点击附件下载.doc

水解酸化污水处理工艺研究 中国市政工程中南设计研究总院 摘要：本文在介绍水解酸化工艺的基本原理、反应控制条件的基础上，分析了水 解酸化工艺的设计要点及研究应用现状，为工程设计和科研提供参考。 关键词：污水处理 水解酸化 厌氧消化 水解酸化工艺能将污水中的非溶解性有机物转变为溶解性有机物，将难生物 降解有机物转变为易生物降解有机物，提高污水的可生化性，通常用于生化工艺 的预处理，同时由于水解酸化可以去除一部分有机污染物，减少后继处理设备的 曝气量，降低污泥产率，节约能耗，逐渐在污水处理尤其是高浓度及难降解有机 废水处理中得到了广泛的应用[1]。 1 水解酸化反应机理 1.1 基本概念 水解酸化的净水机理主要包括两个方面：首先是在细菌胞外酶的作用下，将 复杂的大分子不溶性有机物水解为简单的小分子水溶性有机物；然后是发酵细菌 将水解产物吸收进细胞内，排出挥发性脂肪酸（VFA） 、醇类、乳酸等代谢产物。 在厌氧条件下，水解和酸化无法截然分开，水解菌实际上是一种具有水解能力的 发酵细菌，水解是耗能过程，发酵细菌付出能量进行水解是为了取得能进行发酵 的水溶性底物，并通过胞内的生化反应取得能源[2]。 1.2 水解酸化与厌氧生物处理工艺的关系 随着能源问题的日益突出，以往仅用于污泥处理的厌氧生物处理工艺由于能 耗低、有机物负荷高、污泥产量相对较少、可回收生物能源（沼气）等优点，在 污水处理中也越来越受到重视。 厌氧生物处理是经大量微生物的协同作用来完成的，根据微生物的生物种群， 复杂有机物的厌氧降解过程是分别在水解细菌、酸化发酵菌、产乙酸菌和产甲烷 菌的共同作用下分水解、酸化、产乙酸、产甲烷四个阶段完成的[3]，水解酸化工艺 是将有机物的降解过程控制在厌氧生物处理的前两个阶段。 水解酸化工艺最终产物主要为低浓度有机酸，而完整的厌氧生物处理工艺中， 水解酸化产物会立即经产乙酸、产甲烷反应转化为 CH4、CO2 和新的细胞物质。水 1 解酸化工艺对温度不需控制，优势菌种为兼性菌，要求氧化还原电位 ORP<50mV 即可，而厌氧生物处理工艺需对温度进行控制，优势菌种为厌氧菌，要求 ORP<-300mV[2]。 2 水解酸化工艺过程控制 2.1 水解酸化过程的主要影响因素 2.1.1 污水中有机物的性质 有机物的种类及形态对水解酸化过程有较大影响。如对多糖、蛋白质和脂肪 三类有机物而言，水解速率依次减少；对同类有机物而言，分子量越大，水解越 困难；就分子结构而言，直链比支链易于水解，支链比环状易于水解，单环化合 物比杂环或多环化合物易于水解；就粒径而言，颗粒性有机物（被 0.45µm 孔径的 过滤器所截留的物质）粒径越大，单位重量有机物的比表面积越小，水解速率也 越小。 2.1.2 pH 值 pH 值主要影响水解的速率、水解酸化的产物以及污泥的形态和结构。水解酸 化微生物对 pH 值有较大范围的适应性，水解过程可在 pH 值 3.5~10.0 的范围内顺 利进行，但最佳范围为 5.5~6.5。 2.1.3 温度 温度对水解反应的影响符合一般的生物反应规律，即在一定的范围内，温度 越高，水解反应的速率越大。但当温度在 10~20℃之间变化时，水解反应速率变化 不大，可见水解微生物对低温变化的适应性较强。 2.1.4 水力停留时间 水力停留时间是水解酸化工艺设计和运行的重要参数，一般水力停留时间越 长，被水解物质与水解微生物接触时间也越长，相应地水解效率也越高[2]。针对不 同的污水应通过试验确定合理的水力停留时间，一般地，对于城市污水可采用 2~5h， 对于印染废水等高浓度工业污水可采用 5~10h，或根据具体水质采用更长的水力停 留时间。 2.2 水解酸化过程维持方法 有机物厌氧降解过程包括水解、酸化(发酵产酸)、产乙酸和产甲烷几个阶段， 要维持良好的水解酸化反应，应根据水解酸化的特点创造合适的条件，并控制产 2 甲烷菌的生长。 