污水處理水解酸化工藝

　　長期以來，在污水處理領(lǐng)域，好氧生物處理技術(shù)一直占據(jù)著重要的位置。然而，近年來.隨著越來越多人工合成的有機物和有毒有害化學(xué)物質(zhì)的出現(xiàn)，污水處理尤其是工業(yè)污水的處理難度越來越大，傳統(tǒng)的單純依靠好氧生物處理技術(shù)已經(jīng)無法滿足需要。而且好氧法的高運行費用及剩余污泥處理或處置問題也一直是個難題。水解酸化處理技術(shù)由于其高效、低耗、投資省的特點，逐步成為人們關(guān)注的焦點。

　　顧名思義，水解酸化處理方法具有水解和酸化特點。水解是指大分子有機物在被微生物利用前，在胞外降解為小分子有機物的生物化學(xué)反應(yīng)。酸化是有機物降解的提速過程，因為它將水解后的小分子有機物進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為簡單的化合物并分泌到細(xì)胞外。污水處理過程中，通過水解酸化工藝中較高的污泥濃度和厭氧環(huán)境，實現(xiàn)污水中難生物降解有機物的分解和去除，可以降低處理成本，提高處理效率。

　　一、水解酸化工藝原理

　　有機物的厭氧生物降解過程可分為四個階段:一是水解階段，微生物通過釋放胞外自由酶或連接在細(xì)胞外壁上的固定酶來完成生物催化氧化反應(yīng)，二是發(fā)酵(或酸化)階段，酸化菌將上述小分子轉(zhuǎn)化為更為簡單的化合物并分泌到細(xì)胞外，主要產(chǎn)物有揮發(fā)性脂肪酸、醇類、乳酸等;三是產(chǎn)乙酸階段，指上一階段產(chǎn)物被進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為乙酸、氫氣、碳酸及新的細(xì)胞物質(zhì);四是產(chǎn)甲烷階段，指上一階段產(chǎn)物被轉(zhuǎn)化為甲烷、二氧化碳及新的細(xì)胞物質(zhì)。

　　水解酸化工藝就是考慮到產(chǎn)甲烷菌與水解產(chǎn)酸菌生長速度不同，將厭氧處理控制在反應(yīng)時間較短的厭氧處理第一和第二階段，即在大量水解細(xì)菌、酸化菌作用下將不溶性有機物水解為溶解性有機物，將難生物降解的大分子物質(zhì)轉(zhuǎn)化為易生物降解的小分子物質(zhì)的過程，進(jìn)而改善有機廢水的可生化性，為后續(xù)處理奠定良好基。

　　二、水解酸化工藝特點

　　水解酸化工藝有著突出的特點：

　?、偎馑峄A段的產(chǎn)物主要為小分子有機物，可生物降解性較好，為好氧工藝提供優(yōu)良的進(jìn)水水質(zhì)條件，提高好氧處理的效能，同時可利用產(chǎn)酸菌種類多、繁殖速度快及對環(huán)境條件適應(yīng)性強的特點，簡化控制運行條件和縮小設(shè)備體積，減少后續(xù)處理的反應(yīng)時間和處理能耗;

　?、趨捬豕に嚨漠a(chǎn)泥量遠(yuǎn)低于好氧工藝(僅為好氧工藝的1/10-1/6)，并已高度礦化，易于處理。同時其后續(xù)的好氧處理所產(chǎn)生的剩余污泥必要時可回流至厭氧段，增加厭氧段的污泥濃度同時減少污泥的處理量;

　?、蹍捬跆幚韺U水中有機物的去除可減少好氧段的需氧量，節(jié)省了整體工藝的運行費用。不需要密閉的池體和水-氣-固三相分離器，水解酸化階段反應(yīng)迅速，故水解池體積小，因此可以降低工程造價;

　?、芩馑峄刂圃趨捬跸诙A段完成前，因此出水沒有厭氧發(fā)酵的不良?xì)馕?，可改善污水處理廠的環(huán)境;

　?、菟馑峄乜箾_擊負(fù)荷能力強，能起到非常好的緩沖作用;水解酸化池水力停留時間短，土建費用較低，而且運行費用低，電耗低，污泥水解率高，減少脫水機運行時間，降低能耗，因此，水解酸化池的穩(wěn)定性和經(jīng)濟性要遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其他工藝。

　　三、影響水解酸化的因素

　　水解酸化反應(yīng)過程受許多因素的影響，包括污水的成分、水力停留時間、營養(yǎng)物質(zhì)、pH值、溫度、粒徑和污泥濃度，所以選定合適的運行參數(shù)對于保證處理效果至關(guān)重要。

