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1、两相厌氧工艺的研究进展摘要：传统的厌氧消化工艺中,产酸菌和产甲烷菌在单相反应器内完成厌氧消化的全过程，由于二菌种的特性有较大的差异,对环境条件的要求不同,无法使二者都处于最佳的生理状态,影响了反应器的效率。1971 年 Ghosh 和 Poland 提出了两相厌氧生物处理工艺1，它的本质特征是实现了生物相的分离，即通过调控产酸相和产甲烷相反应器的运行控制参数，使产酸相和产甲烷相成为两个独立的处理单元，各自形成产酸发酵微生物和产甲烷发酵微生物的最佳生态条件，实现完整的厌氧发酵过程，从而大幅度提高废水处理能力和反应器的运行稳定性。(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
2、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。Yeoh 对两相厌氧消化工艺和单相厌氧消化工艺进行了对比实验研究。结果表明：两相厌氧消化系统的产甲烷率为0.168m3CH4/(KgCODCrd),明显高于单相厌氧消化系统的产甲烷率0.055m3CH4/(KgCODCrd)。(2) 反应器的分工明确 ,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) 产酸相的有机负荷率高,缓冲能
3、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,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 4,5,产酸反应器的体积总是小于产甲烷反应器的体积。(5) 两相厌氧工艺适于处理高浓度有机污水、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。2 两相厌氧工艺的研究现状21 反应器类型从国内外的两相厌氧系统研究所采用的工艺形式看，主要有两种：第一种是两相均采用同一类型的反应器,如 UASB 反应器,UBF 反应器,ASBR 反应器,其中UASB 反应器较常用。第二种是称作 Anode
4、k 的工艺，其特点是产酸相为接触式反应器（即完全式反应器后设沉淀池，同时进行污泥回流），产甲烷相则采用其它类型的反应器 6。王子波、封克、张键采用两相 UASB 反应器处理含高浓度硫酸盐黑液,酸化相为 8.87L 的普通升流式反应器,甲烷相为 28.75L 的 UASB 反应器,系统温度(351)。当酸化相进水 COD 为(6.77111.057)g/ L ,SO42-为(5.6488.669) g/ L,pH 值为 5.5 时,整个系统 COD 去除率平均值为 74.42 %，系统对负荷的冲击有较强的耐受能力 7。SHI-YILUN 等采用两相 UASB 处理葡萄糖配水， OLR 可达到 5
5、4gCOD/ （Ld），CH 4 占沼气的 90%，COD 去除率为 85%8。张振家、王太平、谷成采用两相 UASB 反应器处理糖蜜酒精糟液，试验结果表明：系统对废水中有机物及硫酸盐均有良好的去除效果，酸化反应器对 SO42- 去除率达到 70%以上 9。胡锋平在常温 25采用两相 UBF 反应器对养鸡场离心废水进行处理,结果表明: 进水 CODcr 为 18300mg/L , 系统容积负荷 17.26 kgCOD/（m 3d）, 水力停留时间 25.47 h, CODcr 去除率为 76.13% ,BOD5 去除率为 87.76% , 产气率为0.410m3/kgCODcr10。HBoua
6、llagui 等采用两相 ASBR 反应器处理果蔬废水（FVW），COD 去除率达 96%，出水 COD 小于 1500mg/L，可溶性 SCOD 小于 400 mg/L，产烷产率为每 320L/ KgCOD11。孙剑辉、倪利晓采用的工艺为 Anodek，他们将铁屑为填料的 UBF 反应器作酸化相、以 UASB 反应器作甲烷相，处理 Zn5 - ASA 医药废水。实验结果表明:此系统在 UBF 与 USAB 的 HRT 分别控制在 5.95 h 和 11.43 h 时,UBF 与UASB 的 OLR(以 COD 计 ) 分别高达 58.44 和 17.01 kg/ (m3d) ,对 SCOD
7、和BOD5 的总去除率分别达 90 %和 95 %左右,具有系统运行稳定、处理效率高等优点 12。22 相分离的方法（1）物理化学法 在产酸相中投加甲烷菌的选择性抑制剂（如氯仿，四氯化碳等）来抑制产甲烷细菌的生长，或向产酸反应器中供给一定量的氧气，调整反应器内的氧化还原电位，利用产甲烷菌对溶解氧和氧化还原电位比较敏感的特点来抑制其在产酸相反应器中生长；或将产酸反应器 pH 调在较低水平（5.5-6.5之间），利用甲烷要求中性偏碱的的条件来保证产酸菌在产酸反应器占主导地位；或采用通透有机酸的半透膜，使产酸相的末端产物只有有机酸才能进入后续的产甲烷反应器，从而实现产酸相与产甲烷相分离。 (2) 动
8、力学控制法产酸菌和产甲烷菌在生长速率上存在很大的差异 13，产酸菌的生长速率快，其世代时间短，一般在 1030min，而产甲烷菌的世代时间在 46d，因此控制反应的水力停留时间在一个较短的范围内，可以使产甲烷菌来不及在产酸相反应器停留就被水流带入产甲烷反应器。通过动力参数(如有机负荷率、停留时间等) 14的调控实现产酸菌和产甲烷菌的有效分离。实验中最广范的应用就是将第一种方法的调 pH 与第二种方法结合起来，这样使较低的 pH 对产甲烷菌产生一定的抑制性，同时该反应器的 HRT 很短，相应的 SRT 也较短，使得世代时间较长的甲烷菌难以在其中生长起来。 3 两相厌氧工艺的发展方向（1）针对不同
9、的水质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成为新的研究方向。进入 90 年代,如文献 15中所用的产酸反应器就是一种专利产品,处理效果很好;文献 16中用填充床酸化反应器+UASB 甲烷化反应器有效地处理了啤酒废水和抗生素废水; 针对水解反应器 HUSB 和颗粒污泥膨胀床 EGSB 优缺点的互补 ,文献 17中将二者组成两相工艺成功地处理了悬浮性固体含量高的城市污水。（2）温度两相厌氧工艺 1，是最近 IOWA 大学正在研究的一种新的两相厌氧工艺，它将高温厌氧消化和中温厌氧消化组合成一个处理工艺，可以充分发挥高温发酵速率快和去除致病菌能力强以及中温发酵所具有的能量需求低
10、和出水水质好的优势。KAISER 等人研究的温度两相厌氧生物滤池（TPAB）工艺是一种新的高速厌氧处理系统，它由一个高温厌氧生物滤池和一个中温厌氧滤池串联而成，能够形成一个具有两个温度段和两相的厌氧生物处理系统。在相同的HRT 和有机负荷下温度两相系统的运行效果要比单级的厌氧滤池好。LUGBA等人也研究了温度两相厌氧工艺处理乳制品废水的可行性。（3）一体化两相厌氧反应器的研究也是两相厌氧反应器的一个研究方向，通过反应器内部结构的精密设计，在同一反应器内形成产酸相、产甲烷相的合理搭配，在实现两相分离，消除二者之间制约作用的基础上，增强二者之间的互补、协同作用。反应器一体化的设计使得设备投资减少，
11、节省工程占地。4 结语两相厌氧消化工艺为产酸菌和产甲烷菌提供了最佳的生理环境 18,发挥了它们各自最大的活性,因而具有比单相厌氧消化工艺更高的处理能力和处理效率,有深入研究和推广应用的价值。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 Univers
12、ity， 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,
13、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 separ
14、ation; acidogenesis; methogenesis; evaluating indexes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 1，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
15、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
16、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。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 3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
