城市污水生物处理新技术开发与应用.docx

城市污水生物处理新技术开发与应用水解好氧生物处理工艺王凯军 贾立敏 编著化学工业出版社环境科学与工程出版中心北 京年月第一版年月北京第次印刷目 录第一节 水解（酸化）工艺与厌氧工艺一、基本原理二、水解好氧工艺的开发三、水解（酸化）工艺与厌氧发酵的区别第三节 水解好氧生物处理工艺特点、水解池与厌氧工艺启动方式不同、水解池可取代初沉池、较好的抗有机负荷冲击能力、水解过程可改变污水中有机物形态与性质，有利于后续好氧处理、在低温条件下仍有较好的去除效果、有利于好氧后处理、可以同时达到对剩余污泥的稳定第四节 水解好氧生物处理工艺的机理一、有机物形态对水解去除率的影响二、有机物降解途径三、水解池动态特性分析四、难降解有机物的降解第五节 水解工艺对后续好氧工艺的影响、有机物含量显著减少、比值和溶解性有机物比例显著增加、降解动力学、污泥和去除平衡第六节 水解工艺的污泥处理一、传统污泥处理的目的和手段二、污泥有机物的降解表三、污泥脱水性能与处理第七节 水解池的启动和运行一、水解池的启动方式二、配水系统三、排泥四、负荷变化对水解池处理效果的影响第八节 水解工艺的进一步开发和应用一、芳香类化合物的去除二、奈的去除三、卤代烃的去除四、难生物降解工业废水处理的实际应用五、高悬浮物含量废水的水解处理工艺六、水解工艺的适用范围与要求第九节 水解好氧工艺技术经济分析一、厌氧处理应用的经济分析二、水解好氧系统设计参数第十节 水解好氧生物处理工艺设计指南一、预处理设施二、水解池的详细设计要求三、反应器的配水系统四、管道设计五、出水收集设备六、排泥设备水解好氧生物处理工艺根据传统活性污泥工艺基建投资高、运行费用高以与电耗高等问题，北京市环境保护科学研究院（原北京市环境保护研究所）在世纪年代初开发了水解（酸化）好氧生物处理工艺。经过十多年的开发，围绕水解好氧技术已经形成一套完整的工艺技术。相继开发了水解好氧生物处理工艺、水解氧化塘处理工艺和水解土地处理工艺等处理城市污水经济可行的工艺技术，这些工艺被先后应用建成城市污水处理厂余座，取得了较好的环境效益和经济效益。特别是北京市密云县城污水处理厂（万规模）、河南安阳市豆腐营污水处理厂（规模万）、新疆昌吉市污水处理厂（万）和深圳宝胺安县石岩污水处理厂（万）都相继采用了该处理工艺。另外，国内同行开发了处理印染废水的水解好氧生物碳工艺，处理焦化废水的水解和工艺相结合的工艺，在啤酒废水和屠宰废水方面水解好氧工艺相结合的工艺已是具有竞争力的一种标准工艺。水解（酸化）工艺还应用于工业废水处理中，如印染、纺织、轻工、酿酒、化工、焦化、造纸等行业的工业废水。水解好氧工艺在推广过程中，全国各地有关部门与行业累计建设了上百座水解好氧工艺的污水处理厂。因此，可以讲水解好氧生物处理工艺是我国独立自主开发的污水处理工艺，为我国的水污染控制作出了积极的贡献。在以上的这一系列实践过程中，通过对各种不同工艺流程的推广应用，笔者认为有必要对生产性工程进行总结，以满足研究、设计和应用三方面要求。第一节 水解（酸化）工艺与厌氧工艺一、基本原理污水生物处理工艺分好氧工艺和厌氧工艺，这两类工艺各有其优缺点。随着生物处理技术的发展，作为生物处理的主角仍是微生物。如何能使好氧生物处理工艺提高污泥浓度，减少氧的消耗如何使厌氧生物处理工艺缩短处理时间和提高处理负荷，是值得进一步研究的课题。各种类型有机污染物的厌氧（缺氧）、好氧降解反应过程汇总如下。好氧（微需氧）过程厌氧（缺氧）过程传统好氧工艺传统厌氧工艺硝化工艺反硝化或缺氧工艺微需氧或好氧工艺厌氧反应好氧反应厌氧反应从化学反应式（）（）来看，除反应式（）、（）为传统的好氧和厌氧工艺外，其他均为兼性菌的反应。人们过去对于好氧微生物和专性厌氧微生物研究十分充分，而对兼氧性微生物的研究不够。事实上，利用兼性细菌的工艺人们已开始有所涉与。如，对去除、的或工艺（反应式（）、（），是利用了兼性菌在好氧条件下进行好氧代谢，而在厌氧条件下进行不同代谢反应的工艺。