清华大学王凯军：创新厌氧技术引领厌氧领域新格局

天际之星 · 发表于 2017-3-31 09:17:07

马上注册并关注水世界微信号，获得更多资料

您需要登录才可以下载或查看，没有帐号？注册扫一扫，用微信登录

x

创新厌氧技术引领厌氧领域新格局作者：王凯军，汪翠萍清华大学环境学院编者按2016年4月8日，在《中国给水排水》杂志主办的中国城镇污泥处理处置技术与应用高级研讨会（第七届）上，清华大学环境学院王凯军教授围绕“创新厌氧技术引领厌氧领域新格局”作了精彩发言。分析了我国污泥处理处置现状、厌氧消化技术现状和挑战，提出了厌氧消化技术创新思路。王凯军：感谢大会主席、感谢举办方邀请！刚才晓虎教授说他参加了4次，我想至少参加了3次，在其他的污泥会上介绍过污泥的相关技术，主要是宏观的，这次就谈一些微观技术的问题。一、我国污泥处理处置现状我国污泥处理处置现状，这张片子主要讲现在2015年3500吨也好，4000吨也好，到2020年达到6000吨也好，污泥的量是在不断的增加，确实达到相当的数量。国家的"水十条"，建设部、发改委等相关文件都有相关的要求，技术路线以前都在讲不是非常明确，实际上从现有的政策来讲，资源化、能源化导向是非常明显的，而且从政策的导向来看，从这几年发布的国家级别的文件来看，厌氧消化占据了重要的位置。既然这个题目是讲厌氧消化，我个人认为厌氧技术是生态文明建设中的关键技术，比刚才提的位置应该更高，因为在各个领域如果讲可再生能源等等，厌氧技术无疑是一个减排的关键技术，而且在资金、金融追捧来讲除了膜技术、新技术达到100倍以上，我想在可再生能源，在厌氧领域我知道有达到300吨以上，这个概念也是非常引人注目的概念。就不展开说这个内容了。二、厌氧消化技术的现状和挑战污泥厌氧消化的技术瓶颈主要包括：1、污泥破壁问题：细胞壁结构稳定、难于生物降解。需要解决细胞壁的破壁难题，才能保证污泥的有效降解。美国的法案中规定污泥厌氧消化的稳定化程度达到不小于38%。2、反应效率低：普遍消化技术难以实现高效甲烷化，需要解决水解酸化菌环境。3、厌氧系统能量净输。这三个方面有不同的技术路线。第一个破壁问题，有微波的等等预处理手段，但是现在大家好象都认同热水解，热水解确实能使得破壁，同时使得不流动的厌氧污泥变得流动。以威立雅为例，以前的池容比较大，停留时间比较长，通过热水解之后污泥浓度提高的本身使得池容消减，同时效率负荷也提高，但是它仍然采用的是厌氧消化池，在某些程度上缓解了这种问题。我们可以期待北京的污泥厌氧消化工程能够有好的表现，北京的污泥有机质含量有时候是比较高的，可达60%以上。第二个问题我们谈到的是酸化水解问题，30年前、50年前教科书都知道有中温消化、高温消化，厌氧酸化菌非常奇怪在35度活性最高，在50度的时候表现也非常好，但在40几度的时候活性就降下来了。所以我们在十二五的时候开发了一个温度分级生物分相，就是利用水解酸化菌在45度到50度之间进行温度分级，进行水解酸化。而在第二级是采用厌氧消化，这个技术应该说跟美国推行的高温分级分相是不太一样的。它应该说简化了流程，45度之后直接进入了中温厌氧之后，不需要再额外的加热的系统，而美国提的高温的东西、冷却换热等等系统比较复杂，通过我们的效果大家来看，这组数据甲烷的产率提高比较大，中温的消解率也比较提高。我想这是针对水解酸化做的一些工作。第三个问题针对我们国家的厌氧消化之后能源自给率非常低，20%左右不到30%，国外可能30%到50%，而通过一些措施是可以提高的，比如说通过热电联产、高浓度厌氧消化、污水处理厂的节能，能够提高污水厂的自给率，而进一步通过水热还可以提高，通过共消化可以更高的提高能源自给率，甚至有些区域联合治理，比如说几个污水厂合在一起，比如跟餐厨共消化，这是一个运行方式，并没有提高增量，这种运行方式使单一的厂子有比较好的表现。