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兩相厭氧消化(TPAD)的研究現狀及展望
簡介: 綜合論述了兩相厭氧消化(TPAD)的原理、相分離的方法、影響因素和評價指標及國內外研究應用現狀,展望了在廢水處理領域中的廣闊前景。
關鍵字:兩相厭氧消化 相分離 酸化 甲烷化 評價指標
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 University, 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, 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 separation; acidogenesis; methogenesis; evaluating indexes
兩相厭氧消化系統(tǒng)(Two-Phase Anaerobic Digestion,簡稱TPAD)是20世紀70年代初美國戈什(Ghosh)和波蘭特(Pohland)開發(fā)的厭氧生物處理新工藝[1],并于1977年在比利時首次應用于生產。該技術與其他新型厭氧反應器不同的是,它并不著重于反應器結構的改造,而是著重于工藝的變革。兩相厭氧技術的研究將促進國內厭氧技術的發(fā)展,同時解決目前對高濃度有機廢水進行厭氧生物處理時易酸化、靠稀釋廢水的技術局面,是廢水厭氧生物處理的一個技術飛躍。
1 兩相厭氧消化的原理
傳統(tǒng)的應用中,產酸菌和產甲烷菌在單個反應器中,這兩類菌群之間的平衡是脆弱的。這是由于兩種微生物在生理學、營養(yǎng)需求、生長速度及對周圍環(huán)境的敏感程度等方面存在較大的差異。在傳統(tǒng)設計應用中所遇到的穩(wěn)定性和控制問題迫使研究人員尋找新的解決途徑。
一般情況下,產甲烷階段是整個厭氧消化的控制階段。為了使厭氧消化過程完整的進行就必須首先滿足產甲烷相細菌的生長條件,如維持一定的溫度、增加反應時間,特別是對難降解或有毒廢水需要長時間的馴化才能適應。二相厭氧消化工藝把酸化和甲烷化兩個階段分離在兩個串聯反應器中,使產酸菌和產甲烷菌各自在最佳環(huán)境條件下生長,這樣不僅有利于充分發(fā)揮其各自的活性,而且提高了處理效果,達到了提高容積負荷率,減少反應容積,增加運行穩(wěn)定性的目的。從生物化學角度看,產酸相主要包括水解、產酸和產氫產乙酸階段,產甲烷相主要進行產甲烷階段。從微生物學角度,產酸相一般僅存在產酸發(fā)酵細菌,而產甲烷相不但存在產甲烷細菌,且不同程度存在產酸發(fā)酵細菌[2]。
2 相分離的優(yōu)勢及方法
相分離的實現,對于整個處理工藝來說主要可以帶來以下兩個方面的好處:1)可以提高產甲烷相反應器中產甲烷菌的活性;2)可以提高整個處理系統(tǒng)的穩(wěn)定性和處理效果。厭氧消化過程中產生的氫不僅能調節(jié)中間代謝產物的形成,也能調節(jié)中間產物的進一步降解。兩相厭氧生物處理系統(tǒng)本質的特征是相的分離,這也是研究和應用兩相厭氧生物處理工藝的第一步。一般來說,所有相分離的方法都是根據兩大類菌群的生理生化特征差異來實現的。目前主要的相分離的技術可以分為物理化學法和動力學控制法。
管運濤等[3]采用傳統(tǒng)兩相厭氧工藝與膜分離技術相結合的系統(tǒng)(MBS)處理有機廢水的研究結果表明:系統(tǒng)COD去除率達到95%,SS去除率在92%以上,酸化率為60%~80%,氣化率在80%~90%左右,產酸反應器出水酸化水平高,低分子有機酸含量高,使兩相工藝分相較為完全。隨后,應用該系統(tǒng)于處理造紙廢水的研究。
洗萍等[5]采用兩段UASB厭氧反應器為主體的工藝處理木薯淀粉廢水,在溫度為20℃左右,進水為CODCr6000~8000mg/L反應條件下二次啟動。經過33d的運行,兩段厭氧處理CODCr去除率累計達85%以上,出水CODCr為400~800mg/L。試驗結果表明,甲烷段是整個反應器啟動的控制階段,只要控制好各反應器的運行參數,便能很好達到兩相分離的目的。
樊國鋒等[6]以蔗糖為基質,采用連續(xù)進水的方式,研究兩相UASB反應器的相分離。結果表明,控制酸化相pH值為5.50~6.00,可得到滿意的相分離效果。運行80d后,酸化相顆粒污泥直徑為2~8mm,污泥濃度為73.61kg/m3,COD去除的產氣率740.0ml/g,COD容積負荷為20.82kg/(m3·d);產甲烷相顆粒污泥直徑為1~3mm,污泥濃度為53.73kg/m3,COD去除的產氣率614.4ml/g,COD的容積負荷為19.91 kg/(m3·d)。兩相UASB反應器的COD總去除率達93.3%,COD容積負荷為20.82kg/(m3·d)。
