水解酸化概念

1、厭氧發(fā)酵過程分四階段:1. 水解-固體物質(zhì)降解為溶解性物質(zhì)，大分子分解為小分子；2. 酸化-碳水化合物降解為脂肪酸；3. 酸化衰退-有機(jī)酸、含氮化合物分解成氨、胺及其他氣體；4. 甲烷化-有機(jī)酸被轉(zhuǎn)化為沼氣。（厭氧階段）水解酸化是把反應(yīng)控制在前兩個(gè)階段水解（酸化）反應(yīng)器在工程應(yīng)用中的研究與展望（1.中山市恒雅環(huán)保工程有限公司， 廣東 中山528403 ； 2.中山市環(huán)境科學(xué)研究所，廣東 中山528403 ）摘要在實(shí)際的工業(yè)廢水處理工程中，作為預(yù)處理單元的水解（酸化）反應(yīng)器，不但降低了廢水的CODCr值, 而且提高了廢水的可生化性。本文論述了水解（酸化）反應(yīng)的特點(diǎn)及原理；介紹了水解（酸化）反應(yīng)器

2、的 類型及其在工程應(yīng)用中的效果；討論了影響水解（酸化）反應(yīng)器運(yùn)行的主要因素及其設(shè)計(jì)要點(diǎn)；展望了水 解（酸化）反應(yīng)器的應(yīng)用前景及研究領(lǐng)域。關(guān)鍵詞：水解（酸化）；CODcr ；可生化性； 工程應(yīng)用前言厭氧處理技術(shù)是一種有效礦化有機(jī)物的微生物處理技術(shù)，在一定條件下，厭氧細(xì)菌能將有機(jī)物轉(zhuǎn)化為CH 4及CO2等氣體（俗稱沼氣）。相對(duì)于好氧處理技術(shù)而言，其具有剩余污泥少、運(yùn)行費(fèi)用低及回收能 源等優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)存在著環(huán)境條件要求嚴(yán)格，岀水具有不良?xì)馕兜热秉c(diǎn)。因此，目前單獨(dú)采用厭氧技術(shù)治 理有機(jī)廢水還未得到廣泛應(yīng)用。但長期的研究證實(shí)：厭氧消化過程中的水解（酸化）段不但能降低CODCr，同時(shí)還可以提高廢水的可生化

3、性。利用這一特點(diǎn)，筆者設(shè)計(jì)并應(yīng)用了多種類型的水解（酸化）反應(yīng)器，在 生活廢水、印染廢水、食品廢水、化工廢水等治理工程中發(fā)揮了重要作用，獲得了滿意的效果。一、水解（酸化）的原理有機(jī)物在完全厭氧消化過程中依次經(jīng)歷以下三個(gè)階段：水解、酸化、甲烷化，詳見圖1 :大分子物質(zhì)*水解、酸化作用乙酸、甲酸 小分子物質(zhì)CO 2、H 2I產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸作用I甲烷化作用CH 4、CO 2 NH 3、H 2 S圖1有機(jī)物厭氧消化階段圖I .水解：不溶性大分子物質(zhì)（如蛋白質(zhì)、淀粉、脂肪）在水解酶的作用下，分解為水溶性的小分 子物質(zhì)（如氨基酸、葡萄糖、甘油及各種溶解性有機(jī)物等）。n .酸化：水解產(chǎn)物被發(fā)酵細(xì)菌攝入細(xì)胞內(nèi)，經(jīng)過

