水解－酸化預處理工藝的機理與實(shí)際應用

摘  要：本文介紹了水解－酸化工藝的基本原理，綜述了水解－酸化作為難生物降解有機物廢水預處理工藝的應用情況及處理效果；分析了影響難降解有機物水解－酸化處理效果的部分因素；闡述了用水解－酸化預處理的方法對處理難生化降解的有機廢水是一種有效的手段.

關(guān)鍵詞：污水處理； 難降解有機物； 水解－酸化

1  前言

難降解的有機化工污水處理，是環(huán)保高新產(chǎn)業(yè)技術(shù)中的一部分。污水處理的本質(zhì)是采用各種技術(shù)手段將污水中的污染物質(zhì)分離出來(lái)，或將其轉化為無(wú)害的物質(zhì)，使之得到凈化。在污水中，存在著(zhù)各種有機物和無(wú)機物，難降解有機物是指在一般生化處理過(guò)程中不能分解且對生化反應有抑制或毒害作用的有機物，如有機農藥、多氯聯(lián)苯等。

國內外處理難降解的有機物通常有兩類(lèi)方法，一類(lèi)是采用吹脫、吸附、膜分離、氧化、焚燒、電化學(xué)處理等物理化學(xué)法；另一類(lèi)是立足于生化法，通過(guò)預處理或生物處理的一些強化手段，提高生物對難降解有機物的分解能力。近年來(lái)，國內外的環(huán)�？蒲腥藛T研究了一種介于厭氧和好氧之間的水解－酸化工藝，作為難降解有機物的預處理工藝，它對提高后續生化處理的能力有顯著(zhù)效果。

2  水解－酸化工藝機理

2.1 水解－酸化工藝的基本原理

水解－酸化工藝可以從有機物的厭氧分解過(guò)程的分析得出。有機物的厭氧分解一般可以分解為三個(gè)階段，第一階段是由兼性細菌產(chǎn)生的水解酶類(lèi)將大分子物質(zhì)或不溶性物質(zhì)水解成低分子可溶性的有機物，這一階段主要是促使有機物增加溶解性。第二階段為產(chǎn)酸和脫氫階段。它把水解形成的溶性小分子由產(chǎn)酸菌氧化成為低分子的有機酸等，并合成新的細胞物質(zhì)。第三階段是由產(chǎn)甲烷細菌把第二階段的產(chǎn)物進(jìn)一步氧化成甲烷、二氧化碳等，并合成新的細胞物質(zhì)。難降解的有機化合物通常都是一些大分子的有機化合物、纖維素等，這類(lèi)污染物的降解首先要經(jīng)過(guò)水解過(guò)程，而好氧微生物的水解能力很弱，致使有機物降解緩慢。［１］厭氧生物處理恰恰利用了水解－酸化階段，使一些難降解的物質(zhì)得到降解。只要適應水解－酸化的微生物菌群生成，就可以使一些難降解的物質(zhì)得到降解。1967年，人們發(fā)現氯代烴在厭氧條件下可以脫氯而分解為較易生物降解的中間體。［2］在水解和酸化階段，主要微生物為水解菌和產(chǎn)酸菌，他們均為兼性細菌，利用水解菌和產(chǎn)酸菌，將大分子、難降解的有機物降解為小分子有機物，改善廢水的可生化性，為后續處理創(chuàng )造有利條件。

2.2  水解－酸化預處理工藝的特點(diǎn)

水解和酸化處理過(guò)程不需要曝氣但又不絕對厭氧,它不以產(chǎn)甲烷為目標,僅是厭氧處理的中間過(guò)程.與完全厭氧工藝相比,有如下特點(diǎn):

（1）難降解的有機廢水經(jīng)水解－酸化處理后，BOD5／CODcr比值，有明顯的提高；

（2）不需要嚴格的厭氧條件，工藝運行比較穩定，對環(huán)境溫度在15℃～３５℃之間、pH在6.5～9.0之間的變化范圍內不很敏感，便于操作控制；

（3）相對厭氧處理而言，水力停留時(shí)間短，對工業(yè)污水中的有機污染物，根據其分子結構、分子量大小，水解反應一般在4－12h完成。所需反應器體積較小，可節省工程投資；

（4）水解和產(chǎn)酸菌的繁殖速度比產(chǎn)甲烷菌快，馴化培養時(shí)間較短。采用軟性纖維填料的膜法水解－酸化生物工藝，由于生物量大、容積負荷高，能適應進(jìn)水CODcr濃度的變化，且抗沖擊負荷的能力也較強。

（5）水解－酸化池不產(chǎn)生厭氧反應那樣的臭味，它可以設計成敞開(kāi)式。水解－酸化池的設計深度要盡量深一點(diǎn)，在4－8m之間。

3  水解－酸化預處理的應用

南京某化工廠(chǎng)的生物膜水解－酸化和生物膜好氧曝氣、塔式活性污泥法串并聯(lián)工藝組合，在處理難生化降解的有機混合廢水中取得了較好的效果。其混合的化工廢水組成見(jiàn)表1。

