廢水水解酸化—生物處理技術(shù)研究與應(yīng)用進(jìn)展

【摘 要】隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和生活水平的逐漸提高，廢水排放量也隨之增多，造成的環(huán)境污染日趨嚴(yán)重。廢水水解酸化-生物處理技術(shù)由于其諸多優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用。本文綜述了包括水解酸化與活性污泥法、生物膜法、生物接觸氧法等廢水生物處理技術(shù)的原理、應(yīng)用，介紹廢水酸化-生物處理法的前沿動(dòng)態(tài)、應(yīng)用進(jìn)展及發(fā)展趨勢(shì)。

【關(guān)鍵詞】水解酸化；生物處理；研究進(jìn)展；發(fā)展趨勢(shì)

引言

隨著工業(yè)的發(fā)展，特別是隨著石油、化工、塑料及纖維等工業(yè)的發(fā)展，造成的水污染相當(dāng)嚴(yán)重，污水成分已愈來愈復(fù)雜，大量結(jié)構(gòu)復(fù)雜、難降解的有機(jī)物質(zhì)和有毒物質(zhì)進(jìn)入廢水和城市污水中，很難在短時(shí)間內(nèi)被常規(guī)生物處理系統(tǒng)中的微生物分解氧化[1]。為了解決高濃度、高毒性、難降解有機(jī)廢水的處理問題，國內(nèi)外學(xué)者們通過水解酸化并投加具有特定功能的微生物、營養(yǎng)物或基質(zhì)類似物。目前。常見的污水的生物處理技術(shù)可分為好氧生物處理和厭氧生物處理。厭氧處理系統(tǒng)雖然具有剩余污泥少，成本低，能產(chǎn)生可利用的甲烷氣等優(yōu)點(diǎn)，但是其處理過程不穩(wěn)定，不易控制，反應(yīng)器初次啟動(dòng)緩慢，特別是出水COD濃度高，較難達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)，故在厭氧生物處理系統(tǒng)后一般還需串聯(lián)好氧處理系統(tǒng)，運(yùn)用這種串聯(lián)系統(tǒng)雖然使出水水質(zhì)得到了改善，但由于厭氧段采用甲烷化，對(duì)操作和運(yùn)行條件要求嚴(yán)格，原水中大量易于降解的物質(zhì)（如有機(jī)酸等）在厭氧處理系統(tǒng)中被甲烷化，剩余的主要是難降解或厭氧消化的剩余產(chǎn)物，因此，后續(xù)的好氧處理盡管負(fù)荷較低，但是處理效率也很低。直到80年代后出現(xiàn)了水解（酸化）好氧生物處理工藝，即從污水中獲取養(yǎng)分，同時(shí)降解和利用有害物質(zhì)，對(duì)廢水中呈溶解態(tài)或膠體狀態(tài)的有機(jī)污染物起到降解作用，從而達(dá)到提高廢水處理效果[2]。該方法與生物技術(shù)處理相結(jié)合，加上生物處理法具有消耗少、運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用低、工藝簡(jiǎn)單、操作管理方便和無二次污染等顯著優(yōu)點(diǎn)，這種所謂新興治理方式得到了越來越多人的重視，并在全世界范圍內(nèi)得到了積極發(fā)展和應(yīng)用，也取得了良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益[3]。

1.水解酸化-生物處理技術(shù)的機(jī)理

1.1水解酸化機(jī)理

廢水厭氧生物處理技術(shù)是指在分子氧不存在的條件下，通過厭氧微生物包括兼性厭氧微生物的作用，將廢水中各種復(fù)雜的有機(jī)物質(zhì)分解成甲烷和二氧化碳等物質(zhì)的過程。厭氧生物處理過程中，復(fù)雜的有機(jī)化合物分解為簡(jiǎn)單的、穩(wěn)定的化合物，并釋放能量。其中，大部分能量以甲烷的形式被釋放，而只有少量的有機(jī)物質(zhì)轉(zhuǎn)化為一個(gè)新的細(xì)胞成分。

