水解酸化—生物接觸氧化工藝在污水處理中的研究進展
1 水解酸化-生物接觸氧化工藝概述[1-2]
水解酸化-生物接觸氧化工藝是20 世紀80 年代以來開發的水處理新技術，已被廣泛地應用于城市污水、啤酒廢水、印染廢水、合成橡膠廢水等類型的廢水處理中，并取得了較好的效果。
2 水解酸化工藝[3-7]
水解酸化工藝的探討其實是從污水厭氧生物處理開始的，經過反復試驗和理論分析，逐步發展為水解酸化生物處理工藝。物料的厭氧生物降解過程可以分為四個階段。一是水解階段，微生物通過釋放胞外自由酶或連接在細胞外壁上的固定酶來完成生物催化氧化反應主要指大分子物質分解為小分子及其水溶物。二是發酵或酸化階段，酸化菌將上述小分子轉化為更為簡單的化合物并分泌到細胞外，主要產物有揮發性脂肪酸、醇類、乳酸等。三是產乙酸階段，指上一階段產物被進一步轉化為乙酸、氫氣、碳酸及新的細胞物質。四是產甲烷階段，指上一階段產物被轉化為甲烷、二氧化碳及新的細胞物質。水解酸化工藝就是考慮到產甲烷菌與水解產酸菌生長速度不同，將厭氧處理控制在反應時間較短的厭氧處理第一和第二階段，即在大量水解細菌、酸化菌作用下將不溶性有機物水解為溶性有機物，將難生物降解的大分子物質轉化為易生物降解的小分子物質的過程。
2.1 水解酸化工藝特點
采用水解酸化池較之全過程的厭氧池或曝氣池具有以下特點：
(1)不需要曝氣系統，也不需要密閉池體，不需要攪拌器，也不需要三相分離器，大大降低了造價和運行、維護費用。
(2)由于水解、酸化反應迅速，故有效水力停留時間短，水解反應池體積小，節省了土建投資。
(3)由于反應控制在第二階段完成前，出水無厭氧發酵的難聞氣味，改善了污水廠站的環境。
(4)能有效降解有機物，具有污泥消化池的功能，減少了污泥量，能實現污水、污泥一次處理。
(5)水解、酸化階段的產物是小分子有機物，可生化性較好，若結合后續好氧工藝使用，實踐證明具有很好的處理效果。
2.2 水解酸化在水處理中的應用
(1)啤酒廠廢水。
采用水解酸化-接觸氧化-氣浮工藝處理，經水解酸化處理后出水的BOD5/CODCr 由原來的0.51 提高至0.72。由于水解酸化段的這種對有機物的去除和對BOD5/CODCr 的改善，不僅有利于后續好氧處理功能的充分發揮，縮短了整個系統的總HRT，而且使系統具有較強的抗沖擊負荷能力而運行穩定。CODCr 和BOD5 去除率分別可達到96.9 %和98.7 %。
(2)屠宰廠廢水。
屠宰廠的廢水的可生化性高，但懸浮物濃度很高，需要預處理。采用的工藝為水解酸化-生物吸附再生結合處理系統，CODCr 去除率可達93 %以上。
(3)淀粉廠廢水。
某淀粉加工廠排放的廢水，其中大分子物質較多，故采用水解酸化-接觸氧化工藝處理。實驗結果顯示，原水經過水解階段，BOD5/CODCr 從0.69 上升到0.82，使后續的好氧處理效率得到提高。CODCr 和BOD5 去除率分別可達到97 %和98 %。
(4)晴綸廢水。
某廠干法晴綸工藝廢水采用兩相厭氧反應器處理，出水BOD5/CODCr 由原來的0.43 上升到0.58~0.71，可生化性得到了很大的提高。
(5)苯胺類廢水。
某化工廠廢水的可生化性不高，不太適合生化處理。但采用厭氧水解-生物接觸氧化法處理這類化工廢水。結果表明，該工藝厭氧段能增強系統耐沖擊負荷能力，并有效地提高廢水的可生化性，使BOD5/CODCr 值上升到0.4。好氧段投加特效菌STR-NiTRO 能有效地去除廢水中的苯胺。最終CODCr、BOD5 和苯胺的去除率分別為85.9 %、78 %和97.8 %。
(6)感光膠片廢水。
