**節(jié)  水解（酸化）工藝與厭氧工藝

一、基本原理

污水生物處理工藝分好氧工藝和厭氧工藝，這兩類工藝各有其優(yōu)缺點(diǎn)。隨著生物處理技術(shù)的發(fā)展，作為生物處理的主角仍是微生物。如何能使好氧生物處理工藝提高污泥濃度，減少氧的消耗‘如何使厭氧生物處理工藝縮短處理時(shí)間和提高處理負(fù)荷，是值得進(jìn)一步研究的課題。各種類型有機(jī)污染物的厭氧（缺氧）、好氧降解反應(yīng)過程匯總?cè)缦隆?/font>

好氧（微需氧）過程                                  厭氧（缺氧）過程

（1）COD→H2O+CO2                                （2）COD→CH4+CO2

傳統(tǒng)好氧工藝                                                傳統(tǒng)厭氧工藝

（3）NH4+→NO3-                                       （4）NO3-→N2

硝化工藝                                                         反硝化或缺氧工藝

（5）H2S→S0                                               （6）SO42-→H2S

微需氧或好氧工藝                                       厭氧反應(yīng)

（7）R-Cl→CO2+Cl-                                    （8）R3CCl→CH4+CO2+Cl-

好氧反應(yīng)                                                         厭氧反應(yīng)

從化學(xué)反應(yīng)式（1）-（8）來看，除反應(yīng)式（1）、（2）為傳統(tǒng)的好氧和厭氧工藝外，其他均為兼性菌的反應(yīng)。人們過去對于好氧微生物和專性厭氧微生物研究十分充分，而對兼氧性微生物的研究不夠。

事實(shí)上，利用兼性**的工藝人們已開始有所涉及。如，對去除N、P的A²O或AO工藝（反應(yīng)式（3）、（4）），是利用了兼性菌在好氧條件下進(jìn)行好氧代謝，而在厭氧條件下進(jìn)行不同代謝反應(yīng)的工藝。在含有硫酸鹽的有機(jī)廢水中，厭氧反應(yīng)將有機(jī)物和硫酸鹽分別轉(zhuǎn)化為有機(jī)酸和硫化氫（反應(yīng)式（6）），產(chǎn)生的硫化氫被微需氧**直接氧化為硫元素。這可以用來去除硫化物并回收硫元素（反應(yīng)式（5））。*新研究表明，一些在好氧狀態(tài)下難降解芳香族和鹵代烴在厭氧條件下容易分解（反應(yīng)式（7）、（8））。

以上反應(yīng)是一些新工藝的化學(xué)反應(yīng)基礎(chǔ)，其基本原理是新工藝開發(fā)的基礎(chǔ)和生長點(diǎn)。例如，目前國際和國內(nèi)上流行的AB工藝和序批式活性污泥（SBR）工藝。前者是在A段的高吸附段發(fā)生了水解和部分酸化反應(yīng)，大分子物質(zhì)降解為小分子物質(zhì)，所以使得整個(gè)工藝的效率大為提高。對于后者而言，在SBR的反應(yīng)過程同樣經(jīng)歷了好氧-缺氧和厭氧的過程。

成功地利用兼性微生物的典型工藝是由北京市環(huán)境保護(hù)研究院在20世紀(jì)80年代開發(fā)的水解-好氧生物處理工藝。水解池利用水解和產(chǎn)酸微生物，將污水中的固體、大分子和不易生物降解的有機(jī)物降解為易于生物降解的小分子有機(jī)物，使得污水在后續(xù)的好氧單元以較少的能耗和較短的停留時(shí)間下得到處理。采用水解-活性污泥法與傳統(tǒng)的活性污泥相比，其基建投資、能耗和運(yùn)行費(fèi)用可分別節(jié)省30%左右。由于水解池具有改善污水可生化性的特點(diǎn)，使得本工藝不僅適用于易于生物降解的城市污水等，同時(shí)更加適用于處理不易生物降解的某些工業(yè)廢水，如紡織廢水，印染廢水，焦化廢水，釀酒廢水，化工廢水，造紙廢水等。

