水解酸化對(duì)氨氮總氮去除率的影響

摘要：作為一種廣泛運(yùn)用于污水處理的工藝步驟，水解酸化在整體工藝中承擔(dān)了分解高分子有機(jī)物、提高污水可生化性的重要作用。水解酸化的效果好壞直接影響著整個(gè)工藝的主要污染物去除率，本次課題研究以水解酸化為一個(gè)窗口，通過分析水解酸化池的各個(gè)可控參數(shù)對(duì)整體工藝中氨氮去除率的影響，來探討細(xì)化水解酸化工藝控制以提高各類污染物整體去除率的可行性。

以開發(fā)區(qū)污水處理廠為模板分析，水解池水溫控制在20-35℃、水解池碳氮比在16-24區(qū)間時(shí)，生化系統(tǒng)對(duì)氨氮的去除率可達(dá)到94.09%，可有效保證穩(wěn)定的達(dá)標(biāo)排放。

關(guān)鍵詞：水解酸化；氨氮去除率；水力負(fù)荷；PH；水溫；碳氮比

1水解酸化處理方法總述

水解酸化處理方法是一種介于好氧和厭氧處理法之間的方法，和其它工藝組合可以降低處理成本提高處理效率。水解酸化工藝根據(jù)產(chǎn)甲烷菌與水解產(chǎn)酸菌生長(zhǎng)速度不同，將厭氧處理控制在反應(yīng)時(shí)間較短的厭氧處理第一和第二階段，即在大量水解細(xì)菌、酸化菌作用下將不溶性有機(jī)物水解為溶解性有機(jī)物，將難生物降解的大分子物質(zhì)轉(zhuǎn)化為易生物降解的小分子物質(zhì)的過程，從而改善廢水的可生化性，為后續(xù)處理奠定良好基礎(chǔ)。為了更加有效的處理印染廢水，目前，該工藝已應(yīng)用在開發(fā)區(qū)污水處理廠，并取得了良好的效果。

水解是指有機(jī)物進(jìn)入微生物細(xì)胞前、在胞外進(jìn)行的生物化學(xué)反應(yīng)。微生物通過釋放胞外自由酶或連接在細(xì)胞外壁上的固定酶來完成生物催化反應(yīng)。

酸化是一類典型的發(fā)酵過程，微生物的代謝產(chǎn)物主要是各種有機(jī)酸。

從機(jī)理上講，水解和酸化是厭氧消化過程的兩個(gè)階段，但不同的工藝水解酸化的處理目的不同。

水解酸化-好氧生物處理工藝中的水解目的主要是將原有廢水中的非溶解性有機(jī)物轉(zhuǎn)變?yōu)槿芙庑杂袡C(jī)物，特別是工業(yè)廢水，主要將其中難生物降解的有機(jī)物轉(zhuǎn)變?yōu)橐咨锝到獾挠袡C(jī)物，提高廢水的可生化性，以利于后續(xù)的好氧處理。考慮到后續(xù)好氧處理的能耗問題，水解主要用于低濃度難降解廢水的預(yù)處理?；旌蠀捬跸に囍械乃馑峄哪康氖菫榛旌蠀捬跸^程的甲烷發(fā)酵提供底物。而兩相厭氧消化工藝中的產(chǎn)酸相是將混合厭氧消化中的產(chǎn)酸相和產(chǎn)甲烷相分開，以創(chuàng)造各自的最佳環(huán)境。