采用水解酸化-活性污泥法串聯處理工藝處理某膠片廠廢水，水解酸化池內HRT 為8 h，處理效果為BOD5/CODCr 有所提高，從0.47 提高到0.55，CODCr 和BOD5 去除率分別可達到90 %和95 %。
(7)生物發酵藥廢水。
采用厭氧-好氧序列間隙式反應器進行處理某生物制藥廠的廢水，使其BOD5/CODCr 由原來的0.34 升高到0.6，使其可生化性大為提高，而有利于后續好氧處理功能的發揮。研究表明，整個系統運行穩定高效，COD 總去除率達78.9 %~92 %，出水COD 低于250~300 mg/L。
(8)中成藥廢水。
采用水解-好氧組合生物處理工藝處理某中成制藥廠的廢水，水解池出水同進水相比，發現其CODCr 并沒有降低，而是pH 降低，揮發有機酸升高，BOD5/CODCr 值提高，為后續好氧生物降解提供了保證。整個實驗結果顯示，CODCr 去除率和BOD5 去除率均大于90 %，SS 去除率大于85 %，完全達到處理目的。
(9)制漿中段廢水。
采用水解酸化-活性污泥法處理制漿中段廢水，研究表明，該工藝不僅可將難生物降解的氯代有機物降解還原，削弱乃至消除上述抑制作用，提高廢水的可生化性，而且可借助于水解酸化污泥的吸附作用使廢水中的部分木質素沉淀去除，從而有利于提高好氧段的有機負荷并穩定和改善處理出水水質，CODCr 去除率可達80 %以上。
(10)龍須草制漿廢水。
龍須草制漿廢水中含有大量難降解的木質素質及各種有毒的木質素降解產物。研究表明，單獨使用物化法、好氧法或厭氧法，都不能獲得滿意的處理效果。而采用水解酸化預處理，BOD5/CODCr 由進水的0.5 提高到0.65 左右，出水的可生化性大為提高，為后續的好氧處理創造了良好的條件。
(11)漿粕黑液。
采用完全混合式生物水解池處理漿粕黑液，COD、SS 去除率分別為28 %~38 %、54 %~68 %，VFA 提高3.4~4.7 倍，BOD5/CODCr 提高13 %。染料生產廢水因水中含有難降解的蒽醌和蒽酮及中間體，以及磺酸鹽、醇類等溶劑物質及和SO42-、Cl-、Br-等無機物，使得廢水難以生化處理。采用水解酸化-好氧曝氣方法來處理，水解階段降解了對生化處理有抑制作用的物質，使得后續好氧反應順利進行，最終COD 去除率可以達到92 %。
(12)城市垃圾滲濾液。
研究表明，借助于水解酸化作用明顯地改善了混合廢水的可生化性，并促進了系統的處理效能和運行穩定性。經ABR反應器處理后，混合廢水的BOD5/CODCr 由進水的0.2~0.3 提高到0.4~0.6，原水的BOD5/CODCr 越低則效果更為顯著。其后續好氧處理的運行穩定性和處理效果比單獨采用好氧工藝時得到顯著的改善。
3 生物接觸氧化處理技術概述[8]
生物接觸氧化法是一種浸沒型生物膜法，污水與填料上的生物膜相接觸，在生物膜上的微生物作用下，污水得以凈化。生物接觸氧化處理技術的另一項技術實質是采用與曝氣池相同的曝氣方法，向微生物提供其所需要的氧，并起到攪拌與混合作用，這樣，這種技術又相當于在曝氣池內填充供微生物棲息的填料，因此，又稱為“接觸曝氣法”。
生物接觸氧化處理裝置運行時填料全部浸沒在污水中，利用曝氣裝置向水體充氧。生物膜絕大部分附著在固體填料上，少量懸浮于水中，其濃度小于300 mg/L。由于吸附作用，生物膜表面上附著一層滯流薄水層，空氣中氧通過滯流層進入生物膜，有氧條件下，污水層內有機物不斷被膜中微生物吸附、氧化分解。滯流水層內有機物濃度遠低于流動層，在傳質推動力作用下，流動層內有機物不斷向滯流水層轉移，使流動水層在整體流動中逐步得到凈化，達到污水處理目的。在此期間，生物膜的增長、新陳代謝過程與溶解氧值關系密切，生物膜厚度隨著微生物濃度增加而不斷加厚，當滯流層中溶解氧被膜表層微生物耗盡時，膜內層就會滋生出大量厭氧微生物，造成內層微生物群不斷死亡、解體，降低了生物膜與填料表面的粘附力，同時厭氧微生物發酵產生的、氣體及膜內大量噬膜微型動物，也會影響生物膜在填料表面的附著，使過厚的生物膜在本身重力及污水流動力作用下脫落。
