两相厌氧处理工艺的研究与应用

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简介： 利用各种高效反应器对现有的单相厌氧处理系统进行改造，以提高其稳定性，获得比现有单相系统更大的负荷和更高的效率。文章对废水两相厌氧处理工艺的研究和应用作了综述，概括了两相厌氧处理酒厂废水、垃圾填埋场渗滤液、乳品废水、牛奶厂废水、制浆造纸废水等的应用情况，对反应器型式、环境和操作条件及两相厌氧处理工艺与其他厌氧反应器处理废水效果进行了总结和比较。
关键字：两相厌氧 酸化 甲烷化 废水

　　有机物的厌氧降解，在宏观上和工程上可以简化地分为产酸和产甲烷两个阶段。两个阶段在细菌种类、消化速率、环境要求、降解过程和产物等方面均有所不同。在一个反应器内要保持这两大类微生物的成活，并有旺盛的生理功能活动、协调发展，对反应器的维护管理是比较困难的。Pohland^［1］于1971年首次提出了两相厌氧消化的概念，即把厌氧的两个阶段分别在两个独立的反应器内进行，分别创造各自最佳的环境条件，培养两类不同的微生物，并将这两个反应器串联起来，形成两相厌氧工艺系统。

　　两相厌氧工艺系统能够承受较高的负荷率，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，提高其稳定性，可获得比现有单相厌氧处理系统更高的负荷率和效率。

　　1 两相厌氧处理工艺的研究与应用

　　1.1 研究与应用情况

　　两相厌氧工艺可用于处理多种废水，如：酒厂废水、垃圾渗滤液、大豆加工废水、酵母发酵废水、乳清废水、牛奶工业废水、淀粉废水、制浆造纸废水、染料废水等。表1列出了部分两相厌氧工艺研究和应用的运行数据。

　　表1 部分两相厌氧工艺研究和应用运行数据

处理对象产酸相反应器产甲烷相反应器有机负荷率/(kgCOD·m^-3·d^-1)COD(BOD)去除率/%参考文献酒厂废水上流式厌氧污泥床上流式厌氧污泥床酸相 16.5甲烷相 44.080[2]制浆造纸废水上流式厌氧污泥床上流式厌氧污泥床(36℃)1284(96)[3]牛奶废水连续搅拌池反应器上流式厌氧滤池590(95)[4]染料废水厌氧填充床反应器厌氧填充床反应器0.25～1.00脱色率90[5]大豆加工废水厌氧流化床厌氧流化床1276酵母发酵废水厌氧流化床厌氧流化床20～2270～75马铃薯淀粉厂废水上流式厌氧滤池(33℃)上流式厌氧污泥床(35℃)酸相 45.0甲烷相 14.083乳清废水连续搅拌池反应器上流式厌氧滤池0.5～2.0(gCOD/(gMLSS·d))90[6]乳清加工和牛奶场废水预酸化反应器杂合反应器1098[7]小麦淀粉废水预酸化反应器厌氧挡板反应器2099[8]酒精废水高温酸化高温消化4.65～20.0085[9]垃圾渗滤液中温酸化中温消化2.41～7.9890[10]合成牛奶废水高温厌氧滤池（56℃）中温厌氧滤池（35℃）2.0～16.090～97[11]

　　1.2 反应器型式

　　两相厌氧降解的产酸过程和产甲烷过程分别在两个独立的反应器内进行。为了分别提高两个阶段的效率，这两个阶段可以应用各种高效厌氧反应器，如：上流式厌氧污泥床（UASB）－UASB系统^[2，3]、连续搅拌池反应器（CSTR）－上流式厌氧滤池（UAF）系统^[4，6]、CSTR－厌氧填充床反应器（APBR）系统、APBR－APBR系统^[5]、厌氧流化床(AFBR)－AFBR系统、UAF－UASB系统等。

　　1.3 环境和操作条件

　　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条件和操作条件。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，而且还可应用不同的温度、pH、水力停留时间、有机物负荷率等，以取得最好的结果。

　　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 ℃）^[12]。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^[9]、中温－中温系统^[10]、高温－中温系统^[11]和中温－高温系统。

　　pH是厌氧反应的重要影响因素。产甲烷菌的最适宜pH范围是6.8～7.2，而产酸菌则需要偏酸一点的pH。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累积，这样就防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pH，以便使产酸过程和产甲烷过程分别在最佳的条件下进行，pH的控制对产甲烷阶段尤为重要。

　　1.4 两相厌氧系统的优化运行

　　两相厌氧废水处理系统的优化运行是将产甲烷反应器的出水再循环至产酸反应器^[13]。系统可以把一个混合良好的连续反应器作为酸化阶段的反应器，以一个流化砂床反应器作为产甲烷阶段的反应器。产酸阶段通过自动添加苛性钠来控制pH为6；产甲烷阶段对pH则可不加以控制。结果表明，引入循环后，可以节省碱的投加量，从而减少处理成本。Shin等 ^[2]用一个两相UASB-UASB系统处理制酒厂废水，在两个反应器的颗粒污泥均形成之后，为了维持第一阶段适宜的pH，只须通过产甲烷阶段出水的循环，而无须投加碱性化合物。在韩国首都汉城附近的Anyany市，就有处理食物废水的两相厌氧消化池^[14]，该系统就是将甲烷相反应器的出水再循环至酸相反应器以提供碱度。

