污泥水解酸化的影响因素与研究现状

王亮 柴涛

（徐州市建设工程检测中心有限公司，江苏 徐州 221003）

1 引言

随着我国工业化进程的加快，工业废水处理量越来越大，其成分也愈加复杂，尤其是有机化工废水还包含难降解的有毒污染物质，COD 值较高，可生化性差。好氧生物处理工艺其自身提供的碳源难以满足脱氮除磷的要求，为此，常需外加碳源，如挥发性脂肪酸（VFAs），不仅资源被浪费，污水的处理成本也被拉高。另一方面，随着废水量的增加，污水处理厂污泥量也与日俱增，处理剩余污泥的费用在污水处理总成本中占比20%～50%［1］。因此，如何在实现“水、泥”同治的前提下降低污水处理成本，成为需要解决的一个课题。

2 水解酸化原理

污泥厌氧消化是一个极其复杂的生化过程，依靠三大主要类群的细菌（水解产酸细菌、产氢产乙酸细菌和产甲烷细菌）联合作用完成。通常将厌氧生物处理划分为水解酸化、产氢产乙酸、产甲烷3 个阶段，厌氧消化3 阶段和COD 转化率如图1 所示［2-3］。

图1 厌氧消化3 阶段和COD 转化率

水解指高分子有机物（碳水化合物、蛋白质和脂肪）转化为SCOD（单糖、氨基酸、长链脂肪酸和甘油），酸化指SCOD 在产酸细菌作用下进一步分解为VFAs；产氢产乙酸指在产氢产乙酸细菌作用下，VFAs 转化为短链脂肪酸、二氧化碳和氢气；产甲烷阶段指上述产物在产甲烷细菌作用下生成甲烷。

水解酸化即将厌氧消化控制在水解酸化这一阶段，有机大分子物质被细胞胞外酶分解成小分子，而这些小分子水解产物能够溶于水，并透过细胞膜合成新细胞。

3 污泥水解酸化影响因素

水解酸化对污泥减量和脱氮除磷的影响因子包括预处理、温度、pH、C/N（碳氮比）和SRT（污泥停留时间）等。

3.1 预处理

污泥中主要有机物包含在微生物细胞膜内，而细胞膜又能防止所在细胞的渗透性溶解，含有肽聚糖的细胞壁也可以抵挡生物的降解作用［4］。细胞自溶速率极慢，滞后消化时间从而拖延整个水解酸化进程。因此需采取预处理破坏细胞结构，提高污泥的溶解率。提高污泥产VFAs 的预处理方法包括物理法、化学法、生物法和组合法。

3.1.1 物理法

物理法有超声波、冻融、微波和热处理等。超声波被认为是最有效破解细胞的方式，强超声（0.96 kW/L，15 min）在常温（25 ℃）下作用污泥消化1.5 d 后使VFAs 产量增至2.9 倍，高温（55 ℃）是常温条件下VFAs 产量的12 倍［5］。冻融法预处理污泥可使VFAs 产量增加1 倍［6］。对活性污泥分别采用超声波、臭氧和热处理，发现热处理水解效果最好［7］。

3.1.2 化学法

化学法包括酸碱法和化学氧化法。酸碱法是工业废水处理厂预处理的主要方式，具有操作简单、成本低等特点。因为碱对肽聚糖的破解能力高于酸［8］，所以碱破解污泥的效率更好。刘亚利等［9］发现在一定条件下，碱投加量越高，越有利于VFAs 的积累；当碱投加量为0.20 gNaOH/gVS（VS 为可挥发性固体），SRT＝15 d 时，VFAs＝3 473 mg/L。采用酸—碱预处理要比碱—酸获得更多的VFAs，纯碱处理获得污泥减量的效果最好［10］。化学氧化法常用氧化剂有O3，H2O2，Fenton，刘越等［11］发现与H2O2相比，NaOH 对促进污泥水解酸化更有优势。与酸碱法相比，化学氧化法成本更高，推广应用受限［1］。

