两相厌氧消化反应器设计及启动方法

杨红艳++尹芳++赵兴玲++柳静++杨红++王昌梅++刘士清++张无敌

摘要 本文设计应用UASB和EGSB 2种反应器进行串联耦合处理猪粪废水。由于产氢产乙酸菌和产甲烷菌繁殖特性的差异性，传统的厌氧消化工艺并不能使其发挥各自的优势。两相厌氧消化工艺可以使2个反应在各自最适宜的环境内进行厌氧发酵，由于产氢产酸和产甲烷2个阶段相互独立，故酸化反应器具有一定的缓冲作用，能够缓解冲击负荷对后续产甲烷反应器的影响，可以提高厌氧消化的反应效率。试验设计的目的在于将产氢气与产甲烷两相耦合起来，并探讨运行参数对猪粪两相厌氧消化的影响，同时为两相厌氧工艺的实施提供参考。

关键词 两相厌氧消化反应器；串联耦合；能源转换效率；设计

中图分类号 X713 文献标识码 A 文章编号 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

兩相厌氧工艺（two-phase anaerobic process）是由Ghosh和Pohland在20世纪70年代初开发的，将水解发酵菌归为第一相产酸相，将共生的产氢产乙酸菌和产甲烷菌归为第二相[1]。传统的单相厌氧反应包括厌氧消化的全过程，即将产酸阶段和产甲烷阶段放置在一个反应器中。而两相厌氧发酵工艺是将水解酸化过程的反应器和产甲烷过程的反应器进行串联。猪场污水具有高污染浓度、高COD、可生化性能强的特点，污水中主要含有未被猪吸收消化的食物如玉米颗粒和猪的代谢产物，其中含有大量微生物繁殖所需的营养物质[2]，利用两相厌氧消化工艺将其资源化利用对保护环境和缓解能源紧张问题都具有重要意义。厌氧消化工艺具有无能耗、减少二次污染[3]、产生清洁能源等优势。本文设计应用UASB和EGSB两相串联耦合，与单相厌氧发酵相比，两相厌氧消化系统具有高的产氢率、能够承受较高的负荷率、反应器容积较小、运行稳定等优势，因而日益受到人们的重视。

1 反应器设计

基于单相反应不能使产氢产酸菌和产甲烷菌发挥各自的优势，故采用两相厌氧消化工艺，将产氢产酸相和产甲烷相分开独立进行。本设计采用2个厌氧反应器分别作为产甲烷相和产氢产酸相。并且通过中间转换器将2个反应器连接在一起，达到循环利用原料的目的。本设计由配料系统、产氢产酸系统、中间转换系统、产甲烷系统4部分构成。配料系统由1个泵和配料槽组成；产氢产酸系统的组成方式为1个UASB反应器和1个蠕动泵；中间转换系统由实验室自行设计的转换装置构成；产甲烷系统由1个EGSB反应器和1个蠕动泵组成（图1）。

1.1 中间转换器

试验设计的反应器由有机玻璃制成。中间转换器有效容积为0.35 L，为保障反应体系的厌氧条件，中间转换器必须是密封厌氧装置。整个系统的核心装置即中间转换器。中间转换器的主要任务是连接产氢反应器和产甲烷反应器，达到产氢产甲烷耦合的目的，使消耗氢源后的猪粪废水原料顺利到达产甲烷反应器，同时可分离原料内的沉降物，从而避免给产甲烷反应器带来堵塞等问题。

中间反应器采用液封原理，且通过水面升降可调节中间转换装置的压力，以免造成压力过大和过小的问题，在一定程度上起到了隔绝空气和调节内部压强的作用。

1.2 产氢相

第一相产酸相反应器设计采用UASB（上流式厌氧污泥床反应器）。试验设计中UASB反应器有效容积为1.65 L，内径为7 cm，外径为8 cm，高为0.4 m。反应器的污泥区、反应区和沉淀区分别设有取样孔，取样孔间距为8.5 cm，沉淀区设有三相分离器，分离气体和污泥，反应器顶部是集气装置。

1.3 产甲烷相

第二相产甲烷相反应器设计采用EGSB（膨胀颗粒污泥床）作为产甲烷相，EGSB反应器有效容积为3.3 L，高0.85 m。反应器的污泥区、膨胀区和沉淀区同样设有取样孔，污泥区与膨胀区取样孔间距13 cm，膨胀区与沉淀区取样孔间距为25 cm。沉淀区同样设有三相分离器，分离气体和污泥，反应器顶部是集气装置。

