两相厌氧消化工艺的研究进展及其应用

综述与专论
两相厌氧消化工艺的研究进展及其应用
凡广生,李多松
(中国矿业大学环境与测绘学院,江苏徐州221008)
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,并对该工艺的应用范围及存在的问题进行了论述,说明了工艺的先进性和可行性。

关键词:两相厌氧消化;相分离;产酸相;产甲烷相中图分类号:X703文献标识码:A 文章编号:1006-8759(2006)01-0010-04
RESEARCH DEVELOPMENT AND ITS APPLICATION OF TWO
PHASE ANAEROBIC DIGESTION
FAN Guang-sheng,LI Duo-song
(Departm ent of Environm ent Science and Spatial Inform atics of CU MT,Xuzhou 221008,China)Abstract:The technolo gy of two Phase anaerobic di g estion have a series of characteristics and ad vanta g es because of the se p aration of acido g enic p hase and methano g enic p hase.anal y sed the theories according to and the principle of its elaborating of the technology,the separated phase and the in fluence of the realization u p on the whole technolo gy have been discussed in the article,em p hasized to anal y ze the influence of two p hase anaerobic di g estion and carried on the treatise to the a pp lication and existent problems of that technology.Explained the forerunner and the possibility of the tech nology.
Ke y words:two p hase anaerobic di g estion;se p arated p hase;acido g enic p hase;m ethano g enic p hase.
两相厌氧消化(Two phase Anaerobic Degistin 简称TPA )有时也称两步或两段厌氧消化(Two ste p Anaerobic De g istin)是20世纪70年代初由美国戈什(Ghosh)和波兰特(Pohland)开发的厌氧处理新工艺[1-2]。

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。

由于其能承受较高的负荷率,反应器容积较小,运行稳定,日益受到人们的重视。

废水采用两相厌氧消化处理的前景十分可观,可
以利用各种高效反应器设备对现有的处理系统进行改造和升级,提高稳定性,以获得比现有的单相厌氧处理系统更高的负荷率和效率。

1两相厌氧消化工艺的理论依据和运行机理
两相厌氧消化工艺的提出是随着厌氧消化机理的研究和厌氧微生物学的发展而出现的,厌氧消化是一个复杂的生物学过程,复杂有机物的厌氧消化一般经历发酵细菌、产氢产乙酸菌、产甲烷菌三类细菌的向接替转化以及同姓乙酸细菌的横向转化。

从生物学角度来看,由于产氢产乙酸菌和产甲烷菌是共生互营菌,因而把他们划为一相,
收稿日期:2005-08-19
第一作者简介:凡广生(1980-),男,河南周口人,工学学士,在读硕士研究生,主要从事水污染控制方向的研究
能源环境保护
Energy Environmental Protection
V ol.20,No.1Feb.,2006
第20卷第1期2006年2月
即产甲烷相,而把发酵细菌化为另一相,即产酸相。

人们经过研究发现,产酸菌种类繁多,生长快,对环境条件变化不太敏感,而产甲烷菌则恰恰相反,专一性强,对环境条件要求苛刻,繁殖速度缓慢[3]。

基于此理论依据,两相厌氧消化工艺把产酸菌和产甲烷菌分别置于两个串联的反应器内并提供各自所需的最佳条件,以避免不同种群生物间的相互干扰和代谢产物转化不均衡而造成的抑制作用,产酸相对进水水质和负荷的变化有较强的适应能力和缓冲作用,可大大削减运行条件的变化对产甲烷菌的影响,因而可提高系统的处理效率和运行稳定性。

2两相厌氧消化的相分离
两相厌氧消化工艺最本质的特征是相的分离,一般来说,所有相分离的方法都是根据两大类菌群的生理生化特征的差异来实现的。

目前主要的相分离技术可以分为物理法、化学法和动力学控制法三种[4]。

(1)物理法:即采用选择性的半渗透膜使进入两个反应器的基质有显著的差异,以实现相分离。

(2)化学法:即投加选择性的抑制剂或调整氧化还原电位及调整p H值来抑制产甲烷菌在产酸相中的生长,以实现两大菌群的分离。

(3)动力学控制法:即利用产酸菌和产甲烷菌在生长速率上的差异,控制两个反应器的水力停留时间、有机负荷等参数,使生长速率慢、世代时间长的产甲烷菌不可能在停留时间短的产酸相中存活。

