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两相厌氧处理工艺研究和应用
摘要：利用多种高效反应器对现有单相厌氧处理系统进行改造，以提升其稳定性，取得比现有单相系统更大负荷和更高效率。文章对废水两相厌氧处理工艺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和其它厌氧反应器处理废水效果进行了总结和比较。
关键词：两相厌氧 酸化 甲烷化 废水

　　有机物厌氧降解，在宏观上和工程上能够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全部有所不一样。在一个反应器内要保持这两大类微生物成活，并有旺盛生理功效活动、协调发展，对反应器维护管理是比较困难。Pohland［1］于1971年首次提出了两相厌氧消化概念，即把厌氧两个阶段分别在两个独立反应器内进行，分别发明各自最好环境条件，培养两类不一样微生物，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负荷率，反应器容积较小，运行稳定，日益受到大家重视。废水采取两相厌氧处理前景十分可观，能够利用多种高效反应器设备对现有处理系统进行改造，提升其稳定性，可取得比现有单相厌氧处理系统更高负荷率和效率。
　　1 两相厌氧处理工艺研究和应用
　　1.1 研究和应用情况
　　两相厌氧工艺可用于处理多个废水，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/%
参考文件
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 44.0
80
[2]
制浆造纸废水
上流式厌氧污泥床
上流式厌氧污泥床(36℃)
12
84(96)
[3]
牛奶废水
连续搅拌池反应器
上流式厌氧滤池
5
90(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
12
76

