中国市政工程中南设计研究总院
摘要：本文在介绍水解酸化工艺的基本原理、反应控制条件的基础上，分析了水解酸化工艺的设计要点及研究应用现状，为工程设计和科研提供参考。
关键词：污水处理 水解酸化 厌氧消化
水解酸化工艺能将污水中的非溶解性有机物转变为溶解性有机物，将难生物降解有机物转变为易生物降解有机物，提高污水的可生化性，通常用于生化工艺的预处理，同时由于水解酸化可以去除一部分有机污染物，减少后继处理设备的曝气量，降低污泥产率，节约能耗，逐渐在污水处理尤其是高浓度及难降解有机废水处理中得到了广泛的应用[1]。
1 水解酸化反应机理
1.1 基本概念
水解酸化的净水机理主要包括两个方面：首先是在细菌胞外酶的作用下，将复杂的大分子不溶性有机物水解为简单的小分子水溶性有机物；然后是发酵细菌将水解产物吸收进细胞内，排出挥发性脂肪酸（VFA）、醇类、乳酸等代谢产物。在厌氧条件下，水解和酸化无法截然分开，水解菌实际上是一种具有水解能力的发酵细菌，水解是耗能过程，发酵细菌付出能量进行水解是为了取得能进行发酵的水溶性底物，并通过胞内的生化反应取得能源[2]。
1.2 水解酸化与厌氧生物处理工艺的关系
随着能源问题的日益突出，以往仅用于污泥处理的厌氧生物处理工艺由于能耗低、有机物负荷高、污泥产量相对较少、可回收生物能源（沼气）等优点，在污水处理中也越来越受到重视。
厌氧生物处理是经大量微生物的协同作用来完成的，根据微生物的生物种群，复杂有机物的厌氧降解过程是分别在水解细菌、酸化发酵菌、产乙酸菌和产甲烷菌的共同作用下分水解、酸化、产乙酸、产甲烷四个阶段完成的[3]，水解酸化工艺是将有机物的降解过程控制在厌氧生物处理的前两个阶段。
水解酸化工艺最终产物主要为低浓度有机酸，而完整的厌氧生物处理工艺中，水解酸化产物会立即经产乙酸、产甲烷反应转化为CH4、CO2和新的细胞物质。水解酸化工艺对温度不需控制，优势菌种为兼性菌，要求氧化还原电位ORP<50mV即可，而厌氧生物处理工艺需对温度进行控制，优势菌种为厌氧菌，要求ORP<-300mV[2]。
2 水解酸化工艺过程控制
2.1 水解酸化过程的主要影响因素
2.1.1 污水中有机物的性质
有机物的种类及形态对水解酸化过程有较大影响。如对多糖、蛋白质和脂肪三类有机物而言，水解速率依次减少；对同类有机物而言，分子量越大，水解越困难；就分子结构而言，直链比支链易于水解，支链比环状易于水解，单环化合物比杂环或多环化合物易于水解；就粒径而言，颗粒性有机物（被0.45µm孔径的过滤器所截留的物质）粒径越大，单位重量有机物的比表面积越小，水解速率也越小。
2.1.2 pH值
pH值主要影响水解的速率、水解酸化的产物以及污泥的形态和结构。水解酸化微生物对pH值有较大范围的适应性，水解过程可在pH值3.5~10.0的范围内顺利进行，但最佳范围为5.5~6.5。
2.1.3 温度
温度对水解反应的影响符合一般的生物反应规律，即在一定的范围内，温度越高，水解反应的速率越大。但当温度在10~20℃之间变化时，水解反应速率变化不大，可见水解微生物对低温变化的适应性较强。
2.1.4 水力停留时间
水力停留时间是水解酸化工艺设计和运行的重要参数，一般水力停留时间越长，被水解物质与水解微生物接触时间也越长，相应地水解效率也越高[2]。针对不同的污水应通过试验确定合理的水力停留时间，一般地，对于城市污水可采用2~5h，对于印染废水等高浓度工业污水可采用5~10h，或根据具体水质采用更长的水力停留时间。
2.2 水解酸化过程维持方法
有机物厌氧降解过程包括水解、酸化(发酵产酸)、产乙酸和产甲烷几个阶段，要维持良好的水解酸化反应，应根据水解酸化的特点创造合适的条件，并控制产甲烷菌的生长。
