水解酸化概念

厌氧发酵过程分四阶段：

1.水解--固体物质降解为溶解性物质，大分子分解为小分子；

2.酸化--碳水化合物降解为脂肪酸；

3.酸化衰退--有机酸、含氮化合物分解成氨、胺及其他气体；

4.甲烷化--有机酸被转化为沼气。（厌氧阶段）

水解酸化是把反应控制在前两个阶段

水解（酸化）反应器在工程应用中的研究与展望

(1. 中山市恒雅环保工程有限公司，广东中山528403 ；2. 中山市环境科学研究所，广东中山

528403 ）

摘要

在实际的工业废水处理工程中，作为预处理单元的水解（酸化）反应器，不但降低了废水的COD Cr 值，而且提高了废水的可生化性。本文论述了水解（酸化）反应的特点及原理；介绍了水解（酸化）反应器的类型及其在工程应用中的效果；讨论了影响水解（酸化）反应器运行的主要因素及其设计要点；展望了水解（酸化）反应器的应用前景及研究领域。

关键词：水解（酸化）；CODcr ；可生化性；工程应用

前言

厌氧处理技术是一种有效矿化有机物的微生物处理技术，在一定条件下，厌氧细菌能将有机物转化为CH 4 及CO 2 等气体（俗称沼气）。相对于好氧处理技术而言，其具有剩余污泥少、运行费用低及回收能源等优点，但同时存在着环境条件要求严格，出水具有不良气味等缺点。因此，目前单独采用厌氧技术治理有机废水还未得到广泛应用。但长期的研究证实：厌氧消化过程中的水解（酸化）段不但能降低COD Cr ，同时还可以提高废水的可生化性。利用这一特点，笔者设计并应用了多种类型的水解（酸化）反应器，在生活废水、印染废水、食品废水、化工废水等治理工程中发挥了重要作用，获得了满意的效果。

一、水解（酸化）的原理

有机物在完全厌氧消化过程中依次经历以下三个阶段：水解、酸化、甲烷化，详见图 1 ：

大分子物质

水解、酸化作用

乙酸、甲酸小分子物质CO 2 、H 2

产氢产乙酸作用

甲烷化作用

CH 4 、CO 2 NH 3 、H 2 S

图 1 有机物厌氧消化阶段图

Ⅰ . 水解：不溶性大分子物质（如蛋白质、淀粉、脂肪）在水解酶的作用下，分解为水溶性的小分子物质（如氨基酸、葡萄糖、甘油及各种溶解性有机物等）。

Ⅱ . 酸化：水解产物被发酵细菌摄入细胞内，经过一系列的生化反应，转化成各种有机酸（如乙酸、丙酸、丁酸等），然后产氢产乙酸菌将其进一步转化甲烷菌可利用的乙酸和氢。

Ⅲ . 甲烷化: 甲烷细菌利用前一阶段产生乙酸和氢, 合成CH 4 和CO 2 等气体形式。

实际工程应用中的水解（酸化）并非完全的水解和酸化，即并非完成厌氧消化的前两个阶段。水解（酸化）的目的是把废水中的不溶物转变为可溶物，将微生物难降解物质转变为生物易降解物质，其最终产物主要为水溶性的有机酸，醇等；而水解和酸化的最终产物则主要是乙酸和氢[1] 。

大量的研究结果表明：在厌氧条件下的混合微生物系统中，水解和酸化是无法截然分开。水解过程是靠发酵细菌释放的胞外酶对大分子物质断链，取得了水溶性基质并通过体内的生化反应取得能源。因此，严格上我们只追求厌氧消化的水解段，但不可避免地带有部分的酸化反应而已。

二、水解（酸化）反应器的类型

针对不同性质的废水，以及结合不同类型的后续处理工艺，笔者设计了不同类型的水解（酸化）反应器。根据微生物在反应器内的生长状态，可把各种反应器区分为三大类型：悬浮式反应器、接触式反应器、复合式反应器[2] 。

?悬浮式反应器

类似好氧处理工艺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类反应器中，或悬浮在液中，或沉积于器底。污泥与有机废水充分混合，使废水中的难降解大分子物质彻底消化成易降解的小分子可溶性基质。在此类反应器中，应用最广的是经改进的UASB 反应器，称为上流式水解污泥床（UHSB ）（见图 2 ）。它不需要密闭，不需要设三相分离器。为加强污泥与废水的混合，反应器中可设循环泵作搅拌。由UHSB 反应器发展而来的还有折板式反应器（HBR ）（见图3），其结构特点是反应器中设置折板隔成数个上流式水解反应室，废水在反应器内沿折流板上下流动提高了污泥微生物与废水间的混合接触作用，稳定了处理效果，并促进了颗状微粒污泥的形成与生长[3] 。

