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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)時代A3-307室王凱軍教授，清華大學環(huán)境學院副院長，是厭氧大師lettinga教授唯一一位來自中國大陸的博士生。他是我國厭氧技術(shù)的重要推動者，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隊，提出了設備標準化這樣極大促進了厭氧發(fā)展的戰(zhàn)略性思想，實現(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，推動實施了UASB等厭氧反應器的工程應用推廣，帶來了我國厭氧技術(shù)的迅猛發(fā)展，為我國厭氧技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化做出了卓越的貢獻。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未來厭氧工藝應用和創(chuàng)新方向的思考，根據(jù)他在“中國城鎮(zhèn)污泥處理處置技術(shù)與應用高級研討會（第七屆）”上的演講錄音整理而成。
1 我國污泥處理處置現(xiàn)狀
伴隨著快速城市化進程，我國的污泥產(chǎn)量將不斷增加。2015年突破了3500萬噸，預計到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，但從這幾年國家發(fā)展改革委和住建部發(fā)布的文件來看，都對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)進行了明確規(guī)定，從政策的引導、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)
既然這個題目是講厭氧消化，我個人認為厭氧技術(shù)是生態(tài)文明建設中的關(guān)鍵技術(shù)，因為在各個領(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)域有達到300倍以上的，這個數(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：由于剩余污泥的細胞壁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、難于生物降解，所以需要解決細胞壁的破壁難題，才能保證污泥的有效降解。
2、反應效率低：普遍消化技術(shù)難以實現(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，實現(xiàn)高效產(chǎn)甲烷。
3、厭氧系統(tǒng)能量凈輸出低：系統(tǒng)能耗遠遠高于系統(tǒng)產(chǎn)能，難以實現(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，才能實現(xiàn)自給。
這三個方面是我國厭氧消化技術(shù)目前的瓶頸，解決這三個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處理手段，但是現(xiàn)在大家好象都認同熱水解，熱水解確實能使得污泥中的細胞破壁，同時使得不流動的厭氧污泥變得流動。以威立雅為例，以前的池容比較大，停留時間比較長，通過熱水解之后，污泥濃度提高的本身，池容也得以消減，同時效率負荷也提高，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)，北京的污泥有機質(zhì)含量有時候是比較高的，可達60% 以上。
表1 威立雅（VEOLIA）水熱預處理對氧消化對比
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。有一個非常奇怪的現(xiàn)象：厭氧菌在35℃時活性最高，在50℃的時候表現(xiàn)也非常好，但在40℃的時候活性就降下來了。所以我們在“十二五”的時候開發(fā)了一個溫度分級生物分相工藝，就是利用水解酸化菌在45℃到50℃之間進行溫度分級，進行水解酸化，在第二級采用厭氧消化，這個技術(shù)應該說跟美國推行的高溫分級分相是不太一樣的。美國提的冷卻換熱等等系統(tǒng)比較復雜，我們的則簡化了工藝流程，45℃之后直接進入了中溫厭氧，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，這是我們針對水解酸化做的一些工作。
圖2 溫度分級生物分相工藝優(yōu)點
第三，我國厭氧消化后能源自給率非常低的問題。
我們國家的厭氧消化能源自給率在20% ~ 30%，國外可能已經(jīng)達到了30%~ 50%。其實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 國內(nèi)外厭氧消化能源自給率對比
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，到上世紀三十年代的時候提出的厭氧接觸工藝。值得一提的是70 年代中期荷蘭學者lettinga 教授發(fā)明了UASB，把負荷大幅度的提高，在UASB里生成顆粒污泥以后采用EGSB和IC反應器，使得污泥的處理負荷進一步提升，這是一個巨大的進步。相反地，我們的厭氧消化池雖然也有一些進展，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，但是到今天進展卻有限，只是在材料、攪拌、發(fā)電設備等方面進行了一些改進，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問題，采用消化池以后它的經(jīng)濟效益低下，因為采用消化池處理厭氧之后，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)達到20多萬到60萬，每噸污泥的處置費用需要幾百塊錢。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)濟效益是非常差的。這只是簡單的一些統(tǒng)計，怎么解決這一系列的問題，還涉及到共性的反應器、反應原理的問題。像污泥與秸稈廢棄物，預處理要求高，停留時間長，產(chǎn)氣率低。污泥與餐廚垃圾，負荷低。
