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水解酸化工艺的改进 吴晓亮 江霜英 同济大学环境科学与工程学院, 上海 200092 摘要 综合水解酸化工艺传统的“ 膜法”和“ 泥法”两种工艺的优点, 开发一种新的水解酸化工艺。 把新工艺和传统的 “ 膜法”工艺并联运行, 进行对比实验, 发现新工艺在有机物和色度的去除以及提高废水的可生化性方面均具有优势, COD 去除率 20～ 30, 色度去除率 60, 出水 ρ BOD5 ρ COD 在 0 . 7左右。 关键词 水解酸化; 填料; 悬浮污泥 AN IMPROVEMENT ON HYDROLYTIC ACIDIFICATION PROCESS Wu Xiaoliang Jiang Shuangying School of Environmental Science and Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China Abstract A new process of hydrolysis acidification that synthesize the advantages of “membrane” and “ sludge” processes was developed. Making parallel connection between the new andthe traditional membrane process to contrast the two processes, it is found that in contrast to the traditional “membrane” process, the new process has predominance not only in the aspects of organic and colority removal but also in the improvement on degradation.The removal rate of COD of the new process is 20～ 30, the removal rate of colority is 60, and the value of BOD5 COD of the effluent is about 0. 7. Keywords hydrolytic acidification;filler;suspended sludge 长期以来, 在废水处理行业, 好氧生物处理技术 一直占据着重要的位置。然而 ,近年来随着越来越多 新的化学品进入人们的日常生活中 ,废水处理尤其是 工业废水的处理难度越来越大 ,COD 值越来越大, 而 B C 值却越来越低,传统的单纯依靠好氧生物处理技 术已经无法满足需要 。而且, 即使在好氧生物技术能 够处理的情况下 ,好氧法的高运行费用及剩余污泥处 理或处置问题也一直是困扰好氧处理技术的难题。 而厌氧生物处理技术则由于其高效 、 低耗 、 投资省的 特点 ,而越来越受到人们的重视 [ 1- 5] 。 根据有机物所达到的分解程度的不同,厌氧处理 可以分为两种类型 酸发酵和甲烷发酵。前者是以有 机酸为主要发酵产物, 而后者则以甲烷为主要发酵产 物。所谓酸发酵也称作水解酸化, 是一种不彻底的有 机物厌氧转化过程,其作用在于使复杂的不溶性高分 子有机物经过水解和产酸过程 ,转化为溶解性的简单 低分子有机物 。酸发酵过程,对水中的溶解氧 DO 以 及温度的控制条件要求并不十分严格 DO 0. 3 mg L , 温度控制 5～ 10 ℃ ,操作管理较方便 ,在废水有机物 浓度不是特别高的情况下 ,应用相当广泛 [ 6-9] 。 水解酸化工艺主要是通过水解酸化池发生作用。 根据水解酸化池的构造可以将水解酸化工艺分为两 种类型,即泥法和膜法。 本研究针对传统的水解酸化工艺存在的问题 ,通 过技术改进 ,综合了泥法和膜法的优势 , 并克服其局 限性 ,开发了一种新的水解酸化工艺 。 新工艺通过设计参数和水力条件的优化 ,把传统 的泥法工艺和膜法工艺结合起来,将水解酸化池分为 上下两部分 ,在水解酸化池的底部形成悬浮污泥层, 相当于传统的泥法工艺, 在水解酸化池的上部布设填 料,形成生物膜 ,相当于传统的膜法部分 。改进水解 酸化池的工艺构造如图 1所示。 