目前在实验室研究和实际工程中应用最广泛的是将动力学控制法与调整产酸项反应器的p H值相结合,它是一种最简捷、最有效的方法。

但需要说明的是,无论采用哪种方法,都只能在一定程度上实现相的分离,而不可能实现绝对的相分离。

3相分离的实现对整个工艺的影响一般来说,相分离的实现对整个工艺来说主要可以带来两个方面的好处:(1)可以提高产甲烷反应器中污泥的产甲烷活性:由于实现了相的分离,进入产甲烷相反应器的废水是经过产酸相反应器预处理的出水,其中的有机物主要是有机酸,而且主要以乙酸和丁酸为主,这样的一些有机物为产甲烷相反应器中的产氢产乙酸菌和产甲烷菌提供良好的饿基质;同时由于相的分离,可以将甲烷相反应器的运行条件控制在更合适于产甲烷细菌生长的环境条件下,因此可以使得产甲烷相反应器中的产甲烷污泥的活性得到明显提高。

有研究表明两相厌氧消化工艺产甲烷相反应器中产甲烷细菌的数量比单相反应器中的高20倍,这也证实了实现相的分离后,污泥的活性得到了一定程度的强化。

(2)可以提高整个处理系统的稳定性和处理效果:厌氧发酵过程中产生的氢不仅能调节中间代谢产物的形成,也能调节中间产物的进一步降解。

实现相的分离后,在产酸相反应器中由于发酵和产酸过程而产生的大量的氢不会进入到后续的产甲烷反应器中,同时产酸相反应器还能给产甲烷反应器中的产甲烷菌提供更适宜的基质,有利于产甲烷相的运行。

同时产酸相还能有效地去除某些毒性物质、抑制物质或改变某些难降解有机物的部分结构,减少这些物质对产甲烷反应器中产甲烷菌的不利影响或提高其可生物降解性,有利于产甲烷相的运行,增加整个系统的运行稳定性,提高系统的处理能力。

4两相厌氧消化工艺的影响因素
厌氧消化过程受环境和操作条件的影响比较大。

两相厌氧工艺能使产酸过程和产甲烷过程均处于最佳的环境和操作条件。

两相厌氧降解的每个阶段不仅仅只是采用不同的反应器型式,而且还应当考虑温度、p H及抑制性物质的影响。

(1)厌氧降解过程受温度影响较大,厌氧降解的温度可分为低温(0~20 )、中温(20~42 )和高温(42~75 )[5]。

在中温范围,35 以下每降低10 ,细菌的活性和生长率就减少一半。

因此,对于预定的消化程度,温度越低,消化时间越长。

温度对产酸过程的影响不是很大,对产甲烷过程则影响较大。

高浓度废水或污泥的厌氧处理通常采用中温或高温范围。

两相厌氧降解过程中的每个阶段也可采用中温或高温范围。

根据厌氧消化的温度范围,两相厌氧消化的温度有高温 高温系统、中温 中温系统、高温 中温系统和中温 高温系统[6]。

(2)pH是厌氧反应的重要影响因素。

产甲烷菌的最适宜p H范围是6.8~7.2,而产酸菌则需要偏低一点的p H。

传统厌氧系统通常维持一定的pH,使其不限制产甲烷菌生长,并阻止产酸菌(可引起VFA累积)占优势,因此必须使反应器
凡广生等两相厌氧消化工艺的研究进展及其应用 11
内的反应物能够提供足够的缓冲能力来中和任何可能的VFA积累,这样就阻止了在传统厌氧消化过程中局部酸化区域的形成。

而在两相厌氧系统中,每相可以用不同的p H,以便使产酸过程和产甲烷过程分别在最佳的条件下进行,p H的控制对产甲烷阶段尤为重要。

(3)重金属离子的影响。

Lei g hton等人研究了进水中铜、锌、镍、铅4种不同的重金属离子对两相厌氧消化工艺的影响。

结果发现产酸相的污泥对锌和镍没有很好的吸附作用,而对铅的吸附很好,铜则适中。

对产甲烷相的产气情况进行观察,并与到达该反应器的重金属离子浓度进行比较,发现相的分离没有预期那样提供保护作用。

然后他们又将这四种金属直接加入到产甲烷相反应器中,以考察它们对产甲烷相反应器的直接影响,结果发现,所有的金属离子都会引起明显的COD去除率的下降,而在停止重金属的加入后,又会立即恢复。

四种金属中,镍和铅的影响较大。

Chacin等人也研究了铜和铅对两相厌氧工艺的影响。

他们在一个处理以淀粉为主要基质的两相厌氧系统的进水中加入铜和铅离子,其浓度均为0.5mm ol/L,分别研究了它们对系统中产酸相和产甲烷相两个反应器的影响,结果发现,主要的影响都发生在产酸相反应器里,而且铜离子比铅离子的影响更大。