水解酸化最适宜的pH范围为5.5~6.5，而产甲烷菌的适宜pH范围为6.8~7.2，通过调整有机负荷或加酸调整pH，可使反应维持在最佳的pH范围内。改变有机负荷调整pH的理论依据为：提高有机负荷，引起系统内挥发性有机酸的积累，导致pH值下降，而pH值的降低反过来又抑制了甲烷菌的增殖，使有机酸进一步积累，导致pH更加降低，如此反复，系统可自然地进入最佳的水解酸化状态。加酸主要适用于污水中含有大量难降解物质或含有大量的缓冲物质。
水解产酸菌与产甲烷菌生长速度不同，前者高于后者，当水解酸化泥龄较小时，甲烷菌的数量将逐渐减少，直到完全淘汰。
另外维持良好水解酸化条件的方法还有适量投加CCl4、CH3Cl抑制产甲烷菌生长，控制微量氧、调节氧化还原电位等[4]。
2.3 水解酸化反应程度的评价指标
水解酸化主要是将非溶解态、难生物降解的有机物转化为溶解态、易生物降解的物质，反应进行的程度可用以下一些指标评价[2]。
2.3.1 pH值变化
污水中糖类、蛋白质、脂肪等大分子物质经水解酸化后，将引起pH值下降，测定进出水pH值的变化可间接反映水解酸化进行的状况，这是目前工程实践中最为简便的方法之一，但当进水底物浓度较低或含有大量缓冲物质时，这一指标难以适用。
2.3.2 溶解性BOD(SBOD)和耗氧速率变化
测定进出水SBOD浓度、BOD/COD比值以及耗氧速率的变化，可直接反映水解酸化的工作状态。
2.3.3 NH3-N浓度变化
含氮有机物中的氮经水解酸化反应后被转化为氨，当进水中含有含氮有机物时，测定NH3-N浓度变化，也可反映水解酸化的工作状态，如焦化废水水解酸化后NH3-N浓度明显高于进水。
2.3.4 挥发性悬浮物(VSS)变化
水解过程中，颗粒性有机物被转化为溶解性有机物，引起VSS减小。对于接触式反应器，进出水VSS差值越大，表明水解程度越好；对于污泥床反应器，由于出水VSS减少有可能是污泥层的截留作用所致，VSS的变化只能部分反映反应器的水解状态。
2.3.5 挥发性有机酸(VFA)变化
污水中的有机物经水解酸化反应后产物一般为VFA。实际工程中，测定VFA变化是最准确、最常用、最方便的评价水解酸化进行状态的方法之一。
2.3.6 VFA/BAP比值
生物化学产酸势(BAP)表示污水中可在水解酸化工程中转化为挥发性有机酸(VFA)的有机物的最大量。测定水解酸化产生的VFA浓度与BAP比值可定量评价水解酸化程度。该比值小于1，比值越接近1表示水解酸化程度越高。
3 工艺设计要点
3.1 反应器类型
根据微生物的生长方式，水解酸化反应器可分为活性污泥法（悬浮生长型）、生物膜法（附着生长型）和复合法（复合生长型）三种。
活性污泥法水解酸化反应器包含完全混合式和污泥床两种型式，如图1、图2所示。完全混合式水解酸化反应器内设置搅拌装置实现完全混合，其后设置沉淀池，并回流污泥以保证较高的污泥浓度，适用于含固率较高的污水；污泥床反应器内水解污泥能较好地保留在反应器内，污泥层对悬浮物等有较强的截留作用，其后一般不设沉淀池，适用于含悬浮物浓度相对较低的城市污水及难降解工业废水。
图1 完全混合式水解酸化反应器 图2 上流式污泥床水解酸化反应器
由于水解酸化菌难以形成密实的絮凝体，易流失，难以维持反应器内的污泥浓度，工程中多采用附着型反应器。复合法将活性污泥法和生物膜法结合在一起，一般采用上流式，反应器下部为污泥层，上部设置填料[2]。
3.2 反应器容积计算
水解酸化反应器容积可以根据水解过程的动力学方程或经验值计算。
3.2.1 动力学法
