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李經(jīng)理
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西安高新區(qū)錦業(yè)路錦業(yè)時(shí)代A3-307室王凱軍教授，清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院副院長(zhǎng)，是厭氧大師lettinga教授唯一一位來自中國(guó)大陸的博士生。他是我國(guó)厭氧技術(shù)的重要推動(dòng)者，是厭氧發(fā)展中扮演著承上啟下、鏈接中外、創(chuàng)新發(fā)展的關(guān)鍵人物。由他和左劍惡、賀延齡以及山東十方公司組成的第三代厭氧研究團(tuán)隊(duì)，提出了設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)化這樣極大促進(jìn)了厭氧發(fā)展的戰(zhàn)略性思想，實(shí)現(xiàn)了UASB工藝關(guān)鍵技術(shù)和顆粒污泥培育技術(shù)的重大突破，推動(dòng)實(shí)施了UASB等厭氧反應(yīng)器的工程應(yīng)用推廣，帶來了我國(guó)厭氧技術(shù)的迅猛發(fā)展，為我國(guó)厭氧技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化做出了卓越的貢獻(xiàn)。如今的厭氧技術(shù)，已經(jīng)在一代又一代厭氧人的努力下走向成熟，厭氧技術(shù)發(fā)展未來的方向在哪？值得大家深思。本文是王凱軍教授對(duì)未來厭氧工藝應(yīng)用和創(chuàng)新方向的思考，根據(jù)他在“中國(guó)城鎮(zhèn)污泥處理處置技術(shù)與應(yīng)用高級(jí)研討會(huì)（第七屆）”上的演講錄音整理而成。
1 我國(guó)污泥處理處置現(xiàn)狀
伴隨著快速城市化進(jìn)程，我國(guó)的污泥產(chǎn)量將不斷增加。2015年突破了3500萬噸，預(yù)計(jì)到2020年污泥產(chǎn)量將突破年6000萬噸。此前，污泥處理的資源化、能源化導(dǎo)向是非常明顯的，但是技術(shù)路線一直不是非常明確，但從這幾年國(guó)家發(fā)展改革委和住建部發(fā)布的文件來看，都對(duì)污泥處理處置的技術(shù)路線與方案選擇、單元技術(shù)、污泥處置方式及相關(guān)技術(shù)進(jìn)行了明確規(guī)定，從政策的引導(dǎo)、技術(shù)路線的選擇、技術(shù)研發(fā)、可持續(xù)性等方面，厭氧消化技術(shù)占據(jù)了重要的位置。
圖1 我國(guó)污泥處置現(xiàn)狀
2 厭氧消化技術(shù)現(xiàn)狀和挑戰(zhàn)
既然這個(gè)題目是講厭氧消化，我個(gè)人認(rèn)為厭氧技術(shù)是生態(tài)文明建設(shè)中的關(guān)鍵技術(shù)，因?yàn)樵诟鱾�(gè)領(lǐng)域如果講資源循環(huán)利用、可再生能源等等，厭氧技術(shù)無疑是一個(gè)減排的關(guān)鍵技術(shù)，而且從技術(shù)受資金追捧程度來講，在厭氧領(lǐng)域有達(dá)到300倍以上的，這個(gè)數(shù)字是非常引人注目的。
厭氧消化技術(shù)的發(fā)展瓶頸：
1、污泥破壁問題：由于剩余污泥的細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、難于生物降解，所以需要解決細(xì)胞壁的破壁難題，才能保證污泥的有效降解。
2、反應(yīng)效率低：普遍消化技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)高效甲烷化，需要解決水解酸化菌與產(chǎn)甲烷菌各自最優(yōu)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)高效產(chǎn)甲烷。