4、一系列的生化反應(yīng)，轉(zhuǎn)化成各種有機(jī)酸（如乙酸、 丙酸、丁酸等），然后產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌將其進(jìn)一步轉(zhuǎn)化甲烷菌可利用的乙酸和氫。山.甲烷化：甲烷細(xì)菌利用前一階段產(chǎn)生乙酸和氫，合成CH 4和CO 2等氣體形式。實(shí)際工程應(yīng)用中的水解（酸化）并非完全的水解和酸化，即并非完成厭氧消化的前兩個(gè)階段。水解（酸化）的目的是把廢水中的不溶物轉(zhuǎn)變?yōu)榭扇芪铮瑢⑽⑸镫y降解物質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)樯镆捉到馕镔|(zhì)，其最終產(chǎn)物 主要為水溶性的有機(jī)酸，醇等；而水解和酸化的最終產(chǎn)物則主要是乙酸和氫1。大量的研究結(jié)果表明：在厭氧條件下的混合微生物系統(tǒng)中，水解和酸化是無法截然分開。水解過程是靠發(fā)酵細(xì)菌釋放的胞外酶對(duì)大分子物質(zhì)斷鏈，取得了水溶性基質(zhì)并通過

5、體內(nèi)的生化反應(yīng)取得能源。因此，嚴(yán)格上我們只追求厭氧消化的水解段，但不可避免地帶有部分的酸化反應(yīng)而已。二、水解（酸化）反應(yīng)器的類型針對(duì)不同性質(zhì)的廢水，以及結(jié)合不同類型的后續(xù)處理工藝，筆者設(shè)計(jì)了不同類型的水解（酸化）反應(yīng) 器。根據(jù)微生物在反應(yīng)器內(nèi)的生長狀態(tài)，可把各種反應(yīng)器區(qū)分為三大類型：懸浮式反應(yīng)器、接觸式反應(yīng)器、 復(fù)合式反應(yīng)器2。?懸浮式反應(yīng)器類似好氧處理工藝的活性污泥法的形式，水解（酸化）微生物以聚集成泥粒形式存在此類反應(yīng)器中， 或懸浮在液中，或沉積于器底。污泥與有機(jī)廢水充分混合，使廢水中的難降解大分子物質(zhì)徹底消化成易降 解的小分子可溶性基質(zhì)。在此類反應(yīng)器中，應(yīng)用最廣的是經(jīng)改進(jìn)的UASB反應(yīng)器

6、，稱為上流式水解污泥床（UHSB ）（見圖2 ）。它不需要密閉，不需要設(shè)三相分離器。為加強(qiáng)污泥與廢水的混合，反應(yīng)器中可設(shè) 循環(huán)泵作攪拌。由 UHSB反應(yīng)器發(fā)展而來的還有折板式反應(yīng)器（HBR ）（見圖3 ）,其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是反應(yīng)器中設(shè)置折板隔成數(shù)個(gè)上流式水解反應(yīng)室，廢水在反應(yīng)器內(nèi)沿折流板上下流動(dòng)提高了污泥微生物與廢水間 的混合接觸作用，穩(wěn)定了處理效果，并促進(jìn)了顆狀微粒污泥的形成與生長3。1t¥4?接觸式反應(yīng)器此類水解反應(yīng)器的特點(diǎn)是水解（酸化）微生物固定在反應(yīng)器內(nèi)特設(shè)的載體上，在其表面形成一層以生物細(xì)胞為主的生物膜。微生物的世代期較長，耐沖去擊荷的能力較強(qiáng)，因此對(duì)水質(zhì)變化較大以及有抵制性 作

7、用的有機(jī)廢水具有較穩(wěn)定的處理效率。此類反應(yīng)器的典型代表為水解濾池（HF）（見圖4）。在HF中,通常以組合填料作載體，該填料掛膜快，且不容易堵塞，是一種理想的掛膜介質(zhì)。廢水從反應(yīng)器底部進(jìn)入，通過配水區(qū)均勻經(jīng)過掛滿生物膜的填料以得到充分處理，反應(yīng)器不需回流污泥，運(yùn)行管理方便。3、復(fù)合式反應(yīng)器。生復(fù)合反應(yīng)器內(nèi)既存在水解（酸化）的污泥，又存在水解（酸化）生物膜，形成水解（酸化）污泥物膜的綜合體。筆者將 UHSB與 HF相結(jié)合的復(fù)合反應(yīng)器稱為 UBHF（見圖5）。反應(yīng)器的上部為填料層，下 部為污泥床，中間留岀一定的空間，以便懸浮狀態(tài)的絮狀污泥和顆粒污泥停留。此類同復(fù)合反應(yīng)器集合了 前兩者反應(yīng)器的優(yōu)點(diǎn)，增

