兩相厭氧處理工藝的研究與應用

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簡介： 利用各種高效反應器對現(xiàn)有的單相厭氧處理系統(tǒng)進行改造，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用情況，對反應器型式、環(huán)境和操作條件及兩相厭氧處理工藝與其他厭氧反應器處理廢水效果進行了總結(jié)和比較。
關鍵字：兩相厭氧 酸化 甲烷化 廢水

　　有機物的厭氧降解，在宏觀上和工程上可以簡化地分為產(chǎn)酸和產(chǎn)甲烷兩個階段。兩個階段在細菌種類、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。在一個反應器內(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，對反應器的維護管理是比較困難的。Pohland^［1］于1971年首次提出了兩相厭氧消化的概念，即把厭氧的兩個階段分別在兩個獨立的反應器內(nèi)進行，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，并將這兩個反應器串聯(lián)起來，形成兩相厭氧工藝系統(tǒng)。

　　兩相厭氧工藝系統(tǒng)能夠承受較高的負荷率，反應器容積較小，運行穩(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器設備對現(xiàn)有的處理系統(tǒng)進行改造，提高其穩(wěn)定性，可獲得比現(xiàn)有單相厭氧處理系統(tǒng)更高的負荷率和效率。

　　1 兩相厭氧處理工藝的研究與應用

　　1.1 研究與應用情況

　　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用的運行數(shù)據(jù)。

　　表1 部分兩相厭氧工藝研究和應用運行數(shù)據(jù)

處理對象產(chǎn)酸相反應器產(chǎn)甲烷相反應器有機負荷率/(kgCOD·m^-3·d^-1)COD(BOD)去除率/%參考文獻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)攪拌池反應器上流式厭氧濾池590(95)[4]染料廢水厭氧填充床反應器厭氧填充床反應器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酸化反應器雜合反應器1098[7]小麥淀粉廢水預酸化反應器厭氧擋板反應器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獨立的反應器內(nèi)進行。為了分別提高兩個階段的效率，這兩個階段可以應用各種高效厭氧反應器，如：上流式厭氧污泥床（UASB）－UASB系統(tǒng)^[2，3]、連續(xù)攪拌池反應器（CSTR）－上流式厭氧濾池（UAF）系統(tǒng)^[4，6]、CSTR－厭氧填充床反應器（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階段不僅僅只是采用不同的反應器型式，而且還可應用不同的溫度、pH、水力停留時間、有機物負荷率等，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 ℃，細菌的活性和生長率就減少一半。因此，對于預定的消化程度，溫度越低，消化時間越長。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，因此必須使反應器內(nèi)的反應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)化運行

　　兩相厭氧廢水處理系統(tǒng)的優(yōu)化運行是將產(chǎn)甲烷反應器的出水再循環(huán)至產(chǎn)酸反應器^[13]。系統(tǒng)可以把一個混合良好的連續(xù)反應器作為酸化階段的反應器，以一個流化砂床反應器作為產(chǎn)甲烷階段的反應器。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]用一個兩相UASB-UASB系統(tǒng)處理制酒廠廢水，在兩個反應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)就是將甲烷相反應器的出水再循環(huán)至酸相反應器以提供堿度。

　　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。各種厭氧反應器處理屠宰廢水的運行數(shù)據(jù)見表2。

　　表2 各種厭氧反應器處理屠宰廢水的運行數(shù)據(jù)

反應器類型有機負荷率/(kgCOD·m^-3·d^-1)COD去除率/%參考文獻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)和服務機構(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、設備、奶瓶和地板的廢水。乳清是制造奶酪時產(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鹽^[22]。不同類型厭氧反應器處理乳品加工和牛奶場廢水的運行數(shù)據(jù)見表3。

　　表3 各種厭氧反應器處理乳清和牛奶廢水的運行數(shù)據(jù)

反應器類型有機負荷率/(kgCOD·m^-3·d^-1)COD去除率/%參考文獻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]上流式固定膜反應器14.095[27]下流式固定膜反應器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器的運行數(shù)據(jù)的比較見表4。

　　表4 各種厭氧反應器處理制漿造紙廢水的運行數(shù)據(jù)

反應器類型廢水類型有機負荷率/(kgCOD·m^-3·d^-1)COD(BOD)去除率/%參考文獻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機械制漿1284[3]

　　3 討論與總結(jié)

　　由于厭氧過程每個階段的菌種都有一個與其他階段菌種不同的最佳微生物環(huán)境，在一個單相的厭氧消化池或反應器中不可能實現(xiàn)最佳的厭氧運行效果，將兩個階段的菌種用于同一個反應器，會明顯地阻礙彼此的效率。兩相厭氧降解過程有其特點，因為每相都保持其最適宜的pH和氧化還原電位，使其在較高的效率下運行。兩相厭氧工藝的啟動可以在幾周內(nèi)完成，而無須幾個月，并且所需設備尺寸至少可以縮小1/3。兩相厭氧工藝的優(yōu)點在于：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)；提高了反應動力和穩(wěn)定性（控制各階段pH，提高反應器抵抗沖擊負荷的穩(wěn)定性，選擇生長較快的細菌）；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系被打破；難于管理；缺乏對各種廢水的運行經(jīng)驗；底物類型與反應器型式之間的關系不確定。有研究者認為，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，最終達到一定的平衡，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)型的細菌產(chǎn)生抑制作用，甚至造成熱力學上不適于中間產(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，處理效果及運行穩(wěn)定性也相應提高。

　　一般情況下，底物類型和反應器型式?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的驗證。兩相厭氧處理工藝是可以推廣應用的，但對各種廢水的運行經(jīng)驗卻不足，因此仍有許多工作要做。

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