兩相厭氧消化系統是20世紀70年代初美國戈什（Ghosh）和波蘭特（Pohland）開發的厭氧生物處理新工藝，於1977年在比利時首次套用於生產。兩相厭氧消化工藝使酸化和甲烷化兩個階段分別在兩個串聯的反應器中進行，使產酸菌和產甲烷菌各自在最佳環境條件下生長，這樣不僅有利於充分發揮其各自的活性，而且提高了處理效果，達到了提高容積負荷率，減少反應器容積，增加運行穩定性的目的。
基本介紹
- 中文名：兩相厭氧消化
- 外文名：two-phase anaerobic digestion
- 開發者：美國戈什和波蘭特
- 開發時間：20世紀70年代初
- 相分離方法：物理化學法、動力學控制法等
- 存在菌體：產酸菌、產甲烷菌等
原理,兩相厭氧工藝中相的分離方法,工藝流程,
原理
在傳統消化中，產酸菌和產甲烷菌在同一個反應器中並存，由於這兩種微生物在生理學、營養需求、生長速率及對周圍環境的敏感程度等方面存在較大的差異，因此，控制兩類菌群之間的平衡，使厭氧消化過程穩定運行總存在一定的問題，迫使人們尋找新的解決途徑。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地進行，必須首先滿足產甲烷細菌的生長條件，如維持嚴格的厭氧條件、適宜的溫度、較長的反應時間等。兩相厭氧消化工藝使酸化和甲烷化兩個階段分別在兩個階段分別在兩個串聯的反應器中進行，使產酸菌和產甲烷菌各自在最佳環境條件下生長，這樣不僅有利於充分發揮其各自的活性，而且提高了處理效果，達到了提高容積負荷率，減少反應器容積，增加運行穩定性的目的。從生物化學角度看，產酸相主要是水解、產酸和產氫產乙酸，產甲烷相主要是產甲烷。從微生物學角度看，產酸相一般僅存在產酸發酵細菌，而產甲烷相雖然主要存在產甲烷細菌，但也不同程度地存在產酸發酵細菌。
兩相厭氧工藝中相的分離方法
相分離的實現，是研究和套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生理生化特性的差異來實現的。
（1）物理化學法
在產酸相反應器中投加產甲烷細菌的選擇性抑制劑（如氯仿和四氯化碳等）來抑制產甲烷細菌的生長；或者向產酸相反應器中供給一定量的氧氣，調整反應器內的氧化還原電位，利用產甲烷細菌對溶解氧和氧化還原電位比較敏感的特點來抑制其在產酸相反應器中的生長；或者調整產酸相反應器的pH值在較低水平（如5.5~6.5之間），利用產甲烷細菌要求中性偏鹼的pH值的特點，來保證在產酸相反應器中產酸細菌能占優勢，而產甲烷細菌則會受到抑制。也可採用有機酸的選擇性半透膜，使產酸相反應器出水中的多種有機物只有有機酸才能進入後續的產甲烷相反應器，從而實現產酸相和產甲烷相分離等。這些方法均是選擇性地促進產酸細菌在產酸相反應器中的生長，而在一定程度上抑制產甲烷菌的生長，或者是選擇性地促進產甲烷細菌在產甲烷相反應器中生長，從而實現產酸細菌和產甲烷細菌的分離。
（2）動力學控制法
由於產酸細菌和產甲烷細菌在生長速率上存在很大的差異，一般來說，產酸細菌的生長速率很快，其世代時間短，一般在10~30min的範圍內；而產甲烷細菌的生長速率很緩慢，其世代時間相當長，一般在4~6d。因此，在產酸相反應器中控制其水力停留時間在一個較短的範圍內，可以使世代時間較長的產甲烷細菌被“衝出”，從而保證在產酸相反應器中選擇性培養出以產酸發酵細菌為主的菌群，而在後續的產甲烷相反應器中則控制相對較長的水力停留時間，使得產甲烷細菌在其中能存留下來。同時由於產甲烷相反應器的進水完全來自於產酸相反應器的含有很高比例有機酸的廢水，保證了在產甲烷相反應器中產甲烷細菌的生長，最終實現相的分離。
工藝流程
兩相厭氧工藝流程及裝置的選擇主要取決於所處理廢水的水質及其生物降解性能，通常採用的工藝流程主要有以下三種：（1）主要用於處理易降解的、含低懸浮物有機工業廢水的兩相厭氧工藝流程，如圖1所示，圖1（a）表示產酸相，圖1（b）表示產甲烷相。其中的產酸相反應器一般可以是完全混合式的CSTR，或者是UASB、上流式厭氧濾池等不同形式的厭氧反應器，產甲烷相反應器則主要是UASB反應器，也可以是上流式厭氧濾池等。（2）主要用於處理難降解、含高濃度懸浮物的有機廢水或有機污泥的兩相厭氧工藝流程，如圖2所示，圖2（a）表示產酸相，圖2（b）表示產甲烷相。其中的產酸相和產產甲烷相反應器採用完全混合式的CSTR反應器，產甲烷相反應器的出水是否回流則需要根據實際運行的情況而定。（3）主要用於處理固體含量很高的農業有機廢棄物或城市有機垃圾的兩相厭氧工藝流程，如圖3所示，圖3（a）表示產酸相，圖3（b）表示產甲烷相。其中的產酸相反應器則採用UASB、CSTR、上流式厭氧濾池等反應器，產甲烷相反應器的部分出水回流到產酸相反應器，以提高產酸相反應器的運行效果。
圖1 兩相厭氧工藝處理易降解的低懸浮物有機廢水
圖2 處理難降解、含高懸浮物有機廢水或污泥的兩相厭氧工藝
圖3 處理固含量高的農業廢物或城市垃圾的兩相厭氧工藝