图 1 改进的水解酸化池工艺构造 51 环 境 工 程 2009年 10 月第 27卷第 5 期 1 实验装置和方法 1. 1 废水来源与水质 本实验所用的原水为上海幸福纺织印染有限公 司的印染废水, 废水水质见表 1。 1. 2 实验设施 、 工艺流程及实验方法 本研究所进行实验为生产性质 ,涉及的实验设施 型号尺寸均与实际生产的构筑物相同, 具体尺寸见表 2, 所采用工艺流程如图 2 所示 。废水先通过调节池 和混凝沉淀等预处理过程 ,然后斜管沉淀池出水分为 两路, 分别进入水解酸化池 1、2, 其中水解酸化池 1 采用传统的膜法工艺 , 水解酸化池 2 采用改进工艺, 进行对比实验, 两池出水进入接触氧化工艺进行好氧 处理 ,最后经过气浮工艺处理后排放 。 表 1 废水水质水量指标 项目 最大水 量 m3d- 1 ρ SS mgL - 1 ρ COD mgL- 1 pH 色度 倍 ρ NH3- N mgL- 1 温度 ℃ 前处理车间废水400～ 800800～ 9001 200～ 1 80013～ 1420016～ 2025～ 35 染色车间废水800～ 1 200800～ 900600～ 1 0008～ 141 00016～ 1825～ 35 综合废水1 200～ 2 000800～ 900800～ 1 60012～ 14800～ 1 20018～ 2025～ 35 表 2 实验构筑物参数 构筑物名称 有效容积 m3 有效水深 m 调节池1 1004 中和混凝反应池5004 斜管沉淀池6506. 8 水解酸化池 12 0006. 6 水解酸化池 22 0006. 6 接触氧化池 15704. 5 接触氧化池 25704. 5 气浮池2703. 5 图 2 废水处理工艺流程 1. 3 水解酸化池菌种培养 水解酸化池所用培养菌种的种泥均来源于金山 石化污水处理厂的压滤污泥, 含水率为 85, 水解酸 化池投加40 t ,采用间歇运行的静态培养方式,并定时 投加营养盐 尿素和磷酸盐 。水解酸化池培养21 d, 待水解池中形成悬浮活性污泥 , 填料上挂膜完全, 镜 检观察到大量菌胶团及原生后生动物, 完成菌种的培 养与驯化 。 完成水解酸化池菌种培养后, 系统正式进入运行 阶段 。控制各工序的废水停留时间分别为18 h 。 2 结果与讨论 2. 1 水解酸化工艺中的废水流态分析 从水解酸化池 1 的水流状态可以看出 ,在传统的 膜法水解酸化工艺中 ,废水在水解酸化池中是以推流 的形式,从池一端流向另一端 ,在流过填料层时,被填 料层切割, 产生强制性的紊动作用, 形成湍流 ,从而增 大废水与填料上生物膜之间的传质效率 ,使有机物质 被生物膜充分吸附分解 [ 10 -15] 。而在水解酸化池 2, 废 水是倒流向进水端的 ,这是因为在改进的水解酸化工 艺中, 废水从水解酸化池底部先进入悬浮填料层, 在 池底设置的水下推进器推动废水在池底向前推行 ,这 样就使废水在末端堆积, 从而使废水在上部的填料层 部分倒流回起始段 ,和底部的废水形成错流 ,最终形 成大环流, 使废水在水解池的停留时间相对延长。 2. 2 溶解氧浓度对水解酸化工艺的影响 图3 所示为水解酸化工艺 2 的溶解氧浓度在垂 直深度上的分布情况, 从中可以看出在气 -液界面 处,由于充氧速度快 ,耗氧速度与复氧速度相当,这样 在液面附近的溶解氧浓度高达6. 6 mg L左右; 从液面 往下 ,随着深度越来越深 ,溶解氧浓度急剧减少,在深 度为0. 5 m时,溶解氧浓度已降为0. 5 mg L以下, 在深 度为0. 8 m处,溶解氧浓度已经降为0. 1 mg L以下; 从 1 m处以下开始, 溶解氧基本上被耗尽,为严格厌氧状 态。在水解酸化池 2 中填料层在液面下0. 5 m处, 填 料层高度为3 m, 填料层以下的悬浮污泥层厚度为2 m 左右, 所以填料层上部0. 3 m左右部分为好氧菌和兼 性微生物共存, 以下部分为兼性菌和厌氧菌 ,尤其是 悬浮污泥层由于处于厌氧酸化菌的理想生存环境 ,全 部为严格厌氧优势菌 [ 8,16- 17] 。这种微生物分布状况可 以对通过水解酸化池的废水的理化特性逐渐改变 ,使 之从适应完全厌氧状态逐步向适应兼氧和好氧状态 过渡 ,这就使废水能够在进入后续好氧工序前具有适 52 环 境 工 程 2009年 10 月第 27卷第 5 期 应好氧处理的理化特性 [ 18- 19] 。 