浅析生化处理系统方法

水解—好氧生化处理是处理有机污水的新技术，并已有十多年较为成熟的工程实践经验。本文从水解机理，水解工艺的特点，水解工艺的设计要点，水解工艺性能指标，以及水解工艺适用范围内容，对水解工艺作一简介。

从化学角度来说，水解反应是一种常见的普遍存在的化学反应过程，可以说，绝大多数化合物，在一定条件下，与水接触后，都会发生反应。我们讨论水解反应，就是讨论化合物与水的反应，也就是讨论化合物分子中电子分布及其电荷与水发生的反应。绝大多数有机化合物的反应是共价键的形成和断裂过程。水解反应可致共价键发生变化和断裂，即使化合物在分子结构，形态上发生变化。研究水解反应，就是研究化合物的水解经路、反应产物，以及影响水解程度和速率的诸因素。

污水处理工艺中的生物化学（生化）处理法，是处理有机污水的主要方法。水解工艺是其中的一种新开发出来的工艺过程。因此，我们这里所说的水解工艺，是有别于化学反应的生物化学反应。

化学水解的速率，在很大程度上受化合物自身的分子结构、水的PH值（即酸、碱度）和温度影响。在这里，酸和碱是化学反应的催化剂。而生物化学领域中的水解，则是依靠生物酶起催化作用、加速水解反应。酶的催化反应效率要比相应无酶反应高106—1013倍，这是生物酶的特殊作用。

概括说，我们这里讨论的指复杂的有机物分子，在水解酶参与下加以水分子分解为简单化合物的反应。反应是在缺氧条件下进行的。

要区别水解工艺与厌氧工艺的概念，必须先了解厌氧工艺的反应经路。

通常，我们把厌氧反应分为四个阶段：第一阶段水解；第二阶段酸化；第三阶段酸性衰退；第四阶段甲烷化。

在水解阶段，固体物质溶解为溶解性物质，大分子物质降解为小分子物质，难生物降解物质转化为易生物降解物质。在酸化阶段，有机物降解为各种有机酸。水解和产酸进行得较快，难以把它们分开。起作用的主要微生物是水解菌和产酸菌。

我们所说的水解工艺，就是利用厌氧工艺的前两段，即把反应控制在第二阶段，不进入第三阶段。为区别厌氧工艺，定名为水解（Hydrolization）工艺。水解反应器中实际上完成水解和酸化两个过程。但为了简化称呼，简称为“水解”。

水解工艺系统中的微生物主要是兼性微生物，它们在自然界中的数量较多，繁殖速度较快。而厌氧工艺系统中的产甲烷菌则是严格的专性厌氧菌，它们对于环境的变化，如PH值、碱度、重金属离子、洗涤剂、氨、硫化物和温度等的变化，比水解菌和产酸菌要敏感得多，并且生长缓慢（世代期长）。

最重要的是水解工艺和厌氧工艺中的两类不同菌种的生态条件差异很大。水解工艺是在缺氧条件下反应，而厌氧工艺则是在厌氧条件下反应。这里说的“缺氧”（anoxic）有别于“厌氧”，所谓厌氧（annaerobic）作用是指绝对的无氧（溶解氧DO＝0），而缺氧（anoxic）作用是指无氧或微氧（DO＜0.3-0.5mg/l) 。

正因为水解工艺是在缺氧条件下完成，因而在工程实施中，可将工艺后续好氧工艺串连组合在一个反应器中完成，实现水解－好氧工艺。为区别厌氧－好氧工艺，把水解（H）－好氧（O）工艺，暂定名为H／O法。

（1）糖类（碳水化合物）物质的水解。糖类物质由碳、氢、氧三种元素构成，是多羟醛或羟酮及其缩合物的某些衍生物的总称。可分为单糖、低聚糖和多糖。

单糖是不能水解的，是最简单的碳水化合物，如葡萄糖、果糖。

低聚糖中，由两个分子单糖结合而成的称二糖，三个分子单糖结合的称三糖。庶糖、麦芽糖和乳糖属二糖；棉子糖属三糖。低聚糖通过水解，生成单糖。

多糖是由多个单糖或其衍生物所组成的碳水化合物。淀粉、纤维素、琼胶、果胶等属多糖物质。多糖通过水解，生成原来的单糖，或其衍生物。

在有机污水中，一般以水解形式存在的物质为较多，例如淀粉。水解淀粉的酶，大致可分为四类，即a一淀粉酶，b一淀粉酶，淀粉1－6糊精酶和葡萄糖淀粉酶。淀粉在上述水解酶作用下的水解经路为：