水解酸化最适宜的 pH 范围为 5.5~6.5，而产甲烷菌的适宜 pH 范围为 6.8~7.2， 通过调整有机负荷或加酸调整 pH，可使反应维持在最佳的 pH 范围内。改变有机 负荷调整 pH 的理论依据为：提高有机负荷，引起系统内挥发性有机酸的积累，导 致 pH 值下降，而 pH 值的降低反过来又抑制了甲烷菌的增殖，使有机酸进一步积 累，导致 pH 更加降低，如此反复，系统可自然地进入最佳的水解酸化状态。加酸 主要适用于污水中含有大量难降解物质或含有大量的缓冲物质。 水解产酸菌与产甲烷菌生长速度不同，前者高于后者，当水解酸化泥龄较小 时，甲烷菌的数量将逐渐减少，直到完全淘汰。 另外维持良好水解酸化条件的方法还有适量投加 CCl4、CH3Cl 抑制产甲烷菌 生长，控制微量氧、调节氧化还原电位等[4]。 2.3 水解酸化反应程度的评价指标 水解酸化主要是将非溶解态、难生物降解的有机物转化为溶解态、易生物降 解的物质，反应进行的程度可用以下一些指标评价[2]。 2.3.1 pH 值变化 污水中糖类、蛋白质、脂肪等大分子物质经水解酸化后，将引起 pH 值下降， 测定进出水 pH 值的变化可间接反映水解酸化进行的状况，这是目前工程实践中最 为简便的方法之一，但当进水底物浓度较低或含有大量缓冲物质时，这一指标难 以适用。 2.3.2 溶解性 BOD(SBOD)和耗氧速率变化 测定进出水 SBOD 浓度、BOD/COD 比值以及耗氧速率的变化，可直接反映水 解酸化的工作状态。 2.3.3 NH3-N 浓度变化 含氮有机物中的氮经水解酸化反应后被转化为氨，当进水中含有含氮有机物 时，测定 NH3-N 浓度变化，也可反映水解酸化的工作状态，如焦化废水水解酸化 后 NH3-N 浓度明显高于进水。 2.3.4 挥发性悬浮物(VSS)变化 水解过程中，颗粒性有机物被转化为溶解性有机物，引起 VSS 减小。对于接 触式反应器，进出水 VSS 差值越大，表明水解程度越好；对于污泥床反应器，由 3 于出水 VSS 减少有可能是污泥层的截留作用所致，VSS 的变化只能部分反映反应 器的水解状态。 2.3.5 挥发性有机酸(VFA)变化 污水中的有机物经水解酸化反应后产物一般为 VFA。实际工程中，测定 VFA 变化是最准确、最常用、最方便的评价水解酸化进行状态的方法之一。 2.3.6 VFA/BAP 比值 生物化学产酸势(BAP)表示污水中可在水解酸化工程中转化为挥发性有机酸 (VFA)的有机物的最大量。测定水解酸化产生的 VFA 浓度与 BAP 比值可定量评价 水解酸化程度。该比值小于 1，比值越接近 1 表示水解酸化程度越高。 3 工艺设计要点 3.1 反应器类型 根据微生物的生长方式，水解酸化反应器可分为活性污泥法（悬浮生长型）、 生物膜法（附着生长型）和复合法（复合生长型）三种。 活性污泥法水解酸化反应器包含完全混合式和污泥床两种型式，如图 1、图 2 所示。完全混合式水解酸化反应器内设置搅拌装置实现完全混合，其后设置沉淀 池，并回流污泥以保证较高的污泥浓度，适用于含固率较高的污水；污泥床反应 器内水解污泥能较好地保留在反应器内，污泥层对悬浮物等有较强的截留作用， 其后一般不设沉淀池，适用于含悬浮物浓度相对较低的城市污水及难降解工业废 水。 图 1 完全混合式水解酸化反应器 图 2 上流式污泥床水解酸化反应器 由于水解酸化菌难以形成密实的絮凝体，易流失，难以维持反应器内的污泥 浓度，工程中多采用附着型反应器。复合法将活性污泥法和生物膜法结合在一起， 一般采用上流式，反应器下部为污泥层，上部设置填料[2]。 3.2 反应器容积计算 水解酸化反应器容积可以根据水解过程的动力学方程或经验值计算。 