什么是水解酸化？

全康環(huán)保:一、什么是水解酸化工藝？

厭氧生物反應(yīng)包括水解、酸化和甲烷化三個(gè)大的階段，將反應(yīng)控制在水解和酸化兩個(gè)階段的反應(yīng)過(guò)程，可以將懸浮性有機(jī)物和大分子物質(zhì)（碳水化合物、脂肪和脂類(lèi)等）通過(guò)微生物胞外酶水解成小分子，小分子有機(jī)物在酸化菌作用下轉(zhuǎn)化成揮發(fā)性脂肪酸的過(guò)程。在這一過(guò)程中同時(shí)可以將懸浮性固體水解為溶解性有機(jī)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)。

首先，水解反應(yīng)器中大量微生物將進(jìn)水中顆粒狀顆粒物質(zhì)和膠體物質(zhì)迅速截留和吸附， 這是一個(gè)物理過(guò)程的快速反應(yīng)。一般只要幾秒鐘到幾十秒即可完成。因此，反應(yīng)是迅速的。截留下來(lái)的物質(zhì)吸附在水解酸化污泥的表面，慢慢地被分解代謝，其在系統(tǒng)內(nèi)的污泥停留時(shí)間要大于水力停留時(shí)間。在大量水解酸化細(xì)菌的作用下，大分子、難于生物降解物質(zhì)轉(zhuǎn)化為易于生物降解的小分子物質(zhì)后，重新釋放到液體中。在較高的水力負(fù)荷下隨水流出系統(tǒng)。由于水解和產(chǎn)酸菌世代期較短，往往以分鐘和小時(shí)計(jì)，因此，這一降解過(guò)程也是迅速的。在這一過(guò)程中溶解性 BOD、COD 的去除率雖然從表面上講只有 10%左右，但是由于顆粒狀有機(jī)物發(fā)生水解增加了系統(tǒng)中溶解性有機(jī)物的濃度，因此，溶解性BOD、COD 去除率遠(yuǎn)大于10%。但是由于酸化過(guò)程的控制不能?chē)?yán)格劃分，在污泥中可能仍有少量甲烷菌的存在，可能產(chǎn)生少量的甲烷，但甲烷在水中的溶解度也相當(dāng)可觀，故以氣體形成釋放的甲烷量很少。可以看出，水解反應(yīng)器集沉淀、吸附、網(wǎng)捕和生物絮凝等物理化學(xué)過(guò)程，與水解、酸化和甲烷化過(guò)程等生物降解功能于一體。

二、水解酸化工藝的反應(yīng)器類(lèi)型

水解酸化反應(yīng)器主要包括升流式水解反應(yīng)器、復(fù)合式水解反應(yīng)器及完全混合式水解反應(yīng)器。此外，水解反應(yīng)器還可以包括采用其他厭氧反應(yīng)器型式實(shí)現(xiàn)水解酸化的反應(yīng)器，如厭氧折流板反應(yīng)器、厭氧接觸反應(yīng)器等。

1、升流式水解反應(yīng)器

升流式水解反應(yīng)器的示意圖見(jiàn)圖 1，水解酸化微生物與懸浮物形成污泥層，污水通過(guò)布水裝置自反應(yīng)器底部均勻上升至頂部出水堰排出過(guò)程中，污泥層可截留污水中懸浮物，并在水解酸化菌作用下降解有機(jī)物、提高污水可生化性等。

圖 1 升流式水解反應(yīng)器示意圖

2、復(fù)合式水解反應(yīng)器

復(fù)合式水解反應(yīng)器（示意圖見(jiàn)圖 2）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。反應(yīng)器上部為填料層，下部為污泥床，中間留出一定的空間以便懸浮狀態(tài)的絮狀污泥和顆粒污泥停留，增加了反應(yīng)器的生物量，延長(zhǎng)了微生物與廢水的接觸時(shí)間。

圖 2 復(fù)合式水解反應(yīng)器示意圖

3、完全混合式水解反應(yīng)器

完全混合式水解反應(yīng)器（示意圖見(jiàn)圖 3）內(nèi)設(shè)置攪拌裝置實(shí)現(xiàn)污水和污泥的完全混合， 其后設(shè)置沉淀池并回流污泥以保證反應(yīng)器內(nèi)有較高的污泥濃度。

