兩相厭氧消化反應(yīng)器設(shè)計(jì)及啟動(dòng)方法

楊紅艷++尹芳++趙興玲++柳靜++楊紅++王昌梅++劉士清++張無(wú)敵

摘要 本文設(shè)計(jì)應(yīng)用UASB和EGSB 2種反應(yīng)器進(jìn)行串聯(lián)耦合處理豬糞廢水。由于產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌和產(chǎn)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(shì)。兩相厭氧消化工藝可以使2個(gè)反應(yīng)在各自最適宜的環(huán)境內(nèi)進(jìn)行厭氧發(fā)酵，由于產(chǎn)氫產(chǎn)酸和產(chǎn)甲烷2個(gè)階段相互獨(dú)立，故酸化反應(yīng)器具有一定的緩沖作用，能夠緩解沖擊負(fù)荷對(duì)后續(xù)產(chǎn)甲烷反應(yīng)器的影響，可以提高厭氧消化的反應(yīng)效率。試驗(yàn)設(shè)計(jì)的目的在于將產(chǎn)氫氣與產(chǎn)甲烷兩相耦合起來(lái)，并探討運(yùn)行參數(shù)對(duì)豬糞兩相厭氧消化的影響，同時(shí)為兩相厭氧工藝的實(shí)施提供參考。

關(guān)鍵詞 兩相厭氧消化反應(yīng)器；串聯(lián)耦合；能源轉(zhuǎn)換效率；設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào) X713 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 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(jì)70年代初開(kāi)發(fā)的，將水解發(fā)酵菌歸為第一相產(chǎn)酸相，將共生的產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌和產(chǎn)甲烷菌歸為第二相[1]。傳統(tǒng)的單相厭氧反應(yīng)包括厭氧消化的全過(guò)程，即將產(chǎn)酸階段和產(chǎn)甲烷階段放置在一個(gè)反應(yīng)器中。而兩相厭氧發(fā)酵工藝是將水解酸化過(guò)程的反應(yīng)器和產(chǎn)甲烷過(guò)程的反應(yīng)器進(jìn)行串聯(lián)。豬場(chǎng)污水具有高污染濃度、高COD、可生化性能強(qiáng)的特點(diǎn)，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(chǎn)物，其中含有大量微生物繁殖所需的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)[2]，利用兩相厭氧消化工藝將其資源化利用對(duì)保護(hù)環(huán)境和緩解能源緊張問(wèn)題都具有重要意義。厭氧消化工藝具有無(wú)能耗、減少二次污染[3]、產(chǎn)生清潔能源等優(yōu)勢(shì)。本文設(shè)計(jì)應(yīng)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(chǎn)氫率、能夠承受較高的負(fù)荷率、反應(yīng)器容積較小、運(yùn)行穩(wěn)定等優(yōu)勢(shì)，因而日益受到人們的重視。

1 反應(yīng)器設(shè)計(jì)

基于單相反應(yīng)不能使產(chǎn)氫產(chǎn)酸菌和產(chǎn)甲烷菌發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)，故采用兩相厭氧消化工藝，將產(chǎn)氫產(chǎn)酸相和產(chǎn)甲烷相分開(kāi)獨(dú)立進(jìn)行。本設(shè)計(jì)采用2個(gè)厭氧反應(yīng)器分別作為產(chǎn)甲烷相和產(chǎn)氫產(chǎn)酸相。并且通過(guò)中間轉(zhuǎn)換器將2個(gè)反應(yīng)器連接在一起，達(dá)到循環(huán)利用原料的目的。本設(shè)計(jì)由配料系統(tǒng)、產(chǎn)氫產(chǎn)酸系統(tǒng)、中間轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、產(chǎn)甲烷系統(tǒng)4部分構(gòu)成。配料系統(tǒng)由1個(gè)泵和配料槽組成；產(chǎn)氫產(chǎn)酸系統(tǒng)的組成方式為1個(gè)UASB反應(yīng)器和1個(gè)蠕動(dòng)泵；中間轉(zhuǎn)換系統(tǒng)由實(shí)驗(yàn)室自行設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)換裝置構(gòu)成；產(chǎn)甲烷系統(tǒng)由1個(gè)EGSB反應(yīng)器和1個(gè)蠕動(dòng)泵組成（圖1）。

