水解酸化技術(shù)VIP

水解酸化技術(shù)

1.水解酸化的概念

2.水解酸化的過程及特點

3.水解酸化過程動力學(xué)

4.水解酸化反應(yīng)器的設(shè)計

5.水解酸化工藝的后續(xù)好氧處理目錄CONTENTSPART1水解酸化的微生物學(xué)和生物化學(xué)基礎(chǔ)

水解酸化概念水解酸化的微生物學(xué)及生物化學(xué)水解酸化的概念1.1第4頁酸化概念水解概念在化學(xué)上指的是化合物與水進(jìn)行的一類反應(yīng)的總稱。在廢水生物處理中,水解指的是有機(jī)底物逬入細(xì)胞前，在胞外進(jìn)行的生物化學(xué)反應(yīng)。高分子有機(jī)物因相對分子質(zhì)量巨大，不能為細(xì)菌直接利用。它們首先在細(xì)菌胞外的水解作用下轉(zhuǎn)變?yōu)樾》肿游镔|(zhì)。這一階段最為典型的特征是生物反應(yīng)的場所發(fā)生在細(xì)胞外，微生物通過釋放胞外自由酶或連接在細(xì)胞外壁上的固定酶來完成生物催化氧化反應(yīng)。自然界的許多物質(zhì)都能在好氧、缺氧或厭氧條件下順利進(jìn)行水解。本章主要討論厭氧條件下的水解。是一類典型的發(fā)酵過程，即產(chǎn)酸發(fā)酵過程。酸化是有機(jī)底物既作為電子受體也是電子供體的生物降解過程.在酸化過程中溶解性有機(jī)物被轉(zhuǎn)化以揮發(fā)酸為主的末端產(chǎn)物.水解酸化概念水解酸化技術(shù)是指將廢水厭氧生物處理過程控制在厭氧消化的第一階段，即水解酸化階段，利用兼性的水解產(chǎn)酸菌將復(fù)雜有機(jī)物轉(zhuǎn)化為簡單有機(jī)物，這不僅能降低污染程度，還能降低污染物的復(fù)雜程度，提高后續(xù)好氧生物處理的效率。水解酸化的概念1.1第5頁厭氧消化的三階段理論

復(fù)雜有機(jī)物（碳水化合物、蛋白質(zhì)、脂肪等）簡單有機(jī)物（單糖、氨基酸、甘油）揮發(fā)性脂肪酸（丙酸、丁酸、戊酸等）、醇、醛等H2/CO2乙酸（1）

水解(胞外酶)

（2）

酸化（產(chǎn)酸細(xì)菌）同型產(chǎn)乙酸（4）

甲烷化（甲烷細(xì)菌）（4）

甲烷化（甲烷細(xì)菌）

（3）

產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸H2/CO2CH4厭氧消化的三階段理論：即發(fā)酵產(chǎn)酸階段、產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸階段和產(chǎn)甲烷階段水解酸化技術(shù)是指將廢水厭氧生物處理過程控制在厭氧消化的第一階段，即水解酸化階段，利用兼性的水解產(chǎn)酸菌將復(fù)雜有機(jī)物轉(zhuǎn)化為簡單有機(jī)物，這不僅能降低污染程度，還能降低污染物的復(fù)雜程度，提高后續(xù)好氧生物處理的效率。水解酸化的微生物學(xué)及生物化學(xué)1.2第6頁發(fā)酵產(chǎn)酸階段的生物相主要是發(fā)酵細(xì)菌，發(fā)酵細(xì)菌主要是專性厭氧菌和兼性厭氧菌，屬異養(yǎng)菌。異養(yǎng)型細(xì)菌群，對環(huán)境條件（如溫度、pH值、氧化還原電位等）的變化有較強(qiáng)的適應(yīng)性，發(fā)酵細(xì)菌的世代期短。發(fā)酵細(xì)菌的功能可概括為兩個方面：將大分子不溶性有機(jī)物水解成小分子的水溶性有機(jī)物。發(fā)酵畑菌將水解產(chǎn)物吸收進(jìn)細(xì)胞內(nèi)，經(jīng)細(xì)胞內(nèi)復(fù)雜的酶系統(tǒng)的催化轉(zhuǎn)化，將一部分供能源使用的有機(jī)物轉(zhuǎn)化為代謝產(chǎn)物，排入細(xì)胞外的水溶液里，成為參與下一階段生化反應(yīng)的細(xì)菌群（主要是產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸細(xì)菌）吸收利用的底物，主要是有機(jī)酸、醇、酮等.。

