污泥水解酸化的影響因素與研究現(xiàn)狀

王亮 柴濤

（徐州市建設(shè)工程檢測(cè)中心有限公司，江蘇 徐州 221003）

1 引言

隨著我國(guó)工業(yè)化進(jìn)程的加快，工業(yè)廢水處理量越來(lái)越大，其成分也愈加復(fù)雜，尤其是有機(jī)化工廢水還包含難降解的有毒污染物質(zhì)，COD 值較高，可生化性差。好氧生物處理工藝其自身提供的碳源難以滿足脫氮除磷的要求，為此，常需外加碳源，如揮發(fā)性脂肪酸（VFAs），不僅資源被浪費(fèi)，污水的處理成本也被拉高。另一方面，隨著廢水量的增加，污水處理廠污泥量也與日俱增，處理剩余污泥的費(fèi)用在污水處理總成本中占比20%～50%［1］。因此，如何在實(shí)現(xiàn)“水、泥”同治的前提下降低污水處理成本，成為需要解決的一個(gè)課題。

2 水解酸化原理

污泥厭氧消化是一個(gè)極其復(fù)雜的生化過(guò)程，依靠三大主要類群的細(xì)菌（水解產(chǎn)酸細(xì)菌、產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸細(xì)菌和產(chǎn)甲烷細(xì)菌）聯(lián)合作用完成。通常將厭氧生物處理劃分為水解酸化、產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸、產(chǎn)甲烷3 個(gè)階段，厭氧消化3 階段和COD 轉(zhuǎn)化率如圖1 所示［2-3］。

圖1 厭氧消化3 階段和COD 轉(zhuǎn)化率

水解指高分子有機(jī)物（碳水化合物、蛋白質(zhì)和脂肪）轉(zhuǎn)化為SCOD（單糖、氨基酸、長(zhǎng)鏈脂肪酸和甘油），酸化指SCOD 在產(chǎn)酸細(xì)菌作用下進(jìn)一步分解為VFAs；產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸指在產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸細(xì)菌作用下，VFAs 轉(zhuǎn)化為短鏈脂肪酸、二氧化碳和氫氣；產(chǎn)甲烷階段指上述產(chǎn)物在產(chǎn)甲烷細(xì)菌作用下生成甲烷。

水解酸化即將厭氧消化控制在水解酸化這一階段，有機(jī)大分子物質(zhì)被細(xì)胞胞外酶分解成小分子，而這些小分子水解產(chǎn)物能夠溶于水，并透過(guò)細(xì)胞膜合成新細(xì)胞。

3 污泥水解酸化影響因素

水解酸化對(duì)污泥減量和脫氮除磷的影響因子包括預(yù)處理、溫度、pH、C/N（碳氮比）和SRT（污泥停留時(shí)間）等。

3.1 預(yù)處理

污泥中主要有機(jī)物包含在微生物細(xì)胞膜內(nèi)，而細(xì)胞膜又能防止所在細(xì)胞的滲透性溶解，含有肽聚糖的細(xì)胞壁也可以抵擋生物的降解作用［4］。細(xì)胞自溶速率極慢，滯后消化時(shí)間從而拖延整個(gè)水解酸化進(jìn)程。因此需采取預(yù)處理破壞細(xì)胞結(jié)構(gòu)，提高污泥的溶解率。提高污泥產(chǎn)VFAs 的預(yù)處理方法包括物理法、化學(xué)法、生物法和組合法。

3.1.1 物理法

物理法有超聲波、凍融、微波和熱處理等。超聲波被認(rèn)為是最有效破解細(xì)胞的方式，強(qiáng)超聲（0.96 kW/L，15 min）在常溫（25 ℃）下作用污泥消化1.5 d 后使VFAs 產(chǎn)量增至2.9 倍，高溫（55 ℃）是常溫條件下VFAs 產(chǎn)量的12 倍［5］。凍融法預(yù)處理污泥可使VFAs 產(chǎn)量增加1 倍［6］。對(duì)活性污泥分別采用超聲波、臭氧和熱處理，發(fā)現(xiàn)熱處理水解效果最好［7］。

3.1.2 化學(xué)法

化學(xué)法包括酸堿法和化學(xué)氧化法。酸堿法是工業(yè)廢水處理廠預(yù)處理的主要方式，具有操作簡(jiǎn)單、成本低等特點(diǎn)。因?yàn)閴A對(duì)肽聚糖的破解能力高于酸［8］，所以堿破解污泥的效率更好。劉亞利等［9］發(fā)現(xiàn)在一定條件下，堿投加量越高，越有利于VFAs 的積累；當(dāng)堿投加量為0.20 gNaOH/gVS（VS 為可揮發(fā)性固體），SRT＝15 d 時(shí)，VFAs＝3 473 mg/L。采用酸—堿預(yù)處理要比堿—酸獲得更多的VFAs，純堿處理獲得污泥減量的效果最好［10］?；瘜W(xué)氧化法常用氧化劑有O3，H2O2，F(xiàn)enton，劉越等［11］發(fā)現(xiàn)與H2O2相比，NaOH 對(duì)促進(jìn)污泥水解酸化更有優(yōu)勢(shì)。與酸堿法相比，化學(xué)氧化法成本更高，推廣應(yīng)用受限［1］。

