注：參數(shù)屬性：■處理對(duì)象特性；●反應(yīng)器結(jié)構(gòu)參數(shù)；▲反應(yīng)器操作參數(shù)

　　3.2評(píng)價(jià)指標(biāo)

　?。?）酸化程度的衡量指標(biāo)

　　表示水解酸化過程酸化程度的最主要參數(shù)是一些短鏈有機(jī)酸的濃度，即揮發(fā)性脂肪酸（VFA）的濃度，通過測(cè)定進(jìn)入和流出反應(yīng)器的VFA濃度的變化可以判斷反應(yīng)進(jìn)行的情況。通常將不同的酸折算成COD當(dāng)量值，以酸化率（acidification）來衡量有機(jī)物的酸化程度。在水解酸化反應(yīng)器，在沒有甲烷產(chǎn)生下，進(jìn)水的有機(jī)物質(zhì)被降解為VFA和其他次要的發(fā)酵產(chǎn)物。在該情況下，酸化率等于出水VFA的COD當(dāng)量和進(jìn)水VFA的COD當(dāng)量差與進(jìn)水COD的比值，也就是酸化度（acidificationdegree，簡(jiǎn)寫AD）^[8]。

　　式中，_{——出水揮發(fā)酸濃度（以醋酸計(jì)，mgL）；}

　　_{——進(jìn)水揮發(fā)酸濃度（以醋酸計(jì)，mgL）；}

　　_{——進(jìn)水COD（mgL）；}

　　——VFA的COD當(dāng)量系數(shù)，見表3。

　?。?）消化效率的評(píng)價(jià)參數(shù)

　　JeyaseelanS.和MatsuoT.在研究厭氧消化過程中相分離對(duì)不同底物降解的影響時(shí)，提出如果處理效率（treatmentefficiency）建立在厭氧消化系統(tǒng)實(shí)際出水濃度基礎(chǔ)上，不能反映處理效率。同時(shí)，積累的生物量沒有考慮，以及出水中需要進(jìn)一步處理的生物污泥。因此，采用甲烷產(chǎn)量評(píng)價(jià)消化效率（digestionefficiency，簡(jiǎn)記DE），甲烷的體積為標(biāo)準(zhǔn)溫度和氣壓下，評(píng)價(jià)采用的理論COD當(dāng)量為0.35m^{3kgCOD。通過測(cè)定氣體的產(chǎn)量和成分，甲烷的體積就可以得出[15]。}

　　5兩相厭氧生物處理系統(tǒng)的應(yīng)用

　　應(yīng)用兩相厭氧處理潛在的優(yōu)勢(shì)在于：更好的控制酸化階段和產(chǎn)甲烷階段，減少了反應(yīng)器體積，較高的懸浮物去除效率，增強(qiáng)產(chǎn)酸微生物生長(zhǎng)而不影響產(chǎn)甲烷菌，第二相中更高的產(chǎn)甲烷活性。此外，第一相可能產(chǎn)生的產(chǎn)甲烷菌有毒物質(zhì)（氨、長(zhǎng)鏈脂肪酸及硫化物等）可以在兩相間的中間階段去除。由于兩相厭氧具有一系列優(yōu)點(diǎn)，使它具有廣泛的使用范圍^[2]。

　?。?）適合處理易酸化廢水（富含碳水化合物而有機(jī)氮含量低的高濃度廢水），可以避免易酸化、易降解廢水負(fù)荷過高時(shí)，因單相反應(yīng)器中產(chǎn)酸速率遠(yuǎn)大于產(chǎn)甲烷速率而導(dǎo)致厭氧系統(tǒng)pH迅速下降，是反應(yīng)器中生態(tài)系統(tǒng)崩潰^[2,16]。

　?。?）眾多研究顯示，兩相厭氧系統(tǒng)更適合處理含高懸浮有機(jī)顆粒的廢水^{[8]，由于在第一個(gè)反應(yīng)器中水解菌和酸化菌可以把其轉(zhuǎn)化為揮發(fā)性脂肪酸（VolatileFattyAcids，簡(jiǎn)稱VFA），并在第二個(gè)反應(yīng)器中轉(zhuǎn)化為甲烷。有關(guān)研究表明，最終產(chǎn)生的VFA的組分分布特征（即不同產(chǎn)酸發(fā)酵類型）主要依賴于底物的特性(有機(jī)物濃度，氧化還原電位ORP等)，操作條件（水力停留時(shí)間HRT，有機(jī)負(fù)荷，溫度等），尤其是pH。}

