[科普中国]-两相厌氧消化

两相厌氧消化系统是20世纪70年代初美国戈什（Ghosh）和波兰特（Pohland）开发的厌氧生物处理新工艺，于1977年在比利时首次应用于生产。两相厌氧消化工艺使酸化和甲烷化两个阶段分别在两个串联的反应器中进行，使产酸菌和产甲烷菌各自在最佳环境条件下生长，这样不仅有利于充分发挥其各自的活性，而且提高了处理效果，达到了提高容积负荷率，减少反应器容积，增加运行稳定性的目的。1

原理在传统消化中，产酸菌和产甲烷菌在同一个反应器中并存，由于这两种微生物在生理学、营养需求、生长速率及对周围环境的敏感程度等方面存在较大的差异，因此，控制两类菌群之间的平衡，使厌氧消化过程稳定运行总存在一定的问题，迫使人们寻找新的解决途径。一般情况下，产甲烷阶段是整个厌氧消化的控制阶段。为了使厌氧消化过程完整地进行，必须首先满足产甲烷细菌的生长条件，如维持严格的厌氧条件、适宜的温度、较长的反应时间等。两相厌氧消化工艺使酸化和甲烷化两个阶段分别在两个阶段分别在两个串联的反应器中进行，使产酸菌和产甲烷菌各自在最佳环境条件下生长，这样不仅有利于充分发挥其各自的活性，而且提高了处理效果，达到了提高容积负荷率，减少反应器容积，增加运行稳定性的目的。从生物化学角度看，产酸相主要是水解、产酸和产氢产乙酸，产甲烷相主要是产甲烷。从微生物学角度看，产酸相一般仅存在产酸发酵细菌，而产甲烷相虽然主要存在产甲烷细菌，但也不同程度地存在产酸发酵细菌。1

两相厌氧工艺中相的分离方法相分离的实现，是研究和应用两相厌氧生物处理工艺的第一步。一般来说，所有相分离的方法都是根据两大类菌群生理生化特性的差异来实现的。

（1）物理化学法

在产酸相反应器中投加产甲烷细菌的选择性抑制剂（如氯仿和四氯化碳等）来抑制产甲烷细菌的生长；或者向产酸相反应器中供给一定量的氧气，调整反应器内的氧化还原电位，利用产甲烷细菌对溶解氧和氧化还原电位比较敏感的特点来抑制其在产酸相反应器中的生长；或者调整产酸相反应器的pH值在较低水平（如5.5~6.5之间），利用产甲烷细菌要求中性偏碱的pH值的特点，来保证在产酸相反应器中产酸细菌能占优势，而产甲烷细菌则会受到抑制。也可采用有机酸的选择性半透膜，使产酸相反应器出水中的多种有机物只有有机酸才能进入后续的产甲烷相反应器，从而实现产酸相和产甲烷相分离等。这些方法均是选择性地促进产酸细菌在产酸相反应器中的生长，而在一定程度上抑制产甲烷菌的生长，或者是选择性地促进产甲烷细菌在产甲烷相反应器中生长，从而实现产酸细菌和产甲烷细菌的分离。1

（2）动力学控制法

由于产酸细菌和产甲烷细菌在生长速率上存在很大的差异，一般来说，产酸细菌的生长速率很快，其世代时间短，一般在10~30min的范围内；而产甲烷细菌的生长速率很缓慢，其世代时间相当长，一般在4~6d。因此，在产酸相反应器中控制其水力停留时间在一个较短的范围内，可以使世代时间较长的产甲烷细菌被“冲出”，从而保证在产酸相反应器中选择性培养出以产酸发酵细菌为主的菌群，而在后续的产甲烷相反应器中则控制相对较长的水力停留时间，使得产甲烷细菌在其中能存留下来。同时由于产甲烷相反应器的进水完全来自于产酸相反应器的含有很高比例有机酸的废水，保证了在产甲烷相反应器中产甲烷细菌的生长，最终实现相的分离。1

工艺流程两相厌氧工艺流程及装置的选择主要取决于所处理废水的水质及其生物降解性能，通常采用的工艺流程主要有以下三种：（1）主要用于处理易降解的、含低悬浮物有机工业废水的两相厌氧工艺流程，如图1所示，图1（a）表示产酸相，图1（b）表示产甲烷相。其中的产酸相反应器一般可以是完全混合式的CSTR，或者是UASB、上流式厌氧滤池等不同形式的厌氧反应器，产甲烷相反应器则主要是UASB反应器，也可以是上流式厌氧滤池等。（2）主要用于处理难降解、含高浓度悬浮物的有机废水或有机污泥的两相厌氧工艺流程，如图2所示，图2（a）表示产酸相，图2（b）表示产甲烷相。其中的产酸相和产产甲烷相反应器采用完全混合式的CSTR反应器，产甲烷相反应器的出水是否回流则需要根据实际运行的情况而定。（3）主要用于处理固体含量很高的农业有机废弃物或城市有机垃圾的两相厌氧工艺流程，如图3所示，图3（a）表示产酸相，图3（b）表示产甲烷相。其中的产酸相反应器则采用UASB、CSTR、上流式厌氧滤池等反应器，产甲烷相反应器的部分出水回流到产酸相反应器，以提高产酸相反应器的运行效果。1

本词条内容贡献者为:

郑国忠 - 副教授 - 华北电力大学