　　2 高浓度废水不同处理工艺的效果比较

　　2.1 屠宰废水

　　屠宰废水来自屠宰过程的不同工序，如：冲洗牲畜、放血、剥皮、清洗牲畜尸体、打扫房间等，包括血水、皮肉颗粒、粪便和其他污染物质。屠宰废水的典型特征如下^[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；蛋白质=3250～7860 mg/L。各种厌氧反应器处理屠宰废水的运行数据见表2。

　　表2 各种厌氧反应器处理屠宰废水的运行数据

反应器类型有机负荷率/(kgCOD·m^-3·d^-1)COD去除率/%参考文献UASB（粒状污泥）11.085[16]UASB（絮状污泥）5.080～89[16]UASB2.777[17]UASB7.085[18]UASB6.0～10.087～91[19]UASB1.0～6.590[15]厌氧滤池(AF)2.385[16]AF1.0～6.5< 90[15]厌氧接触法(AC)3.092.6[16]厌氧折（挡）板反应器(ABR)0.9～4.775[20]两相厌氧工艺1.4～7.087[21]

　　2.2 乳清和牛奶废水

　　牛奶场废水来自制造过程、公用事业和服务机构，废水的各种来源为溅出液、废弃液、撇乳、乳清，以及冲洗奶罐、设备、奶瓶和地板的废水。乳清是制造奶酪时产生的最难处理的高浓度废物，它包括一部分牛奶蛋白质、水溶性维生素和无机盐^[22]。不同类型厌氧反应器处理乳品加工和牛奶场废水的运行数据见表3。

　　表3 各种厌氧反应器处理乳清和牛奶废水的运行数据

反应器类型有机负荷率/(kgCOD·m^-3·d^-1)COD去除率/%参考文献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]上流式固定膜反应器14.095[27]下流式固定膜反应器2.688[28]厌氧流化床(AFBR)7.790[29]厌氧流化床(AFBR)6.0～40.063～87[30]厌氧附着膜膨胀床反应器8.2～22.061～92[31]厌氧生物转盘10.276[32]添加絮凝剂半连续式消化池16.199[33]两相厌氧工艺10.097[34]两相厌氧工艺10.098[7]两相厌氧工艺0.97～2.8291～97[35]两相厌氧工艺5.090[4]

　　2.3 造纸废水

　　 在制浆造纸工业，纸浆的冲洗和漂白过程产生各种不同性质的废水，废水也来自造纸机器、苛性氯的制造和黑液的回收，造纸废水含有木质素及其衍生物和各类氯代有机物。COD、抑制因素和可生化性的变化取决于废水的来源^[22]。处理制浆造纸废水的各种厌氧反应器的运行数据的比较见表4。

　　表4 各种厌氧反应器处理制浆造纸废水的运行数据

反应器类型废水类型有机负荷率/(kgCOD·m^-3·d^-1)COD(BOD)去除率/%参考文献厌氧流化床脱墨造浆0.66(m³/m³·d)50(BOD)[22]UASB脱墨造浆4040[22]UASB机械制浆4～3135～70[22]厌氧接触法(AC)亚硫酸盐冷凝液530～50[22]两相UASB机械制浆1284[3]

　　3 讨论与总结

　　由于厌氧过程每个阶段的菌种都有一个与其他阶段菌种不同的最佳微生物环境，在一个单相的厌氧消化池或反应器中不可能实现最佳的厌氧运行效果，将两个阶段的菌种用于同一个反应器，会明显地阻碍彼此的效率。两相厌氧降解过程有其特点，因为每相都保持其最适宜的pH和氧化还原电位，使其在较高的效率下运行。两相厌氧工艺的启动可以在几周内完成，而无须几个月，并且所需设备尺寸至少可以缩小1/3。两相厌氧工艺的优点在于：分离和优化了潜在的限速阶段，使水解酸化过程和产甲烷过程均处于最佳状态；提高了反应动力和稳定性（控制各阶段pH，提高反应器抵抗冲击负荷的稳定性，选择生长较快的细菌）；酸化阶段具有潜在的解毒作用。

　　两相厌氧工艺还有以下不足：分相后原厌氧消化微生物共生关系被打破；难于管理；缺乏对各种废水的运行经验；底物类型与反应器型式之间的关系不确定。有研究者认为，从微生物的角度来看，厌氧消化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，在厌氧消化最优化的条件下不能分开，否则不符合最优化条件，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。然而从目前的研究结果来看，虽然相分离后中间代谢产物发生了变化，但相的分离基本上都是不完全的，所以产甲烷相中的污泥仍是由多种菌群组成的，可以适应变化了的各种中间产物，因此相分离后中间产物的变化对产甲烷相没有不利影响。相反，由于产酸相去除了大量的氢及某些抑制物，可以为后一阶段的产甲烷菌提供了更适宜的底物及环境条件，从而使产甲烷相中的污泥活性得以提高，处理效果及运行稳定性也相应提高。

　　一般情况下，底物类型和反应器型式决定了某种废水能否适用于两相厌氧处理，这也得到了许多试验的验证。两相厌氧处理工艺是可以推广应用的，但对各种废水的运行经验却不足，因此仍有许多工作要做。

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