楊紅艷++尹芳++趙興玲++柳靜++楊紅++王昌梅++劉士清++張無敵

摘要 本文設計應用UASB和EGSB 2種反應器進行串聯(lián)耦合處理豬糞廢水。由于產氫產乙酸菌和產甲烷菌繁殖特性的差異性，傳統(tǒng)的厭氧消化工藝并不能使其發(fā)揮各自的優(yōu)勢。兩相厭氧消化工藝可以使2個反應在各自最適宜的環(huán)境內進行厭氧發(fā)酵，由于產氫產酸和產甲烷2個階段相互獨立，故酸化反應器具有一定的緩沖作用，能夠緩解沖擊負荷對后續(xù)產甲烷反應器的影響，可以提高厭氧消化的反應效率。試驗設計的目的在于將產氫氣與產甲烷兩相耦合起來，并探討運行參數(shù)對豬糞兩相厭氧消化的影響，同時為兩相厭氧工藝的實施提供參考。

關鍵詞 兩相厭氧消化反應器；串聯(lián)耦合；能源轉換效率；設計

中圖分類號 X713 文獻標識碼 A 文章編號 1007-5739（2017）23-0152-03

Abstract In this paper，two digester（UASB and EGSB）were series-coupled，which were designed and applied to treatment of pig manure wastewater.Due to the difference of reproductive characteristics between obligate H2-producing acetogenic bacteria and methanogens，the traditional anaerobic fermentation process is not beneficial for methanogens and the obligate H2-producing acetogenic bacteria.Two-phase anaerobic process make the two anaerobic process in the more suitable for different fermentation.Due to the two stage of the producing acid and methane are independent and simultaneous，the acidification digester has a certain buffer action.It can alleviate the impact of shock load on the subsequent methane production digester，so the reaction rate of anaerobic digestion can be improved.The purpose of this experiment is to couple the hydrogen and methane together，and to discuss some factors on the effect of pig manure two-phase anaerobic fermentation. It′s hoped to find the optimal anaerobic fermentation conditions in order to maximize the energy conversion efficiency of raw materials，and to provide a reference for the implementation of two-phase anaerobic process.

Key words two-phase anaerobic digester；series-coupling；energy conversion efficiency；design

兩相厭氧工藝（two-phase anaerobic process）是由Ghosh和Pohland在20世紀70年代初開發(fā)的，將水解發(fā)酵菌歸為第一相產酸相，將共生的產氫產乙酸菌和產甲烷菌歸為第二相[1]。傳統(tǒng)的單相厭氧反應包括厭氧消化的全過程，即將產酸階段和產甲烷階段放置在一個反應器中。而兩相厭氧發(fā)酵工藝是將水解酸化過程的反應器和產甲烷過程的反應器進行串聯(lián)。豬場污水具有高污染濃度、高COD、可生化性能強的特點，污水中主要含有未被豬吸收消化的食物如玉米顆粒和豬的代謝產物，其中含有大量微生物繁殖所需的營養(yǎng)物質[2]，利用兩相厭氧消化工藝將其資源化利用對保護環(huán)境和緩解能源緊張問題都具有重要意義。厭氧消化工藝具有無能耗、減少二次污染[3]、產生清潔能源等優(yōu)勢。本文設計應用UASB和EGSB兩相串聯(lián)耦合，與單相厭氧發(fā)酵相比，兩相厭氧消化系統(tǒng)具有高的產氫率、能夠承受較高的負荷率、反應器容積較小、運行穩(wěn)定等優(yōu)勢，因而日益受到人們的重視。

1 反應器設計

基于單相反應不能使產氫產酸菌和產甲烷菌發(fā)揮各自的優(yōu)勢，故采用兩相厭氧消化工藝，將產氫產酸相和產甲烷相分開獨立進行。本設計采用2個厭氧反應器分別作為產甲烷相和產氫產酸相。并且通過中間轉換器將2個反應器連接在一起，達到循環(huán)利用原料的目的。本設計由配料系統(tǒng)、產氫產酸系統(tǒng)、中間轉換系統(tǒng)、產甲烷系統(tǒng)4部分構成。配料系統(tǒng)由1個泵和配料槽組成；產氫產酸系統(tǒng)的組成方式為1個UASB反應器和1個蠕動泵；中間轉換系統(tǒng)由實驗室自行設計的轉換裝置構成；產甲烷系統(tǒng)由1個EGSB反應器和1個蠕動泵組成（圖1）。

