王凯军教授，清华大学环境学院副院长，是厌氧大师lettinga教授唯一一位来自中国大陆的博士生。他是我国厌氧技术的重要推动者，是厌氧发展中扮演着承上启下、链接中外、创新发展的关键人物。由他和左剑恶、贺延龄以及山东十方公司组成的第三代厌氧研究团队，提出了设备标准化这样极大促进了厌氧发展的战略性思想，实现了UASB工艺关键技术和颗粒污泥培育技术的重大突破，推动实施了UASB等厌氧反应器的工程应用推广，带来了我国厌氧技术的迅猛发展，为我国厌氧技术的产业化做出了卓越的贡献。如今的厌氧技术，已经在一代又一代厌氧人的努力下走向成熟，厌氧技术发展未来的方向在哪？值得大家深思。本文是王凯军教授对未来厌氧工艺应用和创新方向的思考，根据他在“中国城镇污泥处理处置技术与应用高级研讨会（第七届）”上的演讲录音整理而成。
1我国污泥处理处置现状
伴随着快速城市化进程，我国的污泥产量将不断增加。2015年突破了3500万吨，预计到2020年污泥产量将突破年6000万吨。此前，污泥处理的资源化、能源化导向是非常明显的，但是技术路线一直不是非常明确，但从这几年国家发展改革委和住建部发布的文件来看，都对污泥处理处置的技术路线与方案选择、单元技术、污泥处置方式及相关技术进行了明确规定，从政策的引导、技术路线的选择、技术研发、可持续性等方面，厌氧消化技术占据了重要的位置。
图1我国污泥处置现状
2厌氧消化技术现状和挑战
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，因为在各个领域如果讲资源循环利用、可再生能源等等，厌氧技术无疑是一个减排的关键技术，而且从技术受资金追捧程度来讲，在厌氧领域有达到300倍以上的，这个数字是非常引人注目的。
厌氧消化技术的发展瓶颈：
1、污泥破壁问题：由于剩余污泥的细胞壁结构稳定、难于生物降解，所以需要解决细胞壁的破壁难题，才能保证污泥的有效降解。
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与产甲烷菌各自最优环境，实现高效产甲烷。
3、厌氧系统能量净输出低：系统能耗远远高于系统产能，难以实现能源自给。需要解决高效热电联产、高浓度厌氧、多物料厌氧，才能实现自给。
这三个方面是我国厌氧消化技术目前的瓶颈，解决这三个方面的问题有不同的技术路线。
第一，解决破壁问题。
解决破壁问题有微波等预处理手段，但是现在大家好象都认同热水解，热水解确实能使得污泥中的细胞破壁，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，池容也得以消减，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。
表1威立雅（VEOLIA）水热预处理对氧消化对比
第二，酸化水解问题。
30年前，甚至50年前教科书中已经提出中温消化、高温消化。有一个非常奇怪的现象：厌氧菌在35℃时活性最高，在50℃的时候表现也非常好，但在40℃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工艺，就是利用水解酸化菌在45℃到50℃之间进行温度分级，进行水解酸化，在第二级采用厌氧消化，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。美国提的冷却换热等等系统比较复杂，我们的则简化了工艺流程，45℃之后直接进入了中温厌氧，不需要额外的加热系统，甲烷的产率提高比较大，中温的消解率也得到了提高，这是我们针对水解酸化做的一些工作。
图2温度分级生物分相工艺优点
第三，我国厌氧消化后能源自给率非常低的问题。
我们国家的厌氧消化能源自给率在20%~30%，国外可能已经达到了30%~50%。其实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、污水处理厂的节能等，都能提高污水厂的自给率，而进一步通过水热还可以提高，通过共消化可以提高的更多。
图3国内外厌氧消化能源自给率对比
回顾一下厌氧的发展历史，污水处理最早是从厌氧开始的，从腐化池，到上世纪三十年代的时候提出的厌氧接触工艺。值得一提的是70年代中期荷兰学者lettinga教授发明了UASB，把负荷大幅度的提高，在UASB里生成颗粒污泥以后采用EGSB和IC反应器，使得污泥的处理负荷进一步提升，这是一个巨大的进步。
相反地，我们的厌氧消化池虽然也有一些进展，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，我们还有一些厂子用它处理垃圾，但是到今天进展却有限，只是在材料、搅拌、发电设备等方面进行了一些改进，在原理上比几十年前没有太大的改变。这样就给污泥处理带来一个问题，采用消化池以后它的经济效益低下，因为采用消化池处理厌氧之后，还要考虑污泥需要不需要高干脱水，需不需要堆肥、焚烧，后续处置怎么办等方面问题。
我们的投资已经达到20多万到60万，每吨污泥的处置费用需要几百块钱。在这样的情况下，再加上后续的处理，例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，所以它的经济效益是非常差的。这只是简单的一些统计，怎么解决这一系列的问题，还涉及到共性的反应器、反应原理的问题。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。
