两相厌氧消化(TPAD)的研究现状及展望

Posted 2023-01-13 甲烷

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两相厌氧消化系统(Two-Phase Anaerobic Digestion，简称TPAD)是20世纪70年代初美国戈什(Ghosh)和波兰特(Pohland)开发的厌氧生物处理新工艺，并于1977年在比利时首次应用于生产。该技术与其他新型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。两相厌氧技术的研究将促进国内厌氧技术的发展，同时解决目前对高浓度有机废水进行厌氧生物处理时易酸化、靠稀释废水的技术局面，是废水厌氧生物处理的一个技术飞跃。
1 两相厌氧消化的原理
传统的应用中，产酸菌和产甲烷菌在单个反应器中，这两类菌群之间的平衡是脆弱的。这是由于两种微生物在生理学、营养需求、生长速度及对周围环境的敏感程度等方面存在较大的差异。在传统设计应用中所遇到的稳定性和控制问题迫使研究人员寻找新的解决途径。
一般情况下，产甲烷阶段是整个厌氧消化的控制阶段。为了使厌氧消化过程完整的进行就必须首先满足产甲烷相细菌的生长条件，如维持一定的温度、增加反应时间，特别是对难降解或有毒废水需要长时间的驯化才能适应。二相厌氧消化工艺把酸化和甲烷化两个阶段分离在两个串联反应器中，使产酸菌和产甲烷菌各自在最佳环境条件下生长，这样不仅有利于充分发挥其各自的活性，而且提高了处理效果，达到了提高容积负荷率，减少反应容积，增加运行稳定性的目的。从生物化学角度看，产酸相主要包括水解、产酸和产氢产乙酸阶段，产甲烷相主要进行产甲烷阶段。从微生物学角度，产酸相一般仅存在产酸发酵细菌，而产甲烷相不但存在产甲烷细菌，且不同程度存在产酸发酵细菌。
2 相分离的优势及方法
相分离的实现，对于整个处理工艺来说主要可以带来以下两个方面的好处：1)可以提高产甲烷相反应器中产甲烷菌的活性；2)可以提高整个处理系统的稳定性和处理效果。厌氧消化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。两相厌氧生物处理系统本质的特征是相的分离，这也是研究和应用两相厌氧生物处理工艺的第一步。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差异来实现的。目前主要的相分离的技术可以分为物理化学法和动力学控制法。
管运涛等采用传统两相厌氧工艺与膜分离技术相结合的系统(MBS)处理有机废水的研究结果表明：系统COD去除率达到95%，SS去除率在92%以上，酸化率为60%～80%，气化率在80%～90%左右，产酸反应器出水酸化水平高，低分子有机酸含量高，使两相工艺分相较为完全。随后，应用该系统于处理造纸废水的研究。
洗萍等采用两段UASB厌氧反应器为主体的工艺处理木薯淀粉废水，在温度为20℃左右，进水为CODCr6000～8000mg/L反应条件下二次启动。经过33d的运行，两段厌氧处理CODCr去除率累计达85%以上，出水CODCr为400～800mg/L。试验结果表明，甲烷段是整个反应器启动的控制阶段，只要控制好各反应器的运行参数，便能很好达到两相分离的目的。
樊国锋等以蔗糖为基质，采用连续进水的方式，研究两相UASB反应器的相分离。结果表明，控制酸化相pH值为5.50～6.00，可得到满意的相分离效果。运行80d后，酸化相颗粒污泥直径为2～8mm，污泥浓度为73.61kg/m3，COD去除的产气率740.0ml/g，COD容积负荷为20.82kg/(m3.d)；产甲烷相颗粒污泥直径为1～3mm，污泥浓度为53.73kg/m3，COD去除的产气率614.4ml/g，COD的容积负荷为19.91
kg/(m3.d)。两相UASB反应器的COD总去除率达93.3%，COD容积负荷为20.82kg/(m3.d)。
Beccari M等在产酸相和产甲烷相中，基于不同水力停留时间和污泥龄的动力学控制法，在不添加任何化学抑制剂的情况下，实现了部分相的分离。产酸相中主要为产酸菌以及少数的氢营养产甲烷菌。同时，产甲烷相中同时进行酸化和甲烷化过程。
3 影响因素和评价指标
3.1 影响因素
(1)温度
