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什么是水解酸化?

北极星水处理网  来源:环保工程师    2021/2/18 9:32:14  我要投稿  
所属频道: 水处理  关键词:水解酸化工艺 厌氧 水解反应器

北极星水处理网讯:一、什么是水解酸化工艺

厌氧生物反应包括水解、酸化和甲烷化三个大的阶段,将反应控制在水解和酸化两个阶段的反应过程,可以将悬浮性有机物和大分子物质(碳水化合物、脂肪和脂类等)通过微生物胞外酶水解成小分子,小分子有机物在酸化菌作用下转化成挥发性脂肪酸的过程。在这一过程中同时可以将悬浮性固体水解为溶解性有机物、将难生物降解的大分子物质转化为易生物降解的小分子物质。

首先,水解反应器中大量微生物将进水中颗粒状颗粒物质和胶体物质迅速截留和吸附, 这是一个物理过程的快速反应。一般只要几秒钟到几十秒即可完成。因此,反应是迅速的。截留下来的物质吸附在水解酸化污泥的表面,慢慢地被分解代谢,其在系统内的污泥停留时间要大于水力停留时间。在大量水解酸化细菌的作用下,大分子、难于生物降解物质转化为易于生物降解的小分子物质后,重新释放到液体中。在较高的水力负荷下随水流出系统。由于水解和产酸菌世代期较短,往往以分钟和小时计,因此,这一降解过程也是迅速的。在这一过程中溶解性 BOD、COD 的去除率虽然从表面上讲只有 10%左右,但是由于颗粒状有机物发生水解增加了系统中溶解性有机物的浓度,因此,溶解性BOD、COD 去除率远大于10%。但是由于酸化过程的控制不能严格划分,在污泥中可能仍有少量甲烷菌的存在,可能产生少量的甲烷,但甲烷在水中的溶解度也相当可观,故以气体形成释放的甲烷量很少。可以看出,水解反应器集沉淀、吸附、网捕和生物絮凝等物理化学过程,与水解、酸化和甲烷化过程等生物降解功能于一体。

二、水解酸化工艺的反应器类型

水解酸化反应器主要包括升流式水解反应器、复合式水解反应器及完全混合式水解反应器。此外,水解反应器还可以包括采用其他厌氧反应器型式实现水解酸化的反应器,如厌氧折流板反应器、厌氧接触反应器等。

1、升流式水解反应器

升流式水解反应器的示意图见图 1,水解酸化微生物与悬浮物形成污泥层,污水通过布水装置自反应器底部均匀上升至顶部出水堰排出过程中,污泥层可截留污水中悬浮物,并在水解酸化菌作用下降解有机物、提高污水可生化性等。

图 1 升流式水解反应器示意图

2、复合式水解反应器

复合式水解反应器(示意图见图 2)内既存在水解酸化污泥,又存在水解酸化生物膜, 形成水解酸化污泥和生物膜的复合体。反应器上部为填料层,下部为污泥床,中间留出一定的空间以便悬浮状态的絮状污泥和颗粒污泥停留,增加了反应器的生物量,延长了微生物与废水的接触时间。

图 2 复合式水解反应器示意图

3、完全混合式水解反应器

完全混合式水解反应器(示意图见图 3)内设置搅拌装置实现污水和污泥的完全混合, 其后设置沉淀池并回流污泥以保证反应器内有较高的污泥浓度。

图 3 完全混合式水解反应器示意图

4、其他厌氧反应器

此类反应器主要利用已有厌氧反应器型式实现水解酸化,如厌氧折流板反应器、厌氧接触反应器等。此类反应器设计可参考相应的厌氧反应器设计规范,本规范中不再重复规定。

厌氧折流板反应器(ABR)(见图 4)的结构特点是反应器中设置折板形成数个升流式水解反应器,废水在反应器内沿折流板流动,提高了微生物与废水的混合接触作用。

图 4 厌氧折流板反应器

厌氧接触反应器的特点是水解酸化微生物固定在反应器内特设的载体上形成生物膜,微生物的世代期较长,耐冲击负荷能力较强,此类反应器的典型代表为厌氧滤池。

三、水解酸化工艺的应用

水解酸化法用于污水处理预处理,水解反应器可以替代初沉池,起到拦截悬浮物、降解有机物、提高污水可生化性等作用。原水中悬浮物浓度较高或可生化性差时,可将其作为预处理方式,以降低后续处理的负荷和难度,一般情况下需连接后续处理系统。