酸化水解池內(nèi)分污泥床區(qū)和清水層區(qū)，待處理污水以及濾池反沖洗時(shí)脫落的剩余微生物膜由反應(yīng)器底部進(jìn)入池內(nèi)，并通過帶反射板的布水器與污泥床快速而均勻地混合。污泥床較厚，類似于過濾層，從而將進(jìn)水中的顆粒物質(zhì)與膠體物質(zhì)迅速截留和吸附。由于污泥床內(nèi)含有高濃度的兼性微生物，在池內(nèi)缺氧條件下，被截留下來的有機(jī)物質(zhì)在大量水解—產(chǎn)酸菌作用下，將不溶性有機(jī)物水解為溶解性物質(zhì)，將大分子、難于生物降解的物質(zhì)轉(zhuǎn)化為易于生物降解的物質(zhì)；同時(shí)，生物濾池反沖洗時(shí)排出的剩余污泥（剩余微生物膜）菌體外多糖粘質(zhì)層發(fā)生水解，使細(xì)胞壁打開，污泥液態(tài)化，重新回到污水處理系統(tǒng)中被好氧菌代謝，達(dá)到剩余污泥減容化的目的。由于水解酸化的污泥齡較長(zhǎng)（一般15～20天）。若采用水解酸化池代替常規(guī)的初沉池，除達(dá)到截留污水中懸浮物的目的外，還具有部分生化處理和污泥減容穩(wěn)定的功能

厭氧生化處理的概述

廢水厭氧生物處理是指在無分子氧的條件下通過厭氧微生物（包括兼氧微生物）的作用，將廢水中各種復(fù)雜有機(jī)物分解轉(zhuǎn)化成甲烷和二氧化碳等物質(zhì)的過程。

厭氧生化處理過程：高分子有機(jī)物的厭氧降解過程可以被分為四個(gè)階段：水解階段、發(fā)酵（或酸化）階段、產(chǎn)乙酸階段和產(chǎn)甲烷階段。

1、水解階段

水解可定義為復(fù)雜的非溶解性的聚合物被轉(zhuǎn)化為簡(jiǎn)單的溶解性單體或二聚體的過程。

2、發(fā)酵（或酸化）階段

發(fā)酵可定義為有機(jī)物化合物既作為電子受體也是電子供體的生物降解過程，在此過程中溶解性有機(jī)物被轉(zhuǎn)化為以揮發(fā)性脂肪酸為主的末端產(chǎn)物，因此這一過程也稱為酸化。

3、產(chǎn)乙酸階段

在產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌的作用下，上一階段的產(chǎn)物被進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為乙酸、氫氣、碳酸以及新的細(xì)胞物質(zhì)。

4、甲烷階段

這一階段，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)。

水解酸化分析

高分子有機(jī)物因相對(duì)分子量巨大，不能透過細(xì)胞膜，因此不可能為細(xì)菌直接利用。它們?cè)谒怆A段被細(xì)菌胞外酶分解為小分子。例如，纖維素被纖維素酶水解為纖維二糖與葡萄糖，淀粉被淀粉酶分解為麥芽糖和葡萄糖，蛋白質(zhì)被蛋白質(zhì)酶水解為短肽與氨基酸等。這些小分子的水解產(chǎn)物能夠溶解于水并透過細(xì)胞膜為細(xì)菌所利用。水解過程通常較緩慢，多種因素如溫度、有機(jī)物的組成、水解產(chǎn)物的濃度等可能影響水解的速度與水解的程度。

酸化階段，上述小分子的化合物在酸化菌的細(xì)胞內(nèi)轉(zhuǎn)化為更為簡(jiǎn)單的化合物并分泌到細(xì)胞外。發(fā)酵細(xì)菌絕大多數(shù)是嚴(yán)格厭氧菌，但通常有約1%的兼性厭氧菌存在于厭氧環(huán)境中，這些兼性厭氧菌能夠起到保護(hù)嚴(yán)格厭氧菌免受氧的損害與抑制。這一階段的主要產(chǎn)物有揮發(fā)性脂肪酸、醇類、乳酸、二氧化碳、氫氣、氨、硫化氫等，產(chǎn)物的組成取決于厭氧降解的條件、底物種類和參與酸化的微生物種群。