(4)硫酸盐的影响[7]。

当进水中含有较高浓度的硫酸盐时,在厌氧条件下硫酸盐会对厌氧细菌特别是产甲烷菌产生严重的抑制作用。

主要是由于硫酸盐还原菌(SRB)和产甲烷菌存在明显的基质竞争,而动力学分析表明,硫酸盐还原作用更容易进行。

另一方面,硫酸盐的还原产物H2S对产甲烷菌有毒害作用。

SRB 对环境的适应能力强于产甲烷菌,产酸相中SRB 含量比产甲烷菌高2~3个数量级,用两相厌氧消化工艺处理含硫酸盐废水时,在产酸相中控制适宜的条件促进SRB的生长,强化硫酸盐还原作用,尽可能去除硫酸盐,可减轻对下一阶段产甲烷菌的抑制作用,使SRB和产甲烷菌都能发挥很好的活性。

(5)废水中难降解有机物的影响。

Komatsu 等人研究了脂类物质对两相厌氧系统的抑制作用。

结果发现,脂类可以在一个两相厌氧滤池系统得到满意的降解而在单相系统中其降解就相对较差。

Yu Han q in g等人利用两相厌氧中的产酸相与好氧生物处理工艺相结合研究了其处理含有难降解物质的废水情况。

结果发现产酸相反应器的出水中的难降解物质的中间产物可以很容易地在后续好氧反应器中得到降解,可以使整个工艺的出水达到排放标准。

(6)过氧化氢的影响。

He等人利用两相厌氧消化工艺研究了碱性过氧化氢对造纸废水的厌氧生物处理效果。

结果发现,尽管废水中含有较高浓度的过氧化氢 一种对厌氧细菌有毒害性的物质,废水中的厌氧生物降解性能仍然很高。

其原因是采用了预酸化反应器来减轻过氧化氢的毒性,使废水首先得到一定程度的酸化,然后才进入UASB反应器,研究的结果表明,采用两相UASB系统可以有效地处理这种废水,当温度为(36 1) ,平均负荷为12kgCOD/(m3.d)时,C OD 去除率达84%,BOD去除率达96%,甲烷产率为0.3m3/(去除k g COD)。

5两相厌氧消化工艺的特点
(1)两相厌氧消化工艺将产酸菌和产甲烷菌分别置于两个反应器内并为它们提供了最佳的生长和代谢条件,使它们能够发挥各自最大的活性,较单相厌氧消化工艺的处理能力和效率大大提高[8]。

(2)两相分离后,各反应器的分工更明确,产酸反应器对污水进行预处理,不仅为产甲烷反应器提供了更适宜的基质,还能够解除或降低水中的有毒物质如硫酸根、重金属离子的毒性,改变难降解有机物的结构,减少对产甲烷菌的毒害作用和影响,增强了系统运行的稳定性。

(3)为了抑制产酸相中的产甲烷菌的生长而有意识地提高产酸相的有机负荷率,提高了产酸相的处理能力。

产酸菌的缓冲能力较强,因而冲击负荷造成的酸积累不会对产酸相有明显的影响,也不会对后续的产甲烷相造成危害,能够有效地预防在单相厌氧消化工艺中常出现的酸败现象,出现后易于调整与恢复,提高了系统的抗冲击能力。

(4)产酸菌的世代时间远远短于产甲烷菌,产酸菌的产酸速度高于产甲烷菌降解酸的速率[9-10],在两相厌氧消化工艺中产酸反应器的体积总是小于产甲烷反应器的体积。

对于不同水质的污水,体积比有所不同。

(5)同单相厌氧消化工艺相比,对于高浓度有机污水、悬浮物浓度很高的污水、含有毒物质及难降解物质的工业废水和污泥,两相厌氧消化工艺具有很大的优势,能够得到满意的处理效果。

