【正文】 實用水處理技術(shù)叢書城市污水生物處理新技術(shù)開發(fā)與應(yīng)用——水解好氧生物處理工藝王凱軍 賈立敏 編著化學(xué)工業(yè)出版社環(huán)境科學(xué)與工程出版中心北 京2001年10月第一版2001年1月北京第1次印刷目 錄第一節(jié) 水解（酸化）工藝與厭氧工藝 4一、基本原理 4二、水解好氧工藝的開發(fā) 5三、水解（酸化）工藝與厭氧發(fā)酵的區(qū)別 6第三節(jié) 水解好氧生物處理工藝特點(diǎn) 8水解池與厭氧UASB工藝啟動方式不同 8水解池可取代初沉池 9較好的抗有機(jī)負(fù)荷沖擊能力 10水解過程可改變污水中有機(jī)物形態(tài)及性質(zhì)，有利于后續(xù)好氧處理 10在低溫條件下仍有較好的去除效果 11有利于好氧后處理 11可以同時達(dá)到對剩余污泥的穩(wěn)定 12第四節(jié) 水解好氧生物處理工藝的機(jī)理 12一、有機(jī)物形態(tài)對水解去除率的影響 12二、有機(jī)物降解途徑 13三、水解池動態(tài)特性分析 14四、難降解有機(jī)物的降解 15第五節(jié) 水解工藝對后續(xù)好氧工藝的影響 20有機(jī)物含量顯著減少 21B/C比值和溶解性有機(jī)物比例顯著增加 21BOD5降解動力學(xué) 22污泥和COD去除平衡 22第六節(jié) 水解工藝的污泥處理 24一、傳統(tǒng)污泥處理的目的和手段 24二、污泥有機(jī)物的降解表 25三、污泥脫水性能及處理 25第七節(jié) 水解池的啟動和運(yùn)行 27一、水解池的啟動方式 27二、配水系統(tǒng) 30三、排泥 32四、負(fù)荷變化對水解池處理效果的影響 33第八節(jié) 水解工藝的進(jìn)一步開發(fā)和應(yīng)用 35一、芳香類化合物的去除 35二、奈的去除 35三、鹵代烴的去除 35四、難生物降解工業(yè)廢水處理的實際應(yīng)用 35五、高懸浮物含量廢水的水解處理工藝 36六、水解工藝的適用范圍及要求 37第九節(jié) 水解好氧工藝技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析 39一、厭氧處理應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)分析 39二、水解好氧系統(tǒng)設(shè)計參數(shù) 40第十節(jié) 水解好氧生物處理工藝設(shè)計指南 42一、預(yù)處理設(shè)施 42二、水解池的詳細(xì)設(shè)計要求 42三、反應(yīng)器的配水系統(tǒng) 43四、管道設(shè)計 46五、出水收集設(shè)備 46六、排泥設(shè)備 47第 1 章 水解好氧生物處理工藝根據(jù)傳統(tǒng)活性污泥工藝基建投資高、運(yùn)行費(fèi)用高以及電耗高等問題，北京市環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院（原北京市環(huán)境保護(hù)研究所）在20世紀(jì)80年代初開發(fā)了水解（酸化）好氧生物處理工藝。經(jīng)過十多年的開發(fā)，圍繞水解好氧技術(shù)已經(jīng)形成一套完整的工藝技術(shù)。