水解階段是大分子有機(jī)物降解的必經(jīng)過程，大分子有機(jī)物想要被微生物所利用，必須先水解為小分子有機(jī)物，這樣才能進(jìn)入細(xì)菌細(xì)胞內(nèi)進(jìn)一步降解。酸化階段是有機(jī)物降解的提速過程，因?yàn)樗鼘⑺夂蟮男》肿佑袡C(jī)物進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為簡(jiǎn)單的化合物并分泌到細(xì)胞外。這也是為何在實(shí)際的工業(yè)廢水處理工程中，水解酸化往往作為預(yù)處理單元的原因。

兩點(diǎn)普遍認(rèn)同的作用：

1、提高廢水可生化性：能將大分子有機(jī)物轉(zhuǎn)化為小分子。

2、去除廢水中的COD：既然是異養(yǎng)型微生物細(xì)菌，那么就必須從環(huán)境中汲取養(yǎng)分，所以必定有部分有機(jī)物降解合成自身細(xì)胞。

穩(wěn)定性

水解酸化池抗沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)，在進(jìn)水COD為1000mg/L時(shí)，仍能保證出水在200mg/L，能起到非常好的緩沖作用；水解酸化池水力停留時(shí)間短，土建費(fèi)用較低，而且運(yùn)行費(fèi)用低，無任何電耗，污泥水解率高，減少脫水機(jī)運(yùn)行時(shí)間，降低能耗，因此水解酸化池的穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性要遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其他預(yù)處理工藝。

污泥沉積

運(yùn)行一段時(shí)間后發(fā)現(xiàn)曝氣池前段水解酸化池發(fā)生污泥沉積在池內(nèi)，最嚴(yán)重時(shí)甚至整個(gè)池內(nèi)全是污泥，并有部分死泥上浮。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)主要原因是水解酸化池潛水?dāng)嚢铏C(jī)功率太小，再加上污泥回流量過大，池內(nèi)介質(zhì)密度太大，潛水?dāng)嚢铏C(jī)無法使整池泥水混合物翻滾起來，導(dǎo)致發(fā)生污泥沉積現(xiàn)象。通過降低水解酸化池污泥回流量至10%以下，能基本解決污泥沉積問題，但系統(tǒng)除磷效率和水解酸化功能明顯降低，最好的解決辦法是把潛水?dāng)嚢杵鞲鼡Q為大功率潛水?dāng)嚢杵鳌?/p>

機(jī)理分析

一般認(rèn)為，污水進(jìn)入水解酸化池后進(jìn)行充分的氨化作用，水解池出水氨氮比進(jìn)水有所增加。而根據(jù)開發(fā)區(qū)污水處理廠實(shí)際運(yùn)行情況，水解酸化池水力停留時(shí)間在4.4h，污泥齡在6d左右，水解酸化池氨氮平均去除率達(dá)到42.34%，凱氏氮去除率為40.1%，總氮去除率為37.92%；具體分析原因：去除氨氮一般以同化作用、硝化反硝化作用實(shí)現(xiàn)，同化作用去除一般較少，通過計(jì)算去除率僅在10%左右，而一般硝化反硝化的條件也不具備，如溶解氧、水力停留時(shí)間等因素；因此必然存在另一種形式的去除氨氮的反應(yīng)存在，初步分析可能存在厭氧氨氧化的現(xiàn)象，但需進(jìn)一步的分析與研究。

操作規(guī)程

一般厭氧發(fā)酵過程可分為四個(gè)階段，即水解階段、酸化階段、酸衰退階段和甲烷化階段。而在水解酸化池中把反應(yīng)過程控制在水解與酸化兩個(gè)階段。在水解階段，組合填料可使固體有機(jī)物質(zhì)降解為溶解性物質(zhì)，大分子有機(jī)物質(zhì)降解為小分子物質(zhì)。在產(chǎn)酸階段，碳水化合物等有機(jī)物降解為有機(jī)酸，主要是乙酸、丁酸和丙酸等。水解和酸化反應(yīng)進(jìn)行得相對(duì)較快，一般難于將它們分開，此階段的主要微生物是水解—酸化細(xì)菌。