　　3.1 污水的成分

　　在相同的條件下，相對分子質(zhì)量越大，分子結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，水解酸化越困難，相應(yīng)地水解速率就越小。如糖類有機物比蛋白質(zhì)、月旨類容易水解，單糖比多糖容易水解，直鏈比支鏈容易水解。

　　3.2 水力停留時間

　　不同水解基質(zhì)的水解難易度不一樣，要求反應(yīng)器的水力停留時間也不一樣。因此水力停留時間的數(shù)值應(yīng)根據(jù)同類型的工程經(jīng)驗數(shù)據(jù)，或通過小試或中試確定。對于同一類型廢水，水力停留時間越長，被水解物質(zhì)與水解微生物接觸時間越長，水解程度越徹底，但當(dāng)超過某一限值，其COD去除率就無明顯變化了。這是因為在某一程度，水解酸化主要是將有機物的形態(tài)改變，即溶?的COD濃度會越高，但對總COD濃度變化的影響不大。因此，在實際工程施工中，應(yīng)考慮到工程的投資和經(jīng)濟效益，選擇合適的水力停留時間，以提高廢水的可生化程度以達(dá)到最大的COD去除效率。

　　3.3 營養(yǎng)物質(zhì)

　　在實際工程應(yīng)用中，工業(yè)廢水往往缺乏營養(yǎng)物質(zhì)(如N，P及微量元素)，不能滿足微生物的需要。因此，應(yīng)對處理對象成分作詳細(xì)調(diào)查，適當(dāng)補充缺乏的營養(yǎng)物質(zhì)，否則會影響到水解酸化的效率。

　　3.4 pH值

　　pH值主要影響水解的速率、水解酸化產(chǎn)物的種類和含量以及污泥的形態(tài)結(jié)構(gòu)。水解酸化菌對pH的適應(yīng)性較強，在3.5-10.0范圍內(nèi)均可以正常進(jìn)行，最優(yōu)值為5.5-6.5，pH向酸性或堿性方向移動時，水解速率都會減少，水解酸化反應(yīng)器的出水效果變差，且影響到后續(xù)工序的處理，往往導(dǎo)致系統(tǒng)出水不達(dá)標(biāo)。

　　3.5 溫度

　　根據(jù)一般的生物反應(yīng)規(guī)律.在一定范圍內(nèi)，溫度越高，水解反應(yīng)速率越大。但溫度在10-20℃之間變化時，水解酸化反應(yīng)速率變化不大，說明水解酸化微生物對低溫變化的適應(yīng)能力較強。

　　3.6 粒徑

　　對于顆粒有機物來講，粒徑越大，水解速率越小。故對顆粒態(tài)有機物濃度高的廢水或污泥，在進(jìn)水解反應(yīng)器前可用泵或研磨機破碎，以減小污染物的粒徑，從而加快水解反應(yīng)的進(jìn)行。

　　3.7 污泥濃度

　　污泥濃度是水解酸化池的最重要的控制參數(shù)之一。水解酸化池完成功能的重要條件之一是維持反應(yīng)器內(nèi)含厭氧微生物高濃度的污泥，由于污泥受本身在重力場下的沉淀作用，及污水從下而上運動造成的污泥上升運動，因此，污泥與污水可充分接觸，達(dá)到良好的截留和水解酸化效果，一般建議污泥濃度控制在10-20g/L可達(dá)到良好效果。

　　四、水解酸化工藝對后續(xù)處理的影響

　?、偎馑峄爻鏊瓸/C值提高，使得出水中溶解性的有機物比例提高，同時反應(yīng)器內(nèi)高的污泥濃度起到了良好的截留水解作用，在有機物通過時將其吸附截留，增加了有機物的停留時間，消除了難降解物質(zhì)對后續(xù)生化處理的抑制性，后續(xù)好氧處理工藝的選擇范圍更加靈活。

　?、谒馑峄爻鏊甆H3-N基本保證在20-30mg/L，降低了后續(xù)工藝的氨氮負(fù)荷，提高了出水的穩(wěn)定性。

　?、鬯馑峄磻?yīng)水解后的溶解性COD和BOD5數(shù)量增多，可生化性強，利于后續(xù)好氧處理，后續(xù)需氧量也大大降低，氣水比保持在4：1即可保證碳化和硝化的需氧量，降低了后續(xù)的運行費用。

　?、芩馑峄磻?yīng)對有機物有較高的去除率，COD平均去除率為40%-50%，并且對懸浮物去除率高，這些因素對后續(xù)處理非常有利，后續(xù)工藝的停留時間和曝氣量相應(yīng)減少，基建總投資、能耗和運行費同比可減少30%-50%。

