两相厌氧消化原理

两相厌氧消化系统（twophase anaerobic digestion，简称TPAD）是20世纪70年代初由美国戈什（Ghosh）和波兰特（Pohland）开发的厌氧生物处理新工艺，并于1977年在比利时首次应用于生产。此后德国相继建造了数套生产性两相厌氧消化装置，其最大日处理能力为32t。与前述厌氧反应器不同的是，它并不着重于反应器结构的改造，而是着重于工艺的变革。两相厌氧消化系统是一种厌氧反应器组合的工艺系统。厌氧消化反应分别在两个独立的反应器中进行，每一反应器完成一个阶段的反应，比如一为产酸阶段，另一为产甲烷阶段，所以两相厌氧消化系统又称两段式厌氧消化系统。

厌氧消化是一个复杂的生物学过程，复杂有机物的厌氧消化一般经历发酵细菌、产氢产乙酸细菌、产甲烷细菌三类细菌群的纵向转化以及同型乙酸细菌群的横向转化。从生物学的角度来看，由于产氢产乙酸细菌和产甲烷细菌是共生互营菌，因而把产氢产乙酸细菌和产甲烷细菌划为一相，即产甲烷相；而把发酵细菌划为另一相，即产酸相。两相厌氧实际上是前述的多相厌氧（SMPA）的一个特例。通过对厌氧消化过程中产酸菌和产甲烷菌的形态特性的研究，人们逐渐发现，产酸菌种类繁多，生长快，对环境条件变化不太敏感。而产甲烷菌则恰好相反，专一性很强，对环境条件要求苛刻，繁殖缓慢。这也正是可以把一个厌氧消化过程分为产酸相和产甲烷相两相工艺的理论依据。表8-6总结了两类不同细菌群在厌氧消化过程中的相对特性。

两相中起作用的微生物菌群在组成和生理生化特性方面存在很大的差异。第一阶段中占优势的微生物是水解、发酵细菌，其作用是将复杂的大分子有机物分解为简单的小分子单糖、氨基酸、脂肪酸和甘油，然后再进一步发酵为各种有机酸。这类细菌种类多，代谢能力强，繁殖速度快，倍增时间最短的仅几十分钟，对环境条件的变化也不太敏感。第二阶段主要由产甲烷细菌起作用，将有机酸进一步转化为甲烷，这类细菌种类很少，可利用的基质有限，繁殖速度很慢，倍增时间10h~6d，又对环境因素如pH值、温度、有毒物质的影响十分敏感。因此，人们发现在一个反应器内维持这两类微生物的协调和平衡十分困难。这种平衡实质上是脂肪酸的产生与被利用之间的平衡。它一旦被破坏，就会出现脂肪酸累积、反应器酸化的现象，使产甲烷菌受到抑制，厌氧消化过程不能正常进行，因此反应器的处理能力降低，甚至导致完全失效。

传统的厌氧消化工艺（也称单相厌氧消化）是追求厌氧消化的全过程，而酸化和甲烷化阶段的两大类作用细菌，即产酸菌和产甲烷菌对环境条件有着不同的要求。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进行，就必须首先满足产甲烷相细菌的生长条件，如维持一定的温度、增加反应时间，特别是对于难降解或有毒废水需要长时间的驯化才能适应。传统的厌氧消化工艺把产酸和产甲烷菌这两大类菌群置于一个反应器内，不利于充分发挥各自的优势。

两相厌氧消化工艺就是为克服单相厌氧消化工艺的上述缺点而提出的，其主要特点是把酸化和甲烷化两个阶段分离在两个串联的反应器中，第一个反应器称产酸反应器，或称产酸相；第二个反应器称为产甲烷反应器，或称产甲烷相。两个反应器中分别培养产酸细菌和产甲烷细菌，并控制不同的运行参数，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、减小反应容积、增加运行稳定性的目的。