水解酸化生物工艺的应用

1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）摘要简要介绍了水解酸化工艺机理，通过水解过程动力学分析了其处理效果，并从相分离途径、酸化程度的判断指标和水解池的启动三方面对其工艺特征进行了论述，最后介绍了该工艺在国内污水处理的应用研究情况。结果表明该工艺是一种有效的生物预处理工艺，具有良好的应用前景。关键词：水解酸化工艺特征应用1前言厌氧生物处理作为污水处理的一个重要方法，具有许多优点，尤其适用于高浓度有机废水的处理，但也存在处理过程不稳定、运行周期长、反应器启动缓慢等缺陷。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的要求，从而使厌氧段所需容积缩小，同时也可不考虑气体的利用系统，从而节省基建费用。对于中低浓度的污水来说，由于其有机物浓度低，若采用以能源回收为主要目的之一的厌氧消化，在经济上未必合算。水解酸化工艺与普通曝气工艺相比，尽管处理效果较差，但由于无需曝气而大大降低了生产运行成本。因此，探讨水解酸化动力学特性和工艺过程，寻求一种节能高效的污水处理工艺，具有重要的理论和现实意义。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同，将厌氧处理控制在反应时间段短的厌氧处理第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，将难生物降解的大分子物质转化为易生物降解的小分子物质的过程。水解酸化工艺作为各种生化处理的预处理，可改进废水的可生化性，为废水的有效处理创造良好的条件。厌氧生物降解的基本模式为水解阶段，固体物质降解为溶解性的物质，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的挥发性酸，主要是醋酸、丁酸和丙酸；甲烷化阶段是整个厌氧消化过程的控制阶段。23水解过程动力学若假定水解速率对于颗粒态有机物的降解为一级反应，则：式中，F—可降解颗粒态有机物的浓度（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的溶解物扩散限制作用的影响，Kh为胞内和胞外水解动力学常数之和。水解微生物增长和基质的利用速率可用Monod动力学方程式表示：式中，X—活性微生物的浓度（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）。将当微生物的增长与死亡刚好平衡时的基质浓度定义为Smin，令dX/dt=0,则：式中,b—有机物自身代谢系数（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到的最小基质浓度，也代表了系统最大的去除可能性。但事实上，由于污水的基质组分复杂，每一细菌种属都有各自独立的食料，因此要完成整个酸化过程，需要众多不同种属的细菌参与。由于每一种微生物将遵循其独特的反应速率，结果每一种微生物都有其各自的Smin（j），出水中的基质浓度将等于或大于(1)ddhFKtF(2)ddSSKYKSXtX(3)ddSSKKSXtS(4))(SminbYKKbS3所有中间产物所对应的Smin值的总和[1]。上述结果将导致相当高的出水BOD5浓度和较低的去除率，仅以水解酸化工艺处理污水要达到排放要求是不可能的，因此它只能作为一种预处理工艺来改善后续好氧生物处理的降解功能。4工艺特征4.1相分离途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，必须抑制产气阶段的进行，其相分离的途径可分为3种：4.1.1在酸化反应器中通过某种条件对产甲烷菌进行选择性的抑制，如适量投加CCl4、CH3Cl，控制微量氧，调节氧化还原电位和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通过动力学参数来控制，如控制有机负荷、水力停留时间(HRT)等。一般负荷越高，产酸菌繁殖越快，有机酸浓度越高，对甲烷菌的抑制作用也越强，从而达到有效相分离的目的。4.2酸化程度的判断指标表示水解酸化过程酸化程度的最主要参数是一些短链有机酸的浓度，即挥发性脂肪酸（VFA）的浓度，通过测定进入和流出反应器的VFA浓度的变化可以判断反应进行的情况。通常将不同的酸折算成COD当量值，以酸化率R来衡量有机物的酸化程度，其表达式为：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—醋酸的COD当量值。由（5）式可知，R越大，有机物酸化的程度越高。在基质浓度和环境条件一定的情况下，R主要随HRT而变。对溶解性底物，一般容易降解，在短时间(5)07.1CODVFAVFAififfeR4内即可达到较高的酸化率；对于非溶解性底物，由于水解速率较慢，相应的酸化速率也慢，酸化率较低。4.3水解池的启动水解反应器属上流式污泥床反应器（UASB）范畴。因此，要使水解反应顺利进行，培养出一定浓度的颗粒污泥是关键，而厌氧污泥的培养又与启动方式有密切关系。由于甲烷菌增殖缓慢，污泥固定化困难，一般UASB启动大约需要几个月时间。对于水解反应器，由于厌氧反应中放弃了甲烷化阶段，使启动时间大大缩短。根据动力学原理，通过调整HRT，利用水解细菌、产酸菌与甲烷菌生长速度不同，造成甲烷菌在反应器中难于繁殖的条件。启动时增大水力负荷，系统中将产生大量有机酸的累积，pH值下降，产气量减少，产甲烷菌受到了严重抑制，系统处于酸化状态，水解池的启动可在短期内完成。5水解酸化工艺的应用研究5.1中高浓度有机废水处理佘宗莲[3]采用厌氧—好氧序列间歇式反应器对生物制药废水处理的研究表明，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值由进水的0.338～0.386提高到出水的0.601～0.622，大大提高了废水的可生化性。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的水解酸化作用的研究结果表明，ABR可有效地改善混合废水的可生化性，进水B/C值由进水的0.2～0.3提高到出水的0.4～0.6，大大促进了废水进一步好氧处理的运行稳定性。程刚[5]研究了水解酸化在绵羊皮制革废水中的应用，结果表明水解池代替初沉池具有明显优势，其对COD、SS、硫化物的去除率分别达40%、70%和70%以上。杨健[6]在对感光胶片废水采用水解酸化—活性污泥法工艺与常规活性污泥法进行平行对照试验的基础上，从生化反应动力学系数的角度研究水解酸化过程对好氧生化反应的影响。研究结果表明，经水解酸化处理后，该废水的B/C值在由0.46～0.48提高至0.54～0.56的同时，后续活性污泥系统的动力学半速度常数Ks从常规活性污泥法的459mg/L下降至103mg/L，最大比降解速度K从3.0d-1上升至5.0d-1。5.2城市污水处理5刘军[7]等采用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，水解池出水水质明显优于初沉池。因此认为当经费短缺无力修建二级处理时，厌氧水解可代替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的研究结果表明，污水在水解池停留3h，CHCl3、C2H4Cl2和CCl4的去除率分别达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的适应性和酶对底物的利用创造了有利条件。6结语水解酸化工艺已广泛应用于多种类型污水的试验研究与应用，作为生物预处理工序或厌氧—好氧联合生化处理工艺中的前处理工序，对提高污水的可生化性、改善进水水质、提高好氧处理段氧的利用率、节约工程造价和运行费用效果明显，具有良好的应用前景和发展潜力。但由于水解酸化工艺是整个厌氧消化过程的一个阶段，因此对于该工艺的在线控制、过程设计以及操作条件对产酸阶段的影响程度等问题还需作进一步研究。7参考文献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.厌氧酸化法的启动及控制因素的探讨.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的研究[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—酸化处理制革废水的研究.纺织高校基础科学学报，2000，13（2）：171～174.66杨健.水解酸化提高感光胶片废水可生化性的动力学分析.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的研究.给水排水，2000，26（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2002-04-09)《上海环境科学》©版权所有