图 3 水解酸化池2 溶解氧浓度分布 2. 3 水解酸化工艺对 pH 的要求 水解酸化菌对 pH 值的适应范围一般在 5 ～ 6. 5 [ 20] ,后续好氧处理工艺的最适 pH 值为 6. 5 ～ 8. 5 [ 19,21] 。通过实验证明 , 控制进水的 pH 值在 8. 5～ 10,可以取得较为理想的效果 , 图 4 所示为生产运行 中水解酸化池的 pH 值变化情况。从图 4中可以看出 pH 高达 8 以上的进水通过水解酸化池后 pH 基本上 在稳定在 6. 5～ 7. 5,呈中性 ; 而且两种水解酸化池对 pH 的调节作用相当 。 图4 水解酸化池的 pH 值随时间的变化 2. 4 水解酸化工艺对COD和色度的去除效果 2. 4. 1 COD 的去除效果 图5 所示为水解酸化池 1 传统膜法工艺的 COD 浓度变化情况, 可以看出水解酸化池 1 出水的 COD 浓度不仅没有下降 ,反而相比进水有所上升 ,这主要 是由于该厂的印染废水中含有大量的偶氮染料、 蒽醌 染料 、 硫化染料 、 活性染料以及一些芳基类杂环类结 构的染料、 粘合剂、荧光增白剂 、增白剂 、渗透剂等高 分子复杂有机物质 ,这些物质经过水解酸化作用后, 并没有消失 ,而是开环裂解为小分子物质 ,这些小分 子物质虽然结构简单 ,但却是 COD 浓度的重要来源, 而且膜法由于只是单纯依靠生物膜上微生物的分解 作用 ,所以对COD 的去除能力非常有限,其对COD 的 去除速率低于高分子有机物分解和微生物自身生长 代谢所导致的 COD 增长率, 所以从总的趋势看来, COD浓度不降反升。 改进的传统工艺则没有这个问题, 从图 6 可以看 图 5 水解酸化池 1COD 浓度随时间的变化 出虽然进水的 COD 波动很大, 但改进的水解酸化工 艺的出水 ρ COD 基本稳定在600 mg L左右,COD 去 除率在20～ 30。这是由于虽然在改进的水解酸 化工艺中, 有机物也主要是在微生物的作用下进行水 解酸化作用 ,但是由于改进的水解酸化工艺在填料层 的下面还有一层悬浮污泥层, 这层悬浮污泥具有很强 的吸附作用, 在废水通过时截流吸附了大量的有机 物,从而使 COD 有一定幅度的降低。而且这层悬浮 污泥具有较强的抗冲击负荷的能力 , 在进水 COD 浓 度波动较大时, 仍能维持稳定的出水 COD 浓度和 COD去除率 。 图6 水解酸化池 2 COD 浓度随时间变化 2. 4. 2 色度的去除效果 图7 为两种水解酸化工艺对色度的去除效果。 可以看出改进的水解酸化工艺要比传统膜法工艺高, 这是因为改进的水解酸化工艺除了具有传统的膜法 工艺所具有的去除方式外 ,还有其自身的特点 。在改 进的水解酸化工艺中 ,废水先要通过底部的悬浮污泥 层,在这一过程中, 一方面悬浮污泥中的微生物直接 对染料类物质进行降解, 破坏其结构, 使其失去显色 能力 ; 另一方面 ,通过自身的絮体结构吸附截流大量 的疏水性染料, 被吸附的这部分物质将一直停留在水 解池内直到被降解为小分子物质,从而降低了上部填 料层的负荷 ,使上部填料层的降解能力得到更充分的 发挥 。 2. 5 水解酸化工艺对 NH3-N 和TP 的去除效果 2. 5. 1 对 NH3-N 的去除效果 在水解酸化工艺中, 由于是厌氧条件 ,所以硝化 作用进行得很少 ,而主要进行氨化反应以及部分反硝 化作用,所以对NH3- N 的去除效果很低。在图 8 可以 53 环 境 工 程 2009年 10 月第 27卷第 5 期 图 7 两种水解酸化工艺对色度的去除率 看出 ,NH3- N 的浓度下降幅度很小, 甚至在很多时候, NH3- N 的浓度不仅没有下降, 反而有所上升, 这就是 由于硝化作用几乎没有进行, 而主要发生氨化反应, 使废水中大量有机氮转化为 NH3-N 后却无法进一步 转为硝态氮,从而使废水中 NH3- N 的浓度不断积累, 最后超过进水浓度 。两种工艺在NH3- N 的去除方面 差别不大 。 1调节池出水; 2水解池 1出水; 3水解池2 出水。 图8 水解酸化工艺对NH3-N 的去除效果 2. 5. 2 对 TP 的去除效果 废水中的磷一般具有 3 种形态, 即正磷酸盐、聚 磷酸盐和有机磷。其中, 在前面混凝沉淀工艺 ,不溶 性磷可以直接通过沉淀去除, 而通过投加铝盐也可以 将一些可溶性正磷酸盐转化为沉淀物去除 。经过混 凝沉淀工艺去除后, 剩余的磷几乎全为可溶性的 [ 17] 。 