CN111032582A - 提高生物固体分解的超高速厌氧消化系统 - Google Patents

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Abstract

本文公开了一种处理废水以分解生物固体和生成沼气(即甲烷)的工艺，其中，将废水提供给工作于厌氧条件、0.1～1天的水力/固体停留时间、30～70℃的温度以及6.5～10的pH值下的第一反应器，以及将第一反应器的流出物传至工作于厌氧条件、3～10天的水力/固体停留时间以及30～70℃的温度下的第二反应器内。所述工艺可以进一步包括将第二反应器产生的流出物进料至工作于厌氧条件、3至20天的水力/固体保留时间、30～70℃的温度下的第三反应器中。

Description

提高生物固体分解的超高速厌氧消化系统
技术领域
本发明涉及一种能够在短的固体/水力停留时间内有效处理废水的废水处理工艺。
背景技术
本说明书中对在先公开文献的列举或探讨不应一定视为承认此类文献为现有技术的一部分，或者为公知常识。
厌氧消化因其减少生物固体并生成生物气体的能力而广泛应用于污水沉泥的处理。污水沉泥的厌氧消化包括水解、产酸、产乙酸、产甲烷这些过程，每一过程均涉及不同的微生物群落。其中，水解一般为整个工艺的速率决定步骤。产甲烷菌为缓慢生长型生物，对于厌氧系统而言，能够富集和维持强劲的产甲烷菌这一点至关重要。当厌氧污泥消化操作中的固体停留时间(SRT)太短时，此类缓慢生长型产甲烷菌可能被淘汰，从而可能导致工艺失败。如此，将导致挥发性脂肪酸(VFA)的积累和pH值的降低，进而导致产甲烷效果受到抑制。出于这一原因，单级高速厌氧消化器中的污水沉泥厌氧消化处理均采用15～30天的水力停留时间(HRT)，而且实际应用中优选采用20天的HRT，以实现30～40％的挥发性固体(VS)分解率。如此长的HRT需要消化器具有更大的体积，并因此占用更大的土地面积，从而导致资金成本的上升。
从乙酸盐中生产甲烷可遵循如下两种不同的途径：以乙酸分解型产甲烷菌直接分解乙酸盐；以及乙酸盐互养氧化(SAO)。在SAO途径中，先以乙酸盐氧化剂为媒介，将乙酸盐氧化为H2和CO2，然后以氢为营养物，生产甲烷。该乙酸盐氧化过程为标准条件(0℃和1个大气压)下进行的吸热过程，而且对于维持这一过程而言重要的一点是，须使得氢气压力因甲烷微菌目(MMB)和甲烷杆菌目(MBT)等氢营养型产甲烷菌及乙酸分解型产甲烷菌(甲烷八叠球菌科(MSC))对氢气的消耗而保持于较低水平。
水解过程可通过用于瓦解污泥及微生物细胞结构的预处理方法得到促进，从而达到改善污泥消化、增进动力学以及提高效率的效果。其中，已开发的预处理方法有超声波法、臭氧氧化法、碱处理法以及酶处理法，这些技术当中，碱处理法因易于操作和效率较高而最为常用。然而，预处理过程中加入的碱所导致的高pH值(pH＝10～12)条件可能会对后续的产甲烷过程产生抑制作用。有鉴于此，在实际应用中，碱预处理之后，需要通过加入酸而对pH值进行中和。然而，由于在污泥中先后加碱和加酸这一做法的成本较高，因此限制了碱预处理工艺在大型废水处理厂(WWTP)中的应用。在另一种方法中，以60～270℃的高温，促进污水沉泥的水解。其中，已对使用在不同的反应器中分别优化的水解和产酸条件的两阶段厌氧工艺的污水沉泥消化效果进行了测试。该两阶段工艺的第一阶段反应器于pH值为5～6的条件(即酸性条件)下工作以进行水解反应，然后第二阶段反应器于产甲烷条件下工作。需要注意的是，上述各种预处理法均总体能够在长于12天的HRT及中温条件下提高厌氧污泥消化效果。
为了提高污水沉泥消化效果，现有厌氧系统的HRT一般为20天以上，从而导致消化器的体积较大，而且资金成本较高。虽然加碱式碱预处理能够通过将pH值保持于10～12而实现更高的水解和消化效率，但是在大规模应用中，碱以及用于pH值调节的酸的高化学用量使得这一方法的成本较高。除此之外，臭氧氧化法、超声波法以及酶处理法均存在成本昂贵的缺点。当有机负荷值较高时，两阶段系统中的第一阶段的酸性条件的控制有可能因游离VFA的作用而受到抑制，而且我们的操作经验也同样表明，污水沉泥的水解在酸性条件下效率较低。据报道，在高温条件下且HRT短至4天的条件下进行操作的单消化器的污泥消化稳定性较差，而且必须通过专家级的管理才能维持一定程度的稳定性。其中，工艺故障的发生速度极快，而且还存在看似常见的底物也会产生抑制作用的问题(见Ho et al.,Environ.Sci.Technol.2014(48),pp6468-6476)。