　　（3）兩相厭氧技術(shù)可廣泛應(yīng)用于中藥廢水^{[4,17]、造紙廢水[18-19]等高濃度難降解廢水的處理，應(yīng)用范圍廣泛，是常用厭氧技術(shù)（UASB、接觸厭氧等）的取代技術(shù)。}

　　橄欖油廢水（OME）^{[20]屬季節(jié)性排放、地區(qū)分散性高濃度有機(jī)廢水，且含有難生物降解或產(chǎn)甲烷抑制性底物：脂類、多酚及不飽和長(zhǎng)鏈脂肪酸（LCFAs）。BeccariM等[12]采用部分相分離的兩相系統(tǒng)（two-reactorsystemwithpartialphaseseparation）處理該種廢水。在產(chǎn)酸相中得到不飽和LCFAs到棕櫚酸近乎定量的生物轉(zhuǎn)化，因此大大降低了產(chǎn)甲烷相中脂類對(duì)產(chǎn)甲烷菌的抑制作用。并認(rèn)為部分相分離的兩相系統(tǒng)可以應(yīng)用于含脂類廢水的厭氧處理。}

　?。?）適合處理有毒性的工業(yè)廢水，許多工業(yè)有機(jī)廢水中含有濃度較高的硫酸鹽、苯甲酸、氰、酚等成分，由于產(chǎn)酸菌能改變毒物的結(jié)構(gòu)或?qū)⑵浞纸猓苟拘詼p弱甚至消失，故能有效地消除毒物對(duì)產(chǎn)甲烷菌的抑制作用^[21-23]。

　?。?）處理固體含量很高的農(nóng)業(yè)有機(jī)廢棄物或城市有機(jī)垃圾等。兩相厭氧消化系統(tǒng)的應(yīng)用，主要用于沼氣的制?。何鬯Ｓ辔勰嗟奶幹?、城市固體廢物處理、工業(yè)廢物及泥漿、橄欖廠固體廢物及橄欖果渣、食品廢物及失效茶葉等的處理^[24-29]。

　?。?）兩相厭氧技術(shù)處理城市生活污水的的可行性研究。ArsovR.等^{[9]研究了兩相厭氧硝化技術(shù)在環(huán)境溫度下處理城市污水的可行性研究。試驗(yàn)證實(shí)，不完全分相是產(chǎn)甲烷菌的顆?；?、微生物活性提高的重要因素。此外，合適的水力攪拌（70rpm）、可迅速生物降解的有機(jī)底物也是形成顆粒污泥的重要因素。由于厭氧處理不能去除營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)（N、P），后續(xù)處理可以通過濕地處理達(dá)標(biāo)排放。研究指出，該技術(shù)具有技術(shù)及經(jīng)濟(jì)潛力，尤其適用于熱帶或溫帶地區(qū)、經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)國(guó)家，在不久的將來得到普及。}

　　7兩相厭氧生物處理技術(shù)的研究現(xiàn)狀

　　兩相厭氧生物處理技術(shù)的研究，早期主要集中在應(yīng)用動(dòng)力學(xué)控制法實(shí)現(xiàn)相分離方面，所以采用的試驗(yàn)裝置多為完全混合反應(yīng)器。

　　20世紀(jì)80年代，從產(chǎn)甲烷階段為限速步驟出發(fā)，從微生物、動(dòng)力學(xué)角度開展研究，尋求系統(tǒng)高效處理的條件^{[30-32]。從國(guó)內(nèi)外的兩相厭氧系統(tǒng)研究采用的工藝形式看，主要有兩種：一種是兩相均采用UASB反應(yīng)器，一種是產(chǎn)酸相為接觸式反應(yīng)器，產(chǎn)甲烷相采用UASB反應(yīng)器。}

　　任南琪和王寶貞（1994）^{[33]開發(fā)的CSTR-IC兩相厭氧生物處理工藝，通過控制水力停留時(shí)間或有機(jī)負(fù)荷能夠成功地實(shí)現(xiàn)相分離。}