厌氧降解过程受温度影响较大，厌氧降解的温度可以分为低温(0～20℃)、中温(20～42℃)和高温(42～75℃)。在中温范围，35℃以下每降低10℃，细菌的活性和生长速率就减少一半。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、中温-中温系统、高温-中温系统和中温-高温系统。
(2)pH值
产甲烷菌的最适宜pH范围是6.8～7.2，而产酸菌则需要偏低一点的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，两相分别采用不同的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。
(3)HRT
最大去除效率经常是通过操作保证产酸段短的水力停留时间(HRT)从而防止产甲烷菌的生长来实现的。这个过程主要是通过调整水力停留时间来实现的，而不是微生物的量。
(4)硫酸盐
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。主要是硫酸盐还原菌(sulphate reducing
bacteria，简记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，硫酸盐的还原底物H2S对产甲烷有毒害作用。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)难降解有机物
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。
(6)毒性物质
Leighton等人研究了进水中铜、锌、镍、铅4中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。同时发现，相的分离并没有对产甲烷UASB反应器提供任何保护作用。所有的金属离子都会引起COD去除率明显下降，而在停止重金属的加入后，又会立即恢复。四种金属中，镍和铅影响较大[12，13]。
除了以上因素，其他的参数也应该考虑，主要有进水底物浓度、有机负荷率(organic loading rate，简记OLR)、循环(recycle)、污泥停留时间和营养需求等。
两相厌氧消化过程是个多种微生物群系参与的复杂的生物反应系统，郭养浩(1997)对两相厌氧消化系统中影响反应器内微生物群系的生态平衡、微生物本征活性和反应器宏观行为的主要因素进行了分类(见表2)和综合讨论。
表2 两相厌氧消化过程参数分类

注：参数属性：处理对象特性；●反应器结构参数；▲反应器操作参数
3.2 评价指标
(1)酸化程度的衡量指标
表示水解酸化过程酸化程度的最主要参数是一些短链有机酸的浓度，即挥发性脂肪酸(VFA)的浓度，通过测定进入和流出反应器的VFA浓度的变化可以判断反应进行的情况。通常将不同的酸折算成COD当量值，以酸化率(acidification)来衡量有机物的酸化程度。在水解酸化反应器，在没有甲烷产生下，进水的有机物质被降解为VFA和其他次要的发酵产物。在该情况下，酸化率等于出水VFA的COD当量和进水VFA的COD当量差与进水COD的比值，也就是酸化度(acidification
degree，简写AD)。

式中，——出水挥发酸浓度(以
醋酸计，mg/L)；
——进水挥发酸浓度(以醋酸计，mg/L)；
——进水COD(mg/L)；
——VFA的COD当量系数，见表3。
(2)消化效率的评价参数
Jeyaseelan S.和 Matsuo T.在研究厌氧消化过程中相分离对不同底物降解的影响时，提出如果处理效率(treatment efficiency)建立在厌氧消化系统实际出水浓度基础上，不能反映处理效率。同时，积累的生物量没有考虑，以及出水中需要进一步处理的生物污泥。因此，采用甲烷产量评价消化效率(digestion
efficiency，简记DE)，甲烷的体积为标准温度和气压下，评价采用的理论COD当量为0.35m3/kgCOD。通过测定气体的产量和成分，甲烷的体积就可以得出。

5 两相厌氧生物处理系统的应用