发明内容
在本发明的第一方面中，提供一种废水处理工艺，包括：向具有第一组操作条件的第一反应器提供废水；以及将所述第一反应器生成的流出物提供给具有第二组操作条件的第二反应器，其中：
(a)所述第一组操作条件包括厌氧条件，0.1～1天的水力/固体停留时间，30～70℃的温度以及6.5～10的pH值；
(b)所述第二组操作条件包括厌氧条件，3～10天的水力/固体停留时间以及30～70℃的温度。
在本发明的实施方式中：
(a)所述第一组操作条件可包括保持于7.0～9.0，如8.5～9.0范围内的pH值；和/或
(b)所述第一组操作条件可包括0.3天～1天的水力/固体停留时间；和/或
(c)所述第二组操作条件可包括：
(i)3～6.5天的水力/固体停留时间；和/或
(ii)所述第一和第二反应器具有3.1～8天，如3.3～小于8天的总水力/固体停留时间；和/或
(d)所述第一反应器的体积与第二反应器的体积之比可以为1:5～1:20，如1:8～1:15，如1:10。
在本发明的其他实施方式中，所述第一和/或第二组操作条件可工作于中温(即30～45℃)温度或高温(即41～70℃，如46～70℃，或者如46～55℃)温度。可以理解的是，所述第一和第二反应器可在温度方面完全独立地操作，如此使得所述第一反应器可工作于中温温度条件，而所述第二反应器工作于高温温度条件，或者所述第一和第二反应器同时工作于中温或高温温度条件。
在本发明的某些实施方式中，所述工艺可进一步包括将所述第二反应器生成的流出物进料至工作于第三组操作条件下的第三反应器，所述第三组操作条件包括厌氧条件，3～20天的水力/固体停留时间以及30～70℃的温度(即中温或高温)。可以理解的是，所述第三反应器的温度可独立于上述第一和第二反应器的温度进行选择。当存在第三反应器时，其水力/固体停留时间可以为3～8天，如4～7天，和/或所述第二反应器的体积与第三反应器的体积之比为1:1～1:8，如1:1～1:7。在本发明的具体实施方式中，当所述第一和第二反应器的总水力/固体停留时间少于8天时，可存在所述第三反应器。
在本发明的实施方式中：
(a)将微生物种子在操作过程中连续地或周期性地进料至所述第一反应器中，可选地，所述微生物种子得自所述第二反应器和/或第三反应器；和/或
(b)所述第一反应器可以为连续搅拌槽式反应器。
在本发明的其他实施方式中，所述工艺可提供于：
(a)所述第一反应器内的条件适用于提供富含食蛋白质菌属(Proteiniborus)、黄杆菌科(Flavobacteriaceae)、泰氏菌属(Tissierella)、无胆甾原体属(Acholeplasma)及假单胞菌属(Pseudomonas)的细菌种群；和/或
(b)所述第二反应器以及第三反应器(如有)内的条件适用于提供富含甲烷八叠球菌属(Methanosarcinaceae)中的乙酸分解型产甲烷菌、氢营养型产甲烷菌、未分类拟杆菌门(Bacteroidetes)、黄杆菌科(Flavobacteriaceae)、梭菌属IV(Clostridium IV)以及单丝壳属(Sphaerochaeta)的细菌种群；和/或
(c)所述第一、第二以及第三(如有)反应器内的条件使得所述第一、第二以及第三(如有)反应器内基本不含甲烷鬃菌属(Methanosaetaceae)中的缓慢生长乙酸分解型产甲烷菌。
在本发明的其他实施方式中：
(i)上述工艺的总水力/固体停留时间为3.1～11天，如6～10天；和/或
(ii)所述第一、第二以及第三(如有)反应器为相互分离的容器，或者所述第一、第二以及第三(如有)反应器当中的一个或多个容纳于同一容器内以形成由隔板(如同心隔板)隔开的独立反应室。
为了避免存疑，此处明确表示，上述各实施方式在技术上合理可行的任何组合方式均属于本发明的考虑范围。
附图说明
图1所示为本发明的超高速工艺。
图2所示为可用于本申请所述工艺的反应器系统的另一布置方式。