廢水經(jīng)過水解酸化池后可以提高其可生化性，降低污水的pH值，減少污泥產(chǎn)量，為后續(xù)好氧生物處理創(chuàng)造了有利條件。組合填料在設(shè)置水解酸化池可以提高整個(gè)系統(tǒng)對(duì)有機(jī)物和懸浮物的去除效果，減輕好氧系統(tǒng)的有機(jī)負(fù)荷，使整個(gè)系統(tǒng)的能耗相比于單獨(dú)使用好氧系統(tǒng)大為降低。

水解酸化池的處理效果增強(qiáng)措施：

a、水解酸化池底部安裝有大阻力布水系統(tǒng)，利用二沉池的回流污泥攪動(dòng)水解酸化池底部的污泥，使其處于懸浮狀態(tài)并且與進(jìn)入的廢水充分混合，從而提高了水解酸化池的處理效果，減輕后續(xù)好氧處理的負(fù)荷。二沉池的污泥回流水解酸化池，可以增加水解酸化池內(nèi)的污泥濃度、提高處理效果，同時(shí)使污泥得到消化，減少了剩余污泥的排放量、降低污泥處理費(fèi)用，從而減少了運(yùn)行費(fèi)用。

b、在水解酸化池內(nèi)安裝彈性填料，對(duì)攪動(dòng)的廢水進(jìn)行水力切割，使懸浮狀態(tài)的污泥與水充分混合。為水解酸化菌的生長(zhǎng)提供有利條件。

c、水解酸化池底部還裝有排泥管道系統(tǒng)，是由UASB厭氧反應(yīng)器排泥系統(tǒng)改進(jìn)而成，可以保證水解酸化池長(zhǎng)期穩(wěn)定的運(yùn)行。

為保證設(shè)施的穩(wěn)定運(yùn)行，必須保證均勻進(jìn)水！根據(jù)車間的日產(chǎn)生污水量，分次分階段的從調(diào)節(jié)池提升至水解酸化池。

污泥回流量控制在總污泥量為池容的1/3即可。

水解反硝化的基本過程為：在缺氧條件下，利用反硝化菌將亞硝酸鹽和硝酸鹽還原為氮?dú)舛鴱臒o水中逸出，從而達(dá)到除氮的目的。反硝化是將硝化反應(yīng)過程中產(chǎn)生的硝酸鹽和亞硝酸鹽還原成氮?dú)獾倪^程，反硝化菌是一類化能異養(yǎng)兼性缺氧型微生物。

當(dāng)有分子態(tài)氧存在時(shí)，反硝化菌氧化分解有機(jī)物，利用分子氧作為最終電子受體，當(dāng)無分子態(tài)氧存在時(shí)，反硝化細(xì)菌利用硝酸鹽和亞硝酸鹽中的N3+和N5+做為電子受體，O2-作為受氫體生成水和OH-

有機(jī)物則作為碳源提供電子供體提供能量并得到氧化穩(wěn)定，由此可知反硝化反應(yīng)須在缺氧條件下進(jìn)行。從NO3-還原為N2的過程如下：

NO3-→NO2-→NO→N2O→N2

反硝化過程中，反硝化菌需要有機(jī)碳源（如碳水化合物、醇類、有機(jī)酸類）作為電子供體，利用NO3-

中的氧進(jìn)行缺氧呼吸。其反應(yīng)過程可以簡(jiǎn)單用下式表示：

NO3-+4H（電子供體有機(jī)物）→ 1/2N2+H2O+2OH-

NO2-+3H（電子供體有機(jī)物）→ 1/2N2+H2O+OH-

2我廠工藝簡(jiǎn)述 流程圖，水解工藝在其中的重要性說明

圖（1）

開發(fā)區(qū)污水處理廠一期設(shè)計(jì)2萬(wàn)噸/日，綜合生化池有兩組，目前由于進(jìn)水量的限制只有一組1萬(wàn)噸/日在運(yùn)行。該處理系統(tǒng)采用水解酸化+A/O工藝，即上圖所示。眾所周知，水解酸化對(duì)于后面A/O工藝的脫氮作用是十分重要，若水解酸化池的反硝化反應(yīng)沒有起到應(yīng)有的作用，那么對(duì)于A/O工藝段的硝化作用會(huì)有相當(dāng)大的抑制。

