污水的水解_酸化_好氧生物处理工艺_朱文亭

污水的水解(酸化)—好氧生物处理工艺

朱文亭,颜　玲(天津大学环境工程系,天津　300072) 摘要:介绍了水解(酸化)过程的原理、影响因素、判断指标、动力学过程,以及与好氧生物处理技术串联处理污水工艺的优点。水解(酸化)—好氧工艺可有效地用于城市污水和难降解工业废水的处理。对水解(酸化)过程进行优化,使其串联系统更有效。关键词:水解(酸化)工艺;好氧生物处理工艺;污水处理中图分类号:X703 文献标识码:A 文章编号:1002-1264(2000)05-0043-03Hydrolysis(acidification)—AerobicBiologicalTreatmentProcessZHUWen-ting,YANLing(DepartmentofEnvironmentalEngineering,TianjinUniversity,Tianjin300072,China)Abstract:Inthispaper,themechanism,influencefactors,estimationindexandkineticmodelofthehydrolysis(acidi-fication),andtheadvantagesofhydrolysis(acidification)—aerobicbiologicalprocesswereintroduced.Theabove-mentionedprocesscanbeusedefficientlytotreatmunicipalwastewaterandnon-biodegradableindustrialwastewater.Optimizationoftheprocesscanmakethewholewastewatertreatmentsystemmoreefficient.Keywords:hydrolysis(acidification)process;　aerobicbiologicaltreatmentprocess;　wastewatertreatment

污水的生物处理技术可分为好氧生物处理和厌氧生物处理。厌氧处理系统虽然具有剩余污泥少,成本低,能产生可利用的甲烷气等优点,但是其处理过程不稳定,不易控制,反应器初次启动缓慢,特别是出水COD浓度高,较难达到排放标准,故在厌氧生物处理系统后一般还需串联好氧处理系统,运用这种串联系统虽然使出水水质得到了改善,但由于厌氧段采用甲烷化,对操作和运行条件要求严格,原水中大量易于降解的物质(如有机酸等)在厌氧处理系统中被甲烷化,剩余的主要是难降解或厌氧消化的剩余产物,因此,后续的好氧处理尽管负荷较低,但是处理效率也很低。80年代后出现了水解(酸化)—好氧生物处理工艺,北京环保所在高碑店成功地应用该工艺处理城市污水,实验流程如图1所示[1]。

图1　水解—好氧工艺流程图1　水解(酸化)的机理伯力特等人根据微生物的生理种群,提出的厌氧消化三阶段理论,是当前较为公认的理论模式。三阶段消化的第一阶段,是在水解与发酵细菌作用下,使碳水化合物,蛋白质和脂肪水解发酵转化成单糖、氨基酸、脂肪酸、甘油及二氧化碳、氢等;第二阶段,是在产氢产乙酸菌的作用下,把第一阶段的产物转化成氢、二氧化碳和乙酸。第三阶段,是通过两组生理上不同的产甲烷菌的作用,一组把氢和二氧化碳转化成甲烷,另一组是对乙酸脱羧产生甲烷。从原理上讲,水解(酸化)是厌氧消化过程的第一、二两个阶段,但是它与厌氧消化追求的目标不同,因此,两者是完全不同的处理工艺。水解(酸化)池将厌氧消化控制在反应时间较短的水解(酸化)段,原污水中不溶的有机污染物溶解、可溶的部分复杂污染物得到降解,使其易于穿越细胞膜。水解形成的小分子被细菌用为进行发酵的碳源和能源。这些发酵作用的氧化最终产物主要是短链的挥发性酸,如乙酸、丙酸、戊酸和己酸等。43第13卷5期2000年10月城市环境与城市生态URBANENVIRONMENT&URBANECOLOGYVol13,No.5Oct.　2000 收稿日期:2000-01-212　水解(酸化)的影响因素2.1　污水的性质2.1.1　基质的种类水解(酸化)工艺可用于处理城市污水和难降解工业污水。被处理污水中基质不同,其水解的难易程度也不同,如多糖、蛋白质、脂肪在相同的操作条件下,水解速率依次减小,而同类有机物,分子量大的比分子量小的难水解,直链结构的分子与支链结构的分子相比易水解,单环化合物比杂环化合物易水解[2]。2.1.2　颗粒有机物的粒径污染物的粒径对水解速率的影响也很大。大粒径的颗粒,单位重量的比表面积小,水解速率也较小。AndreaValentini等人进行了四组试验,每一组把平均粒径为50μm的纤维素颗粒分成5级,每级粒径平均值分别为18,27,36,45和70μm,若不考虑微生物浓度的影响,并且每级都水解,得到的结果如图2所示,即粒径与水解动力学常数成反比关系[3]。从图3也能看出:对于两种不同粒径(分别为20μm和50μm)的纤维素颗粒,当pH值为5.6,进水COD=8g/L时,粒径为20μm的颗粒水解效率比50μm的高;另外,粒径为20μm的颗粒的水解效率与水力停留时间的曲线较50μm的陡,证实粒径越大,需要的水解时间越长[4]。所以,对于高浓度的废水或污泥,在进入反应器之前可以用机械破碎,以减小污染物粒径,加快水解反应。