?接触式反应器

此类水解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，在其表面形成一层以生物细胞为主的生物膜。微生物的世代期较长，耐冲去击荷的能力较强，因此对水质变化较大以及有抵制性作用的有机废水具有较稳定的处理效率。此类反应器的典型代表为水解滤池（HF）（见图4）。在HF中，通常以组合填料作载体，该填料挂膜快，且不容易堵塞，是一种理想的挂膜介质。废水从反应器底部进入，通过配水区均匀经过挂满生物膜的填料以得到充分处理，反应器不需回流污泥，运行管理方便。

3、复合式反应器。

复合反应器内既存在水解（酸化）的污泥，又存在水解（酸化）生物膜，形成水解（酸化）污泥—生物膜的综合体。笔者将UHSB与HF相结合的复合反应器称为UBHF（见图5）。反应器的上部为填料层，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。此类同复合反应器集合了前两者反应器的优点，增加了反应器的生物量，延长了生物的HRT。

三、水解（酸化）反应器在工程应用中的效果

在当前的工业废水处理工程中，水解（酸化）反应器主要用于中低浓度降解废水的预处理。其作用是将原水中的非溶解态有机物转变为溶解态有机物，把微生物难降解的大分子物质转变为小分子易降解物质，提高废水的可生化性，以利于以后续的生物处理[4] 。近年来，笔者在多项工程设计中均应用了水解（酸化）反应器作预处理单元。表 1 是水解（酸化）反应器在处理不同废水的效果。

表 1 水解（酸化）反应器处理不同类型废水的效果表

从表 2 中得出，水解（酸化）反应器对有机废水的COD 具有一定的去除率，COD 平均去除率为27% ～47% ；BOD 5 ／COD 由0.25 ～0.45 可提高至0.40 ～0.66 。

四、影响水解（酸化）的主要因素：

水解（酸化）反应器在运行过程中最重要的影响因素是废水的种类、水力停留时间、反应的酸碱度、营养物质及温度。

?废水的种类

在相同的条件下，分子量越大，分子结构越复杂，水解（酸化）越困难，譬如糖类有机物比蛋白质、脂类容易水解，单糖比多糖容易水解，直链比支链容易水解。

?水力停留时间（HRT ）

水力停留时间（HRT ）是水解（酸化）反应器运行的主要参数之一。对于不同的水解基质，其水解难易度不一样，要求反应器的HRT 也不一样。因此，在HRT 的数值应根据同类型的工程经验数据，或通过中小型试验方可确定。对于同一类型废水，HRT 越长，被水解物质与水解微生物接触时间越长，相应水解程度越彻底，但当超过某一限值，其COD 去除率并无明显变化。譬如笔者在生活废水处理工程中发现，HRT 超过2h 后，即使延长水力停留时间，COD 去除率均在26 ～30% 。这是因为在某一程度，水解（酸化）主要是对有机物的形态发生变化，即溶出的COD 浓度会越高，但对总COD 量变化不大。因此，在实际工程施工中，应考虑到工程的投资和经济效益，选择合适的HRT ，以提高废水的可生化程度及达到最大的COD 去除效率。

?酸碱度（PH 值）

根据各类型废水处理工程经验，水解（酸化）反应器对PH 值变化的适应性较强。废水的PH 值在5 ～10 之间，水解（酸化）均能正常运行。但当PH 值〈5 或〉10 时，水解（酸化）反应器的出水效果变差，且影响到后续工序的处理，导致系统的最佳出水往往不达标。

?营养物质

在实际工程运行中，工业废水往往却缺乏足够的营养物质以满足微生物的需要，譬如N 、P 及微量元素等。因此，对不同处理对象，应对其成分作详细调查，适当补充缺乏的营养物质，否则肯定会影响到水解（酸化）的效率。这点在实际工程的调试中已得到了验证。

5 温度

在笔者所设计的工程中，水解（酸化）反应器基本上都在常温下（15 ～38 ℃）正常进行，对工作温度无特别的要求。由此说明水解（酸化）对温度变化的适应性较强。

五、水解（酸化）反应器的设计要点

目前工程应用的水解（酸化）反应器主要有三种形式：悬浮式反应器、接触式反应器、复合式反应器。各种反应器在构造、性能上各具特点。工程人员应根据不同处理对象及条件选择合适反应器。但实际的工程经验表明：无论那种类型反应器，只要反应器中保持足够浓度的高活性水解（酸化）菌，并且与废水能充分接触，水解（酸化）反应器均能达到最佳的工况。因此，反应器的设计应注意以下几点：