圖 3 完全混合式水解反應(yīng)器示意圖

4、其他厭氧反應(yīng)器

此類(lèi)反應(yīng)器主要利用已有厭氧反應(yīng)器型式實(shí)現(xiàn)水解酸化，如厭氧折流板反應(yīng)器、厭氧接觸反應(yīng)器等。此類(lèi)反應(yīng)器設(shè)計(jì)可參考相應(yīng)的厭氧反應(yīng)器設(shè)計(jì)規(guī)范，本規(guī)范中不再重復(fù)規(guī)定。

厭氧折流板反應(yīng)器（ABR）（見(jiàn)圖 4）的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是反應(yīng)器中設(shè)置折板形成數(shù)個(gè)升流式水解反應(yīng)器，廢水在反應(yīng)器內(nèi)沿折流板流動(dòng)，提高了微生物與廢水的混合接觸作用。

圖 4 厭氧折流板反應(yīng)器

厭氧接觸反應(yīng)器的特點(diǎn)是水解酸化微生物固定在反應(yīng)器內(nèi)特設(shè)的載體上形成生物膜，微生物的世代期較長(zhǎng)，耐沖擊負(fù)荷能力較強(qiáng)，此類(lèi)反應(yīng)器的典型代表為厭氧濾池。

三、水解酸化工藝的應(yīng)用

水解酸化法用于污水處理預(yù)處理，水解反應(yīng)器可以替代初沉池，起到攔截懸浮物、降解有機(jī)物、提高污水可生化性等作用。原水中懸浮物濃度較高或可生化性差時(shí)，可將其作為預(yù)處理方式，以降低后續(xù)處理的負(fù)荷和難度，一般情況下需連接后續(xù)處理系統(tǒng)。

水解酸化法一般用于原水中懸浮物濃度較高或可生化性差時(shí)，將其作為預(yù)處理工藝降低后續(xù)處理的負(fù)荷和難度。若進(jìn)水可生化性較好，且 COD 濃度大于 1500mg/L，水解酸化法反應(yīng)器內(nèi)易進(jìn)入?yún)捬醍a(chǎn)甲烷階段，影響工藝運(yùn)行，應(yīng)選擇其他厭氧反應(yīng)器，據(jù)此規(guī)定水解反應(yīng)器進(jìn)水 COD 濃度宜小于 1500mg/L。對(duì)可生化性較差的污水，COD 濃度對(duì)水解反應(yīng)器影響不大，利用水解反應(yīng)器可提高污水可生化性。

目前已知水解酸化法對(duì)城市污水、印染廢水、制藥廢水、造紙廢水、啤酒廢水、化工廢水和合成洗滌劑廢水等多類(lèi)廢水很有效，而且懸浮物去除率高， 去除的懸浮物可以在水解反應(yīng)器中部分消化。水解反應(yīng)器設(shè)計(jì)停留時(shí)間調(diào)查統(tǒng)計(jì)表見(jiàn)表 1。

表 1水解反應(yīng)器設(shè)計(jì)停留時(shí)間統(tǒng)計(jì)表

1）城市污水處理

迄今為止，水解-好氧生物處理工藝已應(yīng)用于幾十座城市污水處理廠，累計(jì)投資幾十億元，形成了上百萬(wàn)噸/天的處理能力。十多年來(lái)的工程實(shí)踐表明，水解-好氧生物處理工藝是我國(guó)獨(dú)立開(kāi)發(fā)的具有投資省、運(yùn)行費(fèi)用低和處理能耗低等特點(diǎn)的城市污水處理工藝，為當(dāng)前城市污水處理廠的建設(shè)提供了一條新的、切實(shí)可行的技術(shù)途徑。

江蘇某城市污水處理廠，日進(jìn)水 10 萬(wàn)噸/天，由于進(jìn)水中含有大量工業(yè)廢水，污水 COD 高于正常城市污水，可生化性低于 0.4。該廠采用水解-好氧生物處理工藝，水解反應(yīng)器水力停留時(shí)間為 2.5～3h，常溫下運(yùn)行，基本不產(chǎn)生沼氣，流程簡(jiǎn)單，造價(jià)低，管理方便。因水解酸化法集生物降解、物理沉降和吸附為一體，污水中的顆粒和膠體污染物被截留和吸附， 并生物降解。水解反應(yīng)器 BOD₅ 去除率為 20～35％，CODCr 去除率為 30～45％，SS 的去除率為 70～85％，同時(shí)水解反應(yīng)器改善了污水的可生化性，有利于后續(xù)的好氧處理。

