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污水处理中水解酸化的原理、优势、反应器、应用

污水处理中水解酸化的原理、优势、反应器、应用

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污水处理中水解酸化的原理、优势、反应器、应用

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在众多的污水处理工艺中,水解酸化一直是不可忽视的存在。

水解酸化,简单来说就是厌氧的初级阶段。在这个阶段,主要通过胞外酶的作用将水中的高分子有机物分解成为小分子的有机物。

不同工艺水解酸化的处理目的不同。比如耗氧生物处理工艺中的目的是将原有废水中的非溶解性有机物转变为溶解性有机物,而混合厌氧消化工艺中的水解酸化目的是为混合厌氧消化过程的甲烷发酵提供底物。

总的来说,水解酸化工艺有机物去除率高,废水处理浓度高,水处理能力大,耐冲击负荷,运行成本低,在污水处理中依然起着重要作用。


 

01

水解酸化工艺原理

废水厌氧生物处理是指在无氧条件下通过厌氧微生物(包括兼氧微生物)的作用,将废水中各种复杂有机物分解转化成甲烷和二氧化碳等物质的过程。

而在厌氧生化处理过程中,高分子有机物的厌氧降解过程可以被分为四个阶段:

1、水解阶段

高分子有机物相对分子量巨大,不能透过细胞膜,不能为细菌直接利用,因此它们在第一阶段被细菌胞外酶分解为小分子。

例如:纤维素被纤维素水解酶水解为纤维素二糖与葡萄糖,淀粉被水解为淀粉酶分解为麦芽糖和葡萄糖,蛋白质被蛋白质酶水解为多肽与氨基酸等。这些小分子的产物能够溶解于水并透过细胞膜为细菌所利用。

2、发酵(或酸化)阶段

在这一阶段,上述小分子的化合物在发酵细菌(即酸化菌)的细胞内转化为更为简单的化合物并分泌到细胞外。

这一阶段的主要产物有挥发性脂肪酸、醇类、乳酸、二氧化碳、氢气、氨、硫化氢等。与此同时,酸化菌也利用部分物质合成新的细胞物质,因此未酸化废水厌氧处理时产生更多的剩余污泥。

3、乙酸阶段

在此阶段,上一阶段的产物被进一步转化为乙酸、氢气、碳酸以及新的细胞物质。

4、产甲烷阶段

这一阶段里,乙酸,氢气、碳酸、甲酸和甲醇等被转化为甲烷、二氧化碳和新的细胞物质。

利用前面的水解酸化阶段可以使废水中有机大分子物质被细胞外酶分解为小分子,这些小分子的水解产物能够溶解于水并透过细胞膜为细菌所利用,可改善废水的可生化性。


 

02

水解酸化工艺优势

1、厌氧生物处理

厌氧生物处理是经大量微生物的协同作用共同完成的。

根据有机物所达到的分解程度的不同,厌氧处理可以分为两种类型:酸发酵和甲烷发酵。前者是以有机酸为主要发酵产物,而后者则以甲烷为主要发酵产物。

所谓酸发酵也称作水解酸化,是一种不彻底的有机物厌氧转化过程,其作用在于使复杂的不溶性高分子有机物经过水解和产酸过程,转化为溶解性的简单低分子有机物。

2、有效去除能力

因为废水多为酸性,故废水处理时通常会用 Na2CO3 对废水进行调节,使其从酸性变为碱性,从而增强缓冲能力。

另需注意的一点是,微生物的数量会随着 pH 值的变化而变化。所以,如果将 pH 值始终保持为4.8,废水中有机物就会加快反应与扩散的速度,数量明显减少,进而提升了技术的去污能力。

3、总磷的去除

用该技术处理废水中的总磷,是用微生物同化的方式,因此,磷的消除率取决于产生的微生物数量。

而水解酸化技术处理废水的过程中,会根据这一特点,适当增加微生物的数量,待这些微生物的数量与废水内微生物融合后,可高效率地与磷发生反应以减少磷的数量。

4、提高可生化性

该技术的最大功效即为提高生化性。它是指废水处理的过程中,根据废水内各类物质的特点,用不同的方式优化废水的处理,并逐步提升可生化性。

这项工艺已经可以处理大分子的有机物,完成时间为3h,使处理更加高效,尽量完全消除废水中的有机物。

5、较强的抗负荷冲击能力

实际处理废水的过程中,容积负荷可直接影响最终的处理效果。如果负荷较小,会抑制微生物的生长,负荷过大,也会引起某一物质的含量过高,失去对 pH 值的控制。

所以,合理控制容积负荷的大小,是提高废水处理效率的保证。数据证明,当 BOD5 容积负荷在 1.14~6.56kg/m3/d 之间时,有较强的抗负荷冲击能力。


 

03

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。

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。

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。

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。

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。


 