1.1 中間轉換器

試驗設計的反應器由有機玻璃制成。中間轉換器有效容積為0.35 L，為保障反應體系的厭氧條件，中間轉換器必須是密封厭氧裝置。整個系統(tǒng)的核心裝置即中間轉換器。中間轉換器的主要任務是連接產氫反應器和產甲烷反應器，達到產氫產甲烷耦合的目的，使消耗氫源后的豬糞廢水原料順利到達產甲烷反應器，同時可分離原料內的沉降物，從而避免給產甲烷反應器帶來堵塞等問題。

中間反應器采用液封原理，且通過水面升降可調節(jié)中間轉換裝置的壓力，以免造成壓力過大和過小的問題，在一定程度上起到了隔絕空氣和調節(jié)內部壓強的作用。

1.2 產氫相

第一相產酸相反應器設計采用UASB（上流式厭氧污泥床反應器）。試驗設計中UASB反應器有效容積為1.65 L，內徑為7 cm，外徑為8 cm，高為0.4 m。反應器的污泥區(qū)、反應區(qū)和沉淀區(qū)分別設有取樣孔，取樣孔間距為8.5 cm，沉淀區(qū)設有三相分離器，分離氣體和污泥，反應器頂部是集氣裝置。

1.3 產甲烷相

第二相產甲烷相反應器設計采用EGSB（膨脹顆粒污泥床）作為產甲烷相，EGSB反應器有效容積為3.3 L，高0.85 m。反應器的污泥區(qū)、膨脹區(qū)和沉淀區(qū)同樣設有取樣孔，污泥區(qū)與膨脹區(qū)取樣孔間距13 cm，膨脹區(qū)與沉淀區(qū)取樣孔間距為25 cm。沉淀區(qū)同樣設有三相分離器，分離氣體和污泥，反應器頂部是集氣裝置。

產酸相和產甲烷相分別采用UASB和EGSB，主要有以下優(yōu)點。一是UASB與EGSB在結構上相似，可以避免一些不確定性因素對試驗的影響。UASB升流式厭氧污泥床是目前應用最為廣泛的高效厭氧反應器，其具有容積負荷高、水力滯留時間短等優(yōu)點，用作第一相反應器比較合適。二是EGSB反應器作為第三代高效厭氧反應器能夠培養(yǎng)出具有更高活性的顆粒污泥，能夠承受更高的COD負荷且上流速度快，改善了廢水中有機物和微生物之間的接觸，強化了傳質效果，提高了反應器的生化反應速度，進而大大提高了反應器的處理效率[4]。EGSB反應器顆粒污泥的產甲烷活性能高于UASB反應器顆粒污泥，因而更適合作為第二相產甲烷相反應器[5]。

在本試驗設計中，產酸相反應器的體積小于產甲烷相的體積，主要是由于產酸菌和產甲烷菌在生長速率上存在很大的差異。產酸菌的生長速率快，其世代時間短，一般為10～30 min，而產甲烷菌的世代時間為4～6 d，產酸菌的世代時間遠遠短于產甲烷菌[6]，且產酸菌的產酸速度高于產甲烷菌降解酸的速率，故產酸反應器的體積應小于產甲烷反應器的體積[7-8]。

2 啟動方法

2.1 分析手段及方法

TS測定：將樣品放置于電熱恒溫烘箱中，調節(jié)溫度為105 ℃，烘干至恒重，冷卻到室溫，用電子天平進行稱量，再根據(jù)公式計算總固體含量。VS測定：將烘干水分的樣品放置于馬弗爐中，調節(jié)溫度為550 ℃，灼燒至恒重，冷卻，稱量，計算揮發(fā)性固體含量VS。pH值測定：采用精密pH試紙（5.7～8.5）進行測量。產氣量測定：通過觀察氣體流量計計算產氣量，定時做記錄，然后進行排氣點火，觀察火焰顏色，初步判斷甲烷含量。氣體含量測試：采用氣相色譜儀測定氣體含量。COD：采用重鉻酸鉀法，COD在線分析儀，儀器型號為COD plu。氨氮：氨氮在線監(jiān)測儀，儀器型號為Amtax Comp。