Beccari M等[7]在產酸相和產甲烷相中,基于不同水力停留時間和污泥齡的動力學控制法,在不添加任何化學抑制劑的情況下,實現了部分相的分離。產酸相中主要為產酸菌以及少數的氫營養(yǎng)產甲烷菌。同時,產甲烷相中同時進行酸化和甲烷化過程。
3 影響因素和評價指標
3.1 影響因素
(1)溫度
厭氧降解過程受溫度影響較大,厭氧降解的溫度可以分為低溫(0~20℃)、中溫(20~42℃)和高溫(42~75℃)。在中溫范圍,35℃以下每降低10℃,細菌的活性和生長速率就減少一半[8]。溫度對產酸過程的影響不是很大,對產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值
產甲烷菌的最適宜pH范圍是6.8~7.2,而產酸菌則需要偏低一點的pH。傳統(tǒng)厭氧系統(tǒng)通常維持一定的pH,使其不限制產甲烷菌生長,并阻止產酸菌(可引起VFA累積)占優(yōu)勢,因此必須使反應器內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,兩相分別采用不同的pH,以便使產酸過程和產甲烷過程分別在最佳的條件下進行,pH的控制對產甲烷階段尤為重要。
?。?)HRT
最大去除效率經常是通過操作保證產酸段短的水力停留時間(HRT)從而防止產甲烷菌的生長來實現的。這個過程主要是通過調整水力停留時間來實現的,而不是微生物的量[12]。
?。?)硫酸鹽[13]
當進水中含有較高濃度的硫酸鹽時,在厭氧條件下硫酸鹽會對厭氧細菌特別是產甲烷菌產生嚴重的抑制作用。主要是硫酸鹽還原菌(sulphate reducing bacteria, 簡記SRB)和產甲烷菌存在明顯的基質競爭,而動力學分析表明,硫酸鹽還原作用更容易進行。另一方面,硫酸鹽的還原底物H2S對產甲烷有毒害作用。SRB對環(huán)境的適應能力強于產甲烷菌,產酸相中SRB含量比產甲烷菌高2~3個數量級,用兩相厭氧消化工藝處理含硫酸鹽廢水時,在產酸相中控制適宜的條件促進SRB的生長,強化硫酸鹽還原作用,盡可能去除硫酸鹽,可減輕對下一階段產甲烷菌的抑制作用,使SRB和產甲烷菌都能發(fā)揮很好的活性。
?。?)難降解有機物
Komatsu等[13]人研究了脂類物質對兩相厭氧系統(tǒng)的抑制作用。結果發(fā)現,脂類可以在一個兩相厭氧濾池系統(tǒng)得到滿意的降解,而在單相系統(tǒng)中其降解就相對較差。
(6)毒性物質
Leighton等人研究了進水中銅、鋅、鎳、鉛4中不同的重金屬離子對兩相厭氧消化工藝的影響。結果發(fā)現產酸相污泥對鋅和鎳沒有很好的吸附作用,而對鉛的吸附很好,銅則適中。同時發(fā)現,相的分離并沒有對產甲烷UASB反應器提供任何保護作用。所有的金屬離子都會引起COD去除率明顯下降,而在停止重金屬的加入后,又會立即恢復。四種金屬中,鎳和鉛影響較大[12,13]。
除了以上因素,其他的參數也應該考慮,主要有進水底物濃度、有機負荷率(organic loading rate,簡記OLR)、循環(huán)(recycle)、污泥停留時間和營養(yǎng)需求等。
兩相厭氧消化過程是個多種微生物群系參與的復雜的生物反應系統(tǒng),郭養(yǎng)浩(1997)對兩相厭氧消化系統(tǒng)中影響反應器內微生物群系的生態(tài)平衡、微生物本征活性和反應器宏觀行為的主要因素進行了分類(見表2)和綜合討論[14]。
表2 兩相厭氧消化過程參數分類
影響反應器內微生物生態(tài)平衡的參數影響微生物本征活性的參數影響反應器宏觀行為的參數■進料組成(底物可利用性,抑制物質的存在)■進料組成(底物降解難易程度,可利用性,抑制物質的存在)▲酸化反應器結構與體積●進料堿度(維持甲烷菌適宜的pH條件)●進料濃度▲甲烷化反應器結構與體積●▲酸化器出料的酸化率(防止甲烷化反應器酸化,維持甲烷化反應器內生態(tài)平衡)●進料堿度●▲進料布水均勻性■污泥來源(微生物群系)●操作溫度●操作負荷(容積負荷) ●回流比(有害物質的積累)●▲床層線速(外擴散阻力) ●▲酸化反應器出料的酸化率(提供甲烷化反應器適宜的進料組成)●回流比(物料返混,床層穩(wěn)定性) ●操作溫度(物料粘度,顆粒內分子擴散速度)注:參數屬性:■處理對象特性;●反應器結構參數;▲反應器操作參數