8、加了反應(yīng)器的生物量，延長了生物的HRTl-l_1OHniitii«1TT11AB4*q0三、水解（酸化）反應(yīng)器在工程應(yīng)用中的效果在當(dāng)前的工業(yè)廢水處理工程中，水解（酸化）反應(yīng)器主要用于中低濃度降解廢水的預(yù)處理。其作用是將原水中的非溶解態(tài)有機(jī)物轉(zhuǎn)變?yōu)槿芙鈶B(tài)有機(jī)物， 把微生物難降解的大分子物質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)樾》肿右捉到馕镔|(zhì)， 提高廢水的可生化性，以利于以后續(xù)的生物處理 4。近年來，筆者在多項(xiàng)工程設(shè)計(jì)中均應(yīng)用了水解（酸 化）反應(yīng)器作預(yù)處理單元。表 1是水解（酸化）反應(yīng)器在處理不同廢水的效果。表1水解（酸化）反應(yīng)器處理不同類型廢水的效果表處理廢水類型反應(yīng)器類型HRT(h)溫度進(jìn)水COD(mg/L)出水

9、COD(mg/L)進(jìn)水 BOD/COD出水 BOD/C OD(C )生活廢水HF215323002200.420.55屠宰廢水UHSB8153218009600.450.66化工廢水HBR121532150010200.250.40制衣廢水UBHF615328506000.330.45印染廢水UBHF8303812008400.300.43從表2中得出，水解（酸化）反應(yīng)器對(duì)有機(jī)廢水的 COD具有一定的去除率，COD平均去除率為27%47% ; BOD 5 / COD 由 0.250.45 可提高至 0.400.66。四、影響水解（酸化）的主要因素：水解（酸化）反應(yīng)器在運(yùn)行過程中最重要的影響因素

10、是廢水的種類、水力停留時(shí)間、反應(yīng)的酸堿度、 營養(yǎng)物質(zhì)及溫度。?廢水的種類在相同的條件下，分子量越大，分子結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，水解（酸化）越困難，譬如糖類有機(jī)物比蛋白質(zhì)、 脂類容易水解，單糖比多糖容易水解，直鏈比支鏈容易水解。?水力停留時(shí)間（HRT）水力停留時(shí)間（HRT ）是水解（酸化）反應(yīng)器運(yùn)行的主要參數(shù)之一。對(duì)于不同的水解基質(zhì)，其水解難 易度不一樣，要求反應(yīng)器的 HRT也不一樣。因此，在 HRT的數(shù)值應(yīng)根據(jù)同類型的工程經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，或通過 中小型試驗(yàn)方可確定。對(duì)于同一類型廢水，HRT越長，被水解物質(zhì)與水解微生物接觸時(shí)間越長，相應(yīng)水解程度越徹底，但當(dāng)超過某一限值，其COD去除率并無明顯變化。譬如筆者在生活

11、廢水處理工程中發(fā)現(xiàn)，HRT超過2h后，即使延長水力停留時(shí)間，COD去除率均在2630%。這是因?yàn)樵谀骋怀潭?，水解（酸化）主要是?duì)有機(jī)物的形態(tài)發(fā)生變化，即溶出的COD濃度會(huì)越高，但對(duì)總 COD量變化不大。因此，在實(shí)際工程施工中，應(yīng)考慮到工程的投資和經(jīng)濟(jì)效益，選擇合適的HRT ,以提高廢水的可生化程度及達(dá)到最大的COD去除效率。?酸堿度（PH值）根據(jù)各類型廢水處理工程經(jīng)驗(yàn)， 水解（酸化）反應(yīng)器對(duì)PH值變化的適應(yīng)性較強(qiáng)。廢水的PH值在5 10之間，水解（酸化）均能正常運(yùn)行。但當(dāng)PH值5或10時(shí)，水解（酸化）反應(yīng)器的出水效果變差，且影響到后續(xù)工序的處理，導(dǎo)致系統(tǒng)的最佳岀水往往不達(dá)標(biāo)。?營養(yǎng)物質(zhì)在實(shí)際工