相繼開發(fā)了水解好氧生物處理工藝、水解氧化塘處理工藝和水解土地處理工藝等處理城市污水經(jīng)濟(jì)可行的工藝技術(shù)，這些工藝被先后應(yīng)用建成城市污水處理廠10余座，取得了較好的環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益。特別是北京市密云縣城污水處理廠（）、河南安陽市豆腐營污水處理廠（）、新疆昌吉市污水處理廠（）和深圳寶胺安縣石巖污水處理廠（）都相繼采用了該處理工藝。另外，國內(nèi)同行開發(fā)了處理印染廢水的水解好氧生物碳工藝，處理焦化廢水的水解和AO工藝相結(jié)合的工藝，在啤酒廢水和屠宰廢水方面水解好氧工藝相結(jié)合的工藝已是具有競爭力的一種標(biāo)準(zhǔn)工藝。水解（酸化）工藝還應(yīng)用于工業(yè)廢水處理中，如印染、紡織、輕工、釀酒、化工、焦化、造紙等行業(yè)的工業(yè)廢水。水解好氧工藝在推廣過程中，全國各地有關(guān)部門及行業(yè)累計建設(shè)了上百座水解好氧工藝的污水處理廠。因此，可以講水解好氧生物處理工藝是我國獨(dú)立自主開發(fā)的污水處理工藝，為我國的水污染控制作出了積極的貢獻(xiàn)。在以上的這一系列實踐過程中，通過對各種不同工藝流程的推廣應(yīng)用，筆者認(rèn)為有必要對生產(chǎn)性工程進(jìn)行總結(jié)，以滿足研究、設(shè)計和應(yīng)用三方面要求。 第一節(jié) 水解（酸化）工藝與厭氧工藝 一、基本原理污水生物處理工藝分好氧工藝和厭氧工藝，這兩類工藝各有其優(yōu)缺點(diǎn)。隨著生物處理技術(shù)的發(fā)展，作為生物處理的主角仍是微生物。如何能使好氧生物處理工藝提高污泥濃度，減少氧的消耗‘如何使厭氧生物處理工藝縮短處理時間和提高處理負(fù)荷，是值得進(jìn)一步研究的課題。各種類型有機(jī)污染物的厭氧（缺氧）、好氧降解反應(yīng)過程匯總?cè)缦?。好氧（微需氧）過程 厭氧（缺氧）過程（1）COD→H2O+CO2 （2）COD→CH4+CO2傳統(tǒng)好氧工藝 傳統(tǒng)厭氧工藝（3）NH4+→NO3 （4）NO3→N2硝化工藝 反硝化或缺氧工藝（5）H2S→S0 （6）SO42→H2S微需氧或好氧工藝 厭氧反應(yīng)（7）RCl→CO2+Cl （8）R3CCl→CH4+CO2+Cl好氧反應(yīng) 厭氧反應(yīng)從化學(xué)反應(yīng)式（1）（8）來看，除反應(yīng)式（1）、（2）為傳統(tǒng)的好氧和厭氧工藝外，其他均為兼性菌的反應(yīng)。人們過去對于好氧微生物和專性厭氧微生物研究十分充分，而對兼氧性微生物的研究不夠。事實上，利用兼性細(xì)菌的工藝人們已開始有所涉及。如，對去除N、P的A2O或AO工藝（反應(yīng)式（3）、（4）），是利用了兼性菌在好氧條件下進(jìn)行好氧代謝，而在厭氧條件下進(jìn)行不同代謝反應(yīng)的工藝。在含有硫酸鹽的有機(jī)廢水中，厭氧反應(yīng)將有機(jī)物和硫酸鹽分別轉(zhuǎn)化為有機(jī)酸和硫化氫（反應(yīng)式（6）），產(chǎn)生的硫化氫被微需氧細(xì)菌直接氧化為硫元素。這可以用來去除硫化物并回收硫元素（反應(yīng)式（5））。最新研究表明，一些在好氧狀態(tài)下難降解芳香族和鹵代烴在厭氧條件下容易分解（反應(yīng)式（7）、（8））。以上反應(yīng)是一些新工藝的化學(xué)反應(yīng)基礎(chǔ)，其基本原理是新工藝開發(fā)的基礎(chǔ)和生長點(diǎn)。例如，目前國際和國內(nèi)上流行的AB工藝和序批式活性污泥（SBR）工藝。