1.1 中間轉(zhuǎn)換器

試驗(yàn)設(shè)計(jì)的反應(yīng)器由有機(jī)玻璃制成。中間轉(zhuǎn)換器有效容積為0.35 L，為保障反應(yīng)體系的厭氧條件，中間轉(zhuǎn)換器必須是密封厭氧裝置。整個(gè)系統(tǒng)的核心裝置即中間轉(zhuǎn)換器。中間轉(zhuǎn)換器的主要任務(wù)是連接產(chǎn)氫反應(yīng)器和產(chǎn)甲烷反應(yīng)器，達(dá)到產(chǎn)氫產(chǎn)甲烷耦合的目的，使消耗氫源后的豬糞廢水原料順利到達(dá)產(chǎn)甲烷反應(yīng)器，同時(shí)可分離原料內(nèi)的沉降物，從而避免給產(chǎn)甲烷反應(yīng)器帶來(lái)堵塞等問(wèn)題。

中間反應(yīng)器采用液封原理，且通過(guò)水面升降可調(diào)節(jié)中間轉(zhuǎn)換裝置的壓力，以免造成壓力過(guò)大和過(guò)小的問(wèn)題，在一定程度上起到了隔絕空氣和調(diào)節(jié)內(nèi)部壓強(qiáng)的作用。

1.2 產(chǎn)氫相

第一相產(chǎn)酸相反應(yīng)器設(shè)計(jì)采用UASB（上流式厭氧污泥床反應(yīng)器）。試驗(yàn)設(shè)計(jì)中UASB反應(yīng)器有效容積為1.65 L，內(nèi)徑為7 cm，外徑為8 cm，高為0.4 m。反應(yīng)器的污泥區(qū)、反應(yīng)區(qū)和沉淀區(qū)分別設(shè)有取樣孔，取樣孔間距為8.5 cm，沉淀區(qū)設(shè)有三相分離器，分離氣體和污泥，反應(yīng)器頂部是集氣裝置。

1.3 產(chǎn)甲烷相

第二相產(chǎn)甲烷相反應(yīng)器設(shè)計(jì)采用EGSB（膨脹顆粒污泥床）作為產(chǎn)甲烷相，EGSB反應(yīng)器有效容積為3.3 L，高0.85 m。反應(yīng)器的污泥區(qū)、膨脹區(qū)和沉淀區(qū)同樣設(shè)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(shè)有三相分離器，分離氣體和污泥，反應(yīng)器頂部是集氣裝置。

產(chǎn)酸相和產(chǎn)甲烷相分別采用UASB和EGSB，主要有以下優(yōu)點(diǎn)。一是UASB與EGSB在結(jié)構(gòu)上相似，可以避免一些不確定性因素對(duì)試驗(yàn)的影響。UASB升流式厭氧污泥床是目前應(yīng)用最為廣泛的高效厭氧反應(yīng)器，其具有容積負(fù)荷高、水力滯留時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)，用作第一相反應(yīng)器比較合適。二是EGSB反應(yīng)器作為第三代高效厭氧反應(yīng)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(fù)荷且上流速度快，改善了廢水中有機(jī)物和微生物之間的接觸，強(qiáng)化了傳質(zhì)效果，提高了反應(yīng)器的生化反應(yīng)速度，進(jìn)而大大提高了反應(yīng)器的處理效率[4]。EGSB反應(yīng)器顆粒污泥的產(chǎn)甲烷活性能高于UASB反應(yīng)器顆粒污泥，因而更適合作為第二相產(chǎn)甲烷相反應(yīng)器[5]。

在本試驗(yàn)設(shè)計(jì)中，產(chǎn)酸相反應(yīng)器的體積小于產(chǎn)甲烷相的體積，主要是由于產(chǎn)酸菌和產(chǎn)甲烷菌在生長(zhǎng)速率上存在很大的差異。產(chǎn)酸菌的生長(zhǎng)速率快，其世代時(shí)間短，一般為10～30 min，而產(chǎn)甲烷菌的世代時(shí)間為4～6 d，產(chǎn)酸菌的世代時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)短于產(chǎn)甲烷菌[6]，且產(chǎn)酸菌的產(chǎn)酸速度高于產(chǎn)甲烷菌降解酸的速率，故產(chǎn)酸反應(yīng)器的體積應(yīng)小于產(chǎn)甲烷反應(yīng)器的體積[7-8]。

2 啟動(dòng)方法

2.1 分析手段及方法

TS測(cè)定：將樣品放置于電熱恒溫烘箱中，調(diào)節(jié)溫度為105 ℃，烘干至恒重，冷卻到室溫，用電子天平進(jìn)行稱量，再根據(jù)公式計(jì)算總固體含量。VS測(cè)定：將烘干水分的樣品放置于馬弗爐中，調(diào)節(jié)溫度為550 ℃，灼燒至恒重，冷卻，稱量，計(jì)算揮發(fā)性固體含量VS。pH值測(cè)定：采用精密pH試紙（5.7～8.5）進(jìn)行測(cè)量。產(chǎn)氣量測(cè)定：通過(guò)觀察氣體流量計(jì)計(jì)算產(chǎn)氣量，定時(shí)做記錄，然后進(jìn)行排氣點(diǎn)火，觀察火焰顏色，初步判斷甲烷含量。氣體含量測(cè)試：采用氣相色譜儀測(cè)定氣體含量。COD：采用重鉻酸鉀法，COD在線分析儀，儀器型號(hào)為COD plu。氨氮：氨氮在線監(jiān)測(cè)儀，儀器型號(hào)為Amtax Comp。

