水解酸化污水处理工艺研究

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]。

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