12 能源环境保护第20卷第1期
6两相厌氧生物处理系统的适用范围由于两相厌氧具有一系列优点,使它具有更广泛的适用范围。

(1)适合处理富含碳水化合物而有机氮含量低的高浓度废水。

采用单相厌氧反应器处理废水时,一旦负荷率升高,易产生酸败现象。

且一旦发生酸败,恢复正常运行则需要较长的时间,但是在两相厌氧工艺中,由于产酸和产甲烷反应分开在两个反应器中进行,便于控制,不至于影响系统的正常运行。

(2)适合处理有毒性的工业废水。

许多工业有机废水中含有浓度较高的硫酸盐、苯甲酸、氰、酚等成分。

由于产酸菌能改变毒物的结构或将其分解使毒性减弱甚至消失,故能有效地消除毒物对产甲烷菌的抑制作用。

(3)适合处理高浓度悬浮固体的有机废水。

由于产酸菌的水解酸化作用,废水中的悬浮固体浓度大大降低,解决了悬浮物质引起的厌氧反应器的堵塞问题,有利于废水在产甲烷反应器中的进一步处理。

(4)适合处理含难降解物质的有机废水。

一些大分子物质在单相厌氧反应器中易积累,到一定浓度时对产甲烷菌会产生抑制作用。

但在两相厌氧生物处理系统中,产酸菌可以将这些大分子物质水解成小分子物质,便于产甲烷菌进一步的代谢。

例如:硫酸盐和亚硫酸盐法草浆造纸黑液用单相厌氧反应器无法处理,但采用两相厌氧反应器处理后,其甲烷相COD 的最大去除率可高达86.47%[11]。

7结语
尽管两相厌氧消化工艺在实验室和实际工程中得到了广泛的应用。

但是人们对两相厌氧消化工艺的看法仍不尽一致。

有研究者认为,从微生物的角度来看厌氧发酵过程是由多种菌群参与的生物过程。

这些微生物种群之间通过代谢的相互连贯、制约和促进。

最终达到一定的平衡。

在厌氧发酵最优化的条件下不能分开,否则就不符合最优化条件。

而两相厌氧过程势必会改变稳定的中间代谢产物水平,有可能对某些特殊营养型的细菌产生抑制作用,甚至造成热力学上不适于中间产物继续降解的条件。

从实际生产的角度,两相厌氧工艺虽可以提高处理效果,但按两相工艺的总容积计算,其提高的幅度并不是太大,基建投资和运行费用不会有大幅度的节省,因此有人认为两相厌氧工艺并不经济。

然而从目前的研究成果来看,虽然相分离后中间代谢产物发生了变化,但相的分离基本上是不完全的。

所以产甲烷相中的污泥仍是多种菌群组成的,可以适应变化了的中间产物,因此相分离后中间产物的变化对产甲烷相没有不利的影响,相反,由于产酸相去除了大量的氢及其某些抑制物,可以为后一段的产甲烷菌提供更适宜的底物及环境条件,因此产甲烷相中的污泥活性得到了提高,处理效果及运行稳定性也相应得到了提高,因此,两相厌氧消化工艺又是值得
推广和应用的,这也得到了许多实验的验证。

参考文献:
[1]P ohland F G,Ghosh S.Developmen ts in an aerob ic treatment p rocess
[A].in:can ale R P(Ed),biological Waste Treatmen t:Biotech Bi oeng S y m p N O2[C].New y ork:Interscience Pub lishers,1971.85~106. [2]Gh os h S,Klass D L.Two p hase anaerobic di g estion[J].p rocess Bi ochem,2001,19(1):11~15.
[3]F G poland,S Gh osh.Anaerobic Stabilization of Organic W asters Two-Phase Con cep t[J].Envir.Lett.1981,(1):255~266.
[4]胡纪萃,周孟津,左剑等.废水厌氧生物处理理论与技术[M].北京:中国建筑工业出版社,2003.235~252.
[5]Talarp osh ti A M,D on nelly T,Anderson G K.Colou r removal from a simulated dye wastewater using a two-ph ase anaerobic p acked bed re actor.water Res,2001,35:425~432.
[6]Yilmazer G,Yenigun O.Two p hase an aerob ic treatment of cheese wh e y.Wat.Sci.Tech,1999,40(1):289~295.
[7]周恭明.污泥两相厌氧消化工艺和微生物生态特性的研究
[D].上海:同济大学,1992.
[8]Jurgen OLES,N orbert DICHTL,Hans Hermann NIEHOFF.Full Sale Experien ce of Two Stage Thermop hilic/M es op hilic Slud ge Digestion[A] .Proc.8th intern ational Con f.on anaerobic Di g estion[C].1997,(2): 224~231.
[9]Ju les B,van Lier,etal.Anaerobic Treatment of Partly Acidified Water in T W-stage Expanded Granu lar S lu dge Bed(EGSB)Sytem at8 [A] .Proc.8th internation Conf.on an aerob ic Digestion[C]1997,(2):86~ 90.
[10]严月根,等啤酒废水常温一相两相厌氧颗粒污泥床处理的对照研究[J].中国环境科学,1990,(8):304~308.
[11]王子波,杨玉杰.两相厌氧工艺处理草浆黑液甲烷动力学模型[J].环境科学研究,1999,12(4):27~29.
凡广生等两相厌氧消化工艺的研究进展及其应用 13。