12、程運(yùn)行中，工業(yè)廢水往往卻缺乏足夠的營養(yǎng)物質(zhì)以滿足微生物的需要，譬如N、P及微量元素等。因此，對(duì)不同處理對(duì)象，應(yīng)對(duì)其成分作詳細(xì)調(diào)查，適當(dāng)補(bǔ)充缺乏的營養(yǎng)物質(zhì)，否則肯定會(huì)影響到 水解（酸化）的效率。這點(diǎn)在實(shí)際工程的調(diào)試中已得到了驗(yàn)證。5溫度在筆者所設(shè)計(jì)的工程中，水解（酸化）反應(yīng)器基本上都在常溫下（1538 C）正常進(jìn)行，對(duì)工作溫度無特別的要求。由此說明水解（酸化）對(duì)溫度變化的適應(yīng)性較強(qiáng)。五、水解（酸化）反應(yīng)器的設(shè)計(jì)要點(diǎn)目前工程應(yīng)用的水解（酸化）反應(yīng)器主要有三種形式：懸浮式反應(yīng)器、接觸式反應(yīng)器、復(fù)合式反應(yīng)器。 各種反應(yīng)器在構(gòu)造、性能上各具特點(diǎn)。工程人員應(yīng)根據(jù)不同處理對(duì)象及條件選擇合適反應(yīng)器。但實(shí)際的工

13、 程經(jīng)驗(yàn)表明：無論那種類型反應(yīng)器，只要反應(yīng)器中保持足夠濃度的高活性水解（酸化）菌，并且與廢水能 充分接觸，水解（酸化）反應(yīng)器均能達(dá)到最佳的工況。因此，反應(yīng)器的設(shè)計(jì)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：1、反應(yīng)器的有效容積 V e反應(yīng)器的有效容積可根據(jù)處理廢水的水量、濃度及容積負(fù)荷，通過有機(jī)負(fù)荷法計(jì)算：V e = Q 0 ? S/ q（ 1）式式中V e 有效容積m 3Q 0 廢水總量m 3 / dS廢水 COD Cr 值 Kg /m 3q容積負(fù)荷Kg / m 3 .d其中，Q 0及S通過監(jiān)測得岀數(shù)據(jù)，容積負(fù)荷則需要試驗(yàn)確定，或參照同類型廢水經(jīng)驗(yàn)值。2、反應(yīng)器的高度H反應(yīng)器的高度與上升流速 U之間的關(guān)系如下式：H =

14、 U ? HRT = U ? V e /Q 1（ 2 ）式式中U 反應(yīng)器的廢水上升流速 m / hV e 有效容積m 3Q 1 廢水流量：m 3/ h其中V及Q 1經(jīng)己從（1 ）式中推算出數(shù)值， U則根據(jù)不同類型的反應(yīng)器選擇不同數(shù)值。 U值過 低，廢水與微生物的接觸減弱； U值過高則會(huì)引起微生物流失，且增加工程額的投資。因此，U值的選擇應(yīng)在運(yùn)行的要求和經(jīng)濟(jì)上給予詳細(xì)的考慮。表 2是HF、UHSB及UBHF上升流速的經(jīng)驗(yàn)值。表2水解（酸化）反應(yīng)器上升流速經(jīng)驗(yàn)值表反應(yīng)器類型微生物狀態(tài)上升流速HF生物膜2.03.0UHSB絮狀污泥0.57 1.0顆粒污泥1.07 2.5UBHF絮狀污泥0.57 2.