2.2 試驗(yàn)流程

試驗(yàn)流程如圖2所示。用新鮮豬糞配成試驗(yàn)所需的豬糞廢水，經(jīng)過(guò)沉淀、過(guò)濾后，用蠕動(dòng)泵打入反應(yīng)器中，觀察產(chǎn)氣情況并記錄相關(guān)數(shù)據(jù)。豬糞廢水由進(jìn)料桶經(jīng)蠕動(dòng)泵打入產(chǎn)酸相反應(yīng)器，產(chǎn)酸相出料流入中間轉(zhuǎn)換器，作為產(chǎn)甲烷相的進(jìn)料。從產(chǎn)酸相出料到產(chǎn)甲烷相進(jìn)料的過(guò)程是厭氧過(guò)程，保證了厭氧消化反應(yīng)的正常進(jìn)行。本設(shè)計(jì)中由于產(chǎn)酸相到產(chǎn)甲烷相之間為厭氧過(guò)程且無(wú)其他填充氣體，故在試驗(yàn)啟動(dòng)時(shí)存在許多問(wèn)題。如壓力、壓強(qiáng)等問(wèn)題，壓力過(guò)大可導(dǎo)致起液封作用的水排出，而壓力過(guò)小可能把液封水吸入中間轉(zhuǎn)換器中。在本試驗(yàn)中，可以找到一個(gè)相對(duì)平衡點(diǎn)，使出料剛好供應(yīng)進(jìn)料，避免出現(xiàn)壓力過(guò)大或過(guò)小等問(wèn)題，或者人工定期進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

3 影響啟動(dòng)的因素

3.1 發(fā)酵原料

沼氣發(fā)酵過(guò)程是有機(jī)物徹底礦化的微生物厭氧代謝過(guò)程，絕大多數(shù)有機(jī)物都可用作沼氣發(fā)酵的原料（表1）[9]。厭氧發(fā)酵過(guò)程是一個(gè)非常復(fù)雜的過(guò)程，有諸多的影響因素。發(fā)酵原料的種類就是一個(gè)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(jī)物所產(chǎn)沼氣的量也不同。用于啟動(dòng)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(shí)踐經(jīng)驗(yàn)證明，豬糞可以單獨(dú)作為原料啟動(dòng)用于發(fā)酵，且有產(chǎn)氣速度快、產(chǎn)氣量大、甲烷含量高等優(yōu)點(diǎn)。豬糞質(zhì)地較細(xì)，含有較多的有機(jī)質(zhì)和氮、磷、鉀等營(yíng)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(yīng)正常進(jìn)行的關(guān)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(guò)程中，pH值并非固定不變，而是隨著厭氧發(fā)酵反應(yīng)的進(jìn)行不斷變化，但通常情況下，不會(huì)超出正常范圍。產(chǎn)酸產(chǎn)氫相反應(yīng)器pH值在4.5～6.0之間更有利于反應(yīng)器啟動(dòng)[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(huì)減慢或受到抑制，甚至被殺死。沼氣發(fā)酵的pH值有一個(gè)自然平衡的過(guò)程，一般無(wú)需人為調(diào)節(jié)。若管理不當(dāng)，出現(xiàn)有機(jī)酸大量積累導(dǎo)致pH值下降而使沼氣發(fā)酵受到抑制時(shí)，可通過(guò)添加適量水稀釋酸，或添加石灰水等堿性物質(zhì)進(jìn)行調(diào)節(jié)。

3.3 滯留時(shí)間

滯留時(shí)間是厭氧發(fā)酵中另一個(gè)很重要的參數(shù)。滯留時(shí)間選擇過(guò)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(jìn)行；滯留時(shí)間選擇過(guò)長(zhǎng)，原料雖然可以充分分解利用，但反應(yīng)器容積會(huì)增大，池容產(chǎn)氣率下降，成本增大，容易造成浪費(fèi)，從經(jīng)濟(jì)角度上考慮不劃算。本試驗(yàn)設(shè)計(jì)是由2個(gè)厭氧反應(yīng)器進(jìn)行串聯(lián)，要考慮產(chǎn)酸相的出料必須可以供給產(chǎn)甲烷相反應(yīng)器的進(jìn)料，因而第一相產(chǎn)酸相的HRT要小于第二相產(chǎn)甲烷相的HRT。由于中間轉(zhuǎn)換器體積有限，故產(chǎn)酸相的蠕動(dòng)泵流速不能過(guò)大，以避免浪費(fèi)產(chǎn)酸相的出料。