图2　水解动力学常数与颗粒物粒径的关系2.2　水力停留时间(HRT)水力停留时间是控制反应器运行的重要参数,对于单纯以水解为目的的反应器,提高水力停留时间,使水解物质与水解微生物接触的时间增长,溶出COD的浓度就越高,即水解效率也越高。如图3所示:当HRT从36h增加到72h,粒径为20μm的颗粒水解效率增加了1.6倍,粒径为50μm的颗粒水解效率增加了1.9倍,表明水力停留时间越长,水解效率越高[4]。但是对于水解(酸化)———好氧生物处理工艺来说,水力停留时间尽管因处理污水的种类而不同,其水解(酸化)部分的HRT也不宜太长。

图3　两种粒径纤维素颗粒水力停留时间与水解效率的关系2.3　pH值的影响水解(酸化)与一般生物反应系统一样,pH值对其水解产物的种类和含量、水解速率、生物增长率等均有影响。由于水解(酸化)后有好氧生物处理,不存在丙酸抑制的问题,故pH值的适应范围较广,在3.5-10.0内均能正常反应,但最佳值为5.5-6.5。水解液的pH值对水解产物的种类和含量的影响如表1所示[4]。表1　挥发酸COD中乙酸和丙酸的含量与pH值的关系pH值VCODmg/LACODmg/LPCODmg/LACOD/VCOD(%)PCOD/VCOD(%)6.822681162105151.246.36.425801382113253.643.96.028701110160038.355.75.631221033183333.158.75.22902976159833.655.1表中:VCOD:挥发酸COD　PCOD:丙酸COD　ACOD:乙酸COD从表1可看出:pH值的变化对乙酸含量的影响不大,但是,随着pH值的降低,丙酸的含量增大,乙酸的相对含量减小。水解产物不同,其中细菌细胞膜的透过性就不同,进行不同的生化反应,所以水解速率也不同。2.4　温度的影响水解反应是生物反应,温度对微生物的代谢活动有影响。细胞内的生化反应随温度的增加达到一个极大值,此后进一步提高温度将引起生物酶的变性而使反应速率下降。水解(酸化)过程对温度的要求不象厌氧消化那样严格,通常在常温下,也能取得较好的处理效果,即使在最低水温13℃时仍可稳定运行。若采用污泥床反应器,由于水解池中保持有大量活性污泥,大生物量易消除低温造成的影响,而且水解污泥形成的污泥层,44 城市环境与城市生态　13卷5期　2000年对有机物进行吸附截流,反应时间比较充足,致使温度对COD、BOD5、SS的去除率影响较小。