二、水解-好氧工藝的開發(fā)

水解-好氧工藝開發(fā)的目的是針對傳統(tǒng)的活性污泥工藝具有投資大、能耗高和運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用高等缺點(diǎn)，試圖采用厭氧處理工藝替代傳統(tǒng)的好氧活性污泥工藝。1983-1984年在北京進(jìn)行了**階段實(shí)驗(yàn)，采用37L的UASB反應(yīng)器，并配有三相分離器，停留時(shí)間為8.0h。在這一階段COD、BOD₅和SS的去除率分別在50-70%、60-80%和70-90%。盡管停留時(shí)間很長（8.0h），但沼氣產(chǎn)量很低，僅為0.02m³/（m³·d）。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看厭氧階段的處理不足以使出水達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)，不得不采用好氧后處理。另外，UASB反應(yīng)器的反應(yīng)時(shí)間太長，盡管其在運(yùn)行費(fèi)用和能耗等方面有一定的優(yōu)勢，但在基建投資方面不足以與傳統(tǒng)活性污泥工藝相競爭。在北京進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)屬于冬季水溫（*低為9℃）較低的實(shí)驗(yàn)。

在溫暖氣候條件下常溫（10-20℃）厭氧處理生活污水的實(shí)驗(yàn)，存在兩個(gè)問題。首先總的去除效果不理想，這是針對達(dá)標(biāo)和總的停留時(shí)間而言。事實(shí)上，厭氧的停留時(shí)間在8-12h的去除效果還是相當(dāng)高的，但是，要考慮到其與傳統(tǒng)好氧工藝應(yīng)有競爭力。**，停留時(shí)間在8-24h的厭氧系統(tǒng)的競爭能力將大為降低，COD的去除率僅30-60%。這樣還需要相當(dāng)客觀的好氧后處理設(shè)備。

為了解決上述問題，將UASB反應(yīng)器的運(yùn)行方式改變?yōu)椴糠謪捬?，即主要在厭氧反?yīng)的水解和酸化階段（這也是稱為水解-好氧工藝的原因），從而在反應(yīng)器中取消了三相分離器，使得反應(yīng)器結(jié)構(gòu)十分簡單，便于放大。雖然水解反應(yīng)器的停留時(shí)間僅有2.5h，但分別可取得高達(dá)45.7%、42.3%和93.0%的COD、BOD₅和SS去除率。后處理的活性污泥法僅需采用2.5h停留時(shí)間。

新工藝有兩個(gè)*為顯著的特點(diǎn)：其一，水解池取代了傳統(tǒng)的初沉池，水解池對有機(jī)物的去除率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的初沉池，更為重要的是經(jīng)過水解處理，污水中的有機(jī)物不但在數(shù)量上發(fā)生了很大變化，而且在理化性質(zhì)上發(fā)生了更大變化，使污水更適宜后繼的好氧處理，可以用較少的氣量在較短的停留時(shí)間內(nèi)完成凈化；其二，這種工藝在處理污水的同時(shí)，完成了對污泥的處理，使污水、污泥處理一元化，可以從傳統(tǒng)的工藝過程種取消消化池。作為一種替代的處理工藝，在總的停留時(shí)間和能耗等方面比傳統(tǒng)的活性污泥要有很大的優(yōu)勢。

三、水解（酸化）工藝與厭氧發(fā)酵的區(qū)別

從原理上講，水解（酸化）是厭氧消化過程的**、二兩個(gè)階段。但水解（酸化）-好氧處理工藝中的水解（酸化）段和厭氧消化的目標(biāo)不同，因此是兩種不同的處理方法。