大分子有機(jī)物的厭氧降解過程可以分為四個(gè)階段，即水解階段、發(fā)酵（或酸化）階段、產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸階段與產(chǎn)甲烷階段。水解階段是將非溶解性的復(fù)雜的聚合物轉(zhuǎn)化為溶解性的簡(jiǎn)單的單體或二聚體的過程。發(fā)酵階段則是將溶解性有機(jī)物轉(zhuǎn)化為以揮性為主的末端產(chǎn)物的降解過程，在發(fā)酵階段，有機(jī)物化合物同時(shí)作為電子和電子供體，因此這一降解過程也稱為酸化。在產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸階段中，發(fā)酵階段的產(chǎn)物在產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌的作用下被進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為乙酸、氫氣、碳酸以及新的細(xì)胞物質(zhì)。在最后的產(chǎn)甲烷階段，乙酸、氫氣、碳酸、甲酸和甲醇被轉(zhuǎn)化為甲烷、二氧化碳和新的細(xì)胞物質(zhì)。

水解酸化處理是指將厭氧過程控制在厭氧生物處理的第一和第二階段，即水解階段與發(fā)酵階段，在水解酸化處理階段，兼性的水解產(chǎn)酸菌可以利用H2O電離的H+和OH-將復(fù)雜的有機(jī)物分子中的C-C打開，一端加入H+一端加入OH-，可以將長(zhǎng)鏈水解為短鏈、支鏈水解為直鏈，環(huán)狀結(jié)構(gòu)水解為成直鏈或支鏈，從而把復(fù)雜的有機(jī)物轉(zhuǎn)化為簡(jiǎn)單的無機(jī)物，提高污水的可生化性。

水解酸化的反應(yīng)式一般可以寫作以下形式：

R-X+H2O—>R-OH+X-+H+

其中，R表示大分子有機(jī)物的主體碳鏈，X表示分子中的極性基團(tuán)。水解酸化工藝的優(yōu)點(diǎn)除了將大分子有機(jī)物分解為小分子，減少后續(xù)工藝的運(yùn)行時(shí)間外，還可以大幅度去除廢水中的懸浮物和有機(jī)物，能夠較好的抗沖擊負(fù)荷，保證后續(xù)工藝的進(jìn)水穩(wěn)定性，并且產(chǎn)泥量小，易處理。水解酸化工藝的不足之處為，單獨(dú)運(yùn)行無法達(dá)到出水水質(zhì)的要求，一般要與其他工藝聯(lián)用。

1.2活性污泥法機(jī)理

活性污泥凈化廢水，主要依靠懸浮于水中的多孔性膠體絮狀污泥。它是多種細(xì)菌組成的，至少有50多種。活性污泥中還含有多種原生動(dòng)物，在曝氣槽中裝有各式曝氣設(shè)備，進(jìn)行強(qiáng)制通風(fēng)，不斷的提供氧氣。凈化作用分兩部分：首先是活性污泥的表面吸附作用。包括物理吸附、電吸附和化學(xué)吸附作用，能吸附細(xì)小懸浮物、有機(jī)膠體和溶解性有機(jī)物。其次是生物氧化作用，被吸附的物質(zhì)在細(xì)菌體內(nèi)氧化分解，排出二氧化碳、水和氨，并繁殖細(xì)菌本體，使污泥恢復(fù)吸附能。曝氣槽中，還繁殖有多種原生動(dòng)物，它們不但食掉有機(jī)物，還以細(xì)菌為食料，以抑制過多污泥產(chǎn)生?；钚晕勰嘁话愕牧鞒淌沁@樣的：首先，廢水流經(jīng)一級(jí)處理系統(tǒng)除去硬渣、砂石和部分纖維等懸浮物。而后進(jìn)入活性污泥曝氣池，同時(shí)空氣不斷地通入池中，以維持廢水中的溶解氧在l.0mg/L左右，并控制污泥濃度在6000-3000mg/L[4]。此時(shí)溶解性有機(jī)物被大量降解。最后，夾雜著活性污泥的廢水進(jìn)入沉淀池進(jìn)行固液分離，上清液排出系統(tǒng)流入排放水體，沉淀的污泥一部分回流入曝氣池，另一部分進(jìn)入污泥處理系統(tǒng)。活性污泥法一般BOD負(fù)荷可達(dá)3-5kgBOD/（m3·d），其BOD去除率為60-70%，COD去除率僅為40%。