产酸相和产甲烷相分别采用UASB和EGSB，主要有以下优点。一是UASB与EGSB在结构上相似，可以避免一些不确定性因素对试验的影响。UASB升流式厌氧污泥床是目前应用最为广泛的高效厌氧反应器，其具有容积负荷高、水力滞留时间短等优点，用作第一相反应器比较合适。二是EGSB反应器作为第三代高效厌氧反应器能够培养出具有更高活性的颗粒污泥，能够承受更高的COD负荷且上流速度快，改善了废水中有机物和微生物之间的接触，强化了传质效果，提高了反应器的生化反应速度，进而大大提高了反应器的处理效率[4]。EGSB反应器颗粒污泥的产甲烷活性能高于UASB反应器颗粒污泥，因而更适合作为第二相产甲烷相反应器[5]。

在本试验设计中，产酸相反应器的体积小于产甲烷相的体积，主要是由于产酸菌和产甲烷菌在生长速率上存在很大的差异。产酸菌的生长速率快，其世代时间短，一般为10～30 min，而产甲烷菌的世代时间为4～6 d，产酸菌的世代时间远远短于产甲烷菌[6]，且产酸菌的产酸速度高于产甲烷菌降解酸的速率，故产酸反应器的体积应小于产甲烷反应器的体积[7-8]。

2 启动方法

2.1 分析手段及方法

TS测定：将样品放置于电热恒温烘箱中，调节温度为105 ℃，烘干至恒重，冷却到室温，用电子天平进行称量，再根据公式计算总固体含量。VS测定：将烘干水分的样品放置于马弗炉中，调节温度为550 ℃，灼烧至恒重，冷却，称量，计算挥发性固体含量VS。pH值测定：采用精密pH试纸（5.7～8.5）进行测量。产气量测定：通过观察气体流量计计算产气量，定时做记录，然后进行排气点火，观察火焰颜色，初步判断甲烷含量。气体含量测试：采用气相色谱仪测定气体含量。COD：采用重铬酸钾法，COD在线分析仪，仪器型号为COD plu。氨氮：氨氮在线监测仪，仪器型号为Amtax Comp。

2.2 试验流程

试验流程如图2所示。用新鲜猪粪配成试验所需的猪粪废水，经过沉淀、过滤后，用蠕动泵打入反应器中，观察产气情况并记录相关数据。猪粪废水由进料桶经蠕动泵打入产酸相反应器，产酸相出料流入中间转换器，作为产甲烷相的进料。从产酸相出料到产甲烷相进料的过程是厌氧过程，保证了厌氧消化反应的正常进行。本设计中由于产酸相到产甲烷相之间为厌氧过程且无其他填充气体，故在试验启动时存在许多问题。如压力、压强等问题，压力过大可导致起液封作用的水排出，而压力过小可能把液封水吸入中间转换器中。在本试验中，可以找到一个相对平衡点，使出料刚好供应进料，避免出现压力过大或过小等问题，或者人工定期进行监测。

3 影响启动的因素

3.1 发酵原料

沼气发酵过程是有机物彻底矿化的微生物厌氧代谢过程，绝大多数有机物都可用作沼气发酵的原料（表1）[9]。厌氧发酵过程是一个非常复杂的过程，有诸多的影响因素。发酵原料的种类就是一个很重要的因素。从表1可以看出，數量相同而原料不同的各种有机物所产沼气的量也不同。用于启动的第一阶段的原料最好采用猪粪、牛粪或马粪，虽然猪粪的碳氮比例为13∶1[9]，但实践经验证明，猪粪可以单独作为原料启动用于发酵，且有产气速度快、产气量大、甲烷含量高等优点。猪粪质地较细，含有较多的有机质和氮、磷、钾等营养成分，可以为厌氧发酵微生物的生存和繁殖提供养分，并且猪粪厌氧发酵得到的甲烷含量较高，故猪粪很适合作为厌氧发酵的原料。

3.2 pH值

沼气发酵适宜的pH值是保证厌氧反应正常进行的关键因素，不同的发酵原料其pH值也不同（表2）。在沼气发酵过程中，pH值并非固定不变，而是随着厌氧发酵反应的进行不断变化，但通常情况下，不会超出正常范围。产酸产氢相反应器pH值在4.5～6.0之间更有利于反应器启动[10]，沼气发酵的适宜pH值是在6.5～7.5之间，高于或低于这一范围，沼气微生物的代谢将会减慢或受到抑制，甚至被杀死。沼气发酵的pH值有一个自然平衡的过程，一般无需人为调节。若管理不当，出现有机酸大量积累导致pH值下降而使沼气发酵受到抑制时，可通过添加适量水稀释酸，或添加石灰水等碱性物质进行调节。