前者是在A段的高吸附段發(fā)生了水解和部分酸化反應(yīng)，大分子物質(zhì)降解為小分子物質(zhì)，所以使得整個工藝的效率大為提高。對于后者而言，在SBR的反應(yīng)過程同樣經(jīng)歷了好氧缺氧和厭氧的過程。成功地利用兼性微生物的典型工藝是由北京市環(huán)境保護(hù)研究院在20世紀(jì)80年代開發(fā)的水解好氧生物處理工藝。水解池利用水解和產(chǎn)酸微生物，將污水中的固體、大分子和不易生物降解的有機(jī)物降解為易于生物降解的小分子有機(jī)物，使得污水在后續(xù)的好氧單元以較少的能耗和較短的停留時間下得到處理。采用水解活性污泥法與傳統(tǒng)的活性污泥相比，其基建投資、能耗和運(yùn)行費(fèi)用可分別節(jié)省30%左右。由于水解池具有改善污水可生化性的特點(diǎn)，使得本工藝不僅適用于易于生物降解的城市污水等，同時更加適用于處理不易生物降解的某些工業(yè)廢水，如紡織廢水，印染廢水，焦化廢水，釀酒廢水，化工廢水，造紙廢水等。 二、水解好氧工藝的開發(fā)水解好氧工藝開發(fā)的目的是針對傳統(tǒng)的活性污泥工藝具有投資大、能耗高和運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用高等缺點(diǎn)，試圖采用厭氧處理工藝替代傳統(tǒng)的好氧活性污泥工藝。19831984年在北京進(jìn)行了第一階段實驗，采用37L的UASB反應(yīng)器，并配有三相分離器。在這一階段COD、BOD5和SS的去除率分別在5070%、6080%和7090%。盡管停留時間很長（），但沼氣產(chǎn)量很低，（m3d）。從實驗結(jié)果來看厭氧階段的處理不足以使出水達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)，不得不采用好氧后處理。另外，UASB反應(yīng)器的反應(yīng)時間太長，盡管其在運(yùn)行費(fèi)用和能耗等方面有一定的優(yōu)勢，但在基建投資方面不足以與傳統(tǒng)活性污泥工藝相競爭。在北京進(jìn)行的實驗屬于冬季水溫（最低為9℃）較低的實驗。在溫暖氣候條件下常溫（1020℃）厭氧處理生活污水的實驗，存在兩個問題。首先總的去除效果不理想，這是針對達(dá)標(biāo)和總的停留時間而言。事實上，厭氧的停留時間在812h的去除效果還是相當(dāng)高的，但是，要考慮到其與傳統(tǒng)好氧工藝應(yīng)有競爭力。第二，停留時間在824h的厭氧系統(tǒng)的競爭能力將大為降低，COD的去除率僅3060%。這樣還需要相當(dāng)客觀的好氧后處理設(shè)備。為了解決上述問題，將UASB反應(yīng)器的運(yùn)行方式改變?yōu)椴糠謪捬酰粗饕趨捬醴磻?yīng)的水解和酸化階段（這也是稱為水解好氧工藝的原因），從而在反應(yīng)器中取消了三相分離器，使得反應(yīng)器結(jié)構(gòu)十分簡單，便于放大。，%、%%的COD、BOD5和SS去除率。新工藝有兩個最為顯著的特點(diǎn)：其一，水解池取代了傳統(tǒng)的初沉池，水解池對有機(jī)物的去除率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的初沉池，更為重要的是經(jīng)過水解處理，污水中的有機(jī)物不但在數(shù)量上發(fā)生了很大變化，而且在理化性質(zhì)上發(fā)生了更大變化，使污水更適宜后繼的好氧處理，可以用較少的氣量在較短的停留時間內(nèi)完成凈化；其二，這種工藝在處理污水的同時，完成了對污泥的處理，使污水、污泥處理一元化，可以從傳統(tǒng)的工藝過程種取消消化池。