2）印染廢水處理

目前已知水解酸化法對(duì)印染廢水、啤酒廢水、制藥廢水、造紙廢水、化工廢水和合成洗滌劑廢水等各種工藝廢水很有效。

印染廢水具有有機(jī)物含量高、成分復(fù)雜、色度深、pH 值高、水質(zhì)變化大等特點(diǎn)，是國(guó)內(nèi)外公認(rèn)的難處理工業(yè)廢水之一。近年來(lái)，由于新型紡織纖維的開(kāi)發(fā)，聚乙烯醇（PVA）漿料、人造絲堿物、新型助劑等難降解有機(jī)物大量進(jìn)入印染廢水，使廢水的可生化性變差，傳統(tǒng)的生物處理工藝受到嚴(yán)重的挑戰(zhàn)。某印染廢水的 BOD₅/COD 為 0.15~0.3，可生化性一般， 并且水中的有機(jī)物對(duì)微生物有一定的抑制作用。采用水解酸化-好氧的處理工藝，水解反應(yīng)器采用厭氧折流板反應(yīng)器，水力停留時(shí)間為 8~10h，使污水 BOD/COD 升至 0.3～0.45，為后續(xù)好氧生化處理創(chuàng)造了條件，并去除了大部分的色度。印染廢水經(jīng)該工藝處理后，其 COD、BOD₅、色度、SS 的去除率分別達(dá)到 93%、94.6%、97%和 89.2%，所有指標(biāo)均達(dá)到國(guó)家排放標(biāo)準(zhǔn)。

3）造紙廢水處理

造紙制漿廢水排放量大，成分復(fù)雜，污染嚴(yán)重，BOD₅/COD 比值小，屬于難生物降解廢水。某造紙廢水進(jìn)水 CODCr、BOD₅、SS 濃度分別為 4120mg/L、1630mg/L、2080mg/L, 采用水解-好氧工藝處理，水解反應(yīng)器水力停留時(shí)間為 5.8h，采用升流式水解反應(yīng)器的型式， 水解反應(yīng)器中掛有彈性填料，處理后出水 CODCr、BOD₅、SS 濃度分別達(dá)到 354mg/L、92.5mg/L、95.6mg/L，去除效率分別達(dá)到 91.4%、94.3%、95.4%，優(yōu)于《造紙工業(yè)水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 4355-2001）。

4）制藥廢水處理

某制藥生產(chǎn)廢水主要為妥布霉素、洛伐他丁、鹽霉素鈉鹽生產(chǎn)過(guò)程中排放的生產(chǎn)廢水， 該廢水污染物濃度高、成分復(fù)雜、色度高、毒性大，含有表面活性劑、殘余抗生素、硫酸根、溶媒等多種抑制物質(zhì)，水質(zhì)水量波動(dòng)大，屬于有一定處理難度的抗生素廢水。進(jìn)水 CODcr、BOD₅、SS 濃度分別為 4000～11000mg/L、1300～6500mg/L、100～500mg/L。水解反應(yīng)器對(duì)COD 的去除率為 18%～25%，經(jīng)過(guò)水解酸化后 BOD₅/COD 由原來(lái)的 0.152～0.218 提高至0.436～0.496，該廢水的可生化性大大提高，為后續(xù)好氧工藝穩(wěn)定運(yùn)行創(chuàng)造了條件。

5）啤酒廢水處理

某啤酒廠廢水處理工程中采用了水解-生物接觸氧化工藝，進(jìn)水 CODcr、BOD₅、SS 濃度分別為 1090～4410mg/L、734～1810mg/L、400～796mg/L，經(jīng)過(guò)半年多的運(yùn)行，處理效果穩(wěn)定。水解反應(yīng)器采用升流式水解反應(yīng)器，水力停留時(shí)間為 6h，而傳統(tǒng)生物氧化法處理啤酒廢水 HRT 一般大于 10h，有的甚至大于 17h，本工藝有明顯的節(jié)能效果；其次，啤酒廢水經(jīng)水解酸化處理后，BOD₅/CODCr 值從原來(lái)的 0.51 提高到 0.72，CODCr 和 BOD₅ 的去除率分別為 39.2%和 14.2%。水解酸化達(dá)到較好預(yù)處理效果，廢水的可生化性增加，這樣可充分發(fā)揮后續(xù)好氧生物處理的作用，縮短整個(gè)工藝的水力停留時(shí)間，提高生物處理效率。