從表中可以看出，該混合廢水中水質(zhì)復雜，較難生化處理的硝基苯、硝基氯苯、含防老劑RD的氨基類(lèi)廢水、防老劑4020含酮廢水等占有較大的比例，占總水量的80％以上，他們對好氧生物污泥中的微生物能產(chǎn)生抑制作用和毒害作用。沒(méi)采用生物膜水解－酸化工藝時(shí)的BOD／COD值比在0.2－0.26之間，而采用生物膜水解－酸化工藝后，在水解菌和產(chǎn)酸菌的作用下，大分子有機物降解為酸性小分子的物質(zhì)，難溶解的含防老劑RD的氨基廢水水解后，其溶解度有較大幅度的提高，便于生化處理。硝基苯在好氧生化處理時(shí)，降解效果差，但在缺氧水解－酸化的條件下，硝化廢水中的硝基可部分轉化為胺基。而苯胺廢水的可生化性強于硝基苯廢水，從而使混合污水中的難于生物降解的物質(zhì)轉為易生物降解的物質(zhì)，BOD/CODcr的比值升高到0.3以上，提高了難生化降解污水的可生化性。

該廠(chǎng)的研究部門(mén)用上�？萍即髮W(xué)SKW－3型瓦勃式呼吸儀對難生化處理的硝基氯苯、混合污水等廢水進(jìn)行了采用生物膜水解－酸化處理前后可生化性的測定。其中，硝基氯苯廢水的水質(zhì)情況如表2。

3.1  試驗原理

3.1.1  污泥培養及馴化

取該廠(chǎng)污水處理車(chē)間成熟污泥置于1000mL量筒中，用小型充氧泵供氧。培養期間，每天投加氮、磷營(yíng)養物以增加污泥數量；培養結束后進(jìn)行馴化，每天去除上清液，加入稀釋的廢水以提高污泥對廢水的適應性，提高污泥中微生物對廢水中有機物的降解能力�？刂葡♂審U水的COD濃度在300－500ppm。

3.1.2  試驗

試驗前一天空曝一天，使污泥處于內源呼吸階段。整個(gè)過(guò)程約需10～15天。廢水與馴化后的污泥置于密閉的反應瓶中，并與檢壓管相連接，經(jīng)振蕩，污泥與水充分接觸后起反應，污泥中的微生物將大分子有機物將降解成小分子化合物，最終將之分解成二氧化碳、水、NOX，降解過(guò)程中消耗反應瓶中的氧氣，生成的二氧化碳被反應瓶中心小杯內的10％KOH溶液吸收，反應瓶?jì)刃纬韶搲�，反映在減壓管上，記錄不同時(shí)刻的開(kāi)管度數，根據一定的換算公式，計算出耗氧值。

換算公式：       
式中：△h：檢壓管壓差（mm）；
          X：  污泥干重（g）；
          K：  常數（由廠(chǎng)家隨設備提供）。

3.2  原始記錄及數據處理

將蒸餾水、廢水和馴化后的污泥按照一定的比例定量放在不同反應瓶中，并與檢壓管相連接，裝于瓦勃式呼吸儀上。記錄不同時(shí)間檢壓管開(kāi)管讀數，分別列于表3、表4，計算結果列于表5、表6。

根據上述計算結果，分別以7h和以8h處的值，計算耗氧值得：

沒(méi)有加水解－酸化工藝：ΔW×X/COD＝（11.62-10.00）×10.5/350=0.11＜0.3

已經(jīng)加水解－酸化工藝：ΔW×X/COD＝（31.70-23.66）×10.5/280＝0.301＞0.3

一般來(lái)說(shuō)，以上比值大于0.3廢水能夠生化處理。

設B＝ΔW×X/COD，表7列出了不同廢水在水解－酸化前后的可生化性變化情況。（不同廢水的試驗數據和計算結果略。）

通過(guò)對比，增加水解－酸化工藝后，對提高廢水的可生化性效果非常明顯，這對整個(gè)工藝系統處理效果的提高起了至關(guān)重要的作用。使裝置的污染物去除能力提高15％～25％。處理后廢水的達標率更加穩定。表8列出了未增加水解－酸化處理系統前的總排水COD值。表9列出了增加水解－酸化處理系統后的總排水COD值。

從上表中可以看出，在處理水量基本相同的條件下，增加了水解－酸化預處理工藝后，雖然COD進(jìn)水濃度有較大幅度的增加，達到２５％以上，但裝置的總排出水COD值并沒(méi)有增加,仍然處于達標水平。（該廠(chǎng)的COD排放指標為COD≤120mg/L。整個(gè)裝置的處理效率提高是顯而易見(jiàn)的。