具体实施方式
一项令人惊异的发现表明，通过在预处理步骤和至少一个完全厌氧处理步骤中施加严苛的选择压力，废水处理所需的固体/水力停留时间可有效缩短至少于20天，而且当采用中温温度条件时，可得到尤其令人惊异的效果。为了处理更难分解的有机材料，该工艺中还可添加最终精化步骤。
本申请中公开一种超高速厌氧系统，包括小尺寸前导室，超高速消化器/腔室，以及下游可选设置的用于精化目的的高速消化器/腔室。所述腔室和消化器可相互物理分离，或者通过隔板(如同心隔板)整合于同一容器内。从所述前导室向各消化器的流动可通过溢流或泵送方式实现。该小尺寸前导室用于促进水解和产酸，其所产生的可溶性简单有机化合物(主要为VFA)送入所述超高速消化器中，并用作底物，以从种泥中选择和富集特定的产甲烷菌。由于选择的特定产甲烷菌非常强劲，因此所述超高速消化器内可期会发生稳定快速的产甲烷效果。其中，这些产甲烷菌响应快速HRT的选择压力而使得其群落结构和代谢途径做出适应性改变。所述可选的精化消化器旨在进一步消化更难降解的有机物。
在本申请中，“超高速”和“高速”两词指反应器和/或处理系统内发生的反应的速度，并因而进一步指反应器和/或处理系统内的工艺条件，而并非对反应器和/或处理系统本身进行定义。当“超高速”一词用于本申请中的某个反应器时，其可涵盖0.1～10天(如0.1～5天，再如0.3～3天)的水力/固体停留时间(H/SRT)。当“高速”一词用于本申请中的某个反应器时，其可指3～20天(如3～10天，再如3～7天)的H/SRT。需要注意的是，本申请中使用的“超高速”和“高速”两词可能互有重叠。当“超高速”一词用于整个工艺时，其可指3.1～23.1天的H/SRT，尤其可指3.1～11天，如6～10天的H/SRT。
由上可知，各处理阶段的速度比各反应器本身的尺寸更为重要，其中，各处理阶段的速度受控于施加至各个反应器的条件。可以理解的是，当反应条件设定为允许具有比现有系统(一般20天以上)更快的反应时间(即短的H/SRT)时，所需的反应器的尺寸相对于现有处理厂处理相同量的废水时所需的尺寸也将缩减。例如，就本申请而言，“小尺寸前导室”一词指的是小于所述第二反应器(上称超高速反应器)的第一反应器。其中，当以体积衡量两者的相对尺寸差异时，所述小(第一)反应器与超高速(第二)反应器的体积之比可以为1:5～1:20。类似地，超高速反应器与高速反应器的体积比可以为1:1～1:8。
相应地，本申请中公开的本发明涉及一种废水处理工艺，包括：向具有第一组操作条件的第一反应器提供废水；以及将所述第一反应器生成的流出物提供给具有第二组操作条件的第二反应器，其中：
(一)所述第一组操作条件包括厌氧条件，0.1～1天的水力/固体停留时间，30～70℃的温度，以及6.5～10的pH值；以及
(二)所述第二组操作条件包括厌氧条件，3～10天的水力/固体停留时间以及30～70℃的温度。
在本申请的实施方式中，“包括”一词可理解为，提到的特征必须存在，但并不限制其他特征的存在。或者“包括”一词也可涉及仅存在已列出的部件/特征的情形(例如，“包括”一词可替换为“由……组成”或“基本上由……组成”这两短语)。此处明确指明，上述广狭两种释义均可适用于本发明的所有方面和实施方式。换句话说，“包括”一词及其同义词可替换为“由……组成”这一短语或“基本上由……组成”这一短语或其同义词，反之亦然。
在本申请中，“废水”一词是指含一种或多种污染物的水的来源。在本申请中，“污染物”指存在于废水中的碳质和其他不良物质，如生物的、有机的和其他的废物，但尤其涉及生物和有机废物。当排放于环境中或从废水处理系统排除出的废水中存在高含量的此类物质时，将产生问题，因此这些物质为不良物质。在城市废水的情况下，所述污染物可包括可溶解的和悬浮的废物，例如粪便、有机酸、纤维等。在工业废水等其他类型的废水中，所述污染物可包括相应工业过程中释出的特定副产品或废料，如微小的纸纤维。本领域技术人员可理解的是，本发明适用于各种各样的废水，而且“污染物”的含义将随情境而变。
可以理解的是，上述废水可以为通常包含可生物降解固体的有机废水。该有机废物可例如为污泥、食物废物、油性废物、高有机水平固体废物或其任何组合。在某些实施方案中，所述污泥可以为废活性污泥。通常情况下，所述有机废物的总固体浓度为大于或等于3g/L至小于或等于50g/L。