在含有硫酸盐的有机废水中，厌氧反应将有机物和硫酸盐分别转化为有机酸和硫化氢（反应式（），产生的硫化氢被微需氧细菌直接氧化为硫元素。这可以用来去除硫化物并回收硫元素（反应式（）。最新研究表明，一些在好氧状态下难降解芳香族和卤代烃在厌氧条件下容易分解（反应式（）、（）。以上反应是一些新工艺的化学反应基础，其基本原理是新工艺开发的基础和生长点。例如，目前国际和国内上流行的工艺和序批式活性污泥（）工艺。前者是在段的高吸附段发生了水解和部分酸化反应，大分子物质降解为小分子物质，所以使得整个工艺的效率大为提高。对于后者而言，在的反应过程同样经历了好氧缺氧和厌氧的过程。成功地利用兼性微生物的典型工艺是由北京市环境保护研究院在世纪年代开发的水解好氧生物处理工艺。水解池利用水解和产酸微生物，将污水中的固体、大分子和不易生物降解的有机物降解为易于生物降解的小分子有机物，使得污水在后续的好氧单元以较少的能耗和较短的停留时间下得到处理。采用水解活性污泥法与传统的活性污泥相比，其基建投资、能耗和运行费用可分别节省左右。由于水解池具有改善污水可生化性的特点，使得本工艺不仅适用于易于生物降解的城市污水等，同时更加适用于处理不易生物降解的某些工业废水，如纺织废水，印染废水，焦化废水，酿酒废水，化工废水，造纸废水等。二、水解好氧工艺的开发水解好氧工艺开发的目的是针对传统的活性污泥工艺具有投资大、能耗高和运转费用高等缺点，试图采用厌氧处理工艺替代传统的好氧活性污泥工艺。年在北京进行了第一阶段实验，采用的反应器，并配有三相分离器，停留时间为。在这一阶段、和的去除率分别在、和。尽管停留时间很长（），但沼气产量很低，仅为（·）。从实验结果来看厌氧阶段的处理不足以使出水达到排放标准，不得不采用好氧后处理。另外，反应器的反应时间太长，尽管其在运行费用和能耗等方面有一定的优势，但在基建投资方面不足以与传统活性污泥工艺相竞争。在北京进行的实验属于冬季水温（最低为）较低的实验。在温暖气候条件下常温（）厌氧处理生活污水的实验，存在两个问题。首先总的去除效果不理想，这是针对达标和总的停留时间而言。事实上，厌氧的停留时间在的去除效果还是相当高的，但是，要考虑到其与传统好氧工艺应有竞争力。第二，停留时间在的厌氧系统的竞争能力将大为降低，的去除率仅。这样还需要相当客观的好氧后处理设备。为了解决上述问题，将反应器的运行方式改变为部分厌氧，即主要在厌氧反应的水解和酸化阶段（这也是称为水解好氧工艺的原因），从而在反应器中取消了三相分离器，使得反应器结构十分简单，便于放大。虽然水解反应器的停留时间仅有，但分别可取得高达、和的、和去除率。后处理的活性污泥法仅需采用停留时间。新工艺有两个最为显著的特点：其一，水解池取代了传统的初沉池，水解池对有机物的去除率远远高于传统的初沉池，更为重要的是经过水解处理，污水中的有机物不但在数量上发生了很大变化，而且在理化性质上发生了更大变化，使污水更适宜后继的好氧处理，可以用较少的气量在较短的停留时间内完成净化；其二，这种工艺在处理污水的同时，完成了对污泥的处理，使污水、污泥处理一元化，可以从传统的工艺过程种取消消化池。作为一种替代的处理工艺，在总的停留时间和能耗等方面比传统的活性污泥要有很大的优势。三、水解（酸化）工艺与厌氧发酵的区别从原理上讲，水解（酸化）是厌氧消化过程的第一、二两个阶段。但水解（酸化）好氧处理工艺中的水解（酸化）段和厌氧消化的目标不同，因此是两种不同的处理方法。水解（酸化）好氧处理系统中的水解（酸化）段的目的，对于城市污水是将原水中的非溶解态有机物截留并逐步转变为溶解态有机物；对于工业废水处理，主要是将其中难生物降解物质转变为易生物降解物质，提高废水的可生化性，以利于后续的好氧生物处理。水解工艺的开发过程是从低浓度城市污水开始的，与高浓度废水的厌氧消化中的水解、酸化过程是不同的。在连续厌氧过程中水解、酸化的目的是为混合厌氧消化过程中的甲烷化阶段提供基质。而两相厌氧消化中的产酸段（产酸相）是将混合厌氧消化中的产酸段和产甲烷段分开，以便形成各自的最佳环境。