两相厌氧消化反应器设计及启动方法作者：杨红艳尹芳赵兴玲柳静杨红王昌梅刘士清张无敌来源：《现代农业科技》2017年第23期摘要本文设计应用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）23-0152-03Abstract 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两相厌氧工艺（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，数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。