这是三个主要问题和现在国内的进展。讲厌氧的话，我们回顾厌氧发展的历史，大家看污水处理最早是从厌氧开始的，我们从腐化池，包括三几年的时候提出的厌氧接触工艺，值得一提的70年代中期荷兰的学者发明UASB把负荷大幅度的提高，在UASB里生成颗粒以后采用EGSB和IC反应器，使得污泥的处理能够达到50到100以上，这是一个巨大的进步。相反的我们的厌氧消化池有一些进展，这是比较重大的环境领域的共性技术，它可以处理污泥、处理餐厨、可以处理畜禽粪便，甚至现在农业用它处理秸秆，我们还有一些厂用它处理垃圾，但是几十年后进展有限，只是在材料、搅拌、发电设备等等进行了一些改进，在原理上比几十年前没有太大的改变。在污泥处理里头有一个问题，采用消化池以后它的经济效益低下，因为采用厌氧消化池处理之后没有完，污泥需要不需要高干脱水，需不需要堆肥、焚烧，后续处置怎么办，我们的投资已经20多万到60万，每吨污泥的费用都上百块钱以上，在这样的情况下后续再加上，比如德国厌氧消化后还需要焚烧，在欧洲厌氧消化以后还要做堆肥的，所以它的经济效益是非常差的。这是简单的一些统计，怎么解决这一系列的问题，我刚才说涉及到共性的反应器，反应原理的问题。此外，厌氧消化池应用领域和问题，像污泥与秸秆废弃物，预处理要求高，停留时间长，产气率低。污泥与餐厨垃圾，负荷低。还有就是畜禽废物以及污泥。这里停留时间长，污泥大约20天，在德国都是大于40天的，今后要用在垃圾上可能停留时间更长。三、厌氧消化技术创新思路1、推进器要用火车从工厂运到发射点，路上要通过隧道，隧道的宽度只比火车轨道的宽度宽了一点点2、美国铁轨之间的距离是英国铁路的标准，因为美国的铁路最早是由英国人设计建造的3、英国铁路是建电车的人设计的，最先造电车的人以前是造马车的。航天飞机的大小是怎么确定的？时间原因就把文字给大家过出来，由于运输两个辅助的推翼的大小来决定的，在美国，这推翼的大小跟它的运输工具有关系，用火车运输，又跟隧道有关系，又跟铁道的轨道有关系，最终推下来以后跟古罗马的马车有关系，最终决定是跟马屁股的大小有关系。提出这个东西实际是问一个问题，我们的厌氧消化一定要用厌氧消化池吗？厌氧稳定一定要产甲烷化吗？实际上在厌氧的水解酸化阶段已经完成了有机物的分解，固体的污泥已经变成了溶解性的状态，如果把污泥拿出去就已经完成了污泥的稳定化阶段，而产甲烷是溶解性状态的问题。在厌氧消化里头产生各种物质，甲醇、乙醇、乙酸、丙酸等等，实际上国际上对PHA燃料以及合成新的脂肪酸都有一些研究，这些研究是建立在水解酸化的基础上，所以现在这些研究在一个VFA平台，在这个平台上我们可以做很多不同于传统的事情，而且它产物的价值也远远高于沼气，这个乙醇、丁酸、PHA等等都是几倍的甲烷，甚至天然气的价格也是高于它的。第二个它的反应时间非常短，甲烷化由于甲烷的时间长要20天、30天、40天，而酸化发展非常快，几天能完成，相对来讲列了一些非甲烷化的优势。所以应该说产酸发酵成为现在的厌氧消化非常重要的研究热点，有了这样的想法我们怎么来实行这个东西，就是"师法自然"。我们知道一些人、动物对有机物降解的效率远远高于我们现在的反应器。现在看方的是搅拌，绿的和黄的是酸碱的合流，条件的不同，实际简单说对食草性的动物和对杂食性的动物胃的消化系统是完全不同的，这是把胃的消化系统在生物角度上来进行的一项分解。