3.1.3 生物法

生物法主要分为添加可生成胞外酶的细菌和添加抗菌素两种。白润英等［12］用淀粉酶催化污泥，蛋白质和多糖的浓度分别增长268%与1 100%，其水解效能高于蛋白酶；淀粉酶—蛋白酶投加方式的水解效率大于蛋白酶—淀粉酶及同时投加两种方式。Yu等［13］发现剩余污泥经7 h 蛋白酶和淀粉酶的预处理，污泥中SCOD 和VFAs 分别增加78.2%和129.6%。Zhao 等［14］利用含多种酶和厌氧菌的矿化垃圾进行污泥处理，其投加量在0～400 mg/g 干污泥消化5 d时，SCOD 从1 150 mg/L 升至5 240 mg/L，VFA 产量从82.6 COD/gVSS（VSS 为可挥发性固体悬浮物）增至183.9 mgCOD/gVSS。而辛晓东［1］却发现复合生物酶（蛋白酶、淀粉酶、溶菌酶和纤维素酶等质量混合）在酶投量水平5%～15%（w/w） 时，SCOD 增至33～45.5倍，并且高于4 种单酶对污泥溶出SCOD 之和，表明复合生物酶较单酶溶出效果更佳。

3.1.4 组合法

组合法比单一法拥有更好的污泥破解效率。超声波—氢氧化钙预处理草坪草的VFAs 产量达到3 122 mg/L，与原草发酵相比提高90.70%［15］。代勤等［16］发现热—碱处理溶解出SCOD 量是热处理的2.2倍。贾瑞来等［17］发现加入蛋白酶和α-淀粉酶不仅促进了预处理（微波—过氧化氢—碱）后污泥的水解酸化，而且解除了预处理导致的产酸滞后现象。水解酸化4 d 后，30 mg/g（蛋白酶/TS）组和90 mg/g（淀粉酶/TS）组的总VFA 浓度分别为3 373.39 mgCOD/L 和3 226.79 mgCOD/L，比预处理组分别提高了82.37%和74.45%。

3.2 温度

温度影响微生物新陈代谢和生长速率，是厌氧水解酸化主要控制因素。水解酸化三大主要类群细菌适宜温度范围为10～60 ℃，水解酸化产酸率随温度升高而增大。

污泥在10～37 ℃的条件下，VFAs 会随着温度升高而提高，37 ℃的VFAs 值是10 ℃的3.4倍［18］。赵峰辉等［19］探究不同温度（20，25，30，35 ℃）对污泥厌氧水解酸化产率的影响，结果表明，VFAs 在35 ℃条件下达到峰值295.9 mg/L，也验证了上述结论，即一定温度内，温度的升高有利于污泥厌氧发酵产酸过程。

3.3 pH

pH 直接影响细菌生命活动和酶活性，三大类群细菌适宜pH＝3.0～11.0。

关于水解酸化最佳pH 存在争议。Gomec 等［20-21］研究表明，pH＝6.5 水解效率高。罗锦等［22］研究泔脚废油脂厌氧发酵产OFCA（奇数碳挥发性脂肪酸），发现发酵最适pH＝4.0～5.0。而吕景花等［23］研究发现，在pH=10.0 时发酵液中的VFAs 浓度最高。Wang等［24］也发现VFAs 浓度随着pH 的增加而升高，pH=11.0 时VFAs 的最大产量为358.03 mgCOD/gVSS。

3.4 C/N

水解酸化适宜C/N 为10～20［25］。控制C/N=13.7～20.3 进行水解酸化，有机负荷率在C/N=15 达到最大值，即水解酸化效率最高［26］。张福贵等［27］通过不同温度对C/N 区间为15～35 污泥厌氧消化产VFAs 发现，中温条件下C/N=25 时，VFAs 值最大，为3 671.21 mg/L，高温条件下C/N=15 时，VFAs 值最大，为2 734.41 mg/L。