酵母发酵废水
厌氧流化床
厌氧流化床
20～22
70～75

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 14.0
83

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
10
98
[7]
小麦淀粉废水
预酸化反应器
厌氧挡板反应器
20
99
[8]
酒精废水
高温酸化
高温消化
4.65～20.00
85
[9]
垃圾渗滤液
中温酸化
中温消化
2.41～7.98
90
[10]
合成牛奶废水
高温厌氧滤池（56℃）
中温厌氧滤池（35℃）
2.0～16.0
90～97
[11]
　　1.2 反应器型式
　　两相厌氧降解产酸过程和产甲烷过程分别在两个独立反应器内进行。为了分别提升两个阶段效率，这两个阶段能够应用多种高效厌氧反应器，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好环境条件和操作条件。两相厌氧降解每个阶段不仅仅只是采取不一样反应器型式，而且还可应用不一样温度、pH、水力停留时间、有机物负荷率等，以取得最好结果。
　　厌氧降解过程受温度影响较大，厌氧降解温度可分为低温（0～20 ℃）、中温（20～42 ℃）和高温（42～75 ℃）[12]。在中温范围，35 ℃以下，每降低10 ℃，细菌活性和生长率就降低二分之一。所以，对于预定消化程度，温度越低，消化时间越长。温度对产酸过程影响不是很大，对产甲烷过程则影响较大。高浓度废水或污泥厌氧处理通常采取中温或高温范围。两相厌氧降解过程每个阶段也可采取中温或高温范围。依据厌氧消化温度范围，两相厌氧消化温度有高温－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是厌氧反应关键影响原因。产甲烷菌最适宜pH范围是6.8～7.2，而产酸菌则需要偏酸一点pH。传统厌氧系统通常维持一定pH，使其不限制产甲烷菌生长，并阻止产酸菌（可引发VFA累积）占优势，所以必需使反应器内反应物能够提供足够缓冲能力来中和任何可能VFA累积，这么就预防了在传统厌氧消化过程中局部酸化区域形成。而在两相厌氧系统中，每相能够用不一样pH，方便使产酸过程和产甲烷过程分别在最好条件下进行，pH控制对产甲烷阶段尤为关键。
　　1.4 两相厌氧系统优化运行
　　两相厌氧废水处理系统优化运行是将产甲烷反应器出水再循环至产酸反应器[13]。系统能够把一个混合良好连续反应器作为酸化阶段反应器，以一个流化砂床反应器作为产甲烷阶段反应器。产酸阶段经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，能够节省碱投加量，从而降低处理成本。Shin等 [2]用一个两相UASB-UASB系统处理制酒厂废水，在两个反应器颗粒污泥均形成以后，为了维持第一阶段适宜pH，只须经过产甲烷阶段出水循环，而无须投加碱性化合物。在韩国首全部汉城周围Anyany市，就有处理食物废水两相厌氧消化池[14]，该系统就是将甲烷相反应器出水再循环至酸相反应器以提供碱度。
　　2 高浓度废水不一样处理工艺效果比较
　　2.1 屠宰废水
　　屠宰废水来自屠宰过程不一样工序，如：冲洗牲畜、放血、剥皮、清洗牲畜尸体、打扫房间等，包含血水、皮肉颗粒、粪便和其它污染物质。屠宰废水经典特征以下[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。多种厌氧反应器处理屠宰废水运行数据见表2。
　　表2 多种厌氧反应器处理屠宰废水运行数据
反应器类型
有机负荷率/(kgCOD·m-3·d-1)
COD去除率/%
参考文件
UASB（粒状污泥）
11.0
85
[16]
UASB（絮状污泥）
5.0
80～89
[16]
UASB
2.7
77
[17]
UASB
7.0
85
[18]
UASB
6.0～10.0
87～91
[19]
UASB
1.0～6.5
90
[15]
厌氧滤池(AF)
2.3
85
[16]
AF
1.0～6.5
< 90
[15]
厌氧接触法(AC)
3.0
92.6
[16]
厌氧折（挡）板反应器(ABR)
0.9～4.7
75
[20]
两相厌氧工艺
1.4～7.0
87
[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，废水多种起源为溅出液、废弃液、撇乳、乳清，和冲洗奶罐、设备、奶瓶和地板废水。乳清是制造奶酪时产生最难处理高浓度废物，它包含一部分牛奶蛋白质、水溶性维生素和无机盐[22]。不一样类型厌氧反应器处理乳品加工和牛奶场废水运行数据见表3。
　　表3 多种厌氧反应器处理乳清和牛奶废水运行数据
反应器类型
有机负荷率/(kgCOD·m-3·d-1)
COD去除率/%
参考文件
UASB
1.0～28.5
95～99
[23]
UASB
7.0～9.5
90～94
[23]
UASB
1.0～6.7
90～95
[23]
UASB
31.0
90
[24]
UASB
7.1
94
[25]
UASB
0.9～6.0
97～99
[26]
上流式固定膜反应器
14.0
95
[27]
下流式固定膜反应器
2.6
88
[28]
厌氧流化床(AFBR)
7.7
90
[29]
厌氧流化床(AFBR)
6.0～40.0
63～87
[30]
厌氧附着膜膨胀床反应器
8.2～22.0
61～92
[31]
厌氧生物转盘
10.2
76
[32]
添加絮凝剂半连续式消化池
16.1
99
[33]
两相厌氧工艺
10.0
97
[34]
两相厌氧工艺
10.0
98
[7]
两相厌氧工艺
0.97～2.82
91～97
[35]
两相厌氧工艺
5.0
90
[4]
　　2.3 造纸废水
　　 在制浆造纸工业，纸浆冲洗和漂白过程产生多种不一样性质废水，废水也来自造纸机器、苛性氯制造和黑液回收，造纸废水含有木质素及其衍生物和各类氯代有机物。COD、抑制原因和可生化性改变取决于废水起源[22]。处理制浆造纸废水多种厌氧反应器运行数据比较见表4。
　　表4 多种厌氧反应器处理制浆造纸废水运行数据
反应器类型
废水类型
有机负荷率/(kgCOD·m-3·d-1)
COD(BOD)去除率/%
参考文件
厌氧流化床
脱墨造浆
0.66(m3/m3·d)
50(BOD)
[22]
UASB
脱墨造浆
40
40
[22]
UASB
机械制浆
4～31
35～70
[22]
厌氧接触法(AC)
亚硫酸盐冷凝液
5
30～50
[22]
两相UASB
机械制浆
12
84
[3]
　　3 讨论和总结
　　因为厌氧过程每个阶段菌种全部有一个和其它阶段菌种不一样最好微生物环境，在一个单相厌氧消化池或反应器中不可能实现最好厌氧运行效果，将两个阶段菌种用于同一个反应器，会显著地阻碍相互效率。两相厌氧降解过程有其特点，因为每相全部保持其最适宜pH和氧化还原电位，使其在较高效率下运行。两相厌氧工艺开启能够在几周内完成，而无须多个月，而且所需设备尺寸最少能够缩小1/3。两相厌氧工艺优点在于：分离和优化了潜在限速阶段，使水解酸化过程和产甲烷过程均处于最好状态；提升了反应动力和稳定性（控制各阶段pH，提升反应器抵御冲击负荷稳定性，选择生长较快细菌）；酸化阶段含有潜在解毒作用。
　　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；缺乏对多种废水运行经验；底物类型和反应器型式之间关系不确定。有研究者认为，从微生物角度来看，厌氧消化过程是由多个菌群参与生物过程，这些微生物种群之间经过代谢相互连贯、制约和促进，最终达成一定平衡，在厌氧消化最优化条件下不能分开，不然不符合最优化条件，而两相厌氧过程势必会改变稳定中间代谢产物水平，有可能对一些特殊营养型细菌产生抑制作用，甚至造成热力学上不适于中间产物继续降解条件。然而从现在研究结果来看，即使相分离后中间代谢产物发生了改变，但相分离基础上全部是不完全，所以产甲烷相中污泥仍是由多个菌群组成，能够适应改变了多种中间产物，所以相分离后中间产物改变对产甲烷相没有不利影响。相反，因为产酸相去除了大量氢及一些抑制物，能够为后一阶段产甲烷菌提供了更适宜底物及环境条件，从而使产甲烷相中污泥活性得以提升，处理效果及运行稳定性也对应提升。
　　通常情况下，底物类型和反应器型式决定了某种废水能否适适用于两相厌氧处理，这也得到了很多试验验证。两相厌氧处理工艺是能够推广应用，但对多种废水运行经验却不足，所以仍有很多工作要做。

　　参考文件
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　　3 He Y L，Zhang A L，Yang S H.Anaerobic treatment of kenaf stem wood APMP wastewater. Environ.Tech.，1995，16：467～476
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　　5 Talarposhti A M，Donnelly T，Anderson G K.Colour removal from a simulated dye wastewater using a two-phase anaerobic packed bed reactor.Water Res.，，35：425～432
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　　13 Romli M，Greenfild P F，Lee P L.Effect of recycle on a two-phase high-rate anaerobic wastewater treatment system.Wat.Res.，1994，28：475～482
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　　16 Johns M R.Development in wastewater treatment in the meat processing industry: a review. Biores.Technol.，1995，54：203～216
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