3.3 滞留时间

滞留时间是厌氧发酵中另一个很重要的参数。滞留时间选择过短，原料不能被充分分解利用，甚至使厌氧发酵不能正常进行；滞留时间选择过长，原料虽然可以充分分解利用，但反应器容积会增大，池容产气率下降，成本增大，容易造成浪费，从经济角度上考虑不划算。本试验设计是由2个厌氧反应器进行串联，要考虑产酸相的出料必须可以供给产甲烷相反应器的进料，因而第一相产酸相的HRT要小于第二相产甲烷相的HRT。由于中间转换器体积有限，故产酸相的蠕动泵流速不能过大，以避免浪费产酸相的出料。

3.4 氨氮

在有机物厌氧消化过程中，氨氮是非常重要的影响因素，氨氮是厌氧消化过程中微生物营养物质的主要来源。有试验研究表明，氨氮虽然在一定浓度范围内对产氢有促进作用，但浓度过高则会有抑制作用[15]。同时，氨氮对厌氧发酵产甲烷反应也有抑制作用，主要表现为抑制产甲烷菌活性，由于自由氨有渗透性，可以扩散到细胞内引起细胞质酸化、质子不平衡或钾离子流失等。在以猪粪为原料厌氧发酵过程中，猪粪沼液中氨态氮含量不同程度地受到发酵温度、原料浓度、接种量、搅拌速度和酸碱度的影响[16]。人们可以通过改变相关影响因素对氨氮含量进行调控。还有相关研究表明，可以采取“基于梯度氨氮压力”耐受性驯化的方法提高厌氧消化系统的氨氮耐受性[17]。

4 单相与两相反应器对比

两相厌氧发酵工艺是由2个独立的阶段构成，通过对两相中的温度、酸碱度、pH值和水力停留时间等参数的调控，使产酸菌和产甲烷菌分别在最佳繁殖条件下生长，使串联运行的2个反应器中分别形成乙酸和甲烷[11]并且2个反应器的运行互相不干扰。与传统的单相厌氧发酵反应器相比，两相厌氧发酵工艺具有诸多优势。在单相反应器中，生成的H2很快就被转化成CH4和CO2，因而H2的含量很低，单相反应器生产出的可用生物气仅为CH4；而两相厌氧消化系统可以产生2种生物气H2和CH4，从能源角度看，两相厌氧消化系统更具有研究意义。有试验结果表明，与单相厌氧系统相比，两相厌氧系统的产氢相具有增加后续产甲烷相中甲烷产量的功能[12]；此外，在能源产率[11，13]和有机物去除率方面，两相厌氧相比单相厌氧也都有所提高[14]。

对于现有两相厌氧消化工艺的应用，都是单纯地将产氢产酸相与产甲烷相分开，其中氢气同样经过产甲烷阶段。这样还是会对产甲烷阶段产生抑制作用，虽说也能够提高厌氧消化的效率，但并不是最优工艺，要使两相厌氧反应器既是一个统一整体，又能做到互不影响，是现在科学家研究的方向。

5 展望

两相厌氧系统分别为产酸菌和产甲烷菌提供了适宜的生存环境，使菌群能够更好地发挥作用。因此，两相工艺的处理效率高于单相处理器，系统的抗负荷能力高，又可得到氢气和甲烷2种生物气。但目前，由于两相工艺运行过程复杂，不确定性因素较多，故产氢产甲烷两相厌氧消化工艺仍处于试验阶段。本试验设计将产氢-产甲烷技术进行耦合，利用第一相反应器UASB发酵产氢，第二相反应器发酵产甲烷，能够达到能源化、环保化的综合目的。为了使产生的甲烷在实际运用中效果明显，两相厌氧消化产氢产甲烷过程中的运行条件、能源转换效率以及微生物群落结构分析极其重要。通过采用UASB和EGSB两相厌氧反应器串联，实现厌氧消化联合产氢产甲烷发酵，并针对每个反应器中活性污泥、关联微生物对能源转化效率的影响分析，获得厌氧联合产氢产甲烷最佳条件，探究最优化的猪粪废水利用和更高的能源转化效率。

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