2016年4月8日，在《中國(guó)給水排水》雜志主辦的中國(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，清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院王凱軍教授圍繞“創(chuàng)新厭氧技術(shù)引領(lǐng)厭氧領(lǐng)域新格局”作了精彩發(fā)言。分析了我國(guó)污泥處理處置現(xiàn)狀、厭氧消化技術(shù)現(xiàn)狀和挑戰(zhàn)，提出了厭氧消化技術(shù)創(chuàng)新思路。
王凱軍：感謝大會(huì)主席、感謝舉辦方邀請(qǐng)！剛才曉虎教授說(shuō)他參加了4次，我想至少參加了3次，在其他的污泥會(huì)上介紹過(guò)污泥的相關(guān)技術(shù)，主要是宏觀的，這次就談一些微觀技術(shù)的問(wèn)題。
一、我國(guó)污泥處理處置現(xiàn)狀
我國(guó)污泥處理處置現(xiàn)狀，這張片子主要講現(xiàn)在2015年3500噸也好，4000噸也好，到2020年達(dá)到6000噸也好，污泥的量是在不斷的增加，確實(shí)達(dá)到相當(dāng)?shù)臄?shù)量。國(guó)家的"水十條"，建設(shè)部、發(fā)改委等相關(guān)文件都有相關(guān)的要求，技術(shù)路線以前都在講不是非常明確，實(shí)際上從現(xiàn)有的政策來(lái)講，資源化、能源化導(dǎo)向是非常明顯的，而且從政策的導(dǎo)向來(lái)看，從這幾年發(fā)布的國(guó)家級(jí)別的文件來(lái)看，厭氧消化占據(jù)了重要的位置。
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)，比剛才提的位置應(yīng)該更高，因?yàn)樵诟鱾�(gè)領(lǐng)域如果講可再生能源等等，厭氧技術(shù)無(wú)疑是一個(gè)減排的關(guān)鍵技術(shù)，而且在資金、金融追捧來(lái)講除了膜技術(shù)、新技術(shù)達(dá)到100倍以上，我想在可再生能源，在厭氧領(lǐng)域我知道有達(dá)到300噸以上，這個(gè)概念也是非常引人注目的概念。就不展開(kāi)說(shuō)這個(gè)內(nèi)容了。
二、厭氧消化技術(shù)的現(xiàn)狀和挑戰(zhàn)
污泥厭氧消化的技術(shù)瓶頸主要包括：
1、污泥破壁問(wèn)題：細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、難于生物降解。需要解決細(xì)胞壁的破壁難題，才能保證污泥的有效降解。美國(guó)的法案中規(guī)定污泥厭氧消化的穩(wěn)定化程度達(dá)到不小于38%。
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環(huán)境。
3、厭氧系統(tǒng)能量?jī)糨敗?/p>
這三個(gè)方面有不同的技術(shù)路線。第一個(gè)破壁問(wèn)題，有微波的等等預(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(guò)熱水解之后污泥濃度提高的本身使得池容消減，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(wèn)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。
第二個(gè)問(wèn)題我們談到的是酸化水解問(wèn)題，30年前、50年前教科書(shū)都知道有中溫消化、高溫消化，厭氧酸化菌非常奇怪在35度活性最高，在50度的時(shí)候表現(xiàn)也非常好，但在40幾度的時(shí)候活性就降下來(lái)了。所以我們?cè)谑宓臅r(shí)候開(kāi)發(fā)了一個(gè)溫度分級(jí)生物分相，就是利用水解酸化菌在45度到50度之間進(jìn)行溫度分級(jí)，進(jìn)行水解酸化。而在第二級(jí)是采用厭氧消化，這個(gè)技術(shù)應(yīng)該說(shuō)跟美國(guó)推行的高溫分級(jí)分相是不太一樣的。
它應(yīng)該說(shuō)簡(jiǎn)化了流程，45度之后直接進(jìn)入了中溫厭氧之后，不需要再額外的加熱的系統(tǒng)，而美國(guó)提的高溫的東西、冷卻換熱等等系統(tǒng)比較復(fù)雜，通過(guò)我們的效果大家來(lái)看，這組數(shù)據(jù)甲烷的產(chǎn)率提高比較大，中溫的消解率也比較提高。我想這是針對(duì)水解酸化做的一些工作。
第三個(gè)問(wèn)題針對(duì)我們國(guó)家的厭氧消化之后能源自給率非常低，20%左右不到30%，國(guó)外可能30%到50%，而通過(guò)一些措施是可以提高的，比如說(shuō)通過(guò)熱電聯(lián)產(chǎn)、高濃度厭氧消化、污水處理廠的節(jié)能，能夠提高污水廠的自給率，而進(jìn)一步通過(guò)水熱還可以提高，通過(guò)共消化可以更高的提高能源自給率，甚至有些區(qū)域聯(lián)合治理，比如說(shuō)幾個(gè)污水廠合在一起，比如跟餐廚共消化，這是一個(gè)運(yùn)行方式，并沒(méi)有提高增量，這種運(yùn)行方式使單一的廠子有比較好的表現(xiàn)。這是三個(gè)主要問(wèn)題和現(xiàn)在國(guó)內(nèi)的進(jìn)展。