水解酸化法一般用于原水中悬浮物浓度较高或可生化性差时,将其作为预处理工艺降低后续处理的负荷和难度。若进水可生化性较好,且 COD 浓度大于 1500mg/L,水解酸化法反应器内易进入厌氧产甲烷阶段,影响工艺运行,应选择其他厌氧反应器,据此规定水解反应器进水 COD 浓度宜小于 1500mg/L。对可生化性较差的污水,COD 浓度对水解反应器影响不大,利用水解反应器可提高污水可生化性。

目前已知水解酸化法对城市污水、印染废水、制药废水、造纸废水、啤酒废水、化工废水和合成洗涤剂废水等多类废水很有效,而且悬浮物去除率高, 去除的悬浮物可以在水解反应器中部分消化。水解反应器设计停留时间调查统计表见表 1。

表 1水解反应器设计停留时间统计表

1)城市污水处理

迄今为止,水解-好氧生物处理工艺已应用于几十座城市污水处理厂,累计投资几十亿元,形成了上百万吨/天的处理能力。十多年来的工程实践表明,水解-好氧生物处理工艺是我国独立开发的具有投资省、运行费用低和处理能耗低等特点的城市污水处理工艺,为当前城市污水处理厂的建设提供了一条新的、切实可行的技术途径。

江苏某城市污水处理厂,日进水 10 万吨/天,由于进水中含有大量工业废水,污水 COD 高于正常城市污水,可生化性低于 0.4。该厂采用水解-好氧生物处理工艺,水解反应器水力停留时间为 2.5~3h,常温下运行,基本不产生沼气,流程简单,造价低,管理方便。因水解酸化法集生物降解、物理沉降和吸附为一体,污水中的颗粒和胶体污染物被截留和吸附, 并生物降解。水解反应器 BOD5 去除率为 20~35%,CODCr 去除率为 30~45%,SS 的去除率为 70~85%,同时水解反应器改善了污水的可生化性,有利于后续的好氧处理。

2)印染废水处理

目前已知水解酸化法对印染废水、啤酒废水、制药废水、造纸废水、化工废水和合成洗涤剂废水等各种工艺废水很有效。

印染废水具有有机物含量高、成分复杂、色度深、pH 值高、水质变化大等特点,是国内外公认的难处理工业废水之一。近年来,由于新型纺织纤维的开发,聚乙烯醇(PVA)浆料、人造丝碱物、新型助剂等难降解有机物大量进入印染废水,使废水的可生化性变差,传统的生物处理工艺受到严重的挑战。某印染废水的 BOD5/COD 为 0.15~0.3,可生化性一般, 并且水中的有机物对微生物有一定的抑制作用。采用水解酸化-好氧的处理工艺,水解反应器采用厌氧折流板反应器,水力停留时间为 8~10h,使污水 BOD/COD 升至 0.3~0.45,为后续好氧生化处理创造了条件,并去除了大部分的色度。印染废水经该工艺处理后,其 COD、BOD5、色度、SS 的去除率分别达到 93%、94.6%、97%和 89.2%,所有指标均达到国家排放标准。

3)造纸废水处理

造纸制浆废水排放量大,成分复杂,污染严重,BOD5/COD 比值小,属于难生物降解废水。某造纸废水进水 CODCr、BOD5、SS 浓度分别为 4120mg/L、1630mg/L、2080mg/L, 采用水解-好氧工艺处理,水解反应器水力停留时间为 5.8h,采用升流式水解反应器的型式, 水解反应器中挂有弹性填料,处理后出水 CODCr、BOD5、SS 浓度分别达到 354mg/L、92.5mg/L、95.6mg/L,去除效率分别达到 91.4%、94.3%、95.4%,优于《造纸工业水污染物排放标准》(GB 4355-2001)。