3.1 主要特征
據上所述，生物接觸氧化是一種介于活性污泥法與生物濾池兩者之間的生物處理技術，也可以說是具有活性污泥法特點的生物膜法，其在工藝、功能以及運行等方面具有下列主要特征：
(1)在工藝方面的特征。
本工藝使用多種形式的填料，由于曝氣，在池內形成液、固、氣三相共存體系，有利于氧的轉移，溶解氧充沛，適于微生物存活增值。在生物膜上微生物是豐富的，除細菌和多種種屬原生動物和后生動物外，還能夠生長氧化能力較強的球衣菌屬的絲狀菌，而無活性污泥膨脹之慮。在生物膜上能夠形成穩定的生態系統與食物鏈。
填料表面全為生物膜所布滿，形成了生物膜的主體結構，由于絲狀菌的大量滋生，有可能形成一個呈立體結構的密集的生物網，污水在其中通過，起到類似“過濾”的作用，能夠有效地提高凈化效果。由于進行曝氣，生物膜表面不斷地接受曝氣吹脫，這樣有利于保持生物膜的活性，抑制厭氧菌的增值，也宜于提高氧的利用率，因此，能夠保持較高濃度的活性生物量。正因為如此，生物接觸氧化處理技術能夠接受較高的有機負荷率，處理效果較好，有利于縮小池容，減少占地面積。
(2)在運行方面的特征。
對沖擊負荷有較強的適應能力，在間歇運行條件下，仍能夠保持良好的處理效果。
操作簡單、運行方便、易于維護管理，無需污泥回流，不產生污泥膨脹現象，也不產生濾池蠅。
污泥生成量少，污泥顆粒較大，易于沉淀。
(3)在功能方面的特征。
生物接觸氧化處理技術具有多重凈化功能，除有效地去除有機污染物外，還能夠用以脫氮，因此，可以作為三級處理技術。
生物接觸氧化處理技術的主要缺點是如設計和運行不當，填料可能堵塞，嚴重時影響處理水質。此外，布水、曝氣不易均勻，可能在局部部位出現死角。
3.2 工藝組成
典型的生物接觸氧化處理工藝由接觸氧化池接觸氧化床或生物反應器、生物填料載體、布水系統和曝氣系統四部分組成。目前，接觸氧化池在池體形式上，按曝氣裝置的位置，分為分流式與直流式按水流循環方式，分為填料內循環與外循環式。分流式接觸氧化池根據曝氣裝置的位置又分為中心曝氣型與單側曝氣型兩種。
4 生物接觸氧化法中填料的應用
4.1 生物接觸氧化對填料的要求
生物接觸氧化處理技術的核心部分為生物填料，它是生物膜的載體，污水凈化過程就是附著于填料之上以及懸浮于填料之間的微生物的新陳代謝過程。填料的特性對生物膜的性狀、氧的利用率和水力分布條件等起重要作用，是直接影響生物接觸氧化工藝處理效果的關鍵因素。
4.2 生物填料的種類及特點
填料可按其放置方式的不同，分為固定式、懸掛式和分散式。
(1)固定式填料。
固定式填料以蜂窩狀及波紋板狀填料為代表，多用玻璃鋼、各種薄形塑料片構成。這種填料具有一系列的特征，其中主要是比表面積大，從133 m2/m3 到360 m2/m3(根據內切圓直徑而定)；空隙率高，達97 %~98 %；質輕但強度高，堆積高度可達4~5 m；管壁光滑無死角，衰老生物膜易于脫落等。
(2)懸掛式填料。
這種填料一般是用尼龍、維綸、滌綸、晴綸等化纖編結成束并用中心繩連結而成，理論比表面積較大、空隙率大于90%，掛膜快、空隙可變，而且出水穩定，處理效果較好，和COD 和BOD5 去除率達80 %以上。
20 世紀80 年代由北京紡織科學研究院開發的半軟性填料由填料單片、塑料套管和中心繩三部分組成，所有組成部分均采用耐酸、耐堿、耐老化性能較好的低密度聚乙烯為原料。
(3)分散式填料。