3、厭氧系統(tǒng)能量?jī)糨敵龅停合到y(tǒng)能耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于系統(tǒng)產(chǎn)能，難以實(shí)現(xiàn)能源自給。需要解決高效熱電聯(lián)產(chǎn)、高濃度厭氧、多物料厭氧，才能實(shí)現(xiàn)自給。
這三個(gè)方面是我國(guó)厭氧消化技術(shù)目前的瓶頸，解決這三個(gè)方面的問題有不同的技術(shù)路線。
第一，解決破壁問題。
解決破壁問題有微波等預(yù)處理手段，但是現(xiàn)在大家好象都認(rèn)同熱水解，熱水解確實(shí)能使得污泥中的細(xì)胞破壁，同時(shí)使得不流動(dòng)的厭氧污泥變得流動(dòng)。以威立雅為例，以前的池容比較大，停留時(shí)間比較長(zhǎng)，通過熱水解之后，污泥濃度提高的本身，池容也得以消減，同時(shí)效率負(fù)荷也提高，但是它仍然采用的是厭氧消化池，在某些程度上緩解了這種問題。我們可以期待北京的污泥厭氧消化工程能夠有好的表現(xiàn)，北京的污泥有機(jī)質(zhì)含量有時(shí)候是比較高的，可達(dá)60% 以上。
表1 威立雅（VEOLIA）水熱預(yù)處理對(duì)氧消化對(duì)比
第二，酸化水解問題。
30年前，甚至50年前教科書中已經(jīng)提出中溫消化、高溫消化。有一個(gè)非常奇怪的現(xiàn)象：厭氧菌在35℃時(shí)活性最高，在50℃的時(shí)候表現(xiàn)也非常好，但在40℃的時(shí)候活性就降下來了。所以我們?cè)?ldquo;十二五”的時(shí)候開發(fā)了一個(gè)溫度分級(jí)生物分相工藝，就是利用水解酸化菌在45℃到50℃之間進(jìn)行溫度分級(jí)，進(jìn)行水解酸化，在第二級(jí)采用厭氧消化，這個(gè)技術(shù)應(yīng)該說跟美國(guó)推行的高溫分級(jí)分相是不太一樣的。美國(guó)提的冷卻換熱等等系統(tǒng)比較復(fù)雜，我們的則簡(jiǎn)化了工藝流程，45℃之后直接進(jìn)入了中溫厭氧，不需要額外的加熱系統(tǒng)，甲烷的產(chǎn)率提高比較大，中溫的消解率也得到了提高，這是我們針對(duì)水解酸化做的一些工作。
圖2 溫度分級(jí)生物分相工藝優(yōu)點(diǎn)
第三，我國(guó)厭氧消化后能源自給率非常低的問題。
我們國(guó)家的厭氧消化能源自給率在20% ~ 30%，國(guó)外可能已經(jīng)達(dá)到了30%~ 50%。其實(shí)通過一些措施是可以提高的，比如說通過熱電聯(lián)產(chǎn)、高濃度厭氧消化、污水處理廠的節(jié)能等，都能提高污水廠的自給率，而進(jìn)一步通過水熱還可以提高，通過共消化可以提高的更多。
圖3 國(guó)內(nèi)外厭氧消化能源自給率對(duì)比
回顧一下厭氧的發(fā)展歷史，污水處理最早是從厭氧開始的，從腐化池，到上世紀(jì)三十年代的時(shí)候提出的厭氧接觸工藝。值得一提的是70 年代中期荷蘭學(xué)者lettinga 教授發(fā)明了UASB，把負(fù)荷大幅度的提高，在UASB里生成顆粒污泥以后采用EGSB和IC反應(yīng)器，使得污泥的處理負(fù)荷進(jìn)一步提升，這是一個(gè)巨大的進(jìn)步。相反地，我們的厭氧消化池雖然也有一些進(jìn)展，是比較重大的環(huán)境領(lǐng)域的共性技術(shù)，它可以處理污泥、處理餐廚、可以處理畜禽糞便，甚至現(xiàn)在農(nóng)業(yè)用它處理秸稈，我們還有一些廠子用它處理垃圾，但是到今天進(jìn)展卻有限，只是在材料、攪拌、發(fā)電設(shè)備等方面進(jìn)行了一些改進(jìn)，在原理上比幾十年前沒有太大的改變。這樣就給污泥處理帶來一個(gè)問題，采用消化池以后它的經(jīng)濟(jì)效益低下，因?yàn)椴捎孟靥幚韰捬踔�，還要考慮污泥需要不需要高干脫水，需不需要堆肥、焚燒，后續(xù)處置怎么辦等方面問題。