作為一種替代的處理工藝，在總的停留時間和能耗等方面比傳統(tǒng)的活性污泥要有很大的優(yōu)勢。 三、水解（酸化）工藝與厭氧發(fā)酵的區(qū)別從原理上講，水解（酸化）是厭氧消化過程的第一、二兩個階段。但水解（酸化）好氧處理工藝中的水解（酸化）段和厭氧消化的目標(biāo)不同，因此是兩種不同的處理方法。水解（酸化）好氧處理系統(tǒng)中的水解（酸化）段的目的，對于城市污水是將原水中的非溶解態(tài)有機(jī)物截留并逐步轉(zhuǎn)變?yōu)槿芙鈶B(tài)有機(jī)物；對于工業(yè)廢水處理，主要是將其中難生物降解物質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)橐咨锝到馕镔|(zhì)，提高廢水的可生化性，以利于后續(xù)的好氧生物處理。水解工藝的開發(fā)過程是從低濃度城市污水開始的，與高濃度廢水的厭氧消化中的水解、酸化過程是不同的。在連續(xù)厭氧過程中水解、酸化的目的是為混合厭氧消化過程中的甲烷化階段提供基質(zhì)。而兩相厭氧消化中的產(chǎn)酸段（產(chǎn)酸相）是將混合厭氧消化中的產(chǎn)酸段和產(chǎn)甲烷段分開，以便形成各自的最佳環(huán)境。因此，盡管水解（酸化）好氧處理工藝中的水解（酸化）段、兩相法厭氧發(fā)酵工藝中的產(chǎn)酸相和混合厭氧消化工藝中的產(chǎn)酸過程均產(chǎn)生有機(jī)酸，但是由于三者的處理目的的不同，各自的運(yùn)行環(huán)境和條件有著明顯的差異，主要表現(xiàn)在以下幾個方面。（1）氧化還原電位（Eh）不同在混合厭氧消化系統(tǒng)中，由于完成水解、酸化的微生物和產(chǎn)甲烷微生物共處于同一個反應(yīng)器中，整個反應(yīng)器的氧化還原電位（Eh）的控制必須首先滿足對Eh要求嚴(yán)格的甲烷菌，一般為300mV以下，因此，系統(tǒng)中的水解（酸化）微生物也是在這一電位值下工作的。而兩相厭氧消化系統(tǒng)中，產(chǎn)酸相的氧化還原電位一般控制在300—100mV之間。水解（酸化）好氧處理工藝中的水解（酸化）段為一典型的兼性過程，只要Eh控制在0mV左右，該過程即可孫里進(jìn)行。（2）pH值不同在厭氧消化系統(tǒng)中，消化液的pH值控制在甲烷菌生長的最佳pH值范圍。在兩相厭氧消化系統(tǒng)中，在酸化反應(yīng)器pH值降低時，丙酸的相對含量增大，而丙酸對后續(xù)的甲烷相中的產(chǎn)甲烷菌將產(chǎn)生強(qiáng)烈的抑制作用。對于水解（酸化）好氧處理系統(tǒng)來說，由于濃度低不存在酸的抑制問題，因此，可以不控制pH值的范圍。（3）溫度不同三種工藝對溫度的控制也不同，通常厭氧消化系統(tǒng)以及兩相厭氧消化系統(tǒng)的溫度均嚴(yán)格控制，要么中溫消化（3035℃），要么高溫消化（5055℃）。而水解處理工藝對溫度無特殊要求，通常在常溫下運(yùn)行，也可獲得較為滿意的水解（酸化效果）。由于反應(yīng)條件不同，三種工藝系統(tǒng)種優(yōu)勢菌群也不相同。在厭氧消化系統(tǒng)種，由于嚴(yán)格地控制在厭氧條件下，系統(tǒng)中的優(yōu)勢菌群為專性厭氧菌，因此完成水解（酸化）的微生物主要為厭氧微生物。