因此，尽管水解（酸化）好氧处理工艺中的水解（酸化）段、两相法厌氧发酵工艺中的产酸相和混合厌氧消化工艺中的产酸过程均产生有机酸，但是由于三者的处理目的的不同，各自的运行环境和条件有着明显的差异，主要表现在以下几个方面。（）氧化还原电位（）不同在混合厌氧消化系统中，由于完成水解、酸化的微生物和产甲烷微生物共处于同一个反应器中，整个反应器的氧化还原电位（）的控制必须首先满足对要求严格的甲烷菌，一般为以下，因此，系统中的水解（酸化）微生物也是在这一电位值下工作的。而两相厌氧消化系统中，产酸相的氧化还原电位一般控制在之间。水解（酸化）好氧处理工艺中的水解（酸化）段为一典型的兼性过程，只要控制在左右，该过程即可孙里进行。（）值不同在厌氧消化系统中，消化液的值控制在甲烷菌生长的最佳值范围，一般为。在两相厌氧消化系统中，产酸相的值一般控制在之间，在酸化反应器值降低时，丙酸的相对含量增大，而丙酸对后续的甲烷相中的产甲烷菌将产生强烈的抑制作用。对于水解（酸化）好氧处理系统来说，由于浓度低不存在酸的抑制问题，因此，可以不控制值的范围，一般在之间。（）温度不同三种工艺对温度的控制也不同，通常厌氧消化系统以与两相厌氧消化系统的温度均严格控制，要么中温消化（），要么高温消化（）。而水解处理工艺对温度无特殊要求，通常在常温下运行，也可获得较为满意的水解（酸化效果）。由于反应条件不同，三种工艺系统种优势菌群也不相同。在厌氧消化系统种，由于严格地控制在厌氧条件下，系统中的优势菌群为专性厌氧菌，因此完成水解（酸化）的微生物主要为厌氧微生物。水解（酸化）工艺控制在兼性条件下，系统中的优势菌群也是厌氧微生物，但以兼性微生物为主，完成水解（酸化）过程的微生物相应也主要为厌氧（兼性）菌。对于两相厌氧消化系统中的产酸相，微生物的优势菌群随控制的氧化还原电位不同而变化。当控制的电位较低时，完成水解、产酸的微生物主要为厌氧菌；当控制的电位较高时，则完成水解、产酸的微生物主要为兼性菌。需要说明的是，水解好氧工艺中的水解（酸化）过程与好氧（）、和等工艺段中发生的水解过程也是有较大区别的。这表现在以下两个方面：首先是菌中不同，如上所述在水解工艺中的优势菌群是厌氧微生物，以兼性微生物为主，而在好氧（）、和等工艺段中的优势菌是以好氧菌为主，仅仅部分兼性菌参加反应；其次，在反应器内的污泥浓度不同，水解工艺采用的是升流式反应器，其中污泥浓度可以达到，而好氧（）、和等工艺中从二沉池回流的污泥浓度一般最高为，并且以好氧菌为主。以上的差别造成了水解工艺是完全水解，而好氧（）、和等工艺中段仅仅发生部分水解。微生物种群的差异使得三种工艺系统的最终产物也完全不同。在厌氧消化系统中，水解（酸化）产生的有机酸被立即转化为甲烷和二氧化碳（沼气）。水解（酸化）工艺中的最终产物为低浓度有机酸，个别情况下还有极少量的甲烷。而两相厌氧消化中的产酸相的产物主要为高浓度有机酸（主要为乙酸）、少量甲烷和二氧化碳（见表）表水解（酸化）好氧处理工艺中是水解（酸化）与厌氧消化的比较工艺项 目水解（酸化）好氧中的水解（酸化）段两相厌氧消化中的产酸相厌氧消化<值温度不控制控制控制优势微生物兼性菌兼性菌厌氧菌厌氧菌产气中甲烷含量极少少量大量最终产物低浓度的有机酸高浓度的有机酸如乙酸、少量水解工艺的研究工作是从污水的厌氧好氧生物处理小试验开始，经过反复实验和理论分析，逐步发展为水解（酸化）好氧生物处理工艺。在水解反应器中实际上完成水解和酸化两个过程（酸化也可能不十分彻底），但为了简化称呼，简称为水解。如上一章所述厌氧发酵产生沼气过程可分为水解阶段、酸化阶段、乙酸化阶段和甲烷阶段等四个阶段。水解池是把反应控制在第二阶段完成之前，不进入第三阶段。采用水解池较之全过程的厌氧池（消化池）具有以下的优点。（1） 水解、产酸阶段的产物主要为小分子有机物，可生物降解性一般较好。故水解池可以改变原污水的可生化性，从而减少反应的时间和处理的能耗。（2） 对固体有机物的降解可减少污泥量，其功能与消化池一样。工艺仅产生很少的难厌氧降解的生物活性污泥，故实现污水、污泥一次性处理，不需要经常加热的中温消化池。