浅谈水解酸化工艺
污水处理厂的8万吨处理单元就有“水解酸化工艺”。8万吨的生化处理段从配水井开始:配水井→缺氧池(1-2)→厌氧池→好氧池→MBR膜池,其中的厌氧池起着水解酸化的作用。
水解酸化就是有机物的厌氧消化过程,厌氧消化是指降解有机物质,并产生生物气体(主要由CH4和CO2组成)。
王凯军在《厌氧生物技术——理论与应用》中提到,水解酸化就是有机物的厌氧消化过程;施汉昌等翻译的《污水生物处理——原理、设计与模拟》中进一步指出,厌氧消化是指降解有机物质,并产生生物气体(主要由CH4和CO2组成)的发酵过程,厌氧消化主要发生在有机物丰富,并且氧化还原电位较低(无氧)的场所,包括沼泽、湖泊和沟渠的沉积物中、城市垃圾堆埋场,甚至城市下水道中。
水解酸化是不能截然分开的“水解”和“酸化”两个过程。水解(hydrolysis)在化学上指的是化合物与水进行的一类反应的总称。
在废水生物处理中,水解指的是有机物作为底物进入细胞前,在胞外进行的生物化学过程,是将大分子复杂的非溶解性聚合物转化为简单的溶解性单体或二聚体的过程。大分子有机物质因其分子质量巨大,不能透过微生物的细胞壁或细胞膜,就不能为微生物直接利用,也就不能被降解,所以首先在细胞外酶的作用下产生水解,将其转变为溶解性的小分子物质。
水解最为典型的特征是生物反应的场所发生在细胞外,微生物通过释放胞外自由酶或链接在细胞外壁上的固定酶来完成生物酶催化氧化反应(主要包括大分子物质的断链和溶解)。水解过程十分普遍,在自然界的好氧、缺氧或厌氧条件下都能进行。
酸化(acidogenesis)则是一类典型的发酵过程,即产酸发酵过程。
酸化是有机物底物既作为电子受体(被还原),也是电子供体(被氧化)的生物降解过程。在酸化过程中溶解性有机物被发酵细菌所吸收,通过发酵降解为简单有机物,这一阶段溶解性有机物被转化为以挥发性有机酸为主的末端产物,这将是好氧菌生长繁殖的营养底物。
在厌氧条件下的混合微生物系统中,即使严格控制条件,水解和酸化也无法截然分开。这是由于水解是在一种具有水解能力的发酵菌胞外酶的催化下进行的,水解是耗能过程,发酵菌付出能量进行水解是为了获取能进行发酵的溶解性有机底物,并通过细胞内的生化反应取得能量,同时排出代谢物(厌氧条件下主要为各种有机酸)。如果废水中同时存在不溶性和溶解性有机物时,水解和酸化更是不可分割地同时进行;如果酸化使得pH值下降太多时,则不利于水解的进行。
在水解酸化+好氧生物处理工艺中,水解酸化反应器要完成水解和酸化两个过程,一般控制在不彻底酸化阶段,也就是在水解酸化反应器中把反应控制在产氢、产乙酸和产甲烷阶段之前,其工艺优点有:
1. 由于水解酸化可以改变原废水的可生化性,从而减少后续处理工艺的反应时间和处理能耗;
2. 水解酸化过程可使不溶解性有机物转变成可溶性有机物进行降解,能有效地减少废弃污泥量;
3. 由于反应控制在产氢、产乙酸和产甲烷之前,出水无厌氧发酵的不良气味,可改善处理环境;
4. 不需要特殊的密闭池体,降低造价,便于维护。
针对本次提标改造的工艺设计,考虑到药业废水属高浓度难以生物降解的有机制药废水,且该水体经过药厂高强度的生化处理,其B/C比远小于0.1,属于极难生化降解的废水,但由于水解酸化工艺的优势,所以,提标改造的生化段初始阶段选择采用水解酸化工艺。通过水解酸化调整B/C比,使后续工艺的生物降解性能得到改善。
水解酸化反应器与后续的好氧生物处理一起联合构成了水解酸化+好氧生物处理系统,这是由于废水在经水解酸化过程后,原有的大分子及难降解的有机物被水解为小分子易于生物降解的有机物,可以显著提高废水中溶解性有机物的比例和BOD5/COD的比值,改善了废水的可生化降解性能,水解酸化处理后的出水更易于被好氧菌降解。
水解酸化后的好氧生物处理工艺既可以采用活性污泥法,也可以采用生物膜法。
要维持水解酸化反应器良好的水解酸化反应,应根据水解酸化过程的特点以及相应的处理要求,创造适宜的生化条件,从而使水解酸化反应器正常、稳定地工作。水解酸化对于微生物所需的主要环境条件:一是适宜的pH值范围。水解微生物可以在pH值低至3.5和高到10.0的广阔环境下生长和繁殖,最佳的pH值范围为5.5~6.5。生产运行中可以通过调整水解酸化反应器的有机负荷,或向反应器投加适量的酸,强行调节pH值,使水解维持在最佳的pH值范围。二是泥龄调节。在常规厌氧条件下混合消化系统中,水解微生物的比增长速率高于甲烷菌的比增长速率,所以维持一个短污泥龄可以选择水解酸化优势菌群,减少产甲烷菌的反应,以提高水解酸化的效率。以上两点是今后水解酸化运行的关键。