2.2 試驗流程

試驗流程如圖2所示。用新鮮豬糞配成試驗所需的豬糞廢水，經(jīng)過沉淀、過濾后，用蠕動泵打入反應器中，觀察產氣情況并記錄相關數(shù)據(jù)。豬糞廢水由進料桶經(jīng)蠕動泵打入產酸相反應器，產酸相出料流入中間轉換器，作為產甲烷相的進料。從產酸相出料到產甲烷相進料的過程是厭氧過程，保證了厭氧消化反應的正常進行。本設計中由于產酸相到產甲烷相之間為厭氧過程且無其他填充氣體，故在試驗啟動時存在許多問題。如壓力、壓強等問題，壓力過大可導致起液封作用的水排出，而壓力過小可能把液封水吸入中間轉換器中。在本試驗中，可以找到一個相對平衡點，使出料剛好供應進料，避免出現(xiàn)壓力過大或過小等問題，或者人工定期進行監(jiān)測。

3 影響啟動的因素

3.1 發(fā)酵原料

沼氣發(fā)酵過程是有機物徹底礦化的微生物厭氧代謝過程，絕大多數(shù)有機物都可用作沼氣發(fā)酵的原料（表1）[9]。厭氧發(fā)酵過程是一個非常復雜的過程，有諸多的影響因素。發(fā)酵原料的種類就是一個很重要的因素。從表1可以看出，數(shù)量相同而原料不同的各種有機物所產沼氣的量也不同。用于啟動的第一階段的原料最好采用豬糞、牛糞或馬糞，雖然豬糞的碳氮比例為13∶1[9]，但實踐經(jīng)驗證明，豬糞可以單獨作為原料啟動用于發(fā)酵，且有產氣速度快、產氣量大、甲烷含量高等優(yōu)點。豬糞質地較細，含有較多的有機質和氮、磷、鉀等營養(yǎng)成分，可以為厭氧發(fā)酵微生物的生存和繁殖提供養(yǎng)分，并且豬糞厭氧發(fā)酵得到的甲烷含量較高，故豬糞很適合作為厭氧發(fā)酵的原料。

3.2 pH值

沼氣發(fā)酵適宜的pH值是保證厭氧反應正常進行的關鍵因素，不同的發(fā)酵原料其pH值也不同（表2）。在沼氣發(fā)酵過程中，pH值并非固定不變，而是隨著厭氧發(fā)酵反應的進行不斷變化，但通常情況下，不會超出正常范圍。產酸產氫相反應器pH值在4.5～6.0之間更有利于反應器啟動[10]，沼氣發(fā)酵的適宜pH值是在6.5～7.5之間，高于或低于這一范圍，沼氣微生物的代謝將會減慢或受到抑制，甚至被殺死。沼氣發(fā)酵的pH值有一個自然平衡的過程，一般無需人為調節(jié)。若管理不當，出現(xiàn)有機酸大量積累導致pH值下降而使沼氣發(fā)酵受到抑制時，可通過添加適量水稀釋酸，或添加石灰水等堿性物質進行調節(jié)。

3.3 滯留時間

滯留時間是厭氧發(fā)酵中另一個很重要的參數(shù)。滯留時間選擇過短，原料不能被充分分解利用，甚至使厭氧發(fā)酵不能正常進行；滯留時間選擇過長，原料雖然可以充分分解利用，但反應器容積會增大，池容產氣率下降，成本增大，容易造成浪費，從經(jīng)濟角度上考慮不劃算。本試驗設計是由2個厭氧反應器進行串聯(lián)，要考慮產酸相的出料必須可以供給產甲烷相反應器的進料，因而第一相產酸相的HRT要小于第二相產甲烷相的HRT。由于中間轉換器體積有限，故產酸相的蠕動泵流速不能過大，以避免浪費產酸相的出料。

