水解酸化生物工艺的应用.doc

水解酸化生物预处理工艺特征及其应用
郭迎庆 （江苏石油化工学院环境与安全工程系, 江苏 常州 213016）

摘要 简明介绍了水解酸化工艺机理, 经过水解过程动力学分析了其处理效果, 并从相分离路径、 酸化程度判定指标和水解池开启三方面对其工艺特征进行了叙述, 最终介绍了该工艺在中国污水处理应用研究情况。结果表明该工艺是一个有效生物预处理工艺, 含有良好应用前景。
关键词: 水解酸化 工艺特征 应用

1 序言
厌氧生物处理作为污水处理一个关键方法, 含有很多优点, 尤其适适用于高浓度有机废水处理, 但也存在处理过程不稳定、 运行周期长、 反应器开启缓慢等缺点。对高浓度有机废水而言, 将厌氧工艺控制在产酸阶段, 不仅降低了对环境条件要求, 从而使厌氧段所需容积缩小, 同时也可不考虑气体利用系统, 从而节省基建费用。对于中低浓度污水来说, 因为其有机物浓度低, 若采取以能源回收为关键目之一厌氧消化, 在经济上未必合算。水解酸化工艺与一般曝气工艺相比, 尽管处理效果较差, 但因为无需曝气而大大降低了生产运行成本。所以, 探讨水解酸化动力学特征和工艺过程, 寻求一个节能高效污水处理工艺, 含相关键理论和现实意义。

2 水解酸化工艺机理
水解酸化工艺是考虑到产甲烷菌与水解产酸菌生长速度不一样, 将厌氧处理控制在反应时间段短厌氧处理第1 阶段, 即在大量水解细菌、 产酸菌作用下将不溶性有机物水解为溶解性有机物, 将难生物降解大分子物质转化为易生物降解小分子物质过程。水解酸化工艺作为多种生化处理预处理, 可改善废水可生化性, 为废水有效处理发明良好条件。厌氧生物降解基础模式为水解阶段, 固体物质降解为溶解性物质, 大分子物质降解为小分子物质; 产酸阶段, 碳水化合物降解为短链挥发性酸, 关键是醋酸、 丁酸和丙酸; 甲烷化阶段是整个厌氧消化过程控制阶段。

3 水解过程动力学
若假定水解速率对于颗粒态有机物降解为一级反应, 则:

式中, F—可降解颗粒态有机物浓度（mg/L）;
Kh—水解动力学常数（h-1）。
若忽略从被破坏细胞中输送出溶解物扩散限制作用影响, Kh为胞内和胞外水解动力学常数之和。
水解微生物增加和基质利用速率可用Monod动力学方程式表示:

式中, X—活性微生物浓度（mg/L）;
S—基质浓度（mg/L）;
Y—产率系数;
K—最大比基质利用率（d-1）;
Ks—半速率常数（mg/L）。
将当微生物增加与死亡刚好平衡时基质浓度定义为Smin, 令dX/dt=0,则:
式中, b—有机物本身代谢系数（d-1）。
在水解酸化池中, 若仅考虑单一基质情况, Smin代表了系统运行在稳定状态下所能达成最小基质浓度, 也代表了系统最大去除可能性。但实际上, 因为污水基质组分复杂, 每一细菌种属都有各自独立食料, 所以要完成整个酸化过程, 需要众多不一样种属细菌参与。因为每一个微生物将遵照其独特反应速率, 结果每一个微生物都有其各自Smin（j）, 出水中基质浓度将等于或大于全部中间产物所对应Smin值总和[1]。
上述结果将造成相当高出水BOD5浓度和较低去除率, 仅以水解酸化工艺处理污水要达成排放要求是不可能, 所以它只能作为一个预处理工艺来改善后续好氧生物处理降解功效。

4 工艺特征
4.1 相分离路径
厌氧消化过程贯穿产酸和产气2个阶段, 要使水解酸化过程顺利进行, 必需抑制产气阶段进行, 其相分离路径可分为3种:
4.1.1 在酸化反应器中经过某种条件对产甲烷菌进行选择性抑制, 如适量投加CCl4、 CH3Cl, 控制微量氧, 调整氧化还原电位和pH值等.
4.1.2 对产酸菌和产甲烷菌进行渗析分离[2].
4.1.3 经过动力学参数来控制, 如控制有机负荷、 水力停留时间(HRT)等。通常负荷越高, 产酸菌繁殖越快, 有机酸浓度越高, 对甲烷菌抑制作用也越强, 从而达成有效相分离目。
4.2 酸化程度判定指标
表示水解酸化过程酸化程度最关键参数是部分短链有机酸浓度, 即挥发性脂肪酸（VFA）浓度, 经过测定进入和流出反应器VFA浓度改变能够判定反应进行情况。通常将不一样酸折算成COD当量值, 以酸化率R来衡量有机物酸化程度, 其表示式为:

式中, VFAef—出水挥发酸浓度（以醋酸计, mg/L）;
VFAif—进水挥发酸浓度（以醋酸计, mg/L）;
CODif—进水COD（mg/L）;
1.07—醋酸COD当量值。
由（5）式可知, R越大, 有机物酸化程度越高。在基质浓度和环境条件一定情况下, R关键随HRT而变。对溶解性底物, 通常轻易降解, 在短时间内即可达成较高酸化率; 对于非溶解性底物, 因为水解速率较慢, 对应酸化速率也慢, 酸化率较低。
4.3 水解池开启
水解反应器属上流式污泥床反应器（UASB）范围。所以, 要使水解反应顺利进行, 培养出一定浓度颗粒污泥是关键, 而厌氧污泥培养又与开启方法有亲密关系。因为甲烷菌增殖缓慢, 污泥固定化困难, 通常UASB开启大约需要多个月时间。对于水解反应器, 因为厌氧反应中放弃了甲烷化阶段, 使开启时间大大缩短。依据动力学原理, 经过调整HRT, 利用水解细菌、 产酸菌与甲烷菌生长速度不一样, 造成甲烷菌在反应器中难于繁殖条件。开启时增大水力负荷, 系统中将产生大量有机酸累积, pH值下降, 产气量降低, 产甲烷菌受到了严重抑制, 系统处于酸化状态, 水解池开启可在短期内完成。

5 水解酸化工艺应用研究
5.1 中高浓度有机废水处理
佘宗莲[3]采取厌氧—好氧序列间歇式反应器对生物制药废水处理研究表明, 废水中不溶性有机物经厌氧菌吸附、 水解和酸化后转化为可溶性易生物降解有机物, 使B/C值由进水0.338～0.386提升到出水0.601～0.622, 大大提升了废水可生化性。沈耀良[4]对厌氧折流板反应器（ABR）处理城市污水与垃圾渗滤液混合废水过程中水解酸化作用研究结果表明, ABR可有效地改善混合废水可生化性, 进水B/C值由进水0.2～0.3提升到出水0.4～0.6, 大大促进了废水深入好氧处理运行稳定性。程刚[5]研究了水解酸化在绵羊皮制革废水中应用, 结果表明水解池替换初沉池含有显著优势, 其对COD、 SS、 硫化物去除率分别达40%、 70%和70%以上。杨健[6]在对感光胶片废水采取水解酸化—活性污泥法工艺与常规活性污泥法进行平行对照试验基础上, 从生化反应动力学系数角度研究水解酸化过程对好氧生化反应影响。研究结果表明, 经水解酸化处理后, 该废水B/C值在由0.46～0.48提升至0.54～0.56同时, 后续活性污泥系统动力学半速度常数Ks从常规活性污泥法459mg/L下降至103 mg/L, 最大比降解速度K从3.0d-1上升至5.0 d-1。
5.2 城市污水处理
刘军[7]等采取厌氧水解生物处理城市污水, 在常温下, 水解停留时间为3.5～4.0h时, 水解池COD、 BOD5、 SS去除率分别在60%、 60%、 70%以上, 水解池出水水质显著优于初沉池。所以认为当经费短缺无力修建二级处理时, 厌氧水解可替换初沉池对废水进行一级处理。
5.3 有毒有害物质去除
王凯军[1]对水解池去除卤代烃类化合物研究结果表明, 污水在水解池停留3h, CHCl3、 C2H4Cl2和CCl4去除率分别达75.8%、 63.1%和45%, 分别比初沉池高51.6%、 42.9%和5%, 为后续处理中微生物酶适应性和酶对底物利用发明了有利条件。

6 结语
水解酸化工艺已广泛应用于多个类型污水试验研究与应用, 作为生物预处理工序或厌氧—好氧联合生化处理工艺中前处理工序, 对提升污水可生化性、 改善进水水质、 提升好氧处理段氧利用率、 节省工程造价和运行费用效果显著, 含有良好应用前景和发展潜力。但因为水解酸化工艺是整个厌氧消化过程一个阶段, 所以对于该工艺在线控制、 过程设计以及操作条件对产酸阶段影响程度等问题还需作深入研究。

7 参考文件
1 王凯军.低浓度污水厌氧—水解处理工艺.北京: 中国环境出版社, 1991,41～42.
2 王宝泉, 方正.厌氧酸化法开启及控制原因探讨.西安建筑科技大学学报, 1997, 29（2）: 142～146.
3 佘宗莲.厌氧—好氧序列间歇式反应处理生物制药废水研究[J].环境科学研究, 1998, 18（1）: 49～52.
4 沈耀良. 厌氧折流板反应器处理垃圾渗滤混合废水.中国给水排水, 1999, 15（5）: 10～12.
5 程刚.水解—酸化处理制革废水研究.纺织高校基础科学学报, , 13（2）: 171～174.
6 杨健.水解酸化提升感光胶片废水可生化性动力学分析.江苏环境科技, 1998, 11（4）: 4～7.
7 刘军, 郭茜, 瞿永彬.厌氧水解生物法处理城市污水研究.给水排水, , 26（7）: 10～13.

作者郭迎庆, 男, 1970年生, 1999年毕业于同济大学环境科学与工程学院, 硕士, 讲师。

责任编辑 蒋瑶琴(收到修改稿日期-04-09)

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