圖4 厭氧消化池應用領(lǐng)域和問題
3 厭氧消化技術(shù)創(chuàng)新思路
我先給大家舉個例子：大家知道美國航天飛機的大小是怎么確定的嗎？是由兩個推翼的大小來決定的，推翼的大小跟它的運輸工具有關(guān)系，用火車運輸，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。舉這個例子是想問兩個問題：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？實際上在厭氧的水解酸化階段已經(jīng)完成了有機物的分解，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。以前我們認為就只產(chǎn)甲烷，實際上國際上對PHA、染料以及合成新的長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平臺——VFA平臺，在這個平臺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)濟價值也遠遠高于甲烷，乙醇、乙酸等的價格都高于甲烷幾倍，甚至天然氣的價格也是高于它的。
第三，產(chǎn)酸化的反應時間比產(chǎn)甲烷化短，且反應器負荷高、穩(wěn)定性好。產(chǎn)甲烷化時間要達20天、30天，甚至40天之久，而酸化發(fā)展非�？欤瑤滋炀涂梢酝瓿�，更能適應復雜有機廢物的高負荷反應器的穩(wěn)定運行。第四，無甲烷菌抑制問題。酸化對環(huán)境因素敏感性弱于產(chǎn)甲烷菌。所以說產(chǎn)酸發(fā)酵應該成為現(xiàn)在的厭氧消化非常重要的研究熱點。
有了這樣的創(chuàng)新思路我們怎么來施行呢？我們要遵循"師法自然"的規(guī)律。
第一，我們知道人、一些動物對有機物降解的效率遠遠高于我們現(xiàn)在的反應器。簡單說食草性的動物和雜食性的動物胃的消化系統(tǒng)是完全不同的�；谶@個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，通過推流反應器、混合反應器最后完成了消化過程，根據(jù)這個特點來看，對雜食類動物要考慮它的反應條件，現(xiàn)在的反應器是不是最合理的反應器。
第二，我們看一下水解酸化，如果控制pH，在酸化項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會下降，丁酸和乙酸的數(shù)量就會產(chǎn)生變化，特別重要的是在pH 等于4以后乙醇就產(chǎn)生了，成為了主導產(chǎn)物。所以我們在不同的負荷下，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)物類型進行定義，提出一個產(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，如果是丁酸的話會大一些，乙醇會更大，也就是說酸化的可能性、抑制的可能性會大大降低，正是這樣的思路導致了我們進行了一些開發(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，我們酸化負荷達到20kg，而后續(xù)處理的負荷也能夠達到23kg，從整體上來看，一個產(chǎn)酸的反應器加一個甲烷的反應器，整體的負荷達到平均20kg 左右，整個的停留時間不到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，我們是不是能夠進一步開發(fā)仿生的反應器。我們大家都知道，牛是食草動物，所以有瘤胃，瘤胃反應器大家研究得比較多。瘤胃的負荷非常高，能夠達到130kg，而秸稈處理厭氧的話只能到3kg，差了2個數(shù)量級。
圖7 高含固率物料厭氧發(fā)酵--- 餐廚垃圾
那么瘤胃系統(tǒng)跟我們的反應器有什么不同？
1.我們的反應器是恒定的pH，瘤胃是動態(tài)的pH，我們是高溫，而瘤胃系統(tǒng)是39℃，那么對秸稈到底是35℃、33℃最優(yōu)，還是其他溫度最優(yōu)？
2.我們的反應器里反應的產(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.我們的厭氧反應是絕對的厭氧，瘤胃通過干濕交替、通過反芻是一個交替的厭氧。
4.在條件上，我們是單一的濕發(fā)酵，瘤胃是干濕發(fā)酵。這些不同點可能就是我們現(xiàn)在厭氧反應器低效的原因。我有一個博士生在做這種研究，通過反應器模擬揮發(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，得出了一個結(jié)果：提高甲烷產(chǎn)率，時間可以大大縮短，具體可以縮短到3-5天，而水解最優(yōu)的溫度跟以往的認識是不一樣的，動態(tài)的應該是39℃。而pH，因為它水解和產(chǎn)酸的pH 不一樣，是一個動態(tài)的pH，能造成水解和產(chǎn)酸都達到最優(yōu)。我們厭氧4個階段，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)了一個瘤胃的仿生工藝，第一個是仿造瘤胃的發(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，達到幾十kg 的負荷也沒有問題。這個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