1.3生物膜法機(jī)理

膜生物反應(yīng)器是將膜分離技術(shù)和生物技術(shù)有機(jī)地結(jié)合在一起，以膜技術(shù)的高效分離作用取代傳統(tǒng)活性污泥法中的二沉池，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)工藝所無法比擬的泥水分離和污泥濃縮效果，消除了污泥膨脹的影響，并可大幅度提高曝氣池中活性污泥的濃度，省卻了污泥回流系統(tǒng)，反應(yīng)器在高容積負(fù)荷和低污泥負(fù)荷、長(zhǎng)泥齡運(yùn)行下，大大減少了剩余污泥量，并通過膜的高效截留作用，可以使廢水中大分子難降解成分截留在反應(yīng)器內(nèi)，延長(zhǎng)了反應(yīng)時(shí)間，大大提高了難降解有機(jī)物的降解率，并實(shí)現(xiàn)對(duì)懸浮物、病原菌和病毒的有效去除，提高處理出水水質(zhì)，在通常情況下，其處理出水無需進(jìn)行消毒處理即可達(dá)到相關(guān)的衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)[5]。

1.4生物接觸氧化法機(jī)理

生物接觸氧化法中，填料表面全為生物膜所布滿，由于絲狀菌的大量滋生微生物有可能形成一個(gè)呈立體結(jié)構(gòu)的密集生物網(wǎng)而附著在填料上，同時(shí)由于曝氣吹脫使部分絮體或碎裂微生物膜以懸浮狀態(tài)存在于污水中。起初附著于填料表面只有少量的微生物，由于微生物的不斷繁殖，在具備充足的溶解氧和豐富的營養(yǎng)物質(zhì)的情況下，生物膜變得越來越厚。這是好氧菌通過吸收擴(kuò)散到生物膜內(nèi)溶解氧和有機(jī)物用于自身的生長(zhǎng)代謝的作用。當(dāng)生物膜厚度生長(zhǎng)到一定程度的時(shí)候，生物膜內(nèi)層不能支撐其表面的生物群體時(shí)，這時(shí)好氧菌開始死亡隨之溶化，此時(shí)內(nèi)層的厭氧菌開始得以繁殖發(fā)展。厭氧菌經(jīng)過了一段時(shí)間的積累后其數(shù)量開始減少，又由于有代謝氣體從內(nèi)部跑出，便使得內(nèi)層生物膜表面由于這種作用產(chǎn)生了出現(xiàn)許多孔道，生物膜的附著力明顯降低，并成塊的脫落下來，在脫落的填料表層，微生物又重新積聚成為生物膜，這樣就使微生物能夠保持良好的活性，新陳代謝處于良性循環(huán)。從而能夠取得穩(wěn)定的去除效率。生物接觸氧化法中固著的生物膜不同于一般生物膜。生物膜的厚度取決于水中有機(jī)物的濃度和曝氣量，通過在氧化裝置中采用曝氣方式，不僅為生物膜提供了較充足的DO，而且由于曝氣的攪動(dòng)作用，也使生物膜的更新速度加快，這樣使得膜的活力與氧化能力會(huì)得到有效的提高。并且由于空氣不斷地打入水中，其不斷的攪動(dòng)水體能使污水形成了紊流，這樣便使得污水與固著在填料上的微生物可以有效的相接觸，對(duì)于生物濾池中可能存在接觸不良的這種現(xiàn)象，通過曝氣大大降低了其發(fā)生率。

2.水解酸化-生物處理技術(shù)的應(yīng)用

隨著生物處理技術(shù)的日益成熟，已廣泛應(yīng)用在多種廢水的處理中.主要通過提高目標(biāo)污染物的去除效果，改善污泥性能、減少污泥產(chǎn)量、縮短系統(tǒng)的啟動(dòng)時(shí)間，增強(qiáng)耐沖擊負(fù)荷的能力和系統(tǒng)的穩(wěn)定性、添加生物酶，加快反應(yīng)進(jìn)行。

李海英等為期1個(gè)月的連續(xù)處理造紙漂白廢水試驗(yàn)表明，固定化細(xì)胞的酶活性及可吸附有機(jī)鹵素（AOX）去除率均高于自由菌液，對(duì)溫度和pH的適應(yīng)范圍較寬；在停留時(shí)間為2.4h時(shí)，其去除率可穩(wěn)定在80%左右[6]；