3.5 SRT

SRT 即污泥龄，是污泥处理设计、运行的重要指标。一定范围内延长SRT 有利于污泥水解，但过长的SRT 将消耗已积累的有机酸［28］。污泥在碱性条件下，水解产酸在SRT=12 d，VFAs 达到最大值933.5 mg/L［29］。章涛等［30］发现剩余污泥在中温中性条件下，发酵产酸在SRT=10 d，VFAs 升至137.09～158.36 mg/L。

综上所述，温度、pH、C/N、SRT 等指标都能将厌氧消化控制在水解酸化这一阶段，提高VFAs 积累，进而更好地脱氮除磷。

4 水解酸化的工程应用

对于环境保护来说，工业废水的处理比城市污水处理更加重要。近年来技术报道和科学论文发现，水解酸化作为厌氧、好氧前处理工艺广泛应用在工业废水处理中。

4.1 印染废水

印染废水具有水量大、有机物成分复杂、可生化性差、处理难度大的特点。刘立等［31］采用“选择性物化+水解酸化+接触氧化”处理印染废水，BOD5、COD、色度去除率分别为92%，94%，92%，出水水质达到GB 18918—2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级B 标准。项颂等［32］采用“混凝沉淀-ABR 水解酸化-A2/O-曝气生物滤池”工艺处理综合印染废水，BOD5、COD、色度去除率分别为87%，93%，68%，出水水质达到GB 18918—2002 一级B 标准。顾梦琪等［33］通过“水解酸化+AO”处理印染废水的试验得出，COD、色度水解酸化出水去除率分别为49.8%，72.4%，总去除率分别为92.2%，71.0%。

4.2 制药废水

制药废水COD 浓度高，所含有毒有害物质多，可生化性差。万金宝等［34］采用“水解酸化-EGSB-生物接触氧化”处理中药类制药废水，BOD5，COD，SS去除率分别为99.5%，98.4%，98.1%。虞杰等［35］采用“预处理+水解酸化+厌氧+A/O”处理合成药类制药废水，BOD5，COD 去除率分别为91%，95%。樊杰等［36］通过模拟试验，采用“Fenton+水解酸化+接触氧化”处理低浓度抗生素类制药废水，BOD，COD 去除率分别为82.2%，90.8%。

4.3 化工废水

化工废水污染物复杂，毒性大，致癌性强，尤其是苯、酚、氰以及硝基苯类化合物。王艳等［37］采用“水解酸化+A/O+臭氧+好氧生物滤池+滤布滤池”处理 煤 化 工 业 废 水，BOD5，COD，SS 去 除 率 分 别 为97.3%，88.4%，99.0%，出水水质稳定达到GB/T 19923—2005《城市污水再生利用 工业用水水质》中锅炉补给水标准。李东升等［38］采用“物化预处理+水解酸化+A/O”处理化工废水，COD、硝基苯去除率分别为97.3%，100%。

5 前景展望

城市污水的处理量随着城镇化步伐的加快而日益增多，剩余污泥的治理已经成为环境保护的一个重要课题。水解酸化实现了“水、泥”同治，污泥减量化的同时获得高浓度VFAs，提高C/N 低的工业废水生物脱氮效率，为后续好氧处理提供可靠保证。对于含有大量大分子物质的废水，利用水解酸化预处理，可以减少后续处理工艺的冲击负荷，缩短SRT，从而使污水处理工艺得到优化，实现污泥资源化的利用。

水解酸化工艺也存在不足，水解酸化只是对有机物进行初步分解，对COD 去除率不高，单独使用处理污水一般不能直接达到排放标准，故只能作为有机废水的预处理，后续必须通过厌氧甲烷发酵或好氧处理，才能彻底治理污水并达到排放标准，与其他工艺联合使用的创新工艺，使出水水质更好，将成为未来科研工作者研究的方向。