我們的投資已經(jīng)達(dá)到20多萬到60萬，每噸污泥的處置費(fèi)用需要幾百塊錢。在這樣的情況下，再加上后續(xù)的處理，例如德國(guó)厭氧消化后還需要焚燒，在歐洲厭氧消化以后還要做堆肥，所以它的經(jīng)濟(jì)效益是非常差的。這只是簡(jiǎn)單的一些統(tǒng)計(jì)，怎么解決這一系列的問題，還涉及到共性的反應(yīng)器、反應(yīng)原理的問題。像污泥與秸稈廢棄物，預(yù)處理要求高，停留時(shí)間長(zhǎng)，產(chǎn)氣率低。污泥與餐廚垃圾，負(fù)荷低。
圖4 厭氧消化池應(yīng)用領(lǐng)域和問題
3 厭氧消化技術(shù)創(chuàng)新思路
我先給大家舉個(gè)例子：大家知道美國(guó)航天飛機(jī)的大小是怎么確定的嗎？是由兩個(gè)推翼的大小來決定的，推翼的大小跟它的運(yùn)輸工具有關(guān)系，用火車運(yùn)輸，又跟隧道有關(guān)系，這樣推下來以后跟古羅馬的馬車有關(guān)系，最終是由馬屁股的大小決定的。舉這個(gè)例子是想問兩個(gè)問題：我們的厭氧消化一定要用厭氧消化池嗎？厭氧穩(wěn)定一定要產(chǎn)甲烷化嗎？實(shí)際上在厭氧的水解酸化階段已經(jīng)完成了有機(jī)物的分解，固態(tài)的污泥已經(jīng)變成了溶解性的狀態(tài)，如果此時(shí)把污泥拿出去就已經(jīng)完成了污泥的穩(wěn)定化階段，而產(chǎn)甲烷是溶解性狀態(tài)的問題。
為什么對(duì)產(chǎn)甲烷化提出疑問？
第一，除甲烷外，在厭氧消化里頭還產(chǎn)生其它物質(zhì)，如乙醇、乙酸、丙酸、丁酸、產(chǎn)氫等等。以前我們認(rèn)為就只產(chǎn)甲烷，實(shí)際上國(guó)際上對(duì)PHA、染料以及合成新的長(zhǎng)鏈脂肪酸都有一些研究，這些研究是建立在水解酸化的基礎(chǔ)上，為此還專門成立了一個(gè)平臺(tái)——VFA平臺(tái)，在這個(gè)平臺(tái)上我們可以做很多不同于傳統(tǒng)的事情。
圖5 厭氧消化產(chǎn)物
第二，其它產(chǎn)物的經(jīng)濟(jì)價(jià)值也遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于甲烷，乙醇、乙酸等的價(jià)格都高于甲烷幾倍，甚至天然氣的價(jià)格也是高于它的。
第三，產(chǎn)酸化的反應(yīng)時(shí)間比產(chǎn)甲烷化短，且反應(yīng)器負(fù)荷高、穩(wěn)定性好。產(chǎn)甲烷化時(shí)間要達(dá)20天、30天，甚至40天之久，而酸化發(fā)展非�？�，幾天就可以完成，更能適應(yīng)復(fù)雜有機(jī)廢物的高負(fù)荷反應(yīng)器的穩(wěn)定運(yùn)行。第四，無甲烷菌抑制問題。酸化對(duì)環(huán)境因素敏感性弱于產(chǎn)甲烷菌。所以說產(chǎn)酸發(fā)酵應(yīng)該成為現(xiàn)在的厭氧消化非常重要的研究熱點(diǎn)。
有了這樣的創(chuàng)新思路我們?cè)趺磥硎┬心兀课覀円裱?quot;師法自然"的規(guī)律。
第一，我們知道人、一些動(dòng)物對(duì)有機(jī)物降解的效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于我們現(xiàn)在的反應(yīng)器。簡(jiǎn)單說食草性的動(dòng)物和雜食性的動(dòng)物胃的消化系統(tǒng)是完全不同的�；谶@個(gè)我們來看人的胃的消化系統(tǒng)是什么，到胃里是以胃酸為主，通過推流反應(yīng)器、混合反應(yīng)器最后完成了消化過程，根據(jù)這個(gè)特點(diǎn)來看，對(duì)雜食類動(dòng)物要考慮它的反應(yīng)條件，現(xiàn)在的反應(yīng)器是不是最合理的反應(yīng)器。