4 3.2.1 动力学法 水解是水解酸化过程的限制性阶段，颗粒性有机物的水解反应是颗粒性有机 物浓度的一级反应，对于连续式无污泥回流的完全混合系统，所需的反应器容积 V 为： V=Q(Spo-Sp)/(KhSp) （式 1） 式中：Q—进水流量，m3/h Spo—进水颗粒性有机物浓度，mg/L Sp—出水颗粒性有机物浓度，mg/L Kh—水解速率常数，h-1 Kh 通过试验确定，对于生活污水 Kh 一般为 0.1~0.2 h-1。 3.2.2 水力停留时间法 水力停留时间法是一种经验计算方法，反应器容积 V 计算公式如下： V=Qt （式 2） 式中 Q—进水流量，m3/h t—水力停留时间，h 水力停留时间根据经验或试验确定[2]。一般城市污水的水解酸化-好氧处理中， t 为 2-3h；难降解工业污水的水解酸化-好氧处理中，可参照类似或相关工程经验 确定，如印染废水可为 8-12h。 3.2.3 有机负荷法[5] 反应器的有效容积可根据处理污水的水量、浓度及容积负荷确定。 V=QS/q （式 3） 式中 V—有效容积，m3 Q—进水流量，m3/d S—COD 浓度，kg/ m3 q—容积负荷，kg/ (m3·d) 容积负荷需要试验确定，或参照同类污水经验值，一般可采用 1~3kg/(m3·d)。 3.3 剩余污泥量 有机物的水解酸化降解中，微生物自身得以增殖，同时不可生物降解的有机 物及无机固体的积累也不利于水解酸化的正常运行，为了保持水解酸化微生物的 5 活性，需要排除剩余污泥，控制泥龄，使微生物浓度维持在一个合适的水平，剩 余污泥排放量可参考式 4 计算[2]，实际运行中应根据污泥浓度变化确定。 ΔX=ΔX1+ΔX2-ΔX3=Q(Spo-Sp)+[µmSr/(Ks+Sr)-Kd]XV- KhSp Q （式 4） 式中：ΔX—排放的剩余污泥量，Kg/d ΔX1—进出水颗粒有机物的减少量，Kg/d ΔX2—微生物净增长量，Kg/d ΔX3—水解的有机物量，Kg/d X—水解污泥浓度，mg/L µm—水解微生物的最大比增长速率，h-1 Sr—溶解性底物浓度，mg/L Ks—饱和常数，mg/L Kd—水解微生物的衰减常数，h-1 其它符号意义与式 1 相同。 4. 工程实例 水解酸化工艺由于可有效改善污水的可生化性，提高污水处理效果，在试验 研究及工程实践中得到了广泛应用。 江苏某染织实业有限公司采用“水解酸化-活性污泥法-物化”工艺处理印染废 水，设计规模为 5000 t/d。该工艺中，水解酸化池从底部进水，顶部出水，采用脉 冲布水使布水均匀，减少污泥流失，同时池中装有填料，既增加了微生物量，又 可防止污泥上浮。另外，在水解酸化池的进出口设有 pH 自动监测仪，以便把握 pH 值的变化，及时调整，保证水解酸化池的稳定运行。停留时间为 3~5 h。运行结果 表明，进水 COD、BOD、SS、pH 分别为 1216mg/L、404 mg/L、454 mg/L、9；水 解酸化池出水 pH 为 8.5，进出水 B/C 分别为 0.33 和 0.35；工艺出水 COD、BOD、 SS、pH 分别为 85 mg/L、22 mg/L、49 mg/L、7，出水水质达到《纺织染整工业水 污染物排放标准》(GB4287-92)Ⅰ级标准[6]。 哈尔滨工业大学韩春威等采用水解酸化-生物接触氧化工艺和水解酸化-SBR 工 艺对屠宰废水进行试验研究，水解酸化反应器的总容积约 63.28L(有效容积 51.34L)， 反应器为圆柱体，Φ390 mm 上口不密闭，底部为圆锥形集泥斗，有一个进水口， 反应器内悬挂四根半软性填料，水解酸化反应器分为清水层区和污泥床区，反应 6 器的上部清水区填料与废水充分接触，反应器的下部为水解酸化反应器的接种污 泥，待处理废水以及补充的活性污泥由反应器底部进入反应器内，废水经过污泥 区与污泥充分的混合，污泥床类似于过滤层，拦截大部分的悬浮物，再与填料充 分接触，水解出水的色度也大幅度降低，出水由顶部排水口排出。