水解（酸化）工藝控制在兼性條件下，系統(tǒng)中的優(yōu)勢菌群也是厭氧微生物，但以兼性微生物為主，完成水解（酸化）過程的微生物相應(yīng)也主要為厭氧（兼性）菌。對于兩相厭氧消化系統(tǒng)中的產(chǎn)酸相，微生物的優(yōu)勢菌群隨控制的氧化還原電位不同而變化。當(dāng)控制的電位較低時，完成水解、產(chǎn)酸的微生物主要為厭氧菌；當(dāng)控制的電位較高時，則完成水解、產(chǎn)酸的微生物主要為兼性菌。需要說明的是，水解好氧工藝中的水解（酸化）過程與好氧AO（HO）、A2O和AB等工藝A段中發(fā)生的水解過程也是有較大區(qū)別的。這表現(xiàn)在以下兩個方面：首先是菌中不同，如上所述在水解工藝中的優(yōu)勢菌群是厭氧微生物，以兼性微生物為主，而在好氧AO（HO）、A2O和AB等工藝A段中的優(yōu)勢菌是以好氧菌為主，僅僅部分兼性菌參加反應(yīng)；其次，在反應(yīng)器內(nèi)的污泥濃度不同，水解工藝采用的是升流式反應(yīng)器，其中污泥濃度可以達(dá)到1525g/L，而好氧AO（HO）、A2O和AB等工藝中從二沉池回流的污泥濃度一般最高為5g/L，并且以好氧菌為主。以上的差別造成了水解工藝是完全水解，而好氧AO（HO）、A2O和AB等工藝中A段僅僅發(fā)生部分水解。微生物種群的差異使得三種工藝系統(tǒng)的最終產(chǎn)物也完全不同。在厭氧消化系統(tǒng)中，水解（酸化）產(chǎn)生的有機(jī)酸被立即轉(zhuǎn)化為甲烷和二氧化碳（沼氣）。水解（酸化）工藝中的最終產(chǎn)物為低濃度有機(jī)酸，個別情況下還有極少量的甲烷。而兩相厭氧消化中的產(chǎn)酸相的產(chǎn)物主要為高濃度有機(jī)酸（主要為乙酸）、少量甲烷和二氧化碳（見表21）表21水解（酸化）好氧處理工藝中是水解（酸化）與厭氧消化的比較工藝項 目水解（酸化）好氧中的水解（酸化）段兩相厭氧消化中的產(chǎn)酸相厭氧消化Eh/Mv0100～300300pH值～～～溫度不控制控制控制優(yōu)勢微生物兼性菌兼性菌+厭氧菌厭氧菌產(chǎn)氣中甲烷含量極少少量大量最終產(chǎn)物低濃度的有機(jī)酸高濃度的有機(jī)酸如乙酸、少量CH4/CO2CH4/CO2水解工藝的研究工作是從污水的厭氧好氧生物處理小試驗開始，經(jīng)過反復(fù)實驗和理論分析，逐步發(fā)展為水解（酸化）好氧生物處理工藝。在水解反應(yīng)器中實際上完成水解和酸化兩個過程（酸化也可能不十分徹底），但為了簡化稱呼，簡稱為水解。如上一章所述厭氧發(fā)酵產(chǎn)生沼氣過程可分為水解階段、酸化階段、乙酸化階段和甲烷階段等四個階段。水解池是把反應(yīng)控制在第二階段完成之前，不進(jìn)入第三階段。采用水解池較之全過程的厭氧池（消化池）具有以下的優(yōu)點(diǎn)。（1） 水解、產(chǎn)酸階段的產(chǎn)物主要為小分子有機(jī)物，可生物降解性一般較好。故水解池可以改變原污水的可生化性，從而減少反應(yīng)的時間和處理的能耗。（2） 對固體有機(jī)物的降解可減少污泥量，其功能與消化池一樣。工藝僅產(chǎn)生很少的難厭氧降解的生物活性污泥，故實現(xiàn)污水、污泥一次性處理，不需要經(jīng)常加熱的中溫消化池。（3） 不需要密閉的池，不需要攪拌器，不需要水、氣、固三相分離器，降低了造價和便于維護(hù)。由于這些特點(diǎn)，可以設(shè)計出適應(yīng)