15、0顆粒污泥0.57 3.03、廢水與污泥的混合接觸力口強(qiáng)廢水與微生物的混合接觸，提高廢水的傳質(zhì)效果，是反應(yīng)器運(yùn)作良好的關(guān)鍵。對(duì)于懸浮式反應(yīng)器，選擇合適的上升流速使污泥懸浮達(dá)到污泥與廢水的混合。為加強(qiáng)效率，可在反應(yīng) 器底設(shè)置水中攪拌器或循環(huán)泵作水力攪拌；另外，脈沖罐也是一種理想的攪拌裝置，結(jié)構(gòu)簡便，攪拌效果 理想且不耗能，降低運(yùn)行成本；對(duì)于接觸式反應(yīng)器，必須實(shí)現(xiàn)掛膜成功，選擇合適的上升流速，保證廢水 與掛膜的良好接觸。因此，選擇適當(dāng)?shù)奶盍鲜侵匾摹?理想的填料應(yīng)滿足以下條件： 比表面積大 掛 膜容易防腐性強(qiáng)、耐用 維護(hù)方便。4 、反應(yīng)器的配水水解（酸水）反應(yīng)器底部的均勻布水是反應(yīng)器良好運(yùn)行的重要

16、條件之一。因此，各種類型的水解（酸 化）反應(yīng)器應(yīng)承根據(jù)要求選擇適合的配水方式。譬如分枝式配水方式、單管式配水方式以及脈沖配水方式 等，無論那種配水方式都應(yīng)遵循以下原則：布水孔口流速一致；孔口堵塞后清除容易；配水的同時(shí)應(yīng)起到 水力攪拌的作用。六、水解（酸化）反應(yīng)器的展望目前，水解（酸化）反應(yīng)器已成功應(yīng)用到生活廢水、食品廢水、化工廢水、制衣廢水、印染廢水等中 低濃度工業(yè)廢水處理中，效果明顯。根據(jù)反應(yīng)器的工藝特點(diǎn)及運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，正逐步推廣至高濃度懸浮物和脂 類廢水處理：如禽畜類廢水、乳制品廢水等處理中，前景廣闊。實(shí)際工程應(yīng)用表明，水解（酸化）在 COD 去除率上有一定作用，但據(jù)國外報(bào)道，水解（酸化）的

17、COD 平均去除率在40%50%，證明現(xiàn)有的水解（酸化）反應(yīng)器具有很大的潛力可挖。同時(shí)，在推廣應(yīng)用水 解（酸化）反應(yīng)器的同時(shí)，應(yīng)加快研究和開發(fā)新型、高效的新一代水解（酸化）反應(yīng)器。在動(dòng)力學(xué)上，研 究影響反應(yīng)器效能的過程參數(shù)， 掌握反應(yīng)器的水力條件、 狀態(tài)分布和傳質(zhì)特性； 從微生學(xué)上， 研究水解（酸 化）細(xì)菌的組成及生長規(guī)律，確定優(yōu)勢顆粒菌種的形成機(jī)制，以進(jìn)一步優(yōu)化反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)和性能，提高反 應(yīng)器的處理效率。 參考文獻(xiàn) ? 張希衡 . 廢水厭氧生物處理工程M. 北京 : 中國環(huán)境科學(xué)出版社 , 1996.9.380383? 美 R.E. 斯皮思著，李亞新譯 社 ,2001.4.132133. 工

18、業(yè)廢水的厭氧生物技術(shù) . M 北京 : 中國建筑工業(yè)出版? 沈耀良 . 廢水生物處理新技術(shù) -理論與應(yīng)用 M. 北京 : 中國環(huán)境科學(xué)出版社 ,1996.6.4775? 王凱軍 , 秦人偉 . 發(fā)酵工業(yè)廢水處理 M. 北京 : 化學(xué)工業(yè)出版社 ,2000.9.6366RESEARCHANDPROSPECTONTHEHYDROLYSI (S ACIDIFICATION) REACTORIN THEENGINEERINGAPPLICATIONCheng Kaiying 1 , Huang Shifeng 1 , Deng Yaojie 2Ltd ， ZhongShan 528403,China;(

19、1.Zhongshan Hengya Environmental Protection Engineering Co2.Zhongshan Environmental Science Research Institute, ZhongShan 528403,China)Abstract: The hydrolysis ( acidification) reactor as a pretreatment cell in the actual industrial wastewater treatment can reduce the CODcr, and also raise the wastewater bio