發(fā)酵細(xì)菌所進(jìn)行的生化反應(yīng)受兩方面的因素的制約：

底物的組成及濃度。

代謝產(chǎn)物的種類及其后續(xù)生化反應(yīng)的進(jìn)行情況。底物濃度大時，一般均能加快生化反應(yīng)的速率。底物組成不同時，有時會影響物質(zhì)的流向，形成不同的代謝產(chǎn)物。PART2水解酸化過程及特點水解酸化與厭氧消化的區(qū)別水解酸化過程的影響因素水解酸化過程的判斷指標(biāo)維持水解酸化過程的條件水解酸化工藝優(yōu)點水解酸化與厭氧消化的區(qū)別2.1第8頁添加標(biāo)題氧化還原電位（ORP）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反應(yīng)器中，整個反應(yīng)器氧化還原電位的控制須滿足對ORP要求嚴(yán)格的甲烷菌的需要，一般為一300mV以下，因此，反應(yīng)器中的水解酸化微生物也是在這一ORP值下運作的。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一100～一300mV之間。水解酸化一好氧處理工藝中的水解酸化段為一典型的兼性過程，只要控制在約+50mV左右，水解酸化過程即可順利進(jìn)行。pH值不同在厭氧消化系統(tǒng)中，甲烷菌的ph,一般為6.8～7.2。在兩相厭氧消化工藝中，產(chǎn)酸相的pH值一般控制在6.0～6.5之間。對于水解酸化一好氧處理系統(tǒng)來說，可不必控制pH值的范圍，最佳pH值范囿在5.5-6.5之間。

優(yōu)勢菌群在厭氧消化系統(tǒng)中，嚴(yán)格地控制在厭氧條件下，系統(tǒng)中的優(yōu)勢菌群為專性厭氧菌.因此，完成水解酸化的微生物主要為厭氧微生物，在水解酸化工藝中，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，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)控制的氧化電位較低時，完成水解、產(chǎn)酸的微生物主要為厭氧菌；當(dāng)控制的氧化電位較高時，則完成水解、產(chǎn)酸的微生物主要為兼性菌。010204溫度不同通常厭氧消化系統(tǒng)以及兩相厭氧消化系統(tǒng)的溫度均需嚴(yán)格控制.而水解酸化處理工藝對溫度無特殊要求，通常在常溫下運行。03最終產(chǎn)物不同05水解酸化和厭氧消化的區(qū)別在厭氧消化系統(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。水解酸化工藝中的最終產(chǎn)物為低濃度的有機(jī)酸，個別情況下也會產(chǎn)生極少量的甲烷,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水解酸化過程的影響因素2.2第9頁（1）底物的種類和形態(tài)底物的種類和形態(tài)對水解酸化過程的速率有著重要影響.就多糖、蛋白質(zhì)和脂肪三類物質(zhì)來說，在相同的操作條件下，水解速率依次減小.同類有機(jī)物，分子量越大，水解越困難，水解速率就越小.（2）水解酸化反應(yīng)器中的pH值水解酸化微生物對pH值的適應(yīng)性較強(qiáng),水解過程可在pH值寬達(dá)3.5-10.0的范圍內(nèi)順利進(jìn)行，但最佳的pH值為5.5～6.5。

（3）水力停留時間水力停留時間是水解酸化反應(yīng)器設(shè)計和運行的重要參數(shù)。對于單純以水解為目的的反應(yīng)器,水力停留時間越長，被水解物質(zhì)與水解微生物接觸時間也就越長，相應(yīng)地水解效率也就越高。（4）溫度