“厌氧条件”是指不向培养中的微生物种群供氧的反应器阶段。在这些处理阶段中，随着微生物生长过程中对氧的消耗，溶解氧水平逐渐变化。在这一背景下，在厌氧处理阶段中将溶解氧水平保持为约零应理解为，不向培养中的微生物种群供应氧，以使得溶解氧水平降至零左右，例如降至废水处理方法中使用的标准溶解氧传感器的检测限以下。
所述第一和第二反应器的30～70℃这一温度范围同时涵盖了中温(即30～45℃)温度条件和高温(即41～70℃，或更尤其为46～70℃)温度条件。如上所述，所述第一和第二反应器可在温度方面相互独立地操作，以使得所述第一反应器可工作于中温条件下，而所述第二反应器工作于高温条件下；反之亦然。或者，所述第一和第二反应器均可工作于高温或中温温度条件下。
如上所述，所述第一反应器的pH值可保持于6.5～10。然而，可以理解的是，该范围内的7.0～9.0(如8.5～9.0)等特定pH值区段可更为优选。需要注意的是，当将所述第一反应器的pH值保持于7.0～9.0这一范围，或尤其8.5～9.0这一范围时，上述三个反应器中的任何一个都无需使用温度45℃以上的温度。也就是说，通过使用7.0～9.0这一pH值范围，或尤其8.5～9.0这一pH值范围，使得本超高速工艺中使用的所有反应器(即所述第一、第二、第三(如有)反应器)均可使用中温温度条件。合适的中温温度范围可以为本申请所提及的范围，或者尤其为30～40℃这一温度范围，如30～37℃，再如35℃。举例而言，第一反应器采用8.5～9.0的pH值时，所述系统可在本工艺中的所有反应器均采用30～37℃(如33～35℃)的温度下运行。
本申请中的整个系统可称为超高速厌氧系统。本申请所述的该超高速厌氧系统由小尺寸腔室(即第一反应器或前导室)和超高速消化器/腔室(即第二反应器)组成。后一腔室的下游可选地设置用于精化目的的高速消化器/腔室(在本申请中也称第三反应器)。其中，“高速”和“超高速”两词的定义如上。腔室/消化器既可以为相互分离的容器，也可以通过隔板(如同心隔板)整合于一个容器中。从前一腔室/消化器向后一腔室/消化器的流动可通过溢流或泵送实现。
如本申请所示，所述第一反应器(或前导室)具有至0.1～1天(如0.3～1天)的快速S/HRT。因此，所述第一反应器表现出比所述第二反应器快得多的S/HRT(3～10天)。这一设计使得所述第一反应器的物理尺寸可远小于所述第二反应器，因为第一反应器内的材料在其内所花费的时间相对较少。相应地，所述第一反应器的体积与第二反应器的体积之比可以为1:5～1:20，如1:8～1:15，再如1:10。
在本申请所述反应器系统的初始设置中，将种泥(如取自大型废水处理厂的单级厌氧污泥消化器)灌入所述小尺寸前导室和随后的腔室室/消化器当中的每一个。在初始设置之后，可将“种子”(即含微生物的污泥)连续或周期性地进料至所述小尺寸前导室，其中，该种子可来自大型废水处理厂的单级厌氧污泥消化器，或者来自所述系统本身的第二和/或第三反应器。所述小尺寸前导室用于能够促进水解和产酸的选型。也就是说，通过混合方式(如机械混合)，尤其pH值、温度及短HRT(即0.1～1天，如0.3～1天)等受控的操作条件，促进具有更高水解和产酸作用的所需微生物群落的富集。随后，由选出的细菌在前导室内所生成的包括VFA、糖质、氨基酸在内的可溶性化合物产物引入所述超高速腔室/消化器。该腔室/消化器内的受控操作条件(包括短HRT，即3～10天，如3～6.5天，再如3天)可促进能够对来自前导室的进料进一步进行水解和产酸的微生物的选型和富集。来自所述前导室(第一反应器)的进料中同样含有大量的适于作为产甲烷菌底物的VFA，因此能够促进所述第二室内的特定产甲烷菌的富集。所述前导室和第二室内的短HRT的选择压力均能够将缓慢生长型甲烷鬃菌科(Methanosaetaceae)(MST)淘汰，而将甲烷微菌目(Methanomicrobiales,MMB)和甲烷杆菌目(Methanobacteriales,MBT)等氢营养型产甲烷菌以及乙酸分解型产甲烷菌(如甲烷八叠球菌科(Methanosarcinaceae)(MSC))保留并富集于所述第二腔室/超高速反应器内。上述第一和第二反应器的总S/HRT可以为3.1～11天，尤其为3.1～8天，如3.3～小于8天(如3.3～6天，再如3.3天)。