4)制药废水处理

某制药生产废水主要为妥布霉素、洛伐他丁、盐霉素钠盐生产过程中排放的生产废水, 该废水污染物浓度高、成分复杂、色度高、毒性大,含有表面活性剂、残余抗生素、硫酸根、溶媒等多种抑制物质,水质水量波动大,属于有一定处理难度的抗生素废水。进水 CODcr、BOD5、SS 浓度分别为 4000~11000mg/L、1300~6500mg/L、100~500mg/L。水解反应器对COD 的去除率为 18%~25%,经过水解酸化后 BOD5/COD 由原来的 0.152~0.218 提高至0.436~0.496,该废水的可生化性大大提高,为后续好氧工艺稳定运行创造了条件。

5)啤酒废水处理

某啤酒厂废水处理工程中采用了水解-生物接触氧化工艺,进水 CODcr、BOD5、SS 浓度分别为 1090~4410mg/L、734~1810mg/L、400~796mg/L,经过半年多的运行,处理效果稳定。水解反应器采用升流式水解反应器,水力停留时间为 6h,而传统生物氧化法处理啤酒废水 HRT 一般大于 10h,有的甚至大于 17h,本工艺有明显的节能效果;其次,啤酒废水经水解酸化处理后,BOD5/CODCr 值从原来的 0.51 提高到 0.72,CODCr 和 BOD5 的去除率分别为 39.2%和 14.2%。水解酸化达到较好预处理效果,废水的可生化性增加,这样可充分发挥后续好氧生物处理的作用,缩短整个工艺的水力停留时间,提高生物处理效率。

6)焦化废水处理

焦化废水中含有大量难生物降解的萘、吡啶、喹啉、吲哚、联苯等杂环及多环芳烃类有机物,是一种可生化性差的废水。某焦化废水 COD 为 1327mg/L,BOD5/CODCr 为 0.2,水解反应器停留时间为 4h,处理后 BOD5/CODCr 升至 0.32。经水解酸化反应后废水中难降解有机污染物转化为易生物降解物质,其生物氧化率由原来的 31.2%提高至 51.2%。而对联苯和吡啶而言,不仅可生化性得到改善,而且其对生物的抑制作用也基本消除。

7)纺织废水处理

在涤纶纤维生产过程中,为了改善纤维性质,提高纤维可织性,需要使用纺丝油剂处理纤纶。纺丝油剂主要由一些抗静电剂、柔软剂、渗透剂、涧滑剂及一些乳化剂等高分子化合物组成,而乳化剂又含有一些阴离子表面活性剂或非离子表面活性剂,如烷基磷酸酯钾盐、脂肪酸聚乙二醇脂、烷基醚硫酸钠等等。这些油剂废水 COD 在 2000mg/L 左右,而 BOD5 为 350mg/L,BOD5/COD 为 0.18。采用各种物化处理费用高,生化好氧处理有大量泡沫产生。选用水解-好氧工艺,其中水解反应器停留时间为 10h,投加软性纤维填料,好氧处理单元采用接触氧化法,停留时间为 7~8h。经过水解酸化反应后废水 BOD5/COD 从 0.18 上升至0.20,并且 COD、BOD 值都有所增加,这说明一些难降解的物质经水解酸化反应后变成易于生物降解的物质。经过水解酸化,好氧处理后 BOD5 去除率可达到 89%,COD 去除率可达到 89%,这使得一般油剂浓度超过 1000mg/L 就不能生化处理的废水,在浓度高达2000mg/L 时也可以进行稳定的生化处理。