溫度變化對水解反應(yīng)的影響符合一般的生物反應(yīng)規(guī)律，即在一定的范圍內(nèi)，溫度越高，水解反應(yīng)的速率越大。但研究表明，當(dāng)溫度在10-20攝氏度之間變化時，水解反應(yīng)速率變化不大，由此說明，水解微生物對低溫變化的適應(yīng)性較強(qiáng)。（5）粒徑粒徑是影響顆粒性有機(jī)物水解酸化速率的重要因素之一。粒徑越大，單位重量有機(jī)物的比表面積越小，水解速率也就越小。水解酸化過程的影響因素2.2第10頁粒徑對于水解酸化過程的影響：Chyi等用可生物降解纖維素作為代表性底物，研究了粒徑對水解過程的影響。研究結(jié)果可用又圖來說明。當(dāng)進(jìn)水中顆粒態(tài)有機(jī)物濃度為8g/L,水解液pH為5.6的條件下，粒越小，水解液中溶解態(tài)COD濃度越高.說明水解速率越大；與此相應(yīng)，固態(tài)有機(jī)物轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)有機(jī)物的比率越大說明粒徑越小，在相同的水力停留時間下，水解效率越高。研究結(jié)果同時表明，在粒徑20微米和50微米兩種粒徑下，水解液中溶解態(tài)COD的數(shù)值與由VFA折算的COD數(shù)值極為接近，說明水解產(chǎn)物幾乎同時全部轉(zhuǎn)變?yōu)橛袡C(jī)酸（發(fā)生了酸化），直接證明了對顆粒有機(jī)物來說，水解乃是整個水解酸化過程的速率控制步驟.水解酸化的判斷指標(biāo)2.3第11頁1以顆粒性有機(jī)物為底物的水解反應(yīng)器，隨著水解反應(yīng)的進(jìn)行，顆粒性有機(jī)物被轉(zhuǎn)變?yōu)槿芙庑杂袡C(jī)物，這樣勢必引起VSS的減小。2VSS變化34廢水中的有機(jī)物被水解酸化后的產(chǎn)物，一般為揮發(fā)有機(jī)酸(VFA)。因此，測定反應(yīng)器進(jìn)、出水揮發(fā)性有機(jī)酸的變化，可直接反映水解反應(yīng)器內(nèi)的工作狀況，也最為直觀。VFA變化廢水經(jīng)水解酸化后，一些在5天內(nèi)難以全部測出BOD值的物質(zhì)，被轉(zhuǎn)變?yōu)橐子谏锝到馕镔|(zhì)，因此工作狀態(tài)良好的水解酸化反應(yīng)器出水溶解性BOD濃度將明顯高于進(jìn)水.此外，水解酸化后，廢水的耗氧速率明顯提高，特別是初期的耗氧速率增大較多溶解性BOD濃度和耗氧速率的變化廢水中的糖類、蛋白質(zhì)及脂肪等大分子物質(zhì)被水解酸化后，將引起水解液pH值的下降。因此，測定反應(yīng)器進(jìn)、出水pH值的變化可間接反映水解過程進(jìn)行的程度，是目前實際工程中最為簡便的方法之一。pH值變化65生物化學(xué)產(chǎn)酸勢BAP表明廢水或有機(jī)固體廢物在水解酸化過程中有多少有機(jī)組分可以被水解并在酸性發(fā)酵過程中產(chǎn)生揮發(fā)有機(jī)酸。BAP測定可以確定廢水或有機(jī)固體廢物在水解酸化過程中轉(zhuǎn)化成揮發(fā)有機(jī)酸的最大量，可以用來評價廢水或有機(jī)固體廢物水解酸化的程度。