厌氧污泥消化过程中的产甲烷菌一般包括乙酸分解型产甲烷菌，甲基营养型产甲烷菌以及氢营养型产甲烷菌。甲烷鬃菌科(MST)和甲烷八叠球菌科(MSC)属于乙酸分解型产甲烷菌家族。甲烷鬃菌科(MST)为严格属于乙酸分解型产甲烷菌，生长速率缓慢。与此相对，甲烷八叠球菌科(MSC)这一乙酸分解型产甲烷菌以及氢营养型产甲烷菌(如消耗氢并生成甲烷的甲烷微菌目(MMB)和甲烷杆菌目(MBT))的生长速率相对高于甲烷鬃菌科(MST)。这一生长速率差异使得本申请所述的超高速反应器系统能够通过提供合适底物以及适当的工艺控制的方式，实现所需微生物群落的选型和富集。其中，由乙酸盐生成的甲烷约占甲烷总生成量的三分之二。
在所述超高速消化器(即第二反应器)内，乙酸盐可循如下两途径生成甲烷：甲烷八叠球菌科(MSC)介导的乙酸盐直接分解途径；以及由互养乙酸盐氧化剂(SAO)与甲烷微菌目(MMB)和甲烷杆菌目(MBT)等氢营养型产甲烷菌之间的互养关系所实现的SAO途径。因此，该超高速消化室(即第二反应器)可在相对严苛的操作条件(快速HRT/SRT)下同时实现挥发性固体的溶解以及甲烷的生成。所述可选的额外高速消化器(即第三反应器)用于进一步的精化，而且所述超高速消化器腔室内富集的微生物种群引入精化消化器/腔室以发展出能够对更加难于降解的残留有机材料具有水解、产酸、产乙酸、产甲烷作用的强劲群落。
由上可知，在初始设置阶段(如10～40天)之后，运行本工艺的反应器可基本不含缓慢生长乙酸分解型产甲烷菌(即来自甲烷鬃菌属的细菌)。在本文中，“基本不含”一词表示，在本申请所述的废水反应工艺的初始设置阶段之后，所述微生物种群的样本中，微生物种群的含量小于10％，如小于5％，如小于1％，如小于0.5％，如小于0.1％，如小于0.0001％。
当存在第三反应器时，该第三反应器可工作于第三组工作条件下，该第三组条件可包括厌氧条件，3～20天的水力/固体停留时间以及30～70℃的温度。可以理解的是，所述第三反应器的温度条件可以为中温或高温，而且与所述第一和第二反应器的温度条件无关。虽然合适的H/SRT可从3～20天这一范围内任意选择，针对所述第三反应器，本申请中可尤其提及的S/HRT范围为3～8天，如4～7天。如上所述，第三反应器在本工艺中为可选纳入的。例如，如果所述第一和第二反应器的总H/SRT为8天或超过8天时，则无需设置第三反应器。相应地，当所述第一和第二反应器的总水力/固体停留时间少于8天时，在本工艺中包括第三反应器将产生尤其有益的作用。
当存在第三反应器时，其尺寸既可与所述第二反应器相同，也可大于第二反应器。该尺寸可由所述第二和第三反应器的S/HRT决定，其中，所述第三反应器的S/HRT可等于第二反应器的S/HRT，后者所述第三反应器可具有长于第二反应器的S/HRT而需要更大的体积。有鉴于此，所述第二反应器的体积与第三反应器的体积之比可以为1:1～1:8，如1:1～1:7。
本工艺的一项优点在于，其可以以快速的总水力/固体停留时间运行，从而使得本工艺的总H/SRT可以为3.1～11天，如6～10天。对于含一个或多个工作于中温条件的反应器/消化器的工艺而言，这一处理时间令人惊异。
所述第一至第三反应器可采用任何合适的反应器。例如，所述第一反应器可以为连续搅拌槽式反应器。
图1公开一种适合用于本发明的超高速厌氧系统，该系统包括小尺寸前导室(R1)和超高速消化器/腔室(R2)，而且可选地于超高速消化器/腔室(R2)下游设置的用于精化目的的高速消化器/腔室(R3)。虽然图中出于说明目的，将各腔室/消化器示出为相互分离的容器，但是这些腔室/消化器既可以为相互分离的容器，也可整合至同一容器中。图2所示为一种类似系统，其中，单个反应器包含由隔板隔开的三个独立反应室(与图1类似，也标为R1～R3)，而且第一室(R1)设有中央机械搅拌器100。图2中箭头表示从中央的小尺寸前导室(R1)穿过消化器(R2)至精化室(R3)的移动方向。