喬慶霞等選育優(yōu)勢(shì)菌處理含氯漂白廢水中段水相對(duì)濃度為50%，pH為7.0，菌液量為2ml時(shí)，對(duì)廢水中有機(jī)氯化物和COD的綜合處理效果較好[7].生物增強(qiáng)作用比一般的廢水處理方法更能提高系統(tǒng)對(duì)BOD5，COD，TOC或某種特定難降解物的去除效果。

韓長(zhǎng)秀等利用投加高效菌種強(qiáng)化法處理牛奶廢水，在延時(shí)曝氣、曝氣塘和氧化溝3種不同的處理系統(tǒng)，都提高了BOD5，COD的去除率[8]；

劉暉用該方法處理馬鈴薯廢水時(shí)，TOC的去除率達(dá)到98%；通過在活性污泥法中投加苯酚降解菌，在40d內(nèi)處理系統(tǒng)對(duì)苯酚的去除率保持在95%～100%，而沒有采用生物強(qiáng)化的中苯酚的去除率降低到40%，提高苯酚的去除率[9]；

林俊岳在附著生長(zhǎng)生物床中，加入降解BTX（苯、甲苯、二甲苯）的混合優(yōu)勢(shì)菌，生物增強(qiáng)系統(tǒng)的去除效果提高7mg/L BTX；生物增強(qiáng)作用不僅可以有效地消除污泥膨脹，增強(qiáng)污泥沉降性能，且可減少污泥產(chǎn)量，一般可使污泥容積降低20%左右[10]。

D.RenateHuebner.改善出水水質(zhì)，減少污泥排放和污泥處理的能耗.結(jié)果表明，接種生物增強(qiáng)劑運(yùn)行3周就可消除污泥膨脹現(xiàn)象[11]；

潘景盛在大規(guī)模廢水處理中，使用生物增強(qiáng)劑后，污泥床厚度下降到2m左右，降低能耗，控制臭氣的產(chǎn)生，縮短系統(tǒng)的啟動(dòng)時(shí)間，達(dá)到較高的快速處理效果，增強(qiáng)系統(tǒng)的耐沖擊負(fù)荷能力以及處理系統(tǒng)的穩(wěn)定性[12]。

3.結(jié)語

從國內(nèi)外廢水生物處理法的研究與應(yīng)用現(xiàn)狀來看，不斷推出更好的生物處理工藝，去除污水中溶解和膠體的有機(jī)物質(zhì)的效率越來越高，污水出水水質(zhì)好，達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)，已成為在現(xiàn)代廢水處理的研究熱點(diǎn)。廢水生物處理向著更先進(jìn)、更高效、更節(jié)能、自動(dòng)化程度更高的方向發(fā)展，細(xì)胞及微生物固定化技術(shù)的應(yīng)用、新型填料與載體的開發(fā)應(yīng)用、節(jié)能技術(shù)突出等領(lǐng)域取得長(zhǎng)足的進(jìn)展。該方法具有提高難降解有機(jī)物的去除率、改善污泥性能、縮短系統(tǒng)的啟動(dòng)時(shí)間、增強(qiáng)系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性和耐沖擊負(fù)荷能力，顯著提高水處理范圍和水處理能力，具有工藝簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、處理能力強(qiáng)、占地面積少、運(yùn)行方式靈活等優(yōu)點(diǎn)，是一種投資省、運(yùn)行費(fèi)用低、處理效率高的廢水處理的新工藝。該技術(shù)廣泛應(yīng)用于生活污水、紡織、屠宰、造紙、核污染等廢水處理.然而目前建造的廢水處理工程與設(shè)施的投資和昂貴的運(yùn)行、管理費(fèi)用成為廢水處理工程中的瓶頸。如何改善載體的結(jié)構(gòu)，提高對(duì)微生物的附著能力、加強(qiáng)傳質(zhì)、提供更大的孔隙率和比表面積，改善材質(zhì)以降低生產(chǎn)成本及運(yùn)行成本等將成為這一領(lǐng)域中較為集中的研究課題。因此，生物強(qiáng)化技術(shù)與傳統(tǒng)生物處理技術(shù)相結(jié)合，成為廢水生物處理的必然趨勢(shì)，對(duì)經(jīng)濟(jì)與環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展具有深遠(yuǎn)的歷史意義！

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作者簡(jiǎn)介：

卞靜晶（1981-），女，江蘇南京人，環(huán)境管理專業(yè)工程師，本科，從事環(huán)境監(jiān)測(cè)與管理工作。