1 、反应器的有效容积V e

反应器的有效容积可根据处理废水的水量、浓度及容积负荷，通过有机负荷法计算：

V e ＝Q 0 ? S/ q （1 ）式

式中V e —有效容积m 3

Q 0 —废水总量m 3 ╱d

S—废水COD Cr 值Kg╱m 3

q—容积负荷Kg╱m 3 .d

其中，Q 0 及S 通过监测得出数据，容积负荷则需要试验确定，或参照同类型废水经验值。

2 、反应器的高度H

反应器的高度与上升流速U 之间的关系如下式:

H ＝U ? HRT ＝U ? V e /Q 1 （2 ）式

式中U —反应器的废水上升流速m ╱h

V e —有效容积m 3

Q 1 —废水流量: m 3 ╱h

其中V 及Q 1 经己从（1 ）式中推算出数值，U 则根据不同类型的反应器选择不同数值。U 值过低，废水与微生物的接触减弱；U 值过高则会引起微生物流失，且增加工程额的投资。因此，U 值的选择应在运行的要求和经济上给予详细的考虑。表 2 是HF 、UHSB 及UBHF 上升流速的经验值。

表 2 水解（酸化）反应器上升流速经验值表

3 、废水与污泥的混合接触

加强废水与微生物的混合接触，提高废水的传质效果，是反应器运作良好的关键。

对于悬浮式反应器，选择合适的上升流速使污泥悬浮达到污泥与废水的混合。为加强效率，可在反应器底设置水中搅拌器或循环泵作水力搅拌；另外，脉冲罐也是一种理想的搅拌装置，结构简便，搅拌效果理想且不耗能，降低运行成本；对于接触式反应器，必须实现挂膜成功，选择合适的上升流速，保证废水与挂膜的良好接触。因此，选择适当的填料是重要的。理想的填料应满足以下条件：①比表面积大②挂膜容易③防腐性强、耐用④维护方便。

4 、反应器的配水

水解（酸水）反应器底部的均匀布水是反应器良好运行的重要条件之一。因此，各种类型的水解（酸化）反应器应承根据要求选择适合的配水方式。譬如分枝式配水方式、单管式配水方式以及脉冲配水方式等，无论那种配水方式都应遵循以下原则：布水孔口流速一致；孔口堵塞后清除容易；配水的同时应起到水力搅拌的作用。

六、水解（酸化）反应器的展望

目前，水解（酸化）反应器已成功应用到生活废水、食品废水、化工废水、制衣废水、印染废水等中低浓度工业废水处理中，效果明显。根据反应器的工艺特点及运行经验，正逐步推广至高浓度悬浮物和脂类废水处理：如禽畜类废水、乳制品废水等处理中，前景广阔。

实际工程应用表明，水解（酸化）在COD 去除率上有一定作用，但据国外报道，水解（酸化）的COD 平均去除率在40% ～50% ，证明现有的水解（酸化）反应器具有很大的潜力可挖。同时，在推广应用水解（酸化）反应器的同时，应加快研究和开发新型、高效的新一代水解（酸化）反应器。在动力学上，研究影响反应器效能的过程参数，掌握反应器的水力条件、状态分布和传质特性；从微生学上，研究水解（酸化）细菌的组成及生长规律，确定优势颗粒菌种的形成机制，以进一步优化反应器的结构和性能，提高反应器的处理效率。

[ 参考文献]

?张希衡 . 废水厌氧生物处理工程[M]. 北京: 中国环境科学出版社, 1996.9.380~383

?[ 美]R.E. 斯皮思著，李亚新译 . 工业废水的厌氧生物技术 . [M] 北京: 中国建筑工业出版

社,2001.4.132~133

?沈耀良 . 废水生物处理新技术-- 理论与应用[M]. 北京: 中国环境科学出版社,1996.6.47~75

?王凯军, 秦人伟 . 发酵工业废水处理[M]. 北京: 化学工业出版社,2000.9.63~66

RESEARCH AND PROSPECT ON THE HYDROLYSIS（ACIDIFICATION）REACTOR IN THE

ENGINEERING APPLICATION

Cheng Kaiying 1 , Huang Shifeng 1 , Deng Yaojie 2

(1.Zhongshan Hengya Environmental Protection Engineering Co．Ltd．，ZhongShan 528403,China;

2.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 biodegradability. This paper dissertate the characteristics and principle of hydrolytic ( acidification) reaction, and introduce the type of hydrolysis ( acidification) reactor and the efficiency in the engineering application. It also discusses the main factor influencing on the operation of hydrolysis ( acidification) reactor. At the end, this paper prospects the applied foreground and researched field.

Keywords: hydrolysis (acidification), CODcr, biodegradability and engineering application

[作者简介] 程凯英，男，（1972- ），1996年毕业于广东工业大学环境保护工程系，现任中山市恒雅环保工程有限公司工程部经理，主管“三废”治理工程设计与施工管理工作。电话：0760-******* 013702462360

地址：中山市中山三路银通街十九号之九邮编：528403

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