基于这个我们来看人的胃的消化系统是什么，到胃里是胃酸为主，通过混合反应器最后完成了消化过程，根据这个特点来看，对杂食类动物要考虑它的反应条件，现在的反应器是不是最合理的反应器。我们也看一下两项消化，水解酸化，如果控制PH，起码在酸化项6左右，产生了主要的丁酸、丙酸、乙酸。如果我们不控制PH在一定的很短的停留下PH会下降，丁酸和乙酸的数量就会产生变化，特别重要的是在PH等于4以后乙醇就产生了，所以我们就控制在PH等于4的情况下，可以看乙醇这样的主导产物。所以我们在不同的符合下，10公斤、20公斤、30公斤的符合下，控制PH4的情况下，主要的产物是90%以上都能形成产乙醇、产乙酸。这样的话我们把所有的产物类型进行定义提出一个产乙醇发酵途径。有什么好处呢？这也是稍微理论一点，厌氧产甲烷的过程，如果是丙酸的话，非常小的3秒是适合它的情况，如果是丁酸的话会大一些，乙醇会更大，也就是说酸化的可能性、抑制的可能性会大大降低，是这样的思路导致了我们进行了一些开发，具体开发的结果下面会说。第三点厌氧颗粒污泥取得成功，颗粒污泥是提高反应器和效率的有效技术。怎么提高效率，我们实际上刚才在低PH下不同负荷的图可以看出来，在高负荷下效率是下降的，所以整个提高效率其中之一是产酸的情况下能不能形成颗粒污泥。我们两种方式进行了培养，一种最传统的国际工艺方式，一种好氧颗粒污泥的方式。产氧污泥跟酸化合起来以后，我们酸化负荷达到20公斤，而后续处理的负荷也是能够达到23公斤，从整体上来看，一个产酸的反应器加一个甲烷的反应器的话，整体的负荷达到平均20公斤左右，整个的停留时间达到了不到4天，而上一个图可以看出水非常好，出水总的COD是500毫克升。这是用餐厨垃圾做的一个结果（PPT）第四点就这个思路往下推进，我们是不是能够进一步开发仿生的开发器。牛，我们大家都知道，是靠绿色食物生存的，所以有瘤胃，瘤胃反应器大家研究得比较多。我们看瘤胃它的负荷非常高，瘤胃是一种能够达到130公斤和100公斤以上，相等的秸秆我们要处理厌氧的话只能到3公斤，差了2个数量级。那么瘤胃系统跟我们的反应器有什么不同？微生物一个瘤胃细菌，一个厌氧污泥，我们的反应器是恒定的PH，瘤胃是动态的PH，我们是高温，而瘤胃系统是39度，对这样的秸秆到底35度、33度是最优，还是其他温度最优，它在我们的反应器里反应的产物都是集中在这反应器里。而在瘤胃系统里面，降解后隔膜很快被肠胃系统吸收了，所以它就没有形成产物的意识。我们的厌氧反应是绝对的厌氧，瘤胃通过干湿交替，通过反刍，它实际的环境是一个交替的厌氧，包括了一个负压条件。在条件上，我们是单一的湿发酵，它是干湿发酵，我们有这么多的不同，可能这个就是我们现在厌氧反应器低效的原因。我有一个博士在做这种研究，通过反应器模拟挥发酸迅速排出的过程，模拟反刍的过程，模拟交替的厌氧、好氧条件的过程，可以得出一个结果，提高甲烷产率，时间可以大大缩短，具体上能到3-5天的情况下，而水解最优的温度跟以往的认识是不一样的，动态的应该39度。而PH，因为它水解和产酸的PH不一样，是一个动态的PH，能造成水解和产酸都达到最优，我们厌氧4个阶段，以前研究甲烷比较多，研究水解，酸化不太多，再研究水解和酸化的差别就更少，厌氧、好氧的条件也能提高产率。所以总结起来以后，我们就开发了一个瘤胃的仿生工艺，第一个是仿造瘤胃的发酵加上一个分离过程，仿造牛的系统的网胃和瓣胃的功能，而后续到了发酸以后，到了水解以后，我们现在的EGSB就能很好的解决这个问题，达到几十公斤的负荷也没有问题。提出了这样一个工艺，效果也非常好，前头讲的餐厨我们已经到了中试，这个是完成了小试的工作。我想把思路性的东西给大家介绍一下，有很多比较专的技术问题可能讲不细，只能给大家讲这么多。谢谢大家！