn)定運(yùn)行。

　　同時(shí)，對(duì)兩相厭氧反應(yīng)器動(dòng)力學(xué)模型方面的研究也不少。Borja R.等^[45]在試驗(yàn)水平研究橄欖廠固體廢物兩相厭氧消化動(dòng)力學(xué)，Blumensaat F.等^[46]采用國(guó)際水協(xié)（IWA）厭氧消化1號(hào)模型模擬兩相厭氧消化過(guò)程。但由于厭氧消化過(guò)程的復(fù)雜性，針對(duì)兩相厭氧反應(yīng)器模型的研究?jī)H僅處于初始階段。

　　此外，隨著現(xiàn)代環(huán)境微生物學(xué)的發(fā)展，現(xiàn)代科學(xué)分析方法逐漸應(yīng)用于廢水處理。針對(duì)兩相厭氧微生物群落的研究將成為新的研究領(lǐng)域^[47-49]。

　　8 兩相厭氧技術(shù)展望

　　眾多實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)證實(shí)，兩相厭氧處理工藝是可以推廣應(yīng)用的，但對(duì)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。此外，基于兩相厭氧工藝基礎(chǔ)上的脫氮、脫硫改進(jìn)工藝的研究、針對(duì)產(chǎn)酸相以及兩相厭氧動(dòng)力學(xué)的研究也將成為今后研究新方向。任南琪等已經(jīng)開(kāi)始研究產(chǎn)酸相生物制氫，并有所進(jìn)展，該技術(shù)的解決將大大緩解當(dāng)前的能源短缺的現(xiàn)狀。

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　　基金資助：重慶市自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（CSTC,2005BB7253）

　　作者簡(jiǎn)介：王克浩(1983-)，男，碩士研究生，山東人，主要從事工業(yè)有機(jī)廢水治理技術(shù)和環(huán)境災(zāi)害控制工程的研究與設(shè)計(jì)工作。                        聯(lián)系電話：023-65112854；E-mail：kehaowang@163.com