　　20世紀(jì)90年代，產(chǎn)酸相的研究工作集中在對(duì)末端發(fā)酵產(chǎn)物的分析，其主要目的是探討產(chǎn)酸相的末端產(chǎn)物對(duì)產(chǎn)甲烷相反應(yīng)器運(yùn)行特性的影響，研究產(chǎn)甲烷相的運(yùn)行穩(wěn)定性。任南琪等^{[33,34]在研究中發(fā)現(xiàn)了一種新型發(fā)酵類型——乙醇型發(fā)酵，研究結(jié)果顯示，在正常厭氧條件下的ORP（-400~-150mV）范圍內(nèi)，pH4.0~4.5往往發(fā)生乙醇型發(fā)酵；pH4.5~5.0常發(fā)生丁酸型發(fā)酵，但也可發(fā)生乙醇型發(fā)酵；pH5.0左右時(shí)，發(fā)生混合酸型發(fā)酵；pH5.5左右發(fā)生丙酸型發(fā)酵；pH6.0以上往往發(fā)生丁酸型發(fā)酵。}

　　近年來，隨著對(duì)兩相厭氧消化概念和厭氧降解機(jī)理的進(jìn)一步理解，隨著各種新型厭氧反應(yīng)器的出現(xiàn)，如何針對(duì)不同的水質(zhì)（如含硫酸鹽有機(jī)廢水^{[35]）并結(jié)合各種新型高效厭氧反應(yīng)器的特點(diǎn)進(jìn)行產(chǎn)酸相和產(chǎn)甲烷相的組合才能達(dá)到更好的處理效果成為新的研究方向[33]。}

　　郭養(yǎng)浩等^{[36]研究填充床酸化反應(yīng)器及其與UASB甲烷化反應(yīng)器組成的兩相厭氧消化系統(tǒng)的運(yùn)行特性。填充床酸化反應(yīng)器啟動(dòng)方便，酸化速率高、抗水力沖擊和pH波動(dòng)的能力強(qiáng)、COD容積負(fù)荷達(dá)200kg(m3·d)。采用預(yù)調(diào)堿工藝，兩相消化系統(tǒng)運(yùn)行正常，可高效地處理釀酒廢水。在進(jìn)料COD濃度1000~7000mgL、COD負(fù)荷40kg(m3·d)時(shí)，出料COD濃度小于200mgL，對(duì)抗生素生產(chǎn)廢水也有較好的處理效果。}

　　周雪飛和任南琪等^{[37]開發(fā)研制的CUBF一體化兩相厭氧反應(yīng)器，特別適用于高濃度難降解有機(jī)廢水的處理。祁佩時(shí)等[38]采用一體化兩相厭氧反應(yīng)器處理抗生素廢水，當(dāng)最大進(jìn)水COD達(dá)到26347mgL，最大容積負(fù)荷達(dá)到8.54kgCOD(m3·d)；SO_{42-絕對(duì)值濃度為1325mgL，CODSO42-比值最低達(dá)到3時(shí)，反應(yīng)器對(duì)各種抑制物質(zhì)和沖擊負(fù)荷均表現(xiàn)出很好的適應(yīng)性。WangJingYuan等[39]采用改良的兩相厭氧消化及淹沒式曝氣生物過濾器復(fù)合系統(tǒng)處理食品固廢中氨的去除，并得到較高的沼氣產(chǎn)量和甲烷含量。}}

　　國(guó)外方面，ArsovR.等^{[40]采用兩相厭氧技術(shù)處理生活污水，研究發(fā)現(xiàn)兩相均遵循Monod動(dòng)力學(xué)，通過控制酸相適當(dāng)?shù)乃l件和甲烷相顆粒污泥的形成，達(dá)到很高的厭氧污泥活性。并討論了生物反應(yīng)器結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)以及在沿海區(qū)域?qū)嵺`應(yīng)用的可行性。BalochM.I.[41]提出顆粒床折流板反應(yīng)器（GRABBR）作為單獨(dú)操作的兩相厭氧系統(tǒng)的選擇性工藝。VonSachsJürgen等[42]開發(fā)了控制兩相厭氧中產(chǎn)甲烷相的控制系統(tǒng)，用于兩相厭氧處理抑制性廢水的檢測(cè)和控制。系統(tǒng)基于產(chǎn)甲烷相進(jìn)水VFA（可以計(jì)算出理論甲烷氣產(chǎn)量）和實(shí)際甲烷產(chǎn)量，通過控制產(chǎn)甲烷相進(jìn)水來調(diào)節(jié)兩相系統(tǒng)。KraemerJeremyT.等[43]用出水回流式兩相厭氧反應(yīng)器發(fā)酵制氫，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：出水循環(huán)可以降低因控制pH值所需要的40％的堿度，要得到較高的H_{2產(chǎn)量，采用高濃度廢水更有挑戰(zhàn)性，并且采用膜過濾回流水，可以防止耗氫微生物進(jìn)入。IsaM.Hasnain等[44]在采用兩相厭氧系統(tǒng)研究鉬酸鹽（MoO42-）是否可以作為厭氧反應(yīng)器中硫酸鹽降解菌的抑制劑時(shí)，發(fā)現(xiàn)鉬酸鹽對(duì)硫酸鹽的降解及甲烷的產(chǎn)量均有影響，而且VFA的主要成分由乙酸變?yōu)槎∷?。進(jìn)一步研究顯示，一旦停止鉬酸鹽的投加，SRB可以完全恢復(fù)，產(chǎn)甲烷菌（MPB）卻不能。從而得到結(jié)論：鉬酸鹽對(duì)SRB是抑制性的，對(duì)MPB是殺滅性的，產(chǎn)酸菌最先適應(yīng)鉬酸鹽。}}