VFA/BAP的比值含氮有機(jī)物經(jīng)過水解和產(chǎn)酸等反應(yīng)過程，有機(jī)物上的氮被轉(zhuǎn)化為氨。當(dāng)水解產(chǎn)酸反應(yīng)器進(jìn)水中含有含氮有機(jī)物時，通過水解和產(chǎn)酸反應(yīng)，會釋放出氨氮，測定反應(yīng)器進(jìn)、出水氨氮濃度的變化也可以反映水解反應(yīng)器內(nèi)的工作狀態(tài)。NH3—N濃度的變化維持水解酸化過程的條件2.4第12頁要使水解酸化反應(yīng)器正常、穩(wěn)定地工作，這主要應(yīng)從水解酸化微生物所需的環(huán)境條件和動力學(xué)兩方面考慮。1）環(huán)境條件：水解微生物可以在pH值低至3.5和高至10.0的廣闊環(huán)境下生長和繁殖，最佳的pH值范圍為5.5-6.5。2）動力學(xué)：對于水解酸化反應(yīng)器也可以通過控制反應(yīng)器的泥齡來控制反應(yīng)器中優(yōu)勢菌群的種類,從而使反應(yīng)器處于最佳的水解酸化狀態(tài)。在常規(guī)的厭氧條件下，混合消化系統(tǒng)中，水解微生物的比增長速率高于甲烷菌的比増長速率。因此，當(dāng)水解酸化反應(yīng)器的污泥齡較小時，甲烷菌的數(shù)量將逐漸減少，直到完全淘汰。水解酸化工藝特點2.5第13頁添加標(biāo)題水解酸化工藝特點：（1） 水解、產(chǎn)酸階段的產(chǎn)物主要為小分子的有機(jī)物，可生物降解性一般較好,由于水解酸化反應(yīng)可以改變原廢水的可生化性，從而可減少后續(xù)處理的反應(yīng)時間和處理的能耗。（2） 水解酸化過程可以使固體有機(jī)物液化、降解，能有效減少廢棄汚泥量，其功能與厭氧消化池一樣.（3） 不需要密閉的池，降低了造價，便于維護(hù).（4） 由于反腐控制在產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸和產(chǎn)甲烷階段前.出水無厭氧發(fā)酵的不良?xì)馕?，可改善處理廠的環(huán)境.PART3水解酸化過程動力學(xué)水解酸化反應(yīng)器內(nèi)的物料平衡水解過程動力學(xué)水解酸化反應(yīng)器內(nèi)的物料平衡3.1第15頁水解酸化反應(yīng)器內(nèi)微生物利用溶解性有機(jī)物作為底物進(jìn)行厭氧發(fā)酵，產(chǎn)生有機(jī)酸并獲得能量。其中一部分能量用于水解。另一部分能量用于細(xì)胞合成以及以維持其自身的生命活動.此外，水解微生物還要進(jìn)行內(nèi)源呼吸.下圖為水解酸化過程的代謝模式,水解前后相應(yīng)組分的變化示于右圖。水解酸化反應(yīng)器內(nèi)的物料平衡3.1第16頁

水解過程動力學(xué)3.2第17頁

PART4水解酸化反應(yīng)器的設(shè)計水解酸化反應(yīng)器形式和性能水解酸化反應(yīng)器的容積計算水解酸化的廢棄污泥量計算水解酸化反應(yīng)器形式和性能4.1第19頁按反應(yīng)器內(nèi)微生物的保持方式水解酸化反應(yīng)器可以區(qū)分為懸浮生長型、附著生長型和復(fù)合生長型三種，即活性污泥法、生物膜法及活性污泥/生物膜復(fù)合法三種?；钚晕勰喾ㄋ馑峄磻?yīng)器有兩種型式，一是接觸式反應(yīng)器，二是污泥床反應(yīng)器。（1）工作性能和構(gòu)造：接觸式反應(yīng)器類似于厭氧生物處理技術(shù)中的厭氧接觸工藝和反應(yīng)器；污泥床反應(yīng)器類似于厭氧生物處理技術(shù)中的上流式厭氧污泥床工藝和反應(yīng)器。（2）反應(yīng)器內(nèi)流態(tài)：兩種活性污泥法水解酸化反應(yīng)器均接近于完全混合式。汚泥床反應(yīng)器內(nèi)形成的水解污泥具有良好的沉淀性能，因此，能較好地保留在反應(yīng)器內(nèi)，而且污泥層對未被水解的有機(jī)顆粒及無機(jī)懸浮物還有較強(qiáng)的截留作用，故而其后一般不設(shè)置沉淀池。

接觸式反應(yīng)器后一般需設(shè)置沉淀池，并將沉淀的污泥回流至水解反應(yīng)器，以維持反應(yīng)器內(nèi)較高的污泥濃度，加快水解過程的進(jìn)行。從目前的研究結(jié)論看，污泥床反應(yīng)器較適用于處理含懸浮物濃度相對較低的城市污水以及難降解工業(yè)廢水；接觸式反應(yīng)器更適合于處理含固率較高的廢水或污泥〈如城市污水初沉污泥）。水解酸化反應(yīng)器形式和性能4.1第20頁（a）（b）圖懸浮生長型水解酸化反應(yīng)器（a）接觸式水解（酸化）反應(yīng)器系統(tǒng)（b）上流式污泥床水解（酸化）反應(yīng)水解酸化反應(yīng)器的容積計算4.2第21頁動力學(xué)法

水力停留時間法

水解酸化反應(yīng)器容積的