所述小尺寸前导室(R1)通过控制混合方式(如机械混合)、pH值(碱预处理，pH＝9)、温度及短HRT(从约0.1～1天，如0.2～0.5天，如约0.3天)等操作条件，来进行增强型水解和产酸作用的选取，从而促进具有增强型水解和产酸作用的所需微生物群落的富集。入口10允许废水引入，以及在需要时引入本申请所述的微生物种子。随后，R1中生成的包括挥发性脂肪酸(VFA)、糖质及氨基酸在内的可溶性化合物产物被引入所述超高速腔室/消化器(R2)中，该引入可通过溢流或泵送实现。该第二反应器内的受控操作条件促进能够对来自前导室(R1)的进料进行额外的水解和产酸作用的微生物的选型和富集。实际上，来自所述前导室(R1)的进料不但有助于促进第二腔室中的特定产甲烷菌的富集/选型，而且还作为R2内已选出的产甲烷菌的合适底物。R2中的短HRT(约3～10天，如3～5天，再如约3天)施加的选择压力将缓慢生长型产甲烷菌淘汰，并同时将氢营养型产甲烷菌(如甲烷微菌目，甲烷杆菌目(MBT))以及乙酸分解型产甲烷菌(甲烷八叠球菌科(MSC))保留和富集于R2中。因此，R2可同时实现挥发性固体的溶解以及甲烷生物气体的生成。下游的可选高速消化器(R3)旨在用于进一步的精化，即R2内富集的微生物种群被引入R3(其HRT可以为约3～20天，更尤其为约5～10天，如7天)中以发展出能够对残留(更加难于降解)的有机材料具有水解、产酸、产乙酸、产甲烷作用的强劲群落。
在该超高速厌氧系统中，R1中可实现更高的水解和产酸作用，而这些作用产生的VFA正是下游的超高速R2和/或R3消化器内氢营养型产甲烷菌及乙酸分解型产甲烷菌的富集所需的底物。如此，可实现以约3.3～11天，如约6～10天的快速总HRT(现有两级厌氧消化器系统的总HRT一般为20天以上)，实现更为有效且更为稳定的消化效果。
如上所述，在本申请所述的超高速厌氧系统中，小尺寸前导室内可实现更高的水解和产酸作用，而其产生的VFA用作底物以在随后的超高速消化器内富集甲烷微菌目(MMB)和甲烷杆菌目(MBT)等氢营养型产甲烷菌以及乙酸分解型产甲烷菌(如甲烷八叠球菌科(MSC))。因此，涉及通过乙酸盐氧化而生成甲烷的“乙酸盐直接氧化”途径和“先乙酸盐共养氧化(SAO)，后氢营养型产甲烷”途径均能够实现。其中，所述超高速消化器内可发展出与特定代谢途径相应的特定微生物群落结构。因此，该系统能够实现高速、高效、稳定的消化效果。该超高速厌氧系统能够通过以约6～10天的短HRT运行而实现稳定良好的消化效率。
以下为本工艺进一步的操作细节：
一、所述小尺寸反应室、超高速消化器以及精化消化器能够在物理上相互分离设置，或者通过隔板(如同心隔板)整合于同一容器内。其中，混合物流通过溢流或泵送作用从所述小尺寸前导室流入下游消化器内。所述小尺寸前导CSTR室用于细菌群落的选型和水解及产酸作用的增强。该前导室的HRT/SRT为0.3～1天，温度范围可以为30～70℃。微生物种子可连续或周期性地从下游厌氧消化器或外部来源抽取(如从传统厌氧废水处理场所抽取活性污泥)。工作pH值优选控制于7.0～9.0(如8.5～9.0)范围内。虽然临时加入氢氧化钠等碱对于控制pH值可能是必要的，然而将pH值控制于窄范围内是不必要的，即使其在某些情况下对确保系统内的所有反应器均可采用中温温度是有利的。所述小尺寸前导室的加碱操作通常由pH值控制器以及加料泵系统自动完成。如果反应室内操作于55～70℃的高温，则可能无需加碱。需要注意的是，除非施以专家级的应对措施，否则高温可导致发生反应系统稳定性方面的问题。
二、对于下游的超高速消化器/腔室，HRT/SRT一般保持于3～8天。此外，温度既可保持于中温温度条件，也可保持于高温温度条件，而且该消化器内的pH值预期会自行稳定于7.2～7.6，一般无需pH值控制。
三、对于所述可选的下游精化消化室，HRT/SRT一般为3～20天。温度既可保持于中温条件，也可保持于高温条件。当所述前导室和超高速消化器/腔室的总HRT/SRT为8天或更长时，可无需设置该精化消化器。该精化消化器内的pH值预期会自行稳定于7.2～7.6，一般无需pH值控制。