6）焦化廢水處理

焦化廢水中含有大量難生物降解的萘、吡啶、喹啉、吲哚、聯(lián)苯等雜環(huán)及多環(huán)芳烴類(lèi)有機(jī)物，是一種可生化性差的廢水。某焦化廢水 COD 為 1327mg/L，BOD₅/CODCr 為 0.2，水解反應(yīng)器停留時(shí)間為 4h，處理后 BOD₅/CODCr 升至 0.32。經(jīng)水解酸化反應(yīng)后廢水中難降解有機(jī)污染物轉(zhuǎn)化為易生物降解物質(zhì)，其生物氧化率由原來(lái)的 31.2%提高至 51.2%。而對(duì)聯(lián)苯和吡啶而言，不僅可生化性得到改善，而且其對(duì)生物的抑制作用也基本消除。

7）紡織廢水處理

在滌綸纖維生產(chǎn)過(guò)程中，為了改善纖維性質(zhì)，提高纖維可織性，需要使用紡絲油劑處理纖綸。紡絲油劑主要由一些抗靜電劑、柔軟劑、滲透劑、澗滑劑及一些乳化劑等高分子化合物組成，而乳化劑又含有一些陰離子表面活性劑或非離子表面活性劑，如烷基磷酸酯鉀鹽、脂肪酸聚乙二醇脂、烷基醚硫酸鈉等等。這些油劑廢水 COD 在 2000mg/L 左右，而 BOD₅ 為 350mg/L，BOD₅/COD 為 0.18。采用各種物化處理費(fèi)用高，生化好氧處理有大量泡沫產(chǎn)生。選用水解-好氧工藝，其中水解反應(yīng)器停留時(shí)間為 10h，投加軟性纖維填料，好氧處理單元采用接觸氧化法，停留時(shí)間為 7～8h。經(jīng)過(guò)水解酸化反應(yīng)后廢水 BOD₅/COD 從 0.18 上升至0.20，并且 COD、BOD 值都有所增加，這說(shuō)明一些難降解的物質(zhì)經(jīng)水解酸化反應(yīng)后變成易于生物降解的物質(zhì)。經(jīng)過(guò)水解酸化，好氧處理后 BOD₅ 去除率可達(dá)到 89％，COD 去除率可達(dá)到 89％，這使得一般油劑濃度超過(guò) 1000mg/L 就不能生化處理的廢水，在濃度高達(dá)2000mg/L 時(shí)也可以進(jìn)行穩(wěn)定的生化處理。

四、水解酸化工藝存在的問(wèn)題

1）水解酸化法開(kāi)發(fā)應(yīng)用時(shí)間較短，由于水解酸化法設(shè)計(jì)參考資料較少，造成工程設(shè)計(jì)中出現(xiàn)失誤較多，難以發(fā)揮水解酸化法工藝效果，影響工藝推廣。

2）水解酸化法有別于傳統(tǒng)厭氧工藝，需考慮其特有的布水、排泥等問(wèn)題，不能簡(jiǎn)單套用，在建設(shè)中需要根據(jù)工藝要求合理建設(shè)。

3）水解酸化法是厭氧降解的前兩個(gè)階段，需要合理設(shè)計(jì)和運(yùn)行調(diào)試，否則容易進(jìn)入產(chǎn)甲烷階段，難以實(shí)現(xiàn)水解酸化功能。

4）水解酸化法已用于多種行業(yè)廢水處理，在各種工程應(yīng)用中都存在其特定的工藝設(shè)計(jì)參數(shù)，目前缺乏統(tǒng)一合理的的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

五、水解酸化工藝的運(yùn)行與維護(hù)

1、運(yùn)行控制

1）接種污泥

水解反應(yīng)器啟動(dòng)可采用自然培養(yǎng)和二沉池脫水活性污泥接種，宜選用處理同類(lèi)型工業(yè)廢水的接種污泥以及采用厭氧消化池污泥，其整個(gè)池容的污泥平均濃度達(dá)到 5-10g/L。采用接種污泥的啟動(dòng)方法是當(dāng)原水的 SS 濃度低于 100mg/L 以下，污水中菌種較少時(shí)使用。若污水生化性差，污泥增長(zhǎng)緩慢，此時(shí)不接種污泥直接啟動(dòng)水解反應(yīng)器，啟動(dòng)周期將達(dá) 3-6 個(gè)月， 且出水水質(zhì)很難在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到要求。若原水懸浮物 SS 濃度高于 100mg/L，可采用不接種污泥的方法啟動(dòng)。

2）水解反應(yīng)器的啟動(dòng)