水解（酸化）-好氧處理系統(tǒng)中的水解（酸化）段的目的，對于城市污水是將原水中的非溶解態(tài)有機(jī)物截留并逐步轉(zhuǎn)變?yōu)槿芙鈶B(tài)有機(jī)物；對于工業(yè)廢水處理，主要是將其中難生物降解物質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)橐咨锝到馕镔|(zhì)，提高廢水的可生化性，以利于后續(xù)的好氧生物處理。水解工藝的開發(fā)過程是從低濃度城市污水開始的，與高濃度廢水的厭氧消化中的水解、酸化過程是不同的。在連續(xù)厭氧過程中水解、酸化的目的是為混合厭氧消化過程中的甲烷化階段提供基質(zhì)。而兩相厭氧消化中的產(chǎn)酸段（產(chǎn)酸相）是將混合厭氧消化中的產(chǎn)酸段和產(chǎn)甲烷段分開，以便形成各自的*佳環(huán)境。因此，盡管水解（酸化）-好氧處理工藝中的水解（酸化）段、兩相法厭氧發(fā)酵工藝中的產(chǎn)酸相和混合厭氧消化工藝中的產(chǎn)酸過程均產(chǎn)生有機(jī)酸，但是由于三者的處理目的的不同，各自的運(yùn)行環(huán)境和條件有著明顯的差異，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

（1）氧化還原電位（Eh）不同

在混合厭氧消化系統(tǒng)中，由于完成水解、酸化的微生物和產(chǎn)甲烷微生物共處于同一個(gè)反應(yīng)器中，整個(gè)反應(yīng)器的氧化還原電位（Eh）的控制必須首先滿足對Eh要求嚴(yán)格的甲烷菌，一般為300mV以下，因此，系統(tǒng)中的水解（酸化）微生物也是在這一電位值下工作的。而兩相厭氧消化系統(tǒng)中，產(chǎn)酸相的氧化還原電位一般控制在-300—-100mV之間。水解（酸化）-好氧處理工藝中的水解（酸化）段為一典型的兼性過程，只要Eh控制在0mV左右，該過程即可孫里進(jìn)行。

（2）pH值不同

在厭氧消化系統(tǒng)中，消化液的pH值控制在甲烷菌生長的*佳pH值范圍，一般為6.8-7.2。在兩相厭氧消化系統(tǒng)中，產(chǎn)酸相的pH值一般控制在6.0-6.5之間，在酸化反應(yīng)器pH值降低時(shí)，丙酸的相對含量增大，而丙酸對后續(xù)的甲烷相中的產(chǎn)甲烷菌將產(chǎn)生強(qiáng)烈的抑制作用。對于水解（酸化）-好氧處理系統(tǒng)來說，由于濃度低不存在酸的抑制問題，因此，可以不控制pH值的范圍，一般pH在6.5-7.5之間。

（3）溫度不同

三種工藝對溫度的控制也不同，通常厭氧消化系統(tǒng)以及兩相厭氧消化系統(tǒng)的溫度均嚴(yán)格控制，要么中溫消化（30-35℃），要么高溫消化（50-55℃）。而水解處理工藝對溫度無特殊要求，通常在常溫下運(yùn)行，也可獲得較為滿意的水解（酸化效果）。

由于反應(yīng)條件不同，三種工藝系統(tǒng)種優(yōu)勢菌群也不相同。在厭氧消化系統(tǒng)種，由于嚴(yán)格地控制在厭氧條件下，系統(tǒng)中的優(yōu)勢菌群為專性***，因此完成水解（酸化）的微生物主要為厭氧微生物。水解（酸化）工藝控制在兼性條件下，系統(tǒng)中的優(yōu)勢菌群也是厭氧微生物，但以兼性微生物為主，完成水解（酸化）過程的微生物相應(yīng)也主要為厭氧（兼性）菌。對于兩相厭氧消化系統(tǒng)中的產(chǎn)酸相，微生物的優(yōu)勢菌群隨控制的氧化還原電位不同而變化。當(dāng)控制的電位較低時(shí)，完成水解、產(chǎn)酸的微生物主要為***；當(dāng)控制的電位較高時(shí)，則完成水解、產(chǎn)酸的微生物主要為兼性菌。