　　GuerreroL.等^{[7]采用連續(xù)攪拌反應(yīng)器研究富含有機(jī)懸浮固體及蛋白質(zhì)的廢水的厭氧水解和酸化。試驗(yàn)廢水取自魚肉加工廠（30~120gCODL，5~40gVSSL，蛋白質(zhì)10~30gL），首先研究了攪拌對(duì)生物降解能力的影響，在此基礎(chǔ)上，對(duì)水解酸化階段在溫度和pH值方面進(jìn)行了優(yōu)化。在不添加任何營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、pH7.2~7.7、OLR為400kgCOD(m3·d)、HRT24h、55℃的條件下，獲得最大酸化效率（acidificationefficiency）44%，VSS去除率58％，蛋白質(zhì)去除率80％。即便在很短的停留時(shí)間下，絕大多數(shù)蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)化為VFA和氨。因此，在兩種情況下（55℃和37℃）反應(yīng)器中總氨的含量是相當(dāng)高的（15~17gTNL），這表明很高的自由氨的濃度（高達(dá)0.66gNL在37℃，1.64gNL在55℃），這個(gè)差異主要是由于溫度對(duì)電離平衡的影響引起的。盡管在55℃下處理效率高，但是研究者更推薦中溫（37℃）作為兩相厭氧處理處理該廢水的條件，因?yàn)楦邷叵伦杂砂钡亩拘詫⒆璧K產(chǎn)甲烷反應(yīng)器的穩(wěn)定運(yùn)行。}

　　同時(shí)，對(duì)兩相厭氧反應(yīng)器動(dòng)力學(xué)模型方面的研究也不少。BorjaR.等^{[45]在試驗(yàn)水平研究橄欖廠固體廢物兩相厭氧消化動(dòng)力學(xué)，BlumensaatF.等[46]采用國(guó)際水協(xié)（IWA）厭氧消化1號(hào)模型模擬兩相厭氧消化過程。但由于厭氧消化過程的復(fù)雜性，針對(duì)兩相厭氧反應(yīng)器模型的研究?jī)H僅處于初始階段。}

　　此外，隨著現(xiàn)代環(huán)境微生物學(xué)的發(fā)展，現(xiàn)代科學(xué)分析方法逐漸應(yīng)用于廢水處理。針對(duì)兩相厭氧微生物群落的研究將成為新的研究領(lǐng)域^{[47-49]。}

　　8兩相厭氧技術(shù)展望

　　眾多實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)證實(shí)，兩相厭氧處理工藝是可以推廣應(yīng)用的，但對(duì)各種廢水的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)卻不足，因此仍有許多工作要做。此外，基于兩相厭氧工藝基礎(chǔ)上的脫氮、脫硫改進(jìn)工藝的研究、針對(duì)產(chǎn)酸相以及兩相厭氧動(dòng)力學(xué)的研究也將成為今后研究新方向。任南琪等已經(jīng)開始研究產(chǎn)酸相生物制氫，并有所進(jìn)展，該技術(shù)的解決將大大緩解當(dāng)前的能源短缺的現(xiàn)狀。

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　　基金資助：重慶市自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（CSTC,2005BB7253）

　　作者簡(jiǎn)介：王克浩(1983-)，男，碩士研究生，山東人，主要從事工業(yè)有機(jī)廢水治理技術(shù)和環(huán)境災(zāi)害控制工程的研究與設(shè)計(jì)工作。聯(lián)系；E-mail：[email protected]