3目前的運(yùn)行狀況

開發(fā)區(qū)污水處理廠目前平均日處理約6000噸。由于該處理系統(tǒng)的中試有一定的難度，故本討論以往年的實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)為依據(jù)。

3.1、溫度因素

3.2、PH因素

3.3、進(jìn)水COD

3.4、進(jìn)水碳氮比

以上數(shù)據(jù)可以看出，針對(duì)開發(fā)區(qū)污水處理廠，影響整個(gè)處理工藝氨氮去除率較為明顯的影響因素為水溫及碳氮比，可以看出，水解池溫度在20度以下和35度以上的情況下，出水氨氮值明顯要高于溫度在20度至35度之間。水解池碳氮比的列表可以看出，碳源過多造成的不利影響很明顯，過多的碳源在后續(xù)A/O工藝中占用了大量的好氧菌資源，從而造成了污染物去除率降低。

3.5、細(xì)化分析水溫對(duì)水解酸化除氨的影響：

氨氮去除率的峰值出現(xiàn)在水解池水溫在20-35℃階段，在這一水溫區(qū)間，污水處理系統(tǒng)的整體氨氮去除率可達(dá)93%--95%，出水氨氮平均為2.11mg/L，可完全確保滿足排放標(biāo)準(zhǔn)。20℃以下及35℃以上的情況，明顯可以看出水溫與氨氮去除率的線性下降關(guān)系。

3.6細(xì)化分析水解池碳氮比對(duì)氨氮去除率的影響：

對(duì)比上圖，水解池碳氮控制在16-24區(qū)間時(shí)，氮氮去除率有一個(gè)較為平穩(wěn)的峰值，此區(qū)間的平均93.07%，峰值去除率為93.60%，而其余區(qū)間的平均去除率僅為90.05%。特別是在碳氮比超過24之后，隨碳氮比的上升，氨氮去除率線性下降，最低僅為87%。

4控制參數(shù)與影響因素

4.1布水方式

配水是否均勻是影響水解酸化效果的重要因素，開發(fā)區(qū)污水處理廠池底布水系統(tǒng)采用DN50ABS穿孔管，穿孔直徑6mm，間距150mm，交叉向下斜45°角開；干管采用DN200ABS管，不開孔，使水解酸化池進(jìn)水達(dá)到布水均勻的效果。填料采用彈性填料，將其上下均勻固定，每束填料有效長(zhǎng)度3.4米，總填料有效體積3100m3。

4.2水力負(fù)荷

水力負(fù)荷主要體現(xiàn)在上升流速和配水方式的設(shè)計(jì)上，上升流速是設(shè)計(jì)水解酸化池的主要參數(shù)，一般建議上升流速設(shè)計(jì)在0.5m/h-1.8m/h，目前運(yùn)行上升流速在0.54m/h（有效水深H為6.5m，水力停留時(shí)間HRT為12h）；配水方式為小阻力配水，主管為DN200，分管為DN50，在分管交叉向下斜45°方向開孔，穿孔直徑6mm，間距150mm，具體見圖4。分枝狀形式的配水形式基本上達(dá)到了配水均勻的目的。

圖（4）

4.3污泥濃度

污泥濃度是水解酸化池的最重要的控制參數(shù)之一。水解池功能得以完成的重要條件之一是維持池內(nèi)高濃度的厭氧微生物（污泥）。由于污泥受到兩個(gè)方向的作用，即其本身在重力場(chǎng)下的沉淀作用，及污水從下而上運(yùn)動(dòng)造成的污泥上升運(yùn)動(dòng)，因此污泥與污水可充分接觸，達(dá)到良好的截留和水解酸化效果。