　　五、水解酸化反應(yīng)器類型

　　針對不同性質(zhì)的廢水，以及結(jié)合不同類型的后續(xù)處理工藝，可以根據(jù)微生物在反應(yīng)器內(nèi)的生長狀態(tài)，把水解酸化反應(yīng)器分為三大類型：懸浮式反應(yīng)器、接觸式反應(yīng)器和復(fù)合式反應(yīng)器。

　　懸浮式反應(yīng)器包含完全混合式和污泥床兩種型式。完全混合式水解酸化反應(yīng)器內(nèi)設(shè)置攪拌裝置實現(xiàn)完全混合，其后設(shè)置沉淀池并回流污泥以保證較高的污泥濃度，適用于含固率較高的污水;污泥床反應(yīng)器內(nèi)水解污泥能較好地保留在反應(yīng)器內(nèi)，污泥層對懸浮物等有較強的截留作用，其后一般不設(shè)沉淀池，適用于含懸浮物濃度相對較低的城市污水及難降解工業(yè)廢水。由于水解酸化菌難以形成密實的絮凝體，易流失，難以維持反應(yīng)器內(nèi)的污泥濃度，工程中多采用接觸式反應(yīng)器。

　　接觸式反應(yīng)器特點是將水解酸化微生物固定在反應(yīng)器內(nèi)特設(shè)的載體上，在其表面形成一層以生物細(xì)胞為主的生物膜。微生物的世代期較長，耐沖擊負(fù)荷能力較強，因此對水質(zhì)變化較大以及有抵制性作用的有機廢水具有較穩(wěn)定的處理效果。

　　復(fù)合式反應(yīng)器內(nèi)既存在水解酸化污泥，又存在水解酸化生物膜，形成水解酸化污泥和生物膜的復(fù)合體。復(fù)合式反應(yīng)器一般采用上流式，下部為污泥層，上部設(shè)置一定的固定填料，增加了反應(yīng)器內(nèi)的生物量，延長了微生物與廢水的接觸時間。復(fù)合式反應(yīng)器內(nèi)，厭氧污泥的濃度可達(dá)10-20gVSS/L，另外可自行保留高濃度污泥，因此也無需污泥回流。

　　六、水解酸化池的設(shè)計參數(shù)

　　6.1 水力停留時間

　　水解酸化池的水力停留時間一般為4-6h，具體參數(shù)的選取應(yīng)根據(jù)處理對象的水質(zhì)類型而定。糧食深加工廢水、屠宰廢水、啤酒廢水等相對易生物降解的工業(yè)廢水可取低值，但最短不應(yīng)少于3h。對于醫(yī)藥廢水、造紙印染廢水、化工廢水等難生物降解而且較難處理的工業(yè)廢水，其成分復(fù)雜、色度大，可適當(dāng)延長水解酸化池停留時間，一般水力停留時間大于8h，使水解酸化細(xì)菌和難降解有機物有更長的接觸轉(zhuǎn)化時間，提高難降解有機物的轉(zhuǎn)化

　　6.2 上升流速

　　水解酸化池上升流速關(guān)系到池內(nèi)污泥層的高度和污泥濃度。由于污水處理廠早晚水量變化較大，應(yīng)選取最大流量、最小流量和平均流量下的上升流速分別驗算。在最大流量條件下，污泥層由于膨脹而造成污泥濃度降低，同時會導(dǎo)致污泥層的沉淀速度提高，可自動保持池內(nèi)的污泥濃度處于動態(tài)平衡狀態(tài)。而在最小流量時污泥濃度將增加，沉速降低使污泥濃度可達(dá)到動態(tài)平衡。根據(jù)北京密云污水處理廠的數(shù)據(jù)，在最高流量條件下污泥濃度為20g/L，在最低流量條件下污泥濃度可達(dá)60g/L，水解酸化池污水上升流速為1.5-2.0m/h。黑龍江某城市污水處理廠設(shè)計規(guī)模為2.0萬t/d，水解酸化池內(nèi)污水最大上升流速為1.76m/h，污泥濃度波動范圍為15-20g/L。

　　6.3 配水方式

　　水解酸化池的進(jìn)水系統(tǒng)應(yīng)兼顧配水和攪拌功能，需要注意保證配水的均勻性，確保各單位面積的進(jìn)水量基本相同，防止短路現(xiàn)象的發(fā)生。水力攪拌要能使進(jìn)水有機物能夠與水解池內(nèi)的污泥迅速混合，同時盡量設(shè)置必要的反沖洗系統(tǒng)，避免布水管的堵塞。

