两相厌氧处理工艺的研究与应用

两相厌氧处理工艺的研究与应用摘要：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。

关键词：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1.1研究与应用情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1.2反应器型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2.1屠宰废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2.2乳清和牛奶废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2.3造纸废在制浆造纸工业，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3讨论与总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参考文献1Pohland F G，Ghosh S.Developments in anaerobic treatmentprocesses.In:Canale R P. Biological Waste Treatment.New York: Interscience，1971，85～102Shin H S，Bae B U，Lee J J，et al. Anaerobic digestion of distillery waste-water in a 2-phase UASB system.Wat.Sci.Tech.，1992，25(7)：361～373He Y L，Zhang A L，Yang S H.Anaerobic treatment of kenaf stem wood APMP wastewater. Environ.Tech.，1995，16：467～474Ince O.Performance of a two-phase anaerobic digestion system when treating dairy wasteeater.Wat.Res.，1998，32：2707～2715Talarposhti A M，Donnelly T，Anderson G K.Colour removal from a simulated dye wastewater using a two-phase anaerobic packed bed reactor.Water Res.，2001，35：425～436Yilmazer G，Yenigun O.Two-phase anaerobic treatment of cheesewhey.Wat.Sci.Tech.，1999， 40(1)：289～297Malaspina F，Cellamare C M，Stante L，et al.Anaerobic treatment of cheese whey with a downflow-upflow hybrid reactor.Bioresource Technology，1996 ，55：131～138Yanagi C，Sato M，Takahara Y.Treatment of wheat-starch waste-water by a membrane combined 2-phase methane fermentation system.Desalination，1994，98：161～179Yeoh B G.Two-phase anaerobic treatment of cane-molasses alcohol stillage.Wat.Sci.Tech.， 1997，36(6～7)：441～4410Lin C Y.Anaerobic-digestion of landfill leachate.Water SA.，1991，17：301～3011Kaiser S K，Dague R R，Haris W L.Initial studies on the temperature- phased anaerobic biofilter process.Wat.Environ.Res.，1995，67：1095～11012Hulshoff Pol.Waste characteristics and factors affecting reactor performance. Netherlands : Wageningen Agricuture University，1995，33～6513Romli M，Greenfild P F，Lee P L.Effect of recycle on a two-phase high- rate anaerobic wastewater treatment system.Wat.Res.，1994，28：475～4814Lee J P，Lee J S，Park S C.Two-phase methanization of food wastes in pilot scale. Appl.Biochem.Biotech.，1999，77(9)：585～5915Ruiz I，VEiga M C，De Santiago P，et al.Treatment of slaughterhouse wastewater in a UASB reactor and an anaerobic filter.Biores.Technol.，1997，60(3)：251～2516Johns M R.Development in wastewater treatment in the meat processing industry: a review. Biores.Technol.，1995，54：203～2117Zheng Y J，Wu W N.A study of meat packing plant wastewater treatment with upflow anaerobic sludge blanket process.In: Proc.4th Int. Symp. Anaerobic Digestion，China，1985.327～3318Sayed S，Campen L，Lettinga G.Anaerobic treatment of slaughterhouse waste using a flocculant sludge UASB reactor.Biol.Wastes，1987，21：11～219Lettinga G，Hobma S W，Hulshoff Pol L W，et al.Design operation and economy of anaerobic treatment.Wat.Sci.Tech.，1982，15(8)：175～1920Polprasert C，Kemmadamrong P，Tran F T.Anaerobic baffled reactor (ABR) process for treating a slaughterhouse wastewater.Environ.Technol.，1992，13：857～8621Banks C J，Wang Z.Development of a two-phase anaerobic digester for the treatment of mixed abattoir wastes.Wat.Sci.Tech.，1999，40(1)：69～722Rajeshwari K V，Balakrishnan M，Kansal A，et al.State-of-the-art of anaerobic digestion technology for industrial wastewatertreatment.Renew.Sustainable Energy Rev.，2000，4：135～1523Kalyuzhnyi S V，Martinex E P，Maptinez J R.Anaerobic treatment of high strength cheese whey wastewaters in laboratory and pilot UASB-reactors.Biores.Technol.，1997，60：59～624Gutierrez J L R，Encina P A G，Polanco F F.Anaerobic treatment of cheese production wastewater using a UASB reactor.Biores.Technol.，1991，37：271～2725Schorder E W，De Haast J.Anaerobic digestion of deprotEInated cheese whey in an upflow sludge blanket reactor.J.Dairy Res.，1989，56：129～1326Yan J Q，Lo K V，Liao P H.Anaerobic digestion of cheese whey using upflow anaerobic sludge blanket reactor.Biol.Waste，1989，27：289～3027Wildenauer F X，Winter J.Anaerobic digestion of high strength acidic whey in a pH-controlled upflow fixed-film loopreactor.Appl.Microbiol.Biotechnol.，1985，22：367～3728De Haast J，Britz T J，Novello J C，et al.Anaerobic digestion of deproteinated cheese whey.J.Dairy Res.，1985，52：457～4629Boening P H，Larsen V F.Anaerobic fluidized bed wheytreatment.Biotechnol.Bioeng.，1982，14：2539～25530Denac M，Dunn I J.Packed and fluidized-bed biofilm reactor performance for anaerobic wastewater treatment.Biotechnol.Bioeng.，1988，32(2)：159～1731Switzenbaum M S，Danskin S C.Anaerobic expanded bed treatment of whey.Agric.Waste，1982， 4：411～4232Lo K V，Liao P H.Digestion of cheese whey with anaerobic rotating biological contact reactor. Biomass，1986，10：243～2533Barford J P，Cali R G，Callander I J，et al.Anaerobic digestion ofhigh-strength cheese whey utilizing semi-continuous digesters and chemical flocculant addition. Biotechnol. Bioeng.，1986，28(11)：1601～16034Malaspina F，Stante L，Cellamare C M，et al.Cheese whey and cheese factory wastewater treatment with a combined biological anaerobic-aerobic plant.In: Proceedings of the 3rd International Symposium on Waste Management Problems in Agro-industries，Mexico，1995. 63～735Strydom J P，Britz T J，Mostert J F.Two-phase anaerobic digestion of three different dairy effluents using a hybrid bioreactor.Water S A，1997，23 ：151～15。