反應(yīng)器啟動(dòng)時(shí)要設(shè)法在池底形成污泥層，可以通過(guò)污水自然培養(yǎng)，或投入一定量的接種污泥，以加快水解反應(yīng)器的啟動(dòng)。運(yùn)行時(shí)先開(kāi)啟反應(yīng)器的進(jìn)水閥門(mén)，注意觀察反應(yīng)器中液位狀態(tài)，一旦形成污泥層，即可控制進(jìn)水流量以保證污泥不流失，直至設(shè)計(jì)水力負(fù)荷。啟動(dòng)過(guò)程一般需要 2～6 個(gè)星期。

3）排泥

水解反應(yīng)器排泥，特別是城市污水存在水力負(fù)荷變化，高水力負(fù)荷時(shí)排泥優(yōu)點(diǎn)是易于控制污泥面高度，缺點(diǎn)是高負(fù)荷時(shí)污泥層膨脹率較大，污泥濃度低，后續(xù)污泥濃縮負(fù)荷大；低水力負(fù)荷排泥濃度高，污泥排放量少，缺點(diǎn)是對(duì)污泥層的控制不易掌握，排泥量過(guò)大會(huì)造成系統(tǒng)中污泥總量減少而影響處理效果。新建污水處理廠，最好采用高水力負(fù)荷排泥方式，而在運(yùn)轉(zhuǎn)一個(gè)相當(dāng)時(shí)期后，在對(duì)水量變化規(guī)律有了一定了解后，再采用低水力負(fù)荷排泥方式。

升流式水解反應(yīng)器污泥層應(yīng)維持在出水堰下 1.0~1.5m，否則一旦系統(tǒng)完全充滿(mǎn)污泥或在較高水力負(fù)荷條件下，由于供污泥層膨脹的空間有限，則會(huì)因?yàn)槿魏挝⑿〉奈勰鄬优蛎洠?而造成嚴(yán)重的污泥流失的情況。水解反應(yīng)器排泥可采用污泥界面計(jì)控制排泥。

4）pH值調(diào)節(jié)

pH 值是廢水生物處理最重要的影響因素之一。通常水解酸化菌適宜的生長(zhǎng) pH 范圍為4.0～9.0，這一范圍是指反應(yīng)器內(nèi)反應(yīng)區(qū)的 pH 值。當(dāng) pH 小于 4 或大于 9 時(shí)，水解反應(yīng)器的出水效果變差， 且影響到后續(xù)工序的處理，導(dǎo)致系統(tǒng)出水往往不能穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。為了保持水解反應(yīng)器中 pH 值穩(wěn)定在適宜的范圍內(nèi)，在實(shí)際運(yùn)行中，主要是通過(guò)向進(jìn)水中加入堿性或酸性物質(zhì)。經(jīng)常投加的堿性物質(zhì)主要有 Na₂CO₃、NaHCO₃、NaOH 等，酸性物質(zhì)主要有鹽酸等。石灰是一種成本較低的堿性物質(zhì)，但因?yàn)殡y以去除沉淀的碳酸鈣，使得碳酸鈣逐漸占據(jù)反應(yīng)器的有效體積，對(duì)反應(yīng)器運(yùn)行有潛在危害，因此石灰是一種容易產(chǎn)生問(wèn)題的堿度來(lái)源，應(yīng)該核實(shí)利弊后再行采用。

中和藥劑要有一定量?jī)?chǔ)存和相應(yīng)的的儲(chǔ)存設(shè)備，在投加現(xiàn)場(chǎng)要設(shè)藥劑溶解，調(diào)配、定量投加設(shè)備，視 pH 值調(diào)節(jié)情況，必要時(shí)設(shè)二次調(diào)節(jié)。

2、停產(chǎn)控制

工業(yè)廢水處理因工廠停產(chǎn)檢修或因季節(jié)性生產(chǎn)等原因，水解反應(yīng)器可能會(huì)有停運(yùn)情況發(fā)生。這種停運(yùn)對(duì)反應(yīng)器系統(tǒng)的保持并無(wú)重大的影響，因?yàn)樵诓贿M(jìn)水運(yùn)行的條件下，水解酸化微生物的活性可以保持較長(zhǎng)時(shí)間。

在停運(yùn)期間，應(yīng)采取相應(yīng)的防凍措施。停運(yùn)后的再啟動(dòng)，一般只需將系統(tǒng)的溫度增高， 再按原來(lái)運(yùn)行中的平均負(fù)荷率進(jìn)水運(yùn)行，在短時(shí)間內(nèi)就能夠達(dá)到停運(yùn)前的效能水平。