3.4 氨氮

在有機(jī)物厭氧消化過(guò)程中，氨氮是非常重要的影響因素，氨氮是厭氧消化過(guò)程中微生物營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的主要來(lái)源。有試驗(yàn)研究表明，氨氮雖然在一定濃度范圍內(nèi)對(duì)產(chǎn)氫有促進(jìn)作用，但濃度過(guò)高則會(huì)有抑制作用[15]。同時(shí)，氨氮對(duì)厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷反應(yīng)也有抑制作用，主要表現(xiàn)為抑制產(chǎn)甲烷菌活性，由于自由氨有滲透性，可以擴(kuò)散到細(xì)胞內(nèi)引起細(xì)胞質(zhì)酸化、質(zhì)子不平衡或鉀離子流失等。在以豬糞為原料厭氧發(fā)酵過(guò)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(guò)改變相關(guān)影響因素對(duì)氨氮含量進(jìn)行調(diào)控。還有相關(guān)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(yīng)器對(duì)比

兩相厭氧發(fā)酵工藝是由2個(gè)獨(dú)立的階段構(gòu)成，通過(guò)對(duì)兩相中的溫度、酸堿度、pH值和水力停留時(shí)間等參數(shù)的調(diào)控，使產(chǎn)酸菌和產(chǎn)甲烷菌分別在最佳繁殖條件下生長(zhǎng)，使串聯(lián)運(yùn)行的2個(gè)反應(yīng)器中分別形成乙酸和甲烷[11]并且2個(gè)反應(yīng)器的運(yùn)行互相不干擾。與傳統(tǒng)的單相厭氧發(fā)酵反應(yīng)器相比，兩相厭氧發(fā)酵工藝具有諸多優(yōu)勢(shì)。在單相反應(yīng)器中，生成的H2很快就被轉(zhuǎn)化成CH4和CO2，因而H2的含量很低，單相反應(yīng)器生產(chǎn)出的可用生物氣僅為CH4；而兩相厭氧消化系統(tǒng)可以產(chǎn)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(yàn)結(jié)果表明，與單相厭氧系統(tǒng)相比，兩相厭氧系統(tǒng)的產(chǎn)氫相具有增加后續(xù)產(chǎn)甲烷相中甲烷產(chǎn)量的功能[12]；此外，在能源產(chǎn)率[11，13]和有機(jī)物去除率方面，兩相厭氧相比單相厭氧也都有所提高[14]。

對(duì)于現(xiàn)有兩相厭氧消化工藝的應(yīng)用，都是單純地將產(chǎn)氫產(chǎn)酸相與產(chǎn)甲烷相分開(kāi)，其中氫氣同樣經(jīng)過(guò)產(chǎn)甲烷階段。這樣還是會(huì)對(duì)產(chǎn)甲烷階段產(chǎn)生抑制作用，雖說(shuō)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(yīng)器既是一個(gè)統(tǒng)一整體，又能做到互不影響，是現(xiàn)在科學(xué)家研究的方向。

5 展望

兩相厭氧系統(tǒng)分別為產(chǎn)酸菌和產(chǎn)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(fù)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(yùn)行過(guò)程復(fù)雜，不確定性因素較多，故產(chǎn)氫產(chǎn)甲烷兩相厭氧消化工藝仍處于試驗(yàn)階段。本試驗(yàn)設(shè)計(jì)將產(chǎn)氫-產(chǎn)甲烷技術(shù)進(jìn)行耦合，利用第一相反應(yīng)器UASB發(fā)酵產(chǎn)氫，第二相反應(yīng)器發(fā)酵產(chǎn)甲烷，能夠達(dá)到能源化、環(huán)?；木C合目的。為了使產(chǎn)生的甲烷在實(shí)際運(yùn)用中效果明顯，兩相厭氧消化產(chǎn)氫產(chǎn)甲烷過(guò)程中的運(yùn)行條件、能源轉(zhuǎn)換效率以及微生物群落結(jié)構(gòu)分析極其重要。通過(guò)采用UASB和EGSB兩相厭氧反應(yīng)器串聯(lián)，實(shí)現(xiàn)厭氧消化聯(lián)合產(chǎn)氫產(chǎn)甲烷發(fā)酵，并針對(duì)每個(gè)反應(yīng)器中活性污泥、關(guān)聯(lián)微生物對(duì)能源轉(zhuǎn)化效率的影響分析，獲得厭氧聯(lián)合產(chǎn)氫產(chǎn)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(zhuǎn)化效率。

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