图4厌氧消化池应用领域和问题
3厌氧消化技术创新思路
我先给大家举个例子：大家知道美国航天飞机的大小是怎么确定的吗？是由两个推翼的大小来决定的，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，这样推下来以后跟古罗马的马车有关系，最终是由马屁股的大小决定的。举这个例子是想问两个问题：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，固态的污泥已经变成了溶解性的状态，如果此时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。
为什么对产甲烷化提出疑问？
第一，除甲烷外，在厌氧消化里头还产生其它物质，如乙醇、乙酸、丙酸、丁酸、产氢等等。以前我们认为就只产甲烷，实际上国际上对PHA、染料以及合成新的长链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，为此还专门成立了一个平台——VFA平台，在这个平台上我们可以做很多不同于传统的事情。
图5厌氧消化产物
第二，其它产物的经济价值也远远高于甲烷，乙醇、乙酸等的价格都高于甲烷几倍，甚至天然气的价格也是高于它的。
第三，产酸化的反应时间比产甲烷化短，且反应器负荷高、稳定性好。产甲烷化时间要达20天、30天，甚至40天之久，而酸化发展非常快，几天就可以完成，更能适应复杂有机废物的高负荷反应器的稳定运行。第四，无甲烷菌抑制问题。酸化对环境因素敏感性弱于产甲烷菌。所以说产酸发酵应该成为现在的厌氧消化非常重要的研究热点。
有了这样的创新思路我们怎么来施行呢？我们要遵循"师法自然"的规律。
第一，我们知道人、一些动物对有机物降解的效率远远高于我们现在的反应器。简单说食草性的动物和杂食性的动物胃的消化系统是完全不同的。基于这个我们来看人的胃的消化系统是什么，到胃里是以胃酸为主，通过推流反应器、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。
第二，我们看一下水解酸化，如果控制pH，在酸化项6左右，主要产生了丁酸、丙酸、乙酸。如果我们不控制pH，在很短的停留下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，成为了主导产物。所以我们在不同的负荷下，控制pH值等于4，90%以上的产物就是乙醇、乙酸。
如此，我们就可以把所有的产物类型进行定义，提出一个产乙醇发酵的途径。这样做有什么好处呢？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，正是这样的思路导致了我们进行了一些开发。
图6水解酸化过程
第三，厌氧颗粒污泥取得成功，颗粒污泥是提高反应器效率的有效技术。怎么提高效率？提高效率的关键之一就是产酸的情况下能不能形成颗粒污泥。我用餐厨垃圾研究结果（如图7）说明一下：产乙酸污泥跟酸化结合起来后，我们酸化负荷达到20kg，而后续处理的负荷也能够达到23kg，从整体上来看，一个产酸的反应器加一个甲烷的反应器，整体的负荷达到平均20kg左右，整个的停留时间不到4天，出水也非常好，出水总的COD是500mg/L。第四，沿着前面的思路往下推进，我们是不是能够进一步开发仿生的反应器。我们大家都知道，牛是食草动物，所以有瘤胃，瘤胃反应器大家研究得比较多。瘤胃的负荷非常高，能够达到130kg，而秸秆处理厌氧的话只能到3kg，差了2个数量级。
图7高含固率物料厌氧发酵---餐厨垃圾
那么瘤胃系统跟我们的反应器有什么不同？
1.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℃，那么对秸秆到底是35℃、33℃最优，还是其他温度最优？
2.我们的反应器里反应的产物都是集中的，而在瘤胃系统里面，产物降解后通过隔膜很快被肠胃系统吸收了，所以它就没有形成产物的抑制。
3.我们的厌氧反应是绝对的厌氧，瘤胃通过干湿交替、通过反刍是一个交替的厌氧。
4.在条件上，我们是单一的湿发酵，瘤胃是干湿发酵。这些不同点可能就是我们现在厌氧反应器低效的原因。我有一个博士生在做这种研究，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，得出了一个结果：提高甲烷产率，时间可以大大缩短，具体可以缩短到3-5天，而水解最优的温度跟以往的认识是不一样的，动态的应该是39℃。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，研究水解和酸化的差别就更少，间歇的厌氧、好氧的条件也能提高产率。
总结以后，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和分离过程，仿造牛的系统的网胃和瓣胃的功能，而后续到了发酸、水解以后，我们现在的EGSB就能很好地解决了，达到几十kg的负荷也没有问题。这个工艺的效果也非常好，前面讲的餐厨我们已经到了中试阶段，这个工艺完成了小试的工作。
图8基于乙醇（乳酸）型发酵的新型两相技术过程物质流变化图
原标题：深度 | 王凯军：创新厌氧技术 引领厌氧领域新格局