所以进入水解酸化池的磷主要靠生化作用去除。在 水解酸化工艺中 ,通过水解作用会将一部分复杂磷酸 盐转化为正磷酸盐 ,进而可以转化为沉淀物 ,而对沉 淀物的有效去除可以明显地提高磷的去除效果 [ 22] 。 图9 中可见, 水解酸化工艺对磷的去除效果较 好,而且改进工艺的去除率比传统膜法工艺要高一 些。因为在改进的水解酸化工艺中 ,一方面保留了传 统的水解酸化膜法工艺的特点 ,利用生物膜的巨大比 表面积,充分吸收废水中的可溶性磷,另一方面,改进 工艺中特有的悬浮污泥层 ,对一些被水解作用转化为 正磷酸盐的复杂磷酸盐类物质具有较好的截流作用。 去除率相当的不稳定 , 高的可以达到 50 以上 ,而低 的不足20,这种现象和进水水质有很大关系 ,当进 水中的磷多为可溶性的有机磷时, 这时只能依靠微生 物的吸收, 去除率会很低 ,而当进水中的磷酸盐组成 复杂, 特别是有可以水解为正磷酸盐的复盐时, 这时 磷的浓度虽然会很高 ,但是去除效果也很明显 。 1调节池出水; 2水解池1 出水; 3水解池 2 出水 图 9 水解酸化工艺对 TP 的去除效果 2. 6 水解酸化池对废水生化性的影响 在表 3 中列出了两种水解酸 化工艺对废水 ρ BOD5 ρ COD 值的影响。从表 3 中数据可以看出 两种水解酸化工艺对废水的 ρ BOD5 ρ COD 均有 提高作用, 因为在水解酸化过程中, 一方面高分子复 杂有机物被分解为简单小分子物质 ,而这些小分子物 质都易于生物降解, 从而可以认为在一定意义上通过 水解酸化过程把部分COD 转换为BOD5,从而使 BOD5 值增大 ,COD 值变小, 使 ρ BOD5 ρ COD 提高 ; 另一 方面, 厌氧过程中对不溶性 COD 物质的去除率较高, 而对 BOD5的 去除率 则很 低, 从而 使 ρ BOD5 ρ COD 提高 [ 9,20-21] 。 此外,从表 3 的数据可以看出 ,改进的水解酸化 工艺在提高废水的可生化性方面有更明显的效果 ,其 出水的 ρ BOD5 ρ COD 值相对于进水平均提高了 0. 4 左右, 而传统的膜法工艺则只提高了 0. 2 左右。 这应当归结于改进的水解酸化池底部的悬浮污泥层, 其强有力的吸附能力截流了大量的不溶性有机物 ,从 而使这部分物质在水解酸化池的停留时间延长,使其 能够被充分的分解, 而在传统的膜法工艺则有相当部 分的不溶性有机物质没有得到充分的分解。 表 3 水解酸化池进出水 ρ BOD5 ρ COD 变化 水解酸化池 1水解酸化池 2 序号123123 进水0 . 310 . 290. 360. 330. 280 . 32 出水0 . 540 . 480. 570. 710. 690 . 73 3 结论 1改进的水解酸化工艺在停留时间为 18 h, 进 水pH 在 8 左右 ,进水 ρ COD 在 800～ 900 mg L 的工 况下 , COD 去除率 20～ 30, 色度去除率 60 左 右,对废水的 NH3-N 和 TP 均有一定的去除能力, 尤 54 环 境 工 程 2009年 10 月第 27卷第 5 期 其是对TP 去除率可达到30左右, 出水的 ρ BOD5 ρ COD 值达 0. 7, 提高幅度达 0. 4 以上 ,相比于传统 的膜法工艺具有明显的优势。 2 在改进的水解酸化工艺, 悬浮污泥层具有重要 作用 ,其强大的吸附截流能力是新工艺处理效果的根 本保证,无论是在分解高分子复杂有机物提高废水的 可生化性方面, 还是 COD 和色度的去除方面都发挥 着关键作用。 3 在使用填料量仅为传统膜法工艺一半, 潜水搅 拌器器能耗为传统泥法工艺 1 3的情况下, 改进的水 解酸化工艺无论是在前期的建设性投资还是后期的 运行管理成本方面, 都能节省费用 。 参考文献 [ 1] Wu Huifang , Wang Shihe, Kong Huoliang, et al.Perance of combined process of anoxic baffleed reactor -biological contact oxidation treating printing and dyeing wastewater[ J] .Bioresource Technology , 2007, 98 1501-1504. 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