水解酸化工藝對(duì)后續(xù)處理的影響

（1）水解酸化池出水B/C值的提高，使得出水中溶解性的COD比例提高，同時(shí)反應(yīng)器內(nèi)高的污泥濃度起到了良好的截留水解作用，在有機(jī)物通過時(shí)將其吸附截留，增加了有機(jī)物的停留時(shí)間，提高了難降解物質(zhì)和不易降解物質(zhì)的可降解性，消除了難降解物質(zhì)對(duì)后續(xù)生化處理的抑制性。

（2）污水進(jìn)入水解酸化池后進(jìn)行充分的氨化作用，水解池出水氨氮比進(jìn)水有所增加。根據(jù)開發(fā)區(qū)污水處理廠實(shí)際運(yùn)行情況，水解池水力停留時(shí)間為10小時(shí)，泥齡6天情況下，水解池出水中，氨氮占總氮的比例提高了10.4%，進(jìn)水中大量的硝酸鹽氮在水解細(xì)菌的反硝化作用下，將高分子有機(jī)物 轉(zhuǎn)換為低分子耦氨有機(jī)物，為后續(xù)好氧環(huán)境的處理提供了微觀環(huán)境下更均勻的碳氮比，提高了工藝整體的氨氮去除率。

（3）水解酸化池水解后的溶解性COD和BOD5數(shù)量增多，可生化性強(qiáng)，利于后續(xù)好氧處理，后續(xù)需氧量也大大降低，氣水比保持在3.96：1，即可保證碳化和硝化的需氧量，降低了后續(xù)的運(yùn)行費(fèi)用。

（4）水解酸化池在截留大量懸浮物和去除部分BOD5的同時(shí)，對(duì)污泥還有一定的水解率，通過開發(fā)區(qū)污水處理廠長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行發(fā)現(xiàn)，水解酸化池理論產(chǎn)泥量在19044kg/d，而實(shí)際處理泥量在13974kg/d，根據(jù)計(jì)算污泥水解率約在26.6%；以體積計(jì)算，污泥水解率在28.4%，減輕了脫水機(jī)的運(yùn)行負(fù)荷，同時(shí)降低了運(yùn)行費(fèi)用，由此可以看出水解酸化池57.62%的COD去除率，其中一部分通過剩余污泥進(jìn)行排放，其他可能通過硫酸鹽還原、氫氣的產(chǎn)生等途徑降解。

5、結(jié)論

作為一種廣泛運(yùn)用于污水處理的工藝步驟，水解酸化在整體工藝中擔(dān)當(dāng)了后續(xù)A/O工藝的支撐者角色，承擔(dān)了分解高分子有機(jī)物、提高污水可生化性的重要作用。各種污染物指標(biāo)在水解酸化階段雖然去除率不高、甚至反而有所增高，但水解酸化的效果好壞直接影響著整個(gè)工藝的主要污染物去除率，本次課題研究以水解酸化為一個(gè)窗口，通過分析水解酸化池的各個(gè)可控參數(shù)對(duì)整體工藝中氨氮去除率的影響，來探討細(xì)化水解酸化工藝控制以提高各類污染物整體去除率的可行性。

通過調(diào)研，可見水溫、碳氮比、PH等可控參數(shù)對(duì)水解酸化池的運(yùn)行效果起著至關(guān)重要的影響。以開發(fā)區(qū)污水處理廠為模板分析，水解池水溫控制在20-35℃、水解池碳氮比在16-24區(qū)間時(shí)，生化系統(tǒng)對(duì)氨氮的去除率可達(dá)到94.09%，可有效保證穩(wěn)定的達(dá)標(biāo)排放。為我們以后的精細(xì)化生產(chǎn)工藝控制提供了重要的參數(shù)依據(jù)。本文雖然僅使用開發(fā)區(qū)污水處理廠近兩年的生產(chǎn)化驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)匯總，但對(duì)其它同樣使用水解酸化工藝的污水處理體系有一定的借鑒作用。

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