四、在初始的选型和富集期间，可能会观察到超高速消化器/消化室内的VFA的积累浓度高达7000mg COD/L，尤其在该超高速消化器操作于3天的短HRT下时，这是由于初始时其内的产甲烷菌数目相对较小。在该初始阶段，由于VFA有助于氢营养型产甲烷菌(如甲烷微菌目(MMB)和甲烷杆菌目(MBT))和乙酸分解型产甲烷菌(甲烷八叠球菌属)夺取优势，因此高的VFA积累浓度较为有利。一般情况下，该超高速消化器/消化室能够在35天的时间内发展出稳定的富集微生物种群。
五、在选型和环境适应后，所述中温小尺寸前导室内实现富集的细菌群落预期有食蛋白质菌属(Proteiniborus)、黄杆菌科(Flavobacteriaceae)、泰氏菌属(Tissierella)、无胆甾原体属(Acholeplasma)以及假单胞菌属(Pseudomonas)。其中，食蛋白质菌属为一类以蛋白质为发酵底物，并主要生成乙酸、氢和二氧化碳的发酵性细菌。此类细菌可耐受6～10的pH值。黄杆菌科为一类主要能够利用碳水化合物的发酵性细菌。泰氏菌属的最佳生长条件为中温条件。此类细菌生成乙酸、丁酸和异戊酸，并且喜好8.3的最优pH值。无胆甾原体属为一类兼性厌氧微生物，能够生成用于产甲烷步骤的有机酸。假单胞菌属能够产生蛋白酶，并与本增强型污泥消化工艺中的蛋白质水解有关。使用在高温温度条件下运行的小尺寸前导室预计可获得类似的细菌种群。
六、所述超高速消化器和精化消化器内的细菌群落预计为未分类拟杆菌门(Bacteroidetes)，黄杆菌科，梭菌属IV(Clostridium IV)以及单丝壳属(Sphaerochaeta)。拟杆菌门在蛋白质和碳水化合物的降解中具有更高的水解活性。梭菌属IV由表型特征各不相同的多种细菌组成。例如，突那梭菌(Clostridium ultunense)为一种中温共养型乙酸盐氧化微生物。单丝壳属为化学营养型厌氧微生物，其生长于碳水化合物上以在葡萄糖发酵过程中生成乙酸盐、甲酸盐及乙醇等最终产物。共养单胞菌属(Syntrophomonas)为一类丁酸氧化菌，而且预计为所述超高速和精化(如有)两消化器内的主导菌，而斯氏菌属(Smithella)(一种丙酸氧化剂)将仅见于所述精化消化器(当其是所述系统的一部分时)内。
七、在所述超高速消化器和精化消化器内的产甲烷菌群落中，主导菌为乙酸分解型产甲烷菌(甲烷八叠球菌科(MSC))以及氢营养型产甲烷菌(甲烷囊菌属(Methanoculleus)。缓慢生长乙酸分解型产甲烷菌(如甲烷鬃菌科(Methanosaetaceae,MST))被淘汰，且无法在所述超高速消化器和精化消化器(如有)中检测到其存在。甲烷八叠球菌科消耗乙酸盐和氢两种物质。甲烷囊菌属属于甲烷微菌目(MMB)。因此，所述超高速消化器和精化消化器内的乙酸盐产甲烷途径可能同时包括甲烷八叠球菌科的乙酸盐直接分解路径，以及由梭菌属这一互养乙酸盐氧化剂与甲烷八叠球菌科和/或甲烷囊菌属之间的互养相互作用所实现的互养乙酸盐氧化(SAO)路径。
本发明适用于各种固体/污泥有机废物的消化，如城市固体废物、食物废物、污水沉泥以及有机工业污泥中的有机部分的消化。本工艺可用于有机废物的稳定化以及生物能源的回收。本发明可实现能源回收有关的高固体分解率。本发明可用于废水处理厂现有设施的翻新，从而免于对现有处理设备进行完全重建。在翻新情形中，通过纳入本发明，还可以扩大现有设施的处理容量，从而免于因需求的增大而扩充现有处理设施的需求。
实施例
实施例1
本申请所述超高速系统用于处理实验室规模的城市污泥。该系统的全部三个反应器内在中温条件(保持于约35℃)下工作的总HRT为10天(前导室(第一反应器)0.3天，超高速消化器(第二反应器)3天，精化消化器(第三反应器)约6.7天)。第一反应器的pH值保持于8.5～9.0这一范围。挥发性固体VS的分解率为43±5.8％，甲烷收率为0.275±0.029L/g VS进料量或0.640±0.094L/g VS消除量。
实施例2
设置的第二反应系统与实施例1中的系统的区别在于，全部三个反应器在中温条件(保持于约35℃)下工作的总HRT为6.3天(前导室0.3天，超高速消化器3天，精化消化器3天)。第一反应器的pH值保持于8.5～9.0这一范围。挥发性固体VS分解率保持于36.7±2.4％，甲烷收率为0.211±0.016L/g VS进料量或0.658±0.106L/g VS消除量。

Claims (21)