     淀粉 → 糊精 → 麦芽糖 → 葡萄糖

当多糖类物质水解成葡萄糖后不能再水解了。如果反应条件仍处于缺氧条件，则葡萄糖会通过糖的酵解过程分解成2个丙酮酸（即1×C6→2C3）。至此，多糖类的水解（酸化）过程全部完成。进一步的彻底降解，只能在有氧条件下才能完成即在有氧条件下丙酸酮进入三羧酸循环，达到完全的氧化：

        2CH3COCOOH ＋ 4H＋6O2 → 6CO2 + 6H2O。

  （2）蛋白质的水解。蛋白质是由多种氨基酸分子组成的复杂有机物。它由C、H、O、N等主要元素组成，有的还含有Fe、I、P、S等元素。蛋白质与糖类、脂肪类物质分子的主要不同点在于它的组分含有N素。在蛋白质中，氮的含量平均约为16％。

蛋白质不能直接被微生物利用，在进入细胞组织之前，需经蛋白质水解酶的作用，使其水解成氨基酸。其水解经路为：蛋白质 →多肽 →二肽 → 氨基酸。至此。蛋白质的水解过程完成。实际上蛋白质水解到二肽阶段就可作为底物，被微生物细胞所利用。

（3）脂肪（类脂肪）物质的水解。脂肪是不含氮的有机化合物，由C、H、O等元素组成。

脂肪的降解也是首先在细胞外，通过脂肪水解酶发生水解，生成甘油和相应的脂肪酸。甘油的进一步降解类似于糖解过程的一部分，转化为丙酮酸。至此，水解反应完成。水解产物脂肪酸丙酮酸的进一步降解，则需在有氧下进入三羧酸循环，达到完全的氧化。

（4）芳香族化合物的水解。尽管苯环的化学结构相当稳定，但大部分苯环物质可在微生物的作用下被降解。

降解经路大致可分为3种形式。

a）生态变化。芳香族化合物从一种化合物形态转化为另一种形态。例如芳香族硝基化合物（硝基苯）还原成苯胺。这一特性可利用到污水处理工程中。众所周知。苯胺是可以在好氧下，予以彻底降解，而且降解速率较快，但硝基苯则不然，它不能在好氧条件下降解。可是硝基苯在缺氧条件下在兼性微生物的作用下，可转变形态，成为苯胺，然后通过好氧生物作用，达到彻底降解。

b）苯环断裂。在缺氧条件下，由于兼性微生物的作用，某些苯环化合物可以出现苯环裂解。苯环的裂解。包括两个基本步骤：首先生成两个邻位羟基化合物，再发生苯环的断裂，分裂为有机酸。当有机物降解为有机酸后，再通过好氧条件下的三羧酸循环予以彻底降解。

c）长链分子断裂。在染料工业中，偶氮系列染料占有60％的比重。偶氮基系染料中的发色基团。一旦偶氮基团被降解，则染料原有的色泽将消失。在兼性微生物作用下的水解过程，会发生染料分子的裂解，使偶氮键断裂，并形成新的碎片分子。因而，虽然偶氮化合物的可生化性较差，但通过水解裂解，生成的苯胺类化合物，可生化性就变得十分好，它的BOD5／CODcr比值明显上升。甲基橙染料，系偶氮类化合物，它的可生化性较差，属难生化物质，BOD5／CODcr比值仅为0.03－0.025，但水解反应后，形成的苯胺结构碎片分子，其BOD5／CODcr比值，上升至0.41－0.59。

（1）污水经水解处理后，BOD5／CODcr比值，有明显升高。例如制药厂土霉素生产废水，进水BOD5／CODcr的比值0.34，经水解后，比值上升为0.43，可生化性得到了提高。

（2）对厌氧处理而言，水解反应的水力停留时间较短。对工业污水中的有机污染物来说，根据其分子结构、分子量大小,水解反应一般在4－18小时完成。

（3）用膜法水解工艺，由于生物量大、容积负荷高，能适应进水CODcr负荷变化。一般说，进水CODcr浓度升高3－4倍，而出水CODcr的去除率，非旦不下降，反而升高，即进水浓度越高，CODcr去除率高。水解工艺有很大的耐冲击负荷能力。

（4）水解工艺运行稳定，受外气温变化影响小。一般说水温在3－40℃ 之间，因为水解菌种由中温和低温菌种协同作用。

（5）水解池不产生如厌氧反应那样的臭味，水解池可设计成敞口式的。敞口的水解池，池子越深，效率越高，在地基地耐力许可的条件下，池深可达8.5－9m，可节省用地，适于用地紧张的城市内的污水站。特别是对化工企业，在消防距离不能满足要求的情况下，水解工艺比厌氧工艺有其实际应用价值。