3.3  微生物鏡檢情況

由于水解－酸化工藝是使用軟性纖維填料的生物膜進(jìn)行的，而生物膜是固定生長(cháng)的，具有形成穩定生態(tài)的條件，能夠棲息增殖速度慢、世代時(shí)間長(cháng)的細菌和較高級的微生物如硝化菌，它的繁殖速度要比一般的假單胞菌慢40～50倍。南京某化工廠(chǎng)的水解－酸化預處理裝置，在經(jīng)過(guò)連續運行一個(gè)月后，部分脫落的微生物漂浮在水解－酸化池的表面，形成一個(gè)隔絕空氣的厭氧生物層。在此生物層上出現的生物,在種屬上要比在活性污泥中豐富得多。鏡檢中除看到細菌和原生動(dòng)物外,而且還能看見(jiàn)真菌、藻類(lèi)以及鞭毛蟲(chóng)、纖毛蟲(chóng)和豆形蟲(chóng)等，生物種群相當的豐富。

4  水解－酸化工藝的影響因素與設計要點(diǎn)

4.1  進(jìn)水COD濃度變化的影響

從南京某化工廠(chǎng)水解－酸化預處理的污水處理裝置實(shí)際運行的情況看，在水解－酸化處理過(guò)程中，進(jìn)水COD的濃度在一定范圍內的增加，如COD的變化值在短時(shí)間內，超過(guò)設計進(jìn)水值的1.2～1.3倍時(shí)，對出水水質(zhì)指標的影響不大。但是，如果持續時(shí)間過(guò)長(cháng)或進(jìn)水的COD值超過(guò)設計值的1.5倍以上，則會(huì )對微生物帶來(lái)較大的影響，其生物活性明顯的受到抑制，出水效果也會(huì )變差。因此，水解－酸化預處理對進(jìn)水COD濃度在短時(shí)間內的急劇變化，所引起的沖擊負荷的適應能力相對較強。

4.2  水力停留時(shí)間

水力停留時(shí)間（HRT）主要取決于廢水的溶解度、組份等性質(zhì)，工業(yè)廢水的水質(zhì)比較復雜，其HRT在14h～20h之間。在設計水解－酸化工藝時(shí)，要綜合考慮水解－酸化工藝的處理目標、COD的去除效率等。通常隨著(zhù)HRT的增加，COD、BOD及BOD5／COD均為先上升后下降，表明在一定停留時(shí)間內，水解－酸化使一些大分子、難降解有機物降解為小分子、易生物降解的有機物，使廢水BOD升高；但隨著(zhù)停留時(shí)間的延長(cháng)，產(chǎn)甲烷菌開(kāi)始生長(cháng)，使一部分小分子有機物徹底降解，故BOD、COD均降低。因此，選擇使BOD5／COD達到最大值時(shí)的HRT為最佳HRT，這樣可充分發(fā)揮后繼耗氧生物處理的作用，縮短系統的總水力停留時(shí)間，減少處理設備的容積。

4.3  水解-酸化池的設計

 水解－酸化池的池形設計要造成良好的水力工況，應控制池深、池長(cháng)、池寬的比例，池內要分格，造成上下推流、水平推流、減少水流的死區。以保證在相同池容積下，有最大的停留時(shí)間。水解－酸化池是否加蓋，可視進(jìn)水溫度、水力停留時(shí)間以及所在地區冬季溫度等因素來(lái)考慮。如果冬季溫度低且持續時(shí)間長(cháng)，則一定要加蓋。否則在冬季運行效果就會(huì )變差。

4.4  溫度

大量文獻表明，在一定的溫度范圍內，溫度的變化對COD的去除率有一定的影響。在水溫大于25℃時(shí)，水解－酸化的效果較好。水解－酸化池在水溫13℃時(shí)仍可正常運轉，但效果有所下降，當水溫小于10℃時(shí)，處理效果明顯變差。溫度對難降解有機物的COD去除率確有一定的影響。由此可以看出水解菌和酸化菌對溫度的變化有一定的敏感，但是，通過(guò)適當調節進(jìn)水量，延長(cháng)污染物在反應器內的停留時(shí)間，或在冬季運行時(shí)，在水解－酸化池上加蓋保溫，仍能達到一定的處理效果。

5  結束語(yǔ)

水解－酸化預處理工藝，對于處理含有難降解有機物的廢水是一種有效的手段。它能將大分子難降解的有機物轉化為小分子易降解的有機物，改善廢水的可生化性，為后繼生化處理創(chuàng )造條件。同時(shí)，經(jīng)水解－酸化預處理，出水水質(zhì)穩定，減少了進(jìn)水COD濃度在短時(shí)間急劇變化對整個(gè)生化處理系統裝置的沖擊。

總之，水解－酸化預處理工藝對環(huán)境條件的要求不高，易于操作管理，只要工藝設計得當，其優(yōu)越性是不言而喻的。

參考文獻
[1] 許保玖，龍騰銳.當代給水與廢水處理處理原理（第二版）.北京：高等教育出版社，2002.
[2] 錢(qián)易等.現代廢水處理新技術(shù)（第一版）.北京：中國科學(xué)技術(shù)出版社，1993.作者: 連日新