3.4 氨氮

在有機物厭氧消化過程中，氨氮是非常重要的影響因素，氨氮是厭氧消化過程中微生物營養(yǎng)物質的主要來源。有試驗研究表明，氨氮雖然在一定濃度范圍內對產氫有促進作用，但濃度過高則會有抑制作用[15]。同時，氨氮對厭氧發(fā)酵產甲烷反應也有抑制作用，主要表現(xiàn)為抑制產甲烷菌活性，由于自由氨有滲透性，可以擴散到細胞內引起細胞質酸化、質子不平衡或鉀離子流失等。在以豬糞為原料厭氧發(fā)酵過程中，豬糞沼液中氨態(tài)氮含量不同程度地受到發(fā)酵溫度、原料濃度、接種量、攪拌速度和酸堿度的影響[16]。人們可以通過改變相關影響因素對氨氮含量進行調控。還有相關研究表明，可以采取“基于梯度氨氮壓力”耐受性馴化的方法提高厭氧消化系統(tǒng)的氨氮耐受性[17]。

4 單相與兩相反應器對比

兩相厭氧發(fā)酵工藝是由2個獨立的階段構成，通過對兩相中的溫度、酸堿度、pH值和水力停留時間等參數(shù)的調控，使產酸菌和產甲烷菌分別在最佳繁殖條件下生長，使串聯(lián)運行的2個反應器中分別形成乙酸和甲烷[11]并且2個反應器的運行互相不干擾。與傳統(tǒng)的單相厭氧發(fā)酵反應器相比，兩相厭氧發(fā)酵工藝具有諸多優(yōu)勢。在單相反應器中，生成的H2很快就被轉化成CH4和CO2，因而H2的含量很低，單相反應器生產出的可用生物氣僅為CH4；而兩相厭氧消化系統(tǒng)可以產生2種生物氣H2和CH4，從能源角度看，兩相厭氧消化系統(tǒng)更具有研究意義。有試驗結果表明，與單相厭氧系統(tǒng)相比，兩相厭氧系統(tǒng)的產氫相具有增加后續(xù)產甲烷相中甲烷產量的功能[12]；此外，在能源產率[11，13]和有機物去除率方面，兩相厭氧相比單相厭氧也都有所提高[14]。

對于現(xiàn)有兩相厭氧消化工藝的應用，都是單純地將產氫產酸相與產甲烷相分開，其中氫氣同樣經(jīng)過產甲烷階段。這樣還是會對產甲烷階段產生抑制作用，雖說也能夠提高厭氧消化的效率，但并不是最優(yōu)工藝，要使兩相厭氧反應器既是一個統(tǒng)一整體，又能做到互不影響，是現(xiàn)在科學家研究的方向。

5 展望

兩相厭氧系統(tǒng)分別為產酸菌和產甲烷菌提供了適宜的生存環(huán)境，使菌群能夠更好地發(fā)揮作用。因此，兩相工藝的處理效率高于單相處理器，系統(tǒng)的抗負荷能力高，又可得到氫氣和甲烷2種生物氣。但目前，由于兩相工藝運行過程復雜，不確定性因素較多，故產氫產甲烷兩相厭氧消化工藝仍處于試驗階段。本試驗設計將產氫-產甲烷技術進行耦合，利用第一相反應器UASB發(fā)酵產氫，第二相反應器發(fā)酵產甲烷，能夠達到能源化、環(huán)?；木C合目的。為了使產生的甲烷在實際運用中效果明顯，兩相厭氧消化產氫產甲烷過程中的運行條件、能源轉換效率以及微生物群落結構分析極其重要。通過采用UASB和EGSB兩相厭氧反應器串聯(lián)，實現(xiàn)厭氧消化聯(lián)合產氫產甲烷發(fā)酵，并針對每個反應器中活性污泥、關聯(lián)微生物對能源轉化效率的影響分析，獲得厭氧聯(lián)合產氫產甲烷最佳條件，探究最優(yōu)化的豬糞廢水利用和更高的能源轉化效率。

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