3.1.3 生物法

生物法主要分為添加可生成胞外酶的細(xì)菌和添加抗菌素兩種。白潤(rùn)英等［12］用淀粉酶催化污泥，蛋白質(zhì)和多糖的濃度分別增長(zhǎng)268%與1 100%，其水解效能高于蛋白酶；淀粉酶—蛋白酶投加方式的水解效率大于蛋白酶—淀粉酶及同時(shí)投加兩種方式。Yu等［13］發(fā)現(xiàn)剩余污泥經(jīng)7 h 蛋白酶和淀粉酶的預(yù)處理，污泥中SCOD 和VFAs 分別增加78.2%和129.6%。Zhao 等［14］利用含多種酶和厭氧菌的礦化垃圾進(jìn)行污泥處理，其投加量在0～400 mg/g 干污泥消化5 d時(shí)，SCOD 從1 150 mg/L 升至5 240 mg/L，VFA 產(chǎn)量從82.6 COD/gVSS（VSS 為可揮發(fā)性固體懸浮物）增至183.9 mgCOD/gVSS。而辛?xí)詵|［1］卻發(fā)現(xiàn)復(fù)合生物酶（蛋白酶、淀粉酶、溶菌酶和纖維素酶等質(zhì)量混合）在酶投量水平5%～15%（w/w） 時(shí)，SCOD 增至33～45.5倍，并且高于4 種單酶對(duì)污泥溶出SCOD 之和，表明復(fù)合生物酶較單酶溶出效果更佳。

3.1.4 組合法

組合法比單一法擁有更好的污泥破解效率。超聲波—?dú)溲趸}預(yù)處理草坪草的VFAs 產(chǎn)量達(dá)到3 122 mg/L，與原草發(fā)酵相比提高90.70%［15］。代勤等［16］發(fā)現(xiàn)熱—堿處理溶解出SCOD 量是熱處理的2.2倍。賈瑞來(lái)等［17］發(fā)現(xiàn)加入蛋白酶和α-淀粉酶不僅促進(jìn)了預(yù)處理（微波—過(guò)氧化氫—堿）后污泥的水解酸化，而且解除了預(yù)處理導(dǎo)致的產(chǎn)酸滯后現(xiàn)象。水解酸化4 d 后，30 mg/g（蛋白酶/TS）組和90 mg/g（淀粉酶/TS）組的總VFA 濃度分別為3 373.39 mgCOD/L 和3 226.79 mgCOD/L，比預(yù)處理組分別提高了82.37%和74.45%。

3.2 溫度

溫度影響微生物新陳代謝和生長(zhǎng)速率，是厭氧水解酸化主要控制因素。水解酸化三大主要類群細(xì)菌適宜溫度范圍為10～60 ℃，水解酸化產(chǎn)酸率隨溫度升高而增大。

污泥在10～37 ℃的條件下，VFAs 會(huì)隨著溫度升高而提高，37 ℃的VFAs 值是10 ℃的3.4倍［18］。趙峰輝等［19］探究不同溫度（20，25，30，35 ℃）對(duì)污泥厭氧水解酸化產(chǎn)率的影響，結(jié)果表明，VFAs 在35 ℃條件下達(dá)到峰值295.9 mg/L，也驗(yàn)證了上述結(jié)論，即一定溫度內(nèi)，溫度的升高有利于污泥厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸過(guò)程。

3.3 pH

pH 直接影響細(xì)菌生命活動(dòng)和酶活性，三大類群細(xì)菌適宜pH＝3.0～11.0。

關(guān)于水解酸化最佳pH 存在爭(zhēng)議。Gomec 等［20-21］研究表明，pH＝6.5 水解效率高。羅錦等［22］研究泔腳廢油脂厭氧發(fā)酵產(chǎn)OFCA（奇數(shù)碳揮發(fā)性脂肪酸），發(fā)現(xiàn)發(fā)酵最適pH＝4.0～5.0。而呂景花等［23］研究發(fā)現(xiàn)，在pH=10.0 時(shí)發(fā)酵液中的VFAs 濃度最高。Wang等［24］也發(fā)現(xiàn)VFAs 濃度隨著pH 的增加而升高，pH=11.0 時(shí)VFAs 的最大產(chǎn)量為358.03 mgCOD/gVSS。

3.4 C/N

水解酸化適宜C/N 為10～20［25］。控制C/N=13.7～20.3 進(jìn)行水解酸化，有機(jī)負(fù)荷率在C/N=15 達(dá)到最大值，即水解酸化效率最高［26］。張福貴等［27］通過(guò)不同溫度對(duì)C/N 區(qū)間為15～35 污泥厭氧消化產(chǎn)VFAs 發(fā)現(xiàn)，中溫條件下C/N=25 時(shí)，VFAs 值最大，為3 671.21 mg/L，高溫條件下C/N=15 時(shí)，VFAs 值最大，為2 734.41 mg/L。