四、水解酸化工艺存在的问题

1)水解酸化法开发应用时间较短,由于水解酸化法设计参考资料较少,造成工程设计中出现失误较多,难以发挥水解酸化法工艺效果,影响工艺推广。

2)水解酸化法有别于传统厌氧工艺,需考虑其特有的布水、排泥等问题,不能简单套用,在建设中需要根据工艺要求合理建设。

3)水解酸化法是厌氧降解的前两个阶段,需要合理设计和运行调试,否则容易进入产甲烷阶段,难以实现水解酸化功能。

4)水解酸化法已用于多种行业废水处理,在各种工程应用中都存在其特定的工艺设计参数,目前缺乏统一合理的的设计标准。

五、水解酸化工艺的运行与维护

1、运行控制

1)接种污泥

水解反应器启动可采用自然培养和二沉池脱水活性污泥接种,宜选用处理同类型工业废水的接种污泥以及采用厌氧消化池污泥,其整个池容的污泥平均浓度达到 5-10g/L。采用接种污泥的启动方法是当原水的 SS 浓度低于 100mg/L 以下,污水中菌种较少时使用。若污水生化性差,污泥增长缓慢,此时不接种污泥直接启动水解反应器,启动周期将达 3-6 个月, 且出水水质很难在短时间内达到要求。若原水悬浮物 SS 浓度高于 100mg/L,可采用不接种污泥的方法启动。

2)水解反应器的启动

反应器启动时要设法在池底形成污泥层,可以通过污水自然培养,或投入一定量的接种污泥,以加快水解反应器的启动。运行时先开启反应器的进水阀门,注意观察反应器中液位状态,一旦形成污泥层,即可控制进水流量以保证污泥不流失,直至设计水力负荷。启动过程一般需要 2~6 个星期。

3)排泥

水解反应器排泥,特别是城市污水存在水力负荷变化,高水力负荷时排泥优点是易于控制污泥面高度,缺点是高负荷时污泥层膨胀率较大,污泥浓度低,后续污泥浓缩负荷大;低水力负荷排泥浓度高,污泥排放量少,缺点是对污泥层的控制不易掌握,排泥量过大会造成系统中污泥总量减少而影响处理效果。新建污水处理厂,最好采用高水力负荷排泥方式,而在运转一个相当时期后,在对水量变化规律有了一定了解后,再采用低水力负荷排泥方式。

升流式水解反应器污泥层应维持在出水堰下 1.0~1.5m,否则一旦系统完全充满污泥或在较高水力负荷条件下,由于供污泥层膨胀的空间有限,则会因为任何微小的污泥层膨胀, 而造成严重的污泥流失的情况。水解反应器排泥可采用污泥界面计控制排泥。

4)pH值调节

pH 值是废水生物处理最重要的影响因素之一。通常水解酸化菌适宜的生长 pH 范围为4.0~9.0,这一范围是指反应器内反应区的 pH 值。当 pH 小于 4 或大于 9 时,水解反应器的出水效果变差, 且影响到后续工序的处理,导致系统出水往往不能稳定达标。为了保持水解反应器中 pH 值稳定在适宜的范围内,在实际运行中,主要是通过向进水中加入碱性或酸性物质。经常投加的碱性物质主要有 Na2CO3、NaHCO3、NaOH 等,酸性物质主要有盐酸等。石灰是一种成本较低的碱性物质,但因为难以去除沉淀的碳酸钙,使得碳酸钙逐渐占据反应器的有效体积,对反应器运行有潜在危害,因此石灰是一种容易产生问题的碱度来源,应该核实利弊后再行采用。

中和药剂要有一定量储存和相应的的储存设备,在投加现场要设药剂溶解,调配、定量投加设备,视 pH 值调节情况,必要时设二次调节。

2、停产控制

工业废水处理因工厂停产检修或因季节性生产等原因,水解反应器可能会有停运情况发生。这种停运对反应器系统的保持并无重大的影响,因为在不进水运行的条件下,水解酸化微生物的活性可以保持较长时间。

在停运期间,应采取相应的防冻措施。停运后的再启动,一般只需将系统的温度增高, 再按原来运行中的平均负荷率进水运行,在短时间内就能够达到停运前的效能水平。

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