水解是水解酸化过程的性阶段，颗粒性有机物的水解反应是颗粒性有机物浓度的一级反应，对于连续式无污泥回流的完全混合系统，所需的反应器容积V为：
V=Q(Spo-Sp)/(KhSp) （式1）
式中：Q—进水流量，m3/h
Spo—进水颗粒性有机物浓度，mg/L
Sp—出水颗粒性有机物浓度，mg/L
Kh—水解速率常数，h-1
Kh通过试验确定，对于生活污水Kh一般为0.1~0.2 h-1。
3.2.2 水力停留时间法
水力停留时间法是一种经验计算方法，反应器容积V计算公式如下：
V=Qt （式2）
式中Q—进水流量，m3/h
t—水力停留时间，h
水力停留时间根据经验或试验确定[2]。一般城市污水的水解酸化-好氧处理中，t为2-3h；难降解工业污水的水解酸化-好氧处理中，可参照类似或相关工程经验确定，如印染废水可为8-12h。
3.2.3 有机负荷法[5]
反应器的有效容积可根据处理污水的水量、浓度及容积负荷确定。
V=QS/q （式3）
式中V—有效容积，m3
Q—进水流量，m3/d
S—COD浓度，kg/ m3
q—容积负荷，kg/ (m3·d)
容积负荷需要试验确定，或参照同类污水经验值，一般可采用1~3kg/(m3·d)。
3.3 剩余污泥量
有机物的水解酸化降解中，微生物自身得以增殖，同时不可生物降解的有机物及无机固体的积累也不利于水解酸化的正常运行，为了保持水解酸化微生物的活性，需要排除剩余污泥，控制泥龄，使微生物浓度维持在一个合适的水平，剩余污泥排放量可参考式4计算[2]，实际运行中应根据污泥浓度变化确定。
ΔX=ΔX1+ΔX2-ΔX3=Q(Spo-Sp)+[µmSr/(Ks+Sr)-Kd]XV- KhSp Q （式4）
式中：ΔX—排放的剩余污泥量，Kg/d
ΔX1—进出水颗粒有机物的减少量，Kg/d
ΔX2—微生物净增长量，Kg/d
ΔX3—水解的有机物量，Kg/d
X—水解污泥浓度，mg/L
µm—水解微生物的最大比增长速率，h-1
Sr—溶解性底物浓度，mg/L
Ks—饱和常数，mg/L
Kd—水解微生物的衰减常数，h-1
其它符号意义与式1相同。
4. 工程实例
水解酸化工艺由于可有效改善污水的可生化性，提高污水处理效果，在试验研究及工程实践中得到了广泛应用。
江苏某染织实业有限公司采用“水解酸化-活性污泥法-物化”工艺处理印染废水，设计规模为5000 t/d。该工艺中，水解酸化池从底部进水，顶部出水，采用脉冲布水使布水均匀，减少污泥流失，同时池中装有填料，既增加了微生物量，又可防止污泥上浮。另外，在水解酸化池的进出口设有pH自动监测仪，以便把握pH值的变化，及时调整，保证水解酸化池的稳定运行。停留时间为3~5 h。运行结果表明，进水COD、BOD、SS、pH分别为1216mg/L、404 mg/L、454 mg/L、9；水解酸化池出水pH为8.5，进出水B/C分别为0.33和0.35；工艺出水COD、BOD、SS、pH分别为85 mg/L、22 mg/L、49 mg/L、7，出水水质达到《纺织染整工业水污染物排放标准》(GB4287-92)Ⅰ级标准[6]。
哈尔滨工业大学韩春威等采用水解酸化-生物接触氧化工艺和水解酸化-SBR工艺对屠宰废水进行试验研究，水解酸化反应器的总容积约63.28L(有效容积51.34L)，反应器为圆柱体，Φ390 mm上口不密闭，底部为圆锥形集泥斗，有一个进水口，反应器内悬挂四根半软性填料，水解酸化反应器分为清水层区和污泥床区，反应器的上部清水区填料与废水充分接触，反应器的下部为水解酸化反应器的接种污泥，待处理废水以及补充的活性污泥由反应器底部进入反应器内，废水经过污泥区与污泥充分的混合，污泥床类似于过滤层，拦截大部分的悬浮物，再与填料充分接触，水解出水的色度也大幅度降低，出水由顶部排水口排出。研究结果表明，水解酸化最佳水力停留时间为8~10h，进水COD浓度为480~1457mg/L时，出水COD浓度稳定，COD去除率随着容积负荷的增大而提高，水解酸化有一定的耐冲击负荷能力，适宜的COD容积负荷为2.91kg/(m3·d)左右。在此运行条件下，水解酸化对COD去除率较高，可达到50%左右[7]。