研究结果表明， 水解酸化最佳水力停留时间为 8~10h，进水 COD 浓度为 480~1457mg/L 时，出水 COD 浓度稳定，COD 去除率随着容积负荷的增大而提高，水解酸化有一定的耐冲 击负荷能力，适宜的 COD 容积负荷为 2.91kg/(m3·d)左右。在此运行条件下，水解 酸化对 COD 去除率较高，可达到 50%左右[7]。 侍广良等采用“水解酸化-好氧”工艺对印染废水进行处理，其中水解酸化段 停留时间为 7~8h、COD 容积负荷为 1.5~2.5kg/m3·d，好氧段停留时间及 COD 容积 负荷分别为 4.5~5h 和 4.5~5kg/m3·d 的条件下运行时取得了良好的处理效果[8]。 卢大群等采用“混凝沉淀-水解酸化-好氧氧化-混合沉淀”工艺处理印染废水， 设计停留时间为 10h，选用半软性填料作为微生物载体。池底设置曝气管线予以搅 拌，以避免厌氧污泥于池底过量淤积，曝气量约为 2.0m3/min[9]。 张豪等采用“气浮-水解酸化-UBF-SBR” 工艺处理某制药公司的硫酸卷曲霉 素生产废水，其中水解酸化停留时间 16 h，在进水 COD 6000~20000 mg/L、SS 2000~5000 mg/L，BOD5ⅠCOD = 0.25~0.4 的条件下，该工艺出水水质能够达到 COD<300 mg/L、BOD5<50 mg/L、NH3-N<20mg/L，满足《污水综合排放标准》 (GB8978-1996)生物制药行业二级要求[10]。 5. 小结 水解酸化工艺可改善污水的可生化性，提高污水处理效果，减少后续生化处 理的反应时间和处理能耗。由于反应控制在厌氧降解过程的水解酸化阶段，故出 水无厌氧发酵所具有的不良气味，改了污水处理厂的环境；不需要密闭反应器， 不需要搅拌器和水、气、固三相分离器，降低了造价并便于维护，可以设计出适 合大、中、小型污水厂所需要的构筑物[11]。随着水环境恶化的加剧，有机污染物 浓度不断提高，成分也越来越复杂，水解酸化工艺因其特有的处理效能，将会有 更加广阔的应用前景。 参考文献 7 [1] 赵大传 倪寿清等. 生活污水水解酸化的研究[J]. 山东建筑工程学院学报，2006， 21(2)：154-158 [2] 李亚新. 活性污泥法理论与技术[M]. 北京：中国建筑工业出版社，2007： 511-526 [3] 赵庆良 刘雨等. 废水处理与资源化新工艺[M]. 北京：中国建筑工业出版社， 2006：68-82 [4] 孙美琴 彭超英 梁多. 水解酸化预处理工艺及应用[J]. 四川环境，2003，22(4)： 52-55 [5] 程凯英 黄石峰等. 水解(酸化)反应器在工程应用中的研究与展望[J]. 工业水处 理，2005，25(3)：39-42 [6] 李川. 水解酸化-活性污泥法处理印染废水研究[J]. 环境工程学报， 3(10)： 1789-1791 [7] 韩春威水解酸化-好氧工艺处理屠宰废水的试验研究[硕士学位论文]. 哈尔滨工 业大学，2007，6. [8] 侍广良 马华年. 悬浮、附着厌氧-好氧生物处理新工艺的研究与应用[J]. 中国 给水排水，1996，12(3)：4-6 [9] 卢大群 王厚俊等. 混凝沉淀-水解酸化-好氧氧化-混凝沉淀工艺处理印染废水[J]. 云南环境科学，2006，24(1)：48-50 [10] 张豪 杨兴富等. 气浮-水解酸化-UBF-SBR 工艺处理硫酸卷曲霉素生产废水的 研究[J]. 信阳师范学院学报:自然科学版，2008，21(4)：556-559 [11] 王松. 水解酸化-生物接触氧化工艺处理印染废水的试验研究[硕士学位论文]. 武汉理工大学，2005，11. 8