3.5 SRT

SRT 即污泥齡，是污泥處理設(shè)計(jì)、運(yùn)行的重要指標(biāo)。一定范圍內(nèi)延長(zhǎng)SRT 有利于污泥水解，但過(guò)長(zhǎng)的SRT 將消耗已積累的有機(jī)酸［28］。污泥在堿性條件下，水解產(chǎn)酸在SRT=12 d，VFAs 達(dá)到最大值933.5 mg/L［29］。章濤等［30］發(fā)現(xiàn)剩余污泥在中溫中性條件下，發(fā)酵產(chǎn)酸在SRT=10 d，VFAs 升至137.09～158.36 mg/L。

綜上所述，溫度、pH、C/N、SRT 等指標(biāo)都能將厭氧消化控制在水解酸化這一階段，提高VFAs 積累，進(jìn)而更好地脫氮除磷。

4 水解酸化的工程應(yīng)用

對(duì)于環(huán)境保護(hù)來(lái)說(shuō)，工業(yè)廢水的處理比城市污水處理更加重要。近年來(lái)技術(shù)報(bào)道和科學(xué)論文發(fā)現(xiàn)，水解酸化作為厭氧、好氧前處理工藝廣泛應(yīng)用在工業(yè)廢水處理中。

4.1 印染廢水

印染廢水具有水量大、有機(jī)物成分復(fù)雜、可生化性差、處理難度大的特點(diǎn)。劉立等［31］采用“選擇性物化+水解酸化+接觸氧化”處理印染廢水，BOD5、COD、色度去除率分別為92%，94%，92%，出水水質(zhì)達(dá)到GB 18918—2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》一級(jí)B 標(biāo)準(zhǔn)。項(xiàng)頌等［32］采用“混凝沉淀-ABR 水解酸化-A2/O-曝氣生物濾池”工藝處理綜合印染廢水，BOD5、COD、色度去除率分別為87%，93%，68%，出水水質(zhì)達(dá)到GB 18918—2002 一級(jí)B 標(biāo)準(zhǔn)。顧夢(mèng)琪等［33］通過(guò)“水解酸化+AO”處理印染廢水的試驗(yàn)得出，COD、色度水解酸化出水去除率分別為49.8%，72.4%，總?cè)コ史謩e為92.2%，71.0%。

4.2 制藥廢水

制藥廢水COD 濃度高，所含有毒有害物質(zhì)多，可生化性差。萬(wàn)金寶等［34］采用“水解酸化-EGSB-生物接觸氧化”處理中藥類制藥廢水，BOD5，COD，SS去除率分別為99.5%，98.4%，98.1%。虞杰等［35］采用“預(yù)處理+水解酸化+厭氧+A/O”處理合成藥類制藥廢水，BOD5，COD 去除率分別為91%，95%。樊杰等［36］通過(guò)模擬試驗(yàn)，采用“Fenton+水解酸化+接觸氧化”處理低濃度抗生素類制藥廢水，BOD，COD 去除率分別為82.2%，90.8%。

4.3 化工廢水

化工廢水污染物復(fù)雜，毒性大，致癌性強(qiáng)，尤其是苯、酚、氰以及硝基苯類化合物。王艷等［37］采用“水解酸化+A/O+臭氧+好氧生物濾池+濾布濾池”處理 煤 化 工 業(yè) 廢 水，BOD5，COD，SS 去 除 率 分 別 為97.3%，88.4%，99.0%，出水水質(zhì)穩(wěn)定達(dá)到GB/T 19923—2005《城市污水再生利用 工業(yè)用水水質(zhì)》中鍋爐補(bǔ)給水標(biāo)準(zhǔn)。李東升等［38］采用“物化預(yù)處理+水解酸化+A/O”處理化工廢水，COD、硝基苯去除率分別為97.3%，100%。

5 前景展望

城市污水的處理量隨著城鎮(zhèn)化步伐的加快而日益增多，剩余污泥的治理已經(jīng)成為環(huán)境保護(hù)的一個(gè)重要課題。水解酸化實(shí)現(xiàn)了“水、泥”同治，污泥減量化的同時(shí)獲得高濃度VFAs，提高C/N 低的工業(yè)廢水生物脫氮效率，為后續(xù)好氧處理提供可靠保證。對(duì)于含有大量大分子物質(zhì)的廢水，利用水解酸化預(yù)處理，可以減少后續(xù)處理工藝的沖擊負(fù)荷，縮短SRT，從而使污水處理工藝得到優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)污泥資源化的利用。

水解酸化工藝也存在不足，水解酸化只是對(duì)有機(jī)物進(jìn)行初步分解，對(duì)COD 去除率不高，單獨(dú)使用處理污水一般不能直接達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)，故只能作為有機(jī)廢水的預(yù)處理，后續(xù)必須通過(guò)厭氧甲烷發(fā)酵或好氧處理，才能徹底治理污水并達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)，與其他工藝聯(lián)合使用的創(chuàng)新工藝，使出水水質(zhì)更好，將成為未來(lái)科研工作者研究的方向。