应用两相厌氧处理潜在的优势在于：更好的控制酸化阶段和产甲烷阶段，减少了反应器体积，较高的悬浮物去除效率，增强产酸微生物生长而不影响产甲烷菌，第二相中更高的产甲烷活性。此外，第一相可能产生的产甲烷菌有毒物质(氨、长链脂肪酸及硫化物等)可以在两相间的中间阶段去除。由于两相厌氧具有一系列优点，使它具有广泛的使用范围。
(1)适合处理易酸化废水(富含碳水化合物而有机氮含量低的高浓度废水)，可以避免易酸化、易降解废水负荷过高时，因单相反应器中产酸速率远大于产甲烷速率而导致厌氧系统pH迅速下降，是反应器中生态系统崩溃[2，16]。
(2)众多研究显示，两相厌氧系统更适合处理含高悬浮有机颗粒的废水，由于在第一个反应器中水解菌和酸化菌可以把其转化为挥发性脂肪酸(Volatile
Fatty Acids，简称VFA)，并在第二个反应器中转化为甲烷。有关研究表明，最终产生的VFA的组分分布特征(即不同产酸发酵类型)主要依赖于底物的特性(有机物浓度，氧化还原电位ORP等)，操作条件(水力停留时间HRT，有机负荷，温度等)，尤其是pH。
(3)两相厌氧技术可广泛应用于中药废水[4，17]、造纸废水[18-19]等高浓度难降解废水的处理，应用范围广泛，是常用厌氧技术(UASB、接触厌氧等)的取代技术。
橄榄油废水(OME)属季节性排放、地区分散性高浓度有机废水，且含有难生物降解或产甲烷抑制性底物：脂类、多酚及不饱和长链脂肪酸(LCFAs)。Beccari
M等采用部分相分离的两相系统(two-reactor system with partial phase separation)处理该种废水。在产酸相中得到不饱和LCFAs到棕榈酸近乎定量的生物转化，因此大大降低了产甲烷相中脂类对产甲烷菌的抑制作用。并认为部分相分离的两相系统可以应用于含脂类废水的厌氧处理。
(4)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[21-23]。
(5)处理固体含量很高的农业有机废弃物或城市有机垃圾等。两相厌氧消化系统的应用，主要用于沼气的制取：污水剩余污泥的处置、城市固体废物处理、工业废物及泥浆、橄榄厂固体废物及橄榄果渣、食品废物及失效茶叶等的处理[24-29]。
(6)两相厌氧技术处理城市生活污水的的可行性研究。Arsov R.等研究了两相厌氧硝化技术在环境温度下处理城市污水的可行性研究。试验证实，不完全分相是产甲烷菌的颗粒化、微生物活性提高的重要因素。此外，合适的水力搅拌(70rpm)、可迅速生物降解的有机底物也是形成颗粒污泥的重要因素。由于厌氧处理不能去除营养物质(N、P)，后续处理可以通过湿地处理达标排放。研究指出，该技术具有技术及经济潜力，尤其适用于热带或温带地区、经济欠发达国家，在不久的将来得到普及。
7 两相厌氧生物处理技术的研究现状
两相厌氧生物处理技术的研究，早期主要集中在应用动力学控制法实现相分离方面，所以采用的试验装置多为完全混合反应器。
20世纪80年代，从产甲烷阶段为限速步骤出发，从微生物、动力学角度开展研究，寻求系统高效处理的条件[30-32]。从国内外的两相厌氧系统研究采用的工艺形式看，主要有两种：一种是两相均采用UASB反应器，一种是产酸相为接触式反应器，产甲烷相采用UASB反应器。
任南琪和王宝贞(1994)开发的CSTR-IC两相厌氧生物处理工艺，通过控制水力停留时间或有机负荷能够成功地实现相分离。
20世纪90年代，产酸相的研究工作集中在对末端发酵产物的分析，其主要目的是探讨产酸相的末端产物对产甲烷相反应器运行特性的影响，研究产甲烷相的运行稳定性。任南琪等[33，34]在研究中发现了一种新型发酵类型——乙醇型发酵，研究结果显示，在正常厌氧条件下的ORP(-400～-150mV)范围内，pH4.0～4.5往往发生乙醇型发酵；pH4.5～5.0常发生丁酸型发酵，但也可发生乙醇型发酵；pH5.0左右时，发生混合酸型发酵；pH5.5左右发生丙酸型发酵；pH6.0以上往往发生丁酸型发酵。
近年来，随着对两相厌氧消化概念和厌氧降解机理的进一步理解，随着各种新型厌氧反应器的出现，如何针对不同的水质(如含硫酸盐有机废水)并结合各种新型高效厌氧反应器的特点进行产酸相和产甲烷相的组合才能达到更好的处理效果成为新的研究方向。