（3） 不需要密闭的池，不需要搅拌器，不需要水、气、固三相分离器，降低了造价和便于维护。由于这些特点，可以设计出适应大、中、小型污水处理厂所需的构筑物。（4） 反应控制在第二阶段完成之前，出水无厌氧发酵的不良气味，改善处理厂的环境。（5） 第一、第二阶段反应迅速，故水解池体积小，与初次沉淀池相当，节省基建投资。因此，水解好氧生物处理工艺是有自己特点的一种新型的水处理工艺。第三节 水解好氧生物处理工艺特点、水解池与厌氧工艺启动方式不同水解池的启动采用了动力学控制措施，通过调整水力停留时间，利用水解细菌、产酸菌与甲烷菌生长速度不同，利用水的流动造成甲烷菌在反应器中难于繁殖的条件。图是水解池在启动期间污泥甲烷活性的变化，随着水解池的运行甲烷菌的活性逐步降低。这也初步证实了采用动力学控制措施的有效性。采用城市污水直接培养成熟的水解污泥外观呈黑色，结构密实。污泥中杂质较多，底部为，上部为。污泥层的平均污泥浓度为，污泥层在之间。在高倍显微镜下发现细菌的形态以长短杆菌为主。由于进水的溶解氧为零，所以好氧细菌得不到发展。系统中微生物主要是兼性微生物。一般认为水解、产酸菌属于兼性微生物，而产甲烷细菌是专性厌氧菌，不具备过氧化氢酶。工艺希望在水力学控制条件下，系统中以水解和产酸菌为主。为此，对接触酶的活性与甲烷菌活性进行检验。定性结果如表中的数据所示。表 生物污泥活性检验接触酶活性 甲烷活性结果表明，消化污泥的厌氧程度最高，而系统中水解污泥接触酶反应呈阳性，说明存在大量兼性微生物，而甲烷菌的活性不高，说明只有极少量的甲烷菌参加了反应。从水质监测结果看，进水的挥发性有机酸从上升到，这充分正证实了采用动力学控制系统处于水解酸化阶段是行之有效的。、水解池可取代初沉池从表给出的水解池与初沉池运行结果可知，在停留时间相当的情况下，水解池对悬浮物的去除率显著高于初沉池，平均出水只有，其、蛔虫卵的去除率也显著地高于初沉池。因初沉池的去除率受水质影响较大，出水水质波动范围较大，而水解池出水水质比较稳定。在拿不出大量投资修建二级污水处理厂的地方，先采用水解池进行一级处理，出水水质将比初沉池有很大程度的改善。表 水解池与初沉池处理效果停留时间去除率去除率去除率、较好的抗有机负荷冲击能力图是进水浓度与去除率的关系，从图可见，进水浓度越高，去除率越高。进水平均浓度为时，去除率在左右。水解池对于进水浓度变化而引起的冲击负荷有很大得抵抗能力，在实验中曾观察到负荷从（·）变化到（·），出水从变化到。、水解过程可改变污水中有机物形态与性质，有利于后续好氧处理一般城市污水可沉占总的左右，经水解处理后基本上去除了可沉性，所以水解工艺适用于污水中含悬浮状比例较高的废水。如屠宰废水、啤酒废水虽然可生物降解的可溶性成分高，但是废水中悬浮性颗粒状含量也很高，所以适合采用水解处理。对于城市污水，实验表明经水解反应后溶解性、比例分别从进水的、提高到出水的、，不溶性、的去除率分别为、。在运转中经常出现水解池出水溶解性、值高于进水的情况，这说明反应中有相当数量的不溶性有机物溶解于水中，在条件下去除悬浮物有发生水解。但由于进、出水溶解性、的数值相差不大，因此，人们会误认为水解池仅仅起到物理解留作用。通过对水解池进、出水有机酸分析结果表明，出水的溶解性已不是原来的溶解性，其中挥发性有机酸浓度大幅度上升，可以从占进水溶解性组分上升到出水的。、在低温条件下仍有较好的去除效果水解池即使在最低水温（）时仍可稳定运行，图为停留时间条件下，水温与去除率的关系。水解反应器之所以在低温条件下仍有如此高的去除率，因为水解池属于升流式污泥床反应器，这种反应器保持大量的水解活性污泥，污泥平均浓度达到，由于生物量大，大量水解活性污泥形成的污泥层，在有机物通过时将其吸附截留，这延长了污染物在池内的停留时间，从而保证了去除率。、有利于好氧后处理表为水解工艺结合采用活性污泥后处理工艺与采用传统活性污泥工艺的对比。在池容、水质相同，停留时间左右的情况下，不论采用穿孔管或中微孔曝气方式，水解好氧工艺的和去除率均显著高于传统工艺，且出水低于，传统工