　　配水方式無論是一管一孔還是分支配水，主要原則還是確保各單位面積的進(jìn)水量基本相同。根據(jù)目前國內(nèi)工業(yè)園區(qū)水解酸化池的運行情況，一管一孔配水方式出現(xiàn)管道堵塞的情況較為嚴(yán)重，因此推薦采用脈沖布水的分支配水方式。

　　6.4 排泥系統(tǒng)

　　對于升流式和復(fù)合式水解反應(yīng)器，污泥排泥管的設(shè)計應(yīng)考慮排出低活性的污泥，并將高活性污泥保留在反應(yīng)器中。為防止污泥流失，清水區(qū)的高度應(yīng)在1.0m以上。污泥排放應(yīng)采用定時排泥穩(wěn)定污泥界面，否則污泥界面將隨著池內(nèi)污泥量的不斷增多而上升，上升至一定液面標(biāo)高處將發(fā)生水解酸化池內(nèi)污泥隨集水槽溢流現(xiàn)象。為使反應(yīng)池排泥均勻，應(yīng)采用多點排泥方式。

　　七、水解酸化工藝的應(yīng)用

　　多種類型的水解酸化反應(yīng)器集沉淀、吸附和生物絮凝等物理化學(xué)過程以及與水解、酸化和甲烷化過程等生物降解功能于一體，在生活污水、混合型城市污水、石化廢水等工業(yè)廢水的治理工程中發(fā)揮著重要的作用，獲得了令人滿意的效果。

　　7.1 生活污水處理

　　趙大傳等在研究水解酸化反應(yīng)器對生活污水的處理效果時表明，水解酸化反應(yīng)器對COD、BOD5和SS的去除率分別可達(dá)到73.2%、58.3%和24.2%，處理后的出水COD、BOD均可達(dá)到《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》一級標(biāo)準(zhǔn)，SS可達(dá)到國家二級排放標(biāo)準(zhǔn)。在最佳水力停留時間3h時，污水的B/C值可由0.42上升到0.67，提高了廢水的可生化性，降低了后繼好氧生物處理負(fù)荷.減少了后繼接觸氧化池的曝氣量，降低了設(shè)備運行費用。水解酸化反應(yīng)器出水再經(jīng)后續(xù)好氧處理后，可以考慮回用。

　　7.2 混合型城市污水處理

　　混合型城市污水由于其中含有大量的工業(yè)廢水，進(jìn)水負(fù)荷波動較大且水質(zhì)復(fù)雜，C/N值較低，一般生物處理工藝對其脫氮除磷效果較差。枝江市城西污水處理廠的進(jìn)水為60%-70%的工業(yè)廢水和30%-40%的生活污水，采用水解酸化工藝作為預(yù)處理工藝，混合污水的可生化性得到明顯提高，處理效果良好。通過檢測B/C值、pH值、VFA和VSS濃度等指標(biāo)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)水解酸化工藝的水力停留時間為5h時，水解酸化出水的可生化性最好且比較經(jīng)濟;另外，通過對水解酸化池的布水方式、泥位等因素的優(yōu)化，水解酸化工藝對COD，BOD5和SS的去除率分別可達(dá)到36.80%，24.82%和95.92%，污水處理廠最終出水水質(zhì)能達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB18918-2002)的一級A標(biāo)準(zhǔn)3。

　　7.3 石化廢水處理

　　針對石化廢水污染嚴(yán)重、可生化性差的問題，采用水解酸化工藝進(jìn)行處理。鐘華文等研究表明，石化廢水經(jīng)水解酸化處理后，COD和石油類的去除率分別達(dá)到46.5%和67.3%，廢水的B/C由進(jìn)水的27.9%提高到34.4%。不僅石化廢水的污染程度得到了一定的降低，而且可生化性也得到了較大的改善，為后續(xù)生化處理奠定了較好的基礎(chǔ)。

　　八、結(jié)語

　　水解酸化工藝作為預(yù)處理，可以顯著提高廢水的可生化性，為后續(xù)的好氧處理提供可靠的保證，其高效性和經(jīng)濟性也得到了全國各地污水處理廠的青睞。嘗試與其他工藝的結(jié)合，水解酸化反應(yīng)器有很大的潛力可挖，也具有廣闊的發(fā)展前景。未來應(yīng)解決完善污泥沉積及配水孔堵塞問題，以提高水解酸化反應(yīng)器的處理效率為目標(biāo)，為我國污水處理行業(yè)做出貢獻(xiàn)。(來源：南京工程學(xué)院;江蘇方洋水務(wù)有限公司)