郭养浩等研究填充床酸化反应器及其与UASB甲烷化反应器组成的两相厌氧消化系统的运行特性。填充床酸化反应器启动方便，酸化速率高、抗水力冲击和pH波动的能力强、COD容积负荷达200kg/(m3.d)。采用预调碱工艺，两相消化系统运行正常，可高效地处理酿酒废水。在进料COD浓度1000～7000mg/L、COD负荷40kg/(m3.d)时，出料COD浓度小于200mg/L，对抗生素生产废水也有较好的处理效果。
周雪飞和任南琪等开发研制的CUBF一体化两相厌氧反应器，特别适用于高浓度难降解有机废水的处理。祁佩时等采用一体化两相厌氧反应器处理抗生素废水，当最大进水COD达到26347mg/L，最大容积负荷达到8.54kgCOD/(m3.d)；SO42-绝对值浓度为1325mg/L，COD/SO42-比值最低达到3时，反应器对各种抑制物质和冲击负荷均表现出很好的适应性。Wang
JingYuan等采用改良的两相厌氧消化及淹没式曝气生物过滤器复合系统处理食品固废中氨的去除，并得到较高的沼气产量和甲烷含量。
国外方面，Arsov R.等采用两相厌氧技术处理生活污水，研究发现两相均遵循Monod动力学，通过控制酸相适当的水力条件和甲烷相颗粒污泥的形成，达到很高的厌氧污泥活性。并讨论了生物反应器结构的设计以及在沿海区域实践应用的可行性。Baloch
M.I.提出颗粒床折流板反应器(GRABBR)作为单独操作的两相厌氧系统的选择性工艺。Von Sachs Jürgen等开发了控制两相厌氧中产甲烷相的控制系统，用于两相厌氧处理抑制性废水的检测和控制。系统基于产甲烷相进水VFA(可以计算出理论甲烷气产量)和实际甲烷产量，通过控制产甲烷相进水来调节两相系统。Kraemer
Jeremy T.等用出水回流式两相厌氧反应器发酵制氢，试验发现：出水循环可以降低因控制pH值所需要的40%的碱度，要得到较高的H2产量，采用高浓度废水更有挑战性，并且采用膜过滤回流水，可以防止耗氢微生物进入。Isa
M.Hasnain等在采用两相厌氧系统研究钼酸盐(MoO42-)是否可以作为厌氧反应器中硫酸盐降解菌的抑制剂时，发现钼酸盐对硫酸盐的降解及甲烷的产量均有影响，而且VFA的主要成分由乙酸变为丁酸。进一步研究显示，一旦停止钼酸盐的投加，SRB可以完全恢复，产甲烷菌(MPB)却不能。从而得到结论：钼酸盐对SRB是抑制性的，对MPB是杀灭性的，产酸菌最先适应钼酸盐。
Guerrero L.等采用连续搅拌反应器研究富含有机悬浮固体及蛋白质的废水的厌氧水解和酸化。试验废水取自鱼肉加工厂(30～120gCOD/L，5～40gVSS/L，蛋白质10～30g/L)，首先研究了搅拌对生物降解能力的影响，在此基础上，对水解酸化阶段在温度和pH值方面进行了优化。在不添加任何营养物质、pH7.2～7.7、OLR为400kgCOD/(m3.d)、HRT24h、55℃的条件下，获得最大酸化效率(acidification
efficiency)44%，VSS去除率58%，蛋白质去除率80%。即便在很短的停留时间下，绝大多数蛋白质转化为VFA和氨。因此，在两种情况下(55℃和37℃)反应器中总氨的含量是相当高的(15～17gTN/L)，这表明很高的自由氨的浓度(高达0.66gN/L在37℃，1.64gN/L在55℃)，这个差异主要是由于温度对电离平衡的影响引起的。尽管在55℃下处理效率高，但是研究者更推荐中温(37℃)作为两相厌氧处理处理该废水的条件，因为高温下自由氨的毒性将阻碍产甲烷反应器的稳定运行。
同时，对两相厌氧反应器动力学模型方面的研究也不少。Borja R.等在试验水平研究橄榄厂固体废物两相厌氧消化动力学，Blumensaat
F.等采用国际水协(IWA)厌氧消化1号模型模拟两相厌氧消化过程。但由于厌氧消化过程的复杂性，针对两相厌氧反应器模型的研究仅仅处于初始阶段。
此外，随着现代环境微生物学的发展，现代科学分析方法逐渐应用于废水处理。针对两相厌氧微生物群落的研究将成为新的研究领域[47-49]。
8 两相厌氧技术展望
众多实践经验证实，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。此外，基于两相厌氧工艺基础上的脱氮、脱硫改进工艺的研究、针对产酸相以及两相厌氧动力学的研究也将成为今后研究新方向。任南琪等已经开始研究产酸相生物制氢，并有所进展，该技术的解决将大大缓解当前的能源短缺的现状。