全面解析水解酸化原理

水解酸化反應機理

水解在化學(xué)上指的是化合物與水進(jìn)行的一類(lèi)反應的總稱(chēng)。在廢水處理中，水解指的是有機底物進(jìn)入細胞之前，在胞外進(jìn)行的生物化學(xué)反應。水解是復雜的非溶解性的聚合物被轉化為簡(jiǎn)單的溶解性單體或二聚體的過(guò)程。高分子有機物因相對分子量巨大，不能透過(guò)細胞膜，因此不可能為細菌直接利用。他們首先在細菌胞外酶的水解作用下轉變?yōu)樾》肿游镔|(zhì)。這一階段最為典型的特征是生物反應的場(chǎng)所發(fā)生在細胞外，微生物通過(guò)釋放胞外自由酶或連接在細胞外壁上的固定酶完成生物催化氧化反應（主要包括大分子物質(zhì)的斷鏈和水溶）。

酸化則是一類(lèi)典型的發(fā)酵過(guò)程，即產(chǎn)酸發(fā)酵過(guò)程。酸化是有機底物即作為電子受體也是電子供體的生物降解過(guò)程。在酸化過(guò)程中溶解性有機物被轉化以揮發(fā)酸為主的末端產(chǎn)物。

在厭氧條件下的混合微生物系統中，即使嚴格地控制條件，水解和酸化也無(wú)法截然分開(kāi)，這是因為水解菌實(shí)際上是一種具有水解能力的發(fā)酵細菌，水解是耗能過(guò)程，發(fā)酵細菌付出能量進(jìn)行水解是為了取得能進(jìn)行發(fā)酵的水溶性底物，并通過(guò)胞內的生化反應取得能源，同時(shí)排出代謝產(chǎn)物(厭氧條件下主要為各種有機酸)。如果廢水中同時(shí)存在不溶性和溶解性有機物時(shí)，水解和酸化更是不可分割地同時(shí)進(jìn)行。如果酸化使pH值下降太多時(shí)，則不利于水解的進(jìn)行。

厭氧發(fā)酵產(chǎn)生沼氣過(guò)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(gè)階段。水解酸化工藝就是將厭氧處理控制在反應時(shí)間較短的第一和第二階段，即將不溶性有機物水解為可溶性有機物，將難生物降解的大分子物質(zhì)轉化為易生物降解的小分子有機物質(zhì)的過(guò)程。

1.1 水解酸化的影響因素

a) 基質(zhì)的種類(lèi)和顆粒粒徑

基質(zhì)不同，其水解難易亦不同。基質(zhì)的種類(lèi)對水解酸化過(guò)程的速率有重要影響。如脂肪、蛋白質(zhì)、多糖在其他條件相同的條件下，水解速率逐漸增大；對同類(lèi)型有機物來(lái)說(shuō)，分子量大的要比分子量小的更難水解；從分子結構來(lái)說(shuō)，水解難易程度為直鏈結構＞支鏈結構＞環(huán)狀結構，且單環(huán)化合物易于雜環(huán)化合物。污染物的顆粒的大小對水解速率的影響也很大。顆粒粒徑越大，單位重量的比表面積就小，越難于水解。因此，對于顆粒大有機污染物濃度較高的廢水或污泥，先破碎后再進(jìn)入水解池，加速水解（酸化）速率。

b) 容積負荷

容積負荷是水解過(guò)程的重要工藝參數之一，它反映了進(jìn)水濃度與停留時(shí)間對厭氧過(guò)程的綜合影響。對于水解反應器，容積負荷設計取值較低，提高水力停留時(shí)間，使污染物質(zhì)與水解微生物接觸時(shí)間加長(cháng)，溶解出COD濃度變高，水解也越完全。對于對于城市污水，水解反應可在很短時(shí)間內完成，容積負荷可取相對較高值；而對于工業(yè)廢水比例較大的的污水，容積負荷需根據廢水性質(zhì)進(jìn)行設計。

c) 配水系統

水解池良好運行的重要條件之一是保障污泥和廢水之間的充分接觸，因此系統底部的布水系統應該盡可能地均勻。水解反應器的配水系統是一個(gè)關(guān)鍵的設計系統，為了使反應器底部進(jìn)水均勻，有必要采用將進(jìn)水均勻分配到多個(gè)進(jìn)水點(diǎn)的分配裝置。

d) 上升流速

為確保水解反應器中泥水的充分接觸及出水水質(zhì)，水解池的上升流速應控制在一定的范圍內。當上升流速偏低時(shí)，大量的較密實(shí)的活性污泥沉積在水解池的底部，在污水上升的過(guò)程中，泥水不能充分接觸反應，從而導致了去除效果較差。當上升流速偏高時(shí)，會(huì )造成水解池的活性污泥大量流失。出水帶泥，一方面對后續好氧生化處理的微生物造成毒性，另一方面無(wú)法保證水解池的去除效果。

1.2 水解酸化工藝優(yōu)點(diǎn)

水解酸化階段主要利用的是發(fā)酵細菌，這類(lèi)細菌的種類(lèi)繁多，代謝能力強，繁殖速度快，對外界環(huán)境適應能力強等特點(diǎn)。

水解酸化工藝與好氧工藝聯(lián)用與單獨的好氧工藝相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1、水解酸化工藝運行費用低，且其對廢水中有機物的去除亦可節省好氧段的需氧量，從而節省整體工藝的運行費用；

2、水解酸化工藝使污水中的有機物不但在數量上發(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，提高好氧處理的效能；

3、水解酸化工藝的產(chǎn)泥量遠低于好氧工藝，并已高度礦化，易于處理；

4、水解酸化工藝可對進(jìn)水負荷的變化起到緩沖作用，從而為好氧處理創(chuàng )造較為穩定的進(jìn)水條件；

采用水解池較之全過(guò)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，從而減少反應的時(shí)間和處理的能耗。

2、對固體有機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(shí)現污水、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(jià)和便于維護。由于這些特點(diǎn)，可以設計出適應大、中、小型污水處理廠(chǎng)所需的構筑物。

4、反應控制在第二階段完成之前，出水無(wú)厭氧發(fā)酵的不良氣味，改善處理廠(chǎng)的環(huán)境。

5、第一、第二階段反應迅速，故水解池體積小，與初次沉淀池相當，節省基建投資。