第二，我們看一下水解酸化，如果控制pH，在酸化項(xiàng)6左右，主要產(chǎn)生了丁酸、丙酸、乙酸。如果我們不控制pH，在很短的停留下pH會(huì)下降，丁酸和乙酸的數(shù)量就會(huì)產(chǎn)生變化，特別重要的是在pH 等于4以后乙醇就產(chǎn)生了，成為了主導(dǎo)產(chǎn)物。所以我們?cè)诓煌呢?fù)荷下，控制pH值等于4，90% 以上的產(chǎn)物就是乙醇、乙酸。如此，我們就可以把所有的產(chǎn)物類型進(jìn)行定義，提出一個(gè)產(chǎn)乙醇發(fā)酵的途徑。這樣做有什么好處呢？厭氧產(chǎn)甲烷的過程，如果是丙酸的話，非常小的3 秒是適合它的情況，如果是丁酸的話會(huì)大一些，乙醇會(huì)更大，也就是說酸化的可能性、抑制的可能性會(huì)大大降低，正是這樣的思路導(dǎo)致了我們進(jìn)行了一些開發(fā)。
圖6 水解酸化過程
第三，厭氧顆粒污泥取得成功，顆粒污泥是提高反應(yīng)器效率的有效技術(shù)。怎么提高效率？提高效率的關(guān)鍵之一就是產(chǎn)酸的情況下能不能形成顆粒污泥。我用餐廚垃圾研究結(jié)果（如圖7）說明一下：產(chǎn)乙酸污泥跟酸化結(jié)合起來后，我們酸化負(fù)荷達(dá)到20kg，而后續(xù)處理的負(fù)荷也能夠達(dá)到23kg，從整體上來看，一個(gè)產(chǎn)酸的反應(yīng)器加一個(gè)甲烷的反應(yīng)器，整體的負(fù)荷達(dá)到平均20kg 左右，整個(gè)的停留時(shí)間不到4 天，出水也非常好，出水總的COD 是500mg/L。第四，沿著前面的思路往下推進(jìn)，我們是不是能夠進(jìn)一步開發(fā)仿生的反應(yīng)器。我們大家都知道，牛是食草動(dòng)物，所以有瘤胃，瘤胃反應(yīng)器大家研究得比較多。瘤胃的負(fù)荷非常高，能夠達(dá)到130kg，而秸稈處理厭氧的話只能到3kg，差了2個(gè)數(shù)量級(jí)。
圖7 高含固率物料厭氧發(fā)酵--- 餐廚垃圾
那么瘤胃系統(tǒng)跟我們的反應(yīng)器有什么不同？
1.我們的反應(yīng)器是恒定的pH，瘤胃是動(dòng)態(tài)的pH，我們是高溫，而瘤胃系統(tǒng)是39℃，那么對(duì)秸稈到底是35℃、33℃最優(yōu)，還是其他溫度最優(yōu)？
2.我們的反應(yīng)器里反應(yīng)的產(chǎn)物都是集中的，而在瘤胃系統(tǒng)里面，產(chǎn)物降解后通過隔膜很快被腸胃系統(tǒng)吸收了，所以它就沒有形成產(chǎn)物的抑制。
3.我們的厭氧反應(yīng)是絕對(duì)的厭氧，瘤胃通過干濕交替、通過反芻是一個(gè)交替的厭氧。
4.在條件上，我們是單一的濕發(fā)酵，瘤胃是干濕發(fā)酵。這些不同點(diǎn)可能就是我們現(xiàn)在厭氧反應(yīng)器低效的原因。我有一個(gè)博士生在做這種研究，通過反應(yīng)器模擬揮發(fā)酸迅速排出的過程，模擬反芻的過程，模擬交替的厭氧、好氧條件的過程，得出了一個(gè)結(jié)果：提高甲烷產(chǎn)率，時(shí)間可以大大縮短，具體可以縮短到3-5天，而水解最優(yōu)的溫度跟以往的認(rèn)識(shí)是不一樣的，動(dòng)態(tài)的應(yīng)該是39℃。而pH，因?yàn)樗夂彤a(chǎn)酸的pH 不一樣，是一個(gè)動(dòng)態(tài)的pH，能造成水解和產(chǎn)酸都達(dá)到最優(yōu)。我們厭氧4個(gè)階段，以前研究甲烷比較多，研究水解、酸化不太多，研究水解和酸化的差別就更少，間歇的厭氧、好氧的條件也能提高產(chǎn)率。
總結(jié)以后，我們就開發(fā)了一個(gè)瘤胃的仿生工藝，第一個(gè)是仿造瘤胃的發(fā)酵和分離過程，仿造牛的系統(tǒng)的網(wǎng)胃和瓣胃的功能，而后續(xù)到了發(fā)酸、水解以后，我們現(xiàn)在的EGSB 就能很好地解決了，達(dá)到幾十kg 的負(fù)荷也沒有問題。這個(gè)工藝的效果也非常好，前面講的餐廚我們已經(jīng)到了中試階段，這個(gè)工藝完成了小試的工作。
圖8 基于乙醇（乳酸）型發(fā)酵的新型兩相技術(shù)過程物質(zhì)流變化圖