分散式填料包括懸浮式、堆積式填料，種類繁多，特點是無需固定和懸掛，只需將之放置于處理裝置之中，使用方便，更換簡單。其中以懸浮式填料應用最為廣泛。懸浮式填料掛膜后密度接近于水，在曝氣池中以懸浮形式存在，其用量以體積計約為曝氣池體積的20 %~70 %。工程中應用較多的懸浮式填料主要有多面空心球填料、內置式懸浮球填料、Kaldnes 懸浮填料和Natrix 懸浮填料等。
曹斌采用Kaldnes 懸浮填料處理城市污水，當HRT=5.5 h，有機負荷為0.21~0.51 kgCO/(kg 總生物量.d)時，COD、TOC和氨氮的去除率分別大于89 %、81 %和72 %。夏四清采用Natrix 懸浮填料處理石化廢水時不僅得到了較好的COD 去除效果，而且提高了氨氮的去除率。
5 生物接觸氧化處理技術在污水處理中的研究進展
生物接觸氧化法是在接觸濾池和生物濾池的基礎上發展起來的。它始于十九世紀末，1912 年Closs 在德國取得了專利登記。最早應用于實際工程是在德國巴哈和美國布斯維爾。日本學者小島貞男從河流自凈現象中得到啟發，他發現河床的礫石表面生長的一層生物膜，對水體中的污染物有明顯的凈化作用，經試驗研究，首先提出了“管式接觸氧化”構想。
1988 年，Selensel 等學者對生物曝氣濾池進行了分析研究和評價；1990 年，Condren 等學者對生物曝氣濾池進行技術評價。1994 年，Puiol 等學者提出生物濾池是一種靈活而可靠的生物反應器；1998 年，Aesly 等學者用固定生物膜反應器，對不同碳源有機物進行了反硝化試驗研究；2000 年，Wijeykoon 業學者采用固定床生物曝氣填料研究了生物硝化活性對二級出水的影響。
1999 年，鄒楊善發表文章，提出“生物接觸氧化法處理城市污水只需一小時左右”，并從理論和實踐進行了分析；同濟大學肖羽堂、許建華采用生物接觸氧化+混凝法處理水中致突變污染物；中國礦業大學邵武、李中和采用接觸氧化+膜分離進行中水回用；同濟大學梅翔、高廷耀對YDT、TA 及PWT3 種填料的生物接觸氧化法處理效果進行了初步比較試驗；廣東省江門市環保局鄭展飛采用COR 處理制革廢水；2000 年，蘇州科技學院楊栓大、沈耀良采用軟性填料序批式COR 處理中小城鎮生活污水脫N 除P 工藝試驗；大連水產學院高光智、陳輔利進行了污水處理溪流式生物接觸氧化法研究；河北理工學院劉貫一采用超濾膜作載體的COR 處理生活污水，試驗表明，HRT 為3 h，COD、BOD5、SS、氨氮去除率分別可達83%、92 %、94 %和60 %；同濟大學畢學軍、高廷耀采用在活性污泥好氧段投放高硬度聚乙烯懸浮小球作載體，以強化系統的硝化功能，提高系統的脫N 除P 效率。同濟大學曹微寰、周琪采用COR 處理難降解的糖精酷化廢水；2001 年，廣東省水利水電科學研究所賴翼峰對COR 反應內水流的混摻特性進行了分析研究；王寶貞等進行了彈性填料COR 處理掛膜試驗研究，提出水溫高，有利于掛膜，水溫低于15 ℃，自然掛膜困難；在掛膜期間，采用較小的曝氣強度和氣水比有利于掛膜。近20 余年來，接觸氧化技術在國內外都得到了廣泛而深入的研究與應用。
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(本文文獻格式：張娟娟．水解酸化-生物接觸氧化工藝在污水處理中的研究進展[J]．廣東化工，2011，38(4)：180-181)
[作者簡介] 張娟娟(1980-)，女，廣東梅州人，本科，助理工程師，主要研究方向為水處理技術及改進技術。
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