1.一种废水处理工艺，包括：向具有第一组操作条件的第一反应器提供废水；以及将所述第一反应器产生的流出物提供给具有第二组操作条件的第二反应器，其特征在于，
(a)所述第一组操作条件包括厌氧条件，0.1～1天的水力/固体停留时间，30～70℃的温度以及6.5～10的pH值；以及
(b)所述第二组操作条件包括厌氧条件，3～10天的水力/固体停留时间以及30～70℃的温度。
2.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于，所述第一组操作条件中的pH值保持于7.0～9.0范围内。
3.根据权利要求2所述的工艺，其特征在于，所述第一组操作条件中的pH值保持于8.5～9.0范围内。
4.根据权利要求1至3当中任何一项的所述工艺，其特征在于，所述第一和/或第二组操作条件中的温度保持于30～45℃范围内。
5.根据权利要求1至4当中任何一项所述的工艺，其特征在于，所述第一和/或第二组操作条件中的温度保持于41～70℃范围内，如46～70℃范围内。
6.根据前述权利要求当中任何一项所述的工艺，其特征在于，
(a)所述第二反应器的水力/固体停留时间为3～6.5天；和/或
(b)所述第一和第二反应器的总水力/固体停留时间为3.1～8天，如3.3～小于8天。
7.根据权利要求1至6当中任何一项所述的工艺，其特征在于，所述工艺还包括将所述第二反应器生成的流出物进料至工作于第三组操作条件的第三反应器内，所述第三组操作条件包括厌氧条件，3～20天的水力/固体停留时间以及30～70℃的温度。
8.根据权利要求7所述的工艺，其特征在于，所述第三反应器的水力/固体停留时间为3～8天，如4～7天。
9.根据从属于权利要求5的权利要求7或8所述的工艺，其特征在于，当所述第一和第二反应器的总水力/固体停留时间少于8天时，设置所述第三反应器。
10.根据权利要求7至9当中任何一项所述的工艺，其特征在于，所述第三组操作条件中的温度保持于30～45℃范围内。
11.根据权利要求7至9当中任何一项所述的工艺，其特征在于，所述第三组操作条件中的温度保持于41～70℃范围内，如46～70℃范围内。
12.根据前述权利要求当中任何一项所述的工艺，其特征在于，微生物种子在操作过程中连续或周期性地进料至所述第一反应器内，所述微生物种子可选地得自所述第二反应器和/或第三反应器。
13.根据前述权利要求当中任何一项所述的工艺，其特征在于，所述第一反应器为连续搅拌槽式反应器。
14.根据前述权利要求当中任何一项所述的工艺，其特征在于，所述第一反应器内的所述条件适于提供富含食蛋白质菌属、黄杆菌科、泰氏菌属、无胆甾原体属以及假单胞菌属的细菌种群。
15.根据前述权利要求当中任何一项所述的工艺，其特征在于，所述第一反应器的体积与第二反应器的体积之比为1:5～1:20，如1:8～1:15，再如1:10。
16.根据前述权利要求当中任何一项所述的工艺，其特征在于，所述第二反应器的体积与第三反应器的体积之比为1:1～1:8，如1:1～1:7。
17.根据前述权利要求当中任何一项所述的工艺，其特征在于，所述第二反应器和第三反应器(如有)内的所述条件适于提供富含甲烷八叠球菌属中的乙酸分解型产甲烷菌、氢营养型产甲烷菌、未分类拟杆菌门、黄杆菌科、梭菌属IV以及单丝壳属的细菌种群。
18.根据前述权利要求当中任何一项的所述工艺，其特征在于，所述第一、第二以及第三(如有)反应器内的所述条件中基本不含甲烷鬃菌属(Methanosaetaceae)中的缓慢生长乙酸分解型产甲烷菌。
19.根据前述权利要求当中任何一项所述的工艺，其特征在于，所述工艺的总水力/固体停留时间为3.1～11天，如6～10天。
20.根据前述权利要求当中任何一项所述的工艺，其特征在于，所述第一、第二以及第三(如有)反应器为相互分离的容器，或者所述第一、第二以及第三(如有)反应器当中的一个或多个容纳于同一容器内以形成由隔板(如同心隔板)隔开的独立反应室。
21.根据前述权利要求当中任何一项所述的工艺，其特征在于，所述第一组操作条件中的水力/固体停留时间为0.3～1天。
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