04

水解酸化工艺的应用领域

水解酸化的作用被广受关注是因为产酸相和产甲烷相的分离。

对于许多难生物降解的废水,如生物化工废水、石油化工废水、精细化工废水等,在其常规的生化处理前添加一个水解酸化预处理单元(即 HRT 很短的厌氧处理单元),可以在很大程度上提高生化处理的效果。

1、在纺织印染废水领域中的应用

印染废水处理的主要问题是:印染废水量大,成分复杂,生物难降解物多,脱色困难,运行费用高,因此对印染废水的处理也必须要选择恰当的工艺组合去完成。

用水解酸化 -- UASB -- SBR 组合法处理印染废水,酸化池采用厌氧折流方式,培养酸化菌,可以有效克服印染废水可生化性差的问题。

2、在处理生活污水领域中的应用

在处理城市生活污水时候, 可以采用水解--好氧工艺的原理, 使用将污水与污泥处理合二为一的高效组合水解池——三相生物流化床流程。

这种水解池对悬浮物有较高的去除率, 但是对 COD、BOD5、TN 和 TP 的去除率一般。

3、在石油化工废水领域中的应用

炼油生产的石脑油以及重油或者轻油是石油化工废水在进行热裂解反应时候的主要原料。这个反应能够产生比如乙烯、丙烯、丁烯等一些化工原料,各种各样的有机化学产品能够在后续的反应当中被合成。

对此,主要采用水解酸化--反应沉淀--接触氧化组合工艺。石化废水当中的苯酚、石油类、CO、二甲苯以及甲苯通过这样的工艺能够被快速除去。

由此可见,水解酸化工艺不但能够在废水的可生化性上有很大的改善作用,同时还能够将废水当中的有机物进行有效的去除,让后续的耗氧处理能够顺利的进行。

数据表明,水解酸化工艺是具备先进技术的一种处理废水的方法,还有着很高的 CODcr 去除率,同时其投资成本也比较低,特别适合用在难降解石油化工以及高浓度有机废水的处理。

4、在精细化工废水领域的应用

精细化工业废水中的污染物多为成份复杂、有毒有害和难降解的有机物质,治理成本高且难度大,其难点即在于如何有效去除废水中的有毒污染物,从而使废水无毒、废水处理简单化。

因此,可以采用混凝-水解酸化-二级接触氧化处理工艺,应用后,有机废水的出水水质符合国家《污水综合排放标准》三级标准,即COD≤500mg/L,BOD≤300mg/L。

水解酸化不但可以提高废水的可生化性,而且还对水质变化起缓冲作用。


 

05

水解酸化的影响因素

1、基质的种类和颗粒粒径

基质不同,其水解难易亦不同。基质的种类对水解酸化过程的速率有重要影响。如脂肪、蛋白质、多糖在其他条件相同的条件下,水解速率逐渐增大;对同类型有机物来说,分子量大的要比分子量小的更难水解;从分子结构来说,水解难易程度为直链结构>支链结构>环状结构,且单环化合物易于杂环化合物。污染物的颗粒的大小对水解速率的影响也很大。颗粒粒径越大,单位重量的比表面积就小,越难于水解。因此,对于颗粒大有机污染物浓度较高的废水或污泥,先破碎后再进入水解池,加速水解(酸化)速率。

2、容积负荷

容积负荷是水解过程的重要工艺参数之一,它反映了进水浓度与停留时间对厌氧过程的综合影响。对于水解反应器,容积负荷设计取值较低,提高水力停留时间,使污染物质与水解微生物接触时间加长,溶解出COD浓度变高,水解也越完全。对于对于城市污水,水解反应可在很短时间内完成,容积负荷可取相对较高值;而对于工业废水比例较大的的污水,容积负荷需根据废水性质进行设计。

3、配水系统

水解池良好运行的重要条件之一是保障污泥和废水之间的充分接触,因此系统底部的布水系统应该尽可能地均匀。水解反应器的配水系统是一个关键的设计系统,为了使反应器底部进水均匀,有必要采用将进水均匀分配到多个进水点的分配装置。

4、上升流速

为确保水解反应器中泥水的充分接触及出水水质,水解池的上升流速应控制在一定的范围内。当上升流速偏低时,大量的较密实的活性污泥沉积在水解池的底部,在污水上升的过程中,泥水不能充分接触反应,从而导致了去除效果较差。当上升流速偏高时,会造成水解池的活性污泥大量流失。出水带泥,一方面对后续好氧生化处理的微生物造成毒性,另一方面无法保证水解池的去除效果。


 

06

写在最后

水解酸化工艺作为预处理,可以比较明显地提高废水的可生化性,为后续的好氧处理提供可靠的保证。

对于含有大量悬浮物质和大分子物质的废水,利用水解酸化作为厌氧反应器的预处理,可以保证产甲烷反应器的稳定运行,并可以大幅度地缩短处理时间。


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