侍广良等采用“水解酸化-好氧”工艺对印染废水进行处理，其中水解酸化段停留时间为7~8h、COD容积负荷为1.5~2.5kg/m3·d，好氧段停留时间及COD容积负荷分别为4.5~5h和4.5~5kg/m3·d的条件下运行时取得了良好的处理效果[8]。
卢大群等采用“混凝沉淀-水解酸化-好氧氧化-混合沉淀”工艺处理印染废水，设计停留时间为10h，选用半软性填料作为微生物载体。池底设置曝气管线予以搅拌，以避免厌氧污泥于池底过量淤积，曝气量约为2.0m3/min[9]。
张豪等采用“气浮-水解酸化-UBF-SBR” 工艺处理某制药公司的硫酸卷曲霉素生产废水，其中水解酸化停留时间16 h，在进水COD 6000~20000 mg/L、SS 2000~5000 mg/L，BOD5∶COD = 0.25~0.4的条件下，该工艺出水水质能够达到COD<300 mg/L、BOD5<50 mg/L、NH3-N<20mg/L，满足《污水综合排放标准》(GB78-1996)生物制药行业二级要求[10]。
5. 小结
水解酸化工艺可改善污水的可生化性，提高污水处理效果，减少后续生化处理的反应时间和处理能耗。由于反应控制在厌氧降解过程的水解酸化阶段，故出水无厌氧发酵所具有的不良气味，改了污水处理厂的环境；不需要密闭反应器，不需要搅拌器和水、气、固三相分离器，降低了造价并便于维护，可以设计出适合大、中、小型污水厂所需要的构筑物[11]。随着水环境恶化的加剧，有机污染物浓度不断提高，成分也越来越复杂，水解酸化工艺因其特有的处理效能，将会有更加广阔的应用前景。
参考文献
[1] 赵大传 倪寿清等. 生活污水水解酸化的研究[J]. 山东建筑工程学院学报，2006，21(2)：154-158
[2] 李亚新. 活性污泥法理论与技术[M]. 北京：中国建筑工业出版社，2007：511-526
[3] 赵庆良 刘雨等. 废水处理与资源化新工艺[M]. 北京：中国建筑工业出版社，2006：68-82
[4] 孙美琴 彭超英 梁多. 水解酸化预处理工艺及应用[J]. 四川环境，2003，22(4)：52-55
[5] 英 黄石峰等. 水解(酸化)反应器在工程应用中的研究与展望[J]. 工业水处理，2005，25(3)：39-42
[6] 李川. 水解酸化-活性污泥法处理印染废水研究[J]. 环境工程学报， 3(10)：17-1791
[7] 韩春威水解酸化-好氧工艺处理屠宰废水的试验研究[硕士学位论文]. 哈尔滨工业大学，2007，6.
[8] 侍广良 马华年. 悬浮、附着厌氧-好氧生物处理新工艺的研究与应用[J]. 中国给水排水，1996，12(3)：4-6
[9] 卢大群 王厚俊等. 混凝沉淀-水解酸化-好氧氧化-混凝沉淀工艺处理印染废水[J]. 云南环境科学，2006，24(1)：48-50
[10] 张豪 杨兴富等. 气浮-水解酸化-UBF-SBR工艺处理硫酸卷曲霉素生产废水的研究[J]. 信阳师范学院学报:自然科学版，2008，21(4)：556-559
[11] 王松. 水解酸化-生物接触氧化工艺处理印染废水的试验研究[硕士学位论文]. 武汉理工大学，2005，11.下载本文