需要說明的是，水解-好氧工藝中的水解（酸化）過程與好氧AO（HO）、A²O和AB等工藝A段中發(fā)生的水解過程也是有較大區(qū)別的。這表現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：首先是菌中不同，如上所述在水解工藝中的優(yōu)勢菌群是厭氧微生物，以兼性微生物為主，而在好氧AO（HO）、A²O和AB等工藝A段中的優(yōu)勢菌是以好氧菌為主，僅僅部分兼性菌參加反應(yīng)；其次，在反應(yīng)器內(nèi)的污泥濃度不同，水解工藝采用的是升流式反應(yīng)器，其中污泥濃度可以達(dá)到15-25g/L，而好氧AO（HO）、A²O和AB等工藝中從二沉池回流的污泥濃度一般*高為5g/L，并且以好氧菌為主。以上的差別造成了水解工藝是完全水解，而好氧AO（HO）、A²O和AB等工藝中A段僅僅發(fā)生部分水解。

微生物種群的差異使得三種工藝系統(tǒng)的*終產(chǎn)物也完全不同。在厭氧消化系統(tǒng)中，水解（酸化）產(chǎn)生的有機(jī)酸被立即轉(zhuǎn)化為甲烷和二氧化碳（沼氣）。水解（酸化）工藝中的*終產(chǎn)物為低濃度有機(jī)酸，個(gè)別情況下還有極少量的甲烷。而兩相厭氧消化中的產(chǎn)酸相的產(chǎn)物主要為高濃度有機(jī)酸（主要為乙酸）、少量甲烷和二氧化碳（見表2-1）

表2-1水解（酸化）-好氧處理工藝中是水解（酸化）與厭氧消化的比較

工藝 項(xiàng) 目	水解（酸化）-好氧中的水解（酸化）段	兩相厭氧消化中的產(chǎn)酸相	厭氧消化
Eh/Mv	0	-100～-300	<-300
pH值	6.5～7.5	6.0～6.5	6.8～7.2
溫度	不控制	控制	控制
優(yōu)勢微生物	兼性菌	兼性菌+***	***
產(chǎn)氣中甲烷含量	極少	少量	大量
*終產(chǎn)物	低濃度的有機(jī)酸	高濃度的有機(jī)酸如乙酸、少量CH4/CO2	CH4/CO2

水解工藝的研究工作是從污水的厭氧-好氧生物處理小試驗(yàn)開始，經(jīng)過反復(fù)實(shí)驗(yàn)和理論分析，逐步發(fā)展為水解（酸化）-好氧生物處理工藝。在水解反應(yīng)器中實(shí)際上完成水解和酸化兩個(gè)過程（酸化也可能不十分徹底），但為了簡化稱呼，簡稱為水解。如上一章所述厭氧發(fā)酵產(chǎn)生沼氣過程可分為水解階段、酸化階段、乙酸化階段和甲烷階段等四個(gè)階段。水解池是把反應(yīng)控制在**階段完成之前，不進(jìn)入第三階段。采用水解池較之全過程的厭氧池（消化池）具有以下的優(yōu)點(diǎn)。

（1）         水解、產(chǎn)酸階段的產(chǎn)物主要為小分子有機(jī)物，可生物降解性一般較好。故水解池可以改變原污水的可生化性，從而減少反應(yīng)的時(shí)間和處理的能耗。

（2）         對固體有機(jī)物的降解可減少污泥量，其功能與消化池一樣。工藝僅產(chǎn)生很少的難厭氧降解的生物活性污泥，故實(shí)現(xiàn)污水、污泥一次性處理，不需要經(jīng)常加熱的中溫消化池。

（3）         不需要密閉的池，不需要攪拌器，不需要水、氣、固三相分離器，降低了造價(jià)和便于維護(hù)。由于這些特點(diǎn)，可以設(shè)計(jì)出適應(yīng)大、中、小型污水處理廠所需的構(gòu)筑物。

（4）         反應(yīng)控制在**階段完成之前，出水無厭氧發(fā)酵的**氣味，改善處理廠的環(huán)境。

（5）         **、**階段反應(yīng)迅速，故水解池體積小，與初次沉淀池相當(dāng)，節(jié)省基建投資。

因此，水解-好氧生物處理工藝是有自己特點(diǎn)的一種新型的水處理工藝。