图4　HRT=3.5h温度与去除率关系3　水解(酸化)过程判断指标水解(酸化)过程表示酸化程度的最主要的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浓度的变化能判断反应进行的情况。Eastman和Ferguson建议把不同的酸折算成COD(见表2),计算以COD表示的总酸化程度。 表2　VFA与COD的换算值g/LVFA相当于COD乙酸1.066丙酸1.512丁酸1.816戊酸2.036己酸2.204计算式如下:COD的酸化率=挥发酸COD(mg/L)溶解的总COD(mg/L)4　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:rh=dFdt=-KhF(1)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的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式表示:rX=dXdt=YkSXKs+S-bX(2)ru=dSdt=kSXKs+S(3)式中:X—活性微生物的浓度(mg/L);S—基质的浓度(g/L);Y—微生物生长量系数(g产生的生物量/g利用的基质);k—最大基质利用率(d-1);KS—半速率常数(g/L);b—微生物死亡系数(d-1)。5　提高水解(酸化)能力的新技术设计研制新型有效的反应器,改善反应器运行条件,并且在微生物方面有新的突破,是提高水解(酸化)能力的关键所在。对于粒状有机物,研究表明,预处理可以提高其水解速率。目前已有热处理,添加酶,臭氧化作用,通过酸化产生的化学增溶作用或碱液水解,以及用机械方法使污泥分解等方法。用碱液处理这种化学方法能把脂肪、碳氢化合物和蛋白质水解和分解为脂肪酸、多糖酶、氨基酸;而用200W超声波的能量(20kHz,1h,20℃-30℃)预处理活性污泥,能加强COD的溶解(1atsuoetal.,1993)。因为这两种方法依赖不同的机理使粒状有机物溶解,所以它们的联合将充分利用两种机理的优势,以达到更好的处理效果。Ying-chihChiu等利用三种预处理方法:仅用碱液处理;碱液处理后再用超声波处理和同时进行两种预处理进行实验,结果表明:同时进行两种预处理的初始水解率最高,为211.9mg/L/min,利用同步处理,可以使预处理活性污泥的时间大大缩短。水解是由产酸细菌和胞外酶共同作用产生的。产酸细菌属于兼性厌氧菌和专性厌氧菌,根据其特性,应创造最佳操作条件,保证充足的营养,以提高细菌的活性,并且尽可能地提高细菌的分布密度。筛选新的优势菌群来水解某种具体的基质,以达到最佳的处理效果,如瘤胃细菌和纤毛虫的混合体被用于纤维素的水解和发酵。酶是一种高效专一的生物催化剂,研究水解酶的活性要考察其合成、稳定性及位置,某种具体水解酶的合成因电子受体处于厌氧、好氧或缺氧环境的不同而有差异,而已经合成酶的活性则不受环境的影响,充分了解该生物反应的酶的性质,并提高其活性,能加快反应速度和提高水解率。目前,酶的固定化技术也是研究的热点。6　结论水解(酸化)反应器不需设气体分离和收集系统,无需密闭,无需搅拌设备,造价低,便于维修;(下转第48页)45朱文亭等　污水的水解(酸化)———好氧生物处理工艺 要实施企业化管理,使之从政府的统包中剥离出来,自主经营,自负盈亏,政府负责调控和监督,但这样需要一系列的配套措施。(2)对全民需要加强可持续发展的教育,必须考虑后代人可以而且应当享受的权利,不能为眼前利益进行短期行为,政府和环境专家的宣传作用更应该充分发挥。(3)政府执法保证措施必须严格,杜绝弄虚作假。中国已经颁布了《水污染防治法》,《环境保护法》和《水资源管理条例》等严格的排放标准。排放标准是对企业、厂商可以排放多少污染物的法定限制,按照一般西方国家的规定,如果厂商排污超过限制,它就会面临经济惩罚甚至刑事惩罚,我国执法单位亦应建立完善的污水处理设施运行监督制度。(4)公众积极参与,提供完全信息,多重监督。公众有权知道自己生活的环境质量,如自来水的有害物质含量,蔬菜瓜果的农药及重金属污染程度等,使公众关注切身利益开始,从而对政府的环保工作尤其是污水处理效果有一个明确的评价。(5)抓示范工程,宣传并加以推广。我国在最近几年重点污水治理项目“三江、三湖和一市”工程中,确实有一些投资额巨大,运行良好,制度安排创新,改善周围环境明显的污水集中处理设施,应给予总结推广。(6)区域性排污企业集中治理,可以施行排污许可证制度,让市场调节各个企业之间的许可证交易,最终达到理想的排放水平。随着中国市场经济的进一步加强,区域性的污水排放运用可交易制度将得以推广应用。(7)转变观念,逐步建立废弃物资源的市场[3],将某区域的污水视为产业发展的一个重要原材料,实施生态发展观念,从而使经济发展与环境资源问题纳入国民经济的宏观调控之中。实现城市典型水污染处理设施的真正的可持续运行,可为跨地区、跨行业水污染综合决策作出客观、准确的预测,并对环境管理部门提供快速、简洁的决策系统,不断克服我国水环境治理基金使用上“投入大、产出少、见效慢”的缺点,对未来“十五”期间“三江”、“三湖”水污染控制都有很好的示范前景。尤其是江苏省“三大战役”和各省、市、自治区的污水达标排放后,仍需要从根本着手,因为“零点行动”只是“从零开始”,达标排放不是句号,而是更艰巨的综合治理工作的开端。参考文献[1]　(美)平狄克,鲁宾费尔德.微观经济学.北京:中国人民大学出版社,1997:501-535.[2]　张帆著.环境与自然资源经济学.上海:上海人民出版社,1998:77-102.[3]　欧阳培主编.排泄资源经济学.北京:经济科学出版社,1997:268-284.[4]　朱国伟.水污染处理装置的可持续性研究.中国人口·资源与环境,1999;38(9):129-130.作者简介:朱国伟(1970-),男,南京农业大学在职博士生,助研,研究方向为环境经济学、资源经济学与可持续发展,已发表论文10余篇。