3.2 評價指標
(1)酸化程度的衡量指標
表示水解酸化過程酸化程度的最主要參數是一些短鏈有機酸的濃度,即揮發(fā)性脂肪酸(VFA)的濃度,通過測定進入和流出反應器的VFA濃度的變化可以判斷反應進行的情況。通常將不同的酸折算成COD當量值,以酸化率(acidification)來衡量有機物的酸化程度。在水解酸化反應器,在沒有甲烷產生下,進水的有機物質被降解為VFA和其他次要的發(fā)酵產物。在該情況下,酸化率等于出水VFA的COD當量和進水VFA的COD當量差與進水COD的比值,也就是酸化度(acidification degree,簡寫AD)[8]。
式中,——出水揮發(fā)酸濃度(以
醋酸計,mg/L);
——進水揮發(fā)酸濃度(以醋酸計,mg/L);
——進水COD(mg/L);
——VFA的COD當量系數,見表3。
?。?)消化效率的評價參數
Jeyaseelan S.和 Matsuo T.在研究
5 兩相
應用兩相
?。?)適合處理易酸化廢水(富含碳水化合物而有機氮含量低的高濃度廢水),可以避免易酸化、易降解廢水負荷過高時,因單相反應器中產酸速率遠大于產甲烷速率而導致
(2)眾多研究顯示,兩相
?。?)兩相
橄欖油廢水(OME)[20]屬季節(jié)性排放、地區(qū)分散性高濃度有機廢水,且含有難生物降解或產甲烷抑制性底物:脂類、多酚及不飽和長鏈脂肪酸(LCFAs)。Beccari M等[12]采用部分相分離的兩相系統(tǒng)(two-reactor system with partial phase separation)處理該種廢水。在產酸相中得到不飽和LCFAs到棕櫚酸近乎定量的生物轉化,因此大大降低了產甲烷相中脂類對產甲烷菌的抑制作用。并認為部分相分離的兩相系統(tǒng)可以應用于含脂類廢水的
?。?)適合處理有毒性的工業(yè)廢水,許多工業(yè)有機廢水中含有濃度較高的硫酸鹽、苯甲酸、氰、酚等成分,由于產酸菌能改變毒物的結構或將其分解,使毒性減弱甚至消失,故能有效地消除毒物對產甲烷菌的抑制作用[21-23]。
?。?)處理固體含量很高的農業(yè)有機廢棄物或城市有機垃圾等。兩相
(6)兩相
7 兩相
兩相
20世紀80年代,從產甲烷階段為限速步驟出發(fā),從微生物、動力學角度開展研究,尋求系統(tǒng)高效處理的條件[30-32]。從國內外的兩相
任南琪和王寶貞(1994)[33]開發(fā)的CSTR-IC兩相
20世紀90年代,產酸相的研究工作集中在對末端發(fā)酵產物的分析,其主要目的是探討產酸相的末端產物對產甲烷相反應器運行特性的影響,研究產甲烷相的運行穩(wěn)定性。任南琪等[33,34]在研究中發(fā)現了一種新型發(fā)酵類型——乙醇型發(fā)酵,研究結果顯示,在正常
近年來,隨著對兩相
郭養(yǎng)浩等[36]研究填充床酸化反應器及其與UASB甲烷化反應器組成的兩相
周雪飛和任南琪等[37]開發(fā)研制的CUBF一體化兩相
國外方面,Arsov R.等[40]采用兩相
Guerrero L.等[7]采用連續(xù)攪拌反應器研究富含有機懸浮固體及蛋白質的廢水的
同時,對兩相
此外,隨著現代環(huán)境微生物學的發(fā)展,現代科學分析方法逐漸應用于廢水處理。針對兩相
8 兩相
眾多實踐經驗證實,兩相
參考文獻
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[11] Leighton I. R., Forster C. F. The effect of heavy metals on a thermophilic methanogenic upflow sludge blanket reactor. Bioresource Technology, Vol: 63, Issue: 2, February, 1998, p 131-137.
基金資助:重慶市自然科學基金資助項目(CSTC,2005BB7253)
作者簡介:王克浩(1983-),男,碩士研究生,山東人,主要從事工業(yè)有機廢水治理技術和環(huán)境災害控制工程的研究與設計工作。 聯系電話:023-65112854;E-mail:kehaowang@163.com
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