（6）水解菌种不同于专性厌氧菌种甲烷菌，它是一种兼性菌种，在自然界中存在的量较多，而且存在的面亦较广，在工程实施时，容易培菌。一旦污水中有机污染物（底物）发生变化，处理装置也能很快适应。这完全不同于厌氧处理中的甲烷菌。对甲烷菌而言，由于它是单一性菌种，只要底物发生变化，甲烷菌就在衰亡。从市场经济的规律来说，企业的产品结构必然受市场需要所支配，生产的产品很有可能不断更新转换，污水中的有机污染物成分亦会相应发生变化。水解菌种的易殖性及其强适应性，使水解工艺较厌氧工艺有其突出的优点，即能适应企业产品结构的变化。

（7）水解工艺具有另一个比较突出的优点是，随运行时间的推移，CODcr的去除率呈明显的增长趋势。

（8）多段H／O工艺，可实现生物脱氮，工程实践表明，氨氮可由原水299mg/l降至5mg/l以下。

（9）一般说，各污水站都设调节池。工程实施时，可利用调节池，内加分格及纤维填料，作膜法水解池用，实现一池多用，可节省基建投资。由于水解池本身有较高的CODcr去除率，因而可作为去除CODcr的一级构筑物。对已建有机污水站来说，若将调节池改造为水解池，可使整个污水站的CODcr总去除率提高30％左右。

（1）控制进水PH值。水解工艺的兼性菌种对PH值的适应范围很宽（PH值5.5－10之间）。但最佳值，应与后续处理条件一并考虑。

（2）控制溶解浓度，一般来说，DO值应控制在＜0.3－0.5mg/l。

（3）池形设计要造成良好的水力工况。应控制池深、池长、池宽的比例。池内分格，造成上下推流、水平推流、减少“死区。水解池是否加盖，可视进水温度，水力停留时间及地区冬季室外温度等诸因素而定。

（4）根据不同有机污染物的分子结构、分子量，设计前最好先小试，确定有机污染物的水解速率（水力停留时间），工程实施时，作适当放大。

（5）控制C、N、P比例。例如上海冠生园食品总厂污水缺N素，而临安化工厂（生产染料）污水中富C素和N素。有条件的话，将生活污水引入处理系统，对平衡的环状分子结构可连续串联水解—好氧2至3次（即两段H/O法或三段落H/O法）。此时，应控制水解和好氧反应水力停留时间的最佳比例。

水解池的CODcr去除率为30－50％（某些工程可达60－80％）；

固体悬浮物的水解率为60－65％；

水解－好氧工艺与全好氧工艺相比，能耗可节省40％左右。

占地面积比厌氧工艺或纯好氧工艺节省20-30%。

水解－好氧工艺（H／O工艺）的CODcr总去除率可达到96－98％。

（1）目前已在下列工业废水处理站应用了水解工艺：食品生产厂废水，啤酒废水，涂装废水、含油废水、生物制药废水、石油化工废水、制革废水、特种化工废水、化工染料废水、发酵、酿造工业废水、医院含菌废水、机械加工废水及类似的生活污水。

（2）可适用的工业生产污水及类似的生活污水，

采用H/O工艺目前已能处理COD进水浓度200—10000mg/l的废水。

水解酸化池采用活性污泥法，在水解装置中，发酵细菌将废水中复杂有机物（包括多糖、脂肪、蛋白质等）水解为有机酸、醇类。在酸化阶段产氢、产乙酸细菌将发酵产物有机酸和醇类代谢为乙酸和氢，使大分子物质降解为小分子物质，使难生化的固体物降解为易生化的可溶性物质，提高了废水的可生化性。经水解酸化池处理后的废水进入生物接触氧化池，向废水中输送空气进行曝气，曝气装置采用D=215的膜片式微孔曝气器。水中碳水化合物为好氧微生物提供了丰富的营养，加快了好氧微生物的新陈代谢，在其作用下水中有机物得以有效降解。

A/O工艺将前段缺氧段和后段好氧段串联在一起，A段DO不大于0.2mg/L，O段DO=2～4mg/L。在缺氧段异养菌将污水中的淀粉、纤维、碳水化合物等悬浮污染物和可溶性有机物水解为有机酸，使大分子有机物分解为小分子有机物，不溶性的有机物转化成可溶性有机物，当这些经缺氧水解的产物进入好氧池进行好氧处理时，可提高污水的可生化性及氧的效率；在缺氧段，异养菌将蛋白质、脂肪等污染物进行氨化（有机链上的N或氨基酸中的氨基）游离出氨（NH3、NH4+），在充足供氧条件下，自养菌的硝化作用将NH3-N（NH4+）氧化为NO3-，通过回流控制返回至A池，在缺氧条件下，异氧菌的反硝化作用将NO3-还原为分子态氮（N2）完成C、N、O在生态中的循环，实现污水无害化处理。