講厭氧的話，我們回顧厭氧發(fā)展的歷史，大家看污水處理最早是從厭氧開(kāi)始的，我們從腐化池，包括三幾年的時(shí)候提出的厭氧接觸工藝，值得一提的70年代中期荷蘭的學(xué)者發(fā)明UASB把負(fù)荷大幅度的提高，在UASB里生成顆粒以后采用EGSB和IC反應(yīng)器，使得污泥的處理能夠達(dá)到50到100以上，這是一個(gè)巨大的進(jìn)步。
相反的我們的厭氧消化池有一些進(jìn)展，這是比較重大的環(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，我們還有一些廠用它處理垃圾，但是幾十年后進(jìn)展有限，只是在材料、攪拌、發(fā)電設(shè)備等等進(jìn)行了一些改進(jìn)，在原理上比幾十年前沒(méi)有太大的改變。
在污泥處理里頭有一個(gè)問(wèn)題，采用消化池以后它的經(jīng)濟(jì)效益低下，因?yàn)椴捎脜捬跸靥幚碇鬀](méi)有完，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，我們的投資已經(jīng)20多萬(wàn)到60萬(wàn)，每噸污泥的費(fèi)用都上百塊錢以上，在這樣的情況下后續(xù)再加上，比如德國(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的，所以它的經(jīng)濟(jì)效益是非常差的。這是簡(jiǎn)單的一些統(tǒng)計(jì)，怎么解決這一系列的問(wèn)題，我剛才說(shuō)涉及到共性的反應(yīng)器，反應(yīng)原理的問(wèn)題。
此外，厭氧消化池應(yīng)用領(lǐng)域和問(wèn)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。還有就是畜禽廢物以及污泥。這里停留時(shí)間長(zhǎng)，污泥大約20天，在德國(guó)都是大于40天的，今后要用在垃圾上可能停留時(shí)間更長(zhǎng)。
三、厭氧消化技術(shù)創(chuàng)新思路
1、推進(jìn)器要用火車從工廠運(yùn)到發(fā)射點(diǎn)，路上要通過(guò)隧道，隧道的寬度只比火車軌道的寬度寬了一點(diǎn)點(diǎn)
2、美國(guó)鐵軌之間的距離是英國(guó)鐵路的標(biāo)準(zhǔn)，因?yàn)槊绹?guó)的鐵路最早是由英國(guó)人設(shè)計(jì)建造的
3、英國(guó)鐵路是建電車的人設(shè)計(jì)的，最先造電車的人以前是造馬車的。
航天飛機(jī)的大小是怎么確定的？時(shí)間原因就把文字給大家過(guò)出來(lái)，由于運(yùn)輸兩個(gè)輔助的推翼的大小來(lái)決定的，在美國(guó)，這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，又跟鐵道的軌道有關(guān)系，最終推下來(lái)以后跟古羅馬的馬車有關(guān)系，最終決定是跟馬屁股的大小有關(guān)系。
提出這個(gè)東西實(shí)際是問(wèn)一個(gè)問(wèn)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，固體的污泥已經(jīng)變成了溶解性的狀態(tài)，如果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(wèn)題。
在厭氧消化里頭產(chǎn)生各種物質(zhì)，甲醇、乙醇、乙酸、丙酸等等，實(shí)際上國(guó)際上對(duì)PHA燃料以及合成新的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，所以現(xiàn)在這些研究在一個(gè)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，而且它產(chǎn)物的價(jià)值也遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于沼氣，這個(gè)乙醇、丁酸、PHA等等都是幾倍的甲烷，甚至天然氣的價(jià)格也是高于它的。
第二個(gè)它的反應(yīng)時(shí)間非常短，甲烷化由于甲烷的時(shí)間長(zhǎng)要20天、30天、40天，而酸化發(fā)展非�？�，幾天能完成，相對(duì)來(lái)講列了一些非甲烷化的優(yōu)勢(shì)。
所以應(yīng)該說(shuō)產(chǎn)酸發(fā)酵成為現(xiàn)在的厭氧消化非常重要的研究熱點(diǎn)，有了這樣的想法我們?cè)趺磥?lái)實(shí)行這個(gè)東西，就是"師法自然"。我們知道一些人、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�，F(xiàn)在看方的是攪拌，綠的和黃的是酸堿的合流，條件的不同，實(shí)際簡(jiǎn)單說(shuō)對(duì)食草性的動(dòng)物和對(duì)雜食性的動(dòng)物胃的消化系統(tǒng)是完全不同的，這是把胃的消化系統(tǒng)在生物角度上來(lái)進(jìn)行的一項(xiàng)分解。
基于這個(gè)我們來(lái)看人的胃的消化系統(tǒng)是什么，到胃里是胃酸為主，通過(guò)混合反應(yīng)器最后完成了消化過(guò)程，根據(jù)這個(gè)特點(diǎn)來(lái)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。我們也看一下兩項(xiàng)消化，水解酸化，如果控制PH，起碼在酸化項(xiàng)6左右，產(chǎn)生了主要的丁酸、丙酸、乙酸。如果我們不控制PH在一定的很短的停留下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，所以我們就控制在PH等于4的情況下，可以看乙醇這樣的主導(dǎo)產(chǎn)物。
所以我們?cè)诓煌姆舷拢?0公斤、20公斤、30公斤的符合下，控制PH4的情況下，主要的產(chǎn)物是90%以上都能形成產(chǎn)乙醇、產(chǎn)乙酸。這樣的話我們把所有的產(chǎn)物類型進(jìn)行定義提出一個(gè)產(chǎn)乙醇發(fā)酵途徑。有什么好處呢？這也是稍微理論一點(diǎn)，厭氧產(chǎn)甲烷的過(guò)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(shuō)酸化的可能性、抑制的可能性會(huì)大大降低，是這樣的思路導(dǎo)致了我們進(jìn)行了一些開(kāi)發(fā)，具體開(kāi)發(fā)的結(jié)果下面會(huì)說(shuō)。
第三點(diǎn)厭氧顆粒污泥取得成功，顆粒污泥是提高反應(yīng)器和效率的有效技術(shù)。怎么提高效率，我們實(shí)際上剛才在低PH下不同負(fù)荷的圖可以看出來(lái)，在高負(fù)荷下效率是下降的，所以整個(gè)提高效率其中之一是產(chǎn)酸的情況下能不能形成顆粒污泥。
我們兩種方式進(jìn)行了培養(yǎng)，一種最傳統(tǒng)的國(guó)際工藝方式，一種好氧顆粒污泥的方式。產(chǎn)氧污泥跟酸化合起來(lái)以后，我們酸化負(fù)荷達(dá)到20公斤，而后續(xù)處理的負(fù)荷也是能夠達(dá)到23公斤，從整體上來(lái)看，一個(gè)產(chǎn)酸的反應(yīng)器加一個(gè)甲烷的反應(yīng)器的話，整體的負(fù)荷達(dá)到平均20公斤左右，整個(gè)的停留時(shí)間達(dá)到了不到4天，而上一個(gè)圖可以看出水非常好，出水總的COD是500毫克升。這是用餐廚垃圾做的一個(gè)結(jié)果（PPT）。
第四點(diǎn)就這個(gè)思路往下推進(jìn)，我們是不是能夠進(jìn)一步開(kāi)發(fā)仿生的開(kāi)發(fā)器。牛，我們大家都知道，是靠綠色食物生存的，所以有瘤胃，瘤胃反應(yīng)器大家研究得比較多。我們看瘤胃它的負(fù)荷非常高，瘤胃是一種能夠達(dá)到130公斤和100公斤以上，相等的秸稈我們要處理厭氧的話只能到3公斤，差了2個(gè)數(shù)量級(jí)。
那么瘤胃系統(tǒng)跟我們的反應(yīng)器有什么不同？微生物一個(gè)瘤胃細(xì)菌，一個(gè)厭氧污泥，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度，對(duì)這樣的秸稈到底35度、33度是最優(yōu)，還是其他溫度最優(yōu)，它在我們的反應(yīng)器里反應(yīng)的產(chǎn)物都是集中在這反應(yīng)器里。而在瘤胃系統(tǒng)里面，降解后隔膜很快被腸胃系統(tǒng)吸收了，所以它就沒(méi)有形成產(chǎn)物的意識(shí)。
我們的厭氧反應(yīng)是絕對(duì)的厭氧，瘤胃通過(guò)干濕交替，通過(guò)反芻，它實(shí)際的環(huán)境是一個(gè)交替的厭氧，包括了一個(gè)負(fù)壓條件。在條件上，我們是單一的濕發(fā)酵，它是干濕發(fā)酵，我們有這么多的不同，可能這個(gè)就是我們現(xiàn)在厭氧反應(yīng)器低效的原因。
我有一個(gè)博士在做這種研究，通過(guò)反應(yīng)器模擬揮發(fā)酸迅速排出的過(guò)程，模擬反芻的過(guò)程，模擬交替的厭氧、好氧條件的過(guò)程，可以得出一個(gè)結(jié)果，提高甲烷產(chǎn)率，時(shí)間可以大大縮短，具體上能到3-5天的情況下，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39度。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，再研究水解和酸化的差別就更少，厭氧、好氧的條件也能提高產(chǎn)率。
所以總結(jié)起來(lái)以后，我們就開(kāi)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)酵加上一個(gè)分離過(guò)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)酸以后，到了水解以后，我們現(xiàn)在的EGSB就能很好的解決這個(gè)問(wèn)題，達(dá)到幾十公斤的負(fù)荷也沒(méi)有問(wèn)題。提出了這樣一個(gè)工藝，效果也非常好，前頭講的餐廚我們已經(jīng)到了中試，這個(gè)是完成了小試的工作。我想把思路性的東西給大家介紹一下，有很多比較專的技術(shù)問(wèn)題可能講不細(xì)，只能給大家講這么多。謝謝大家！
【圖文解析】創(chuàng)新厭氧技術(shù)引領(lǐng)厭氧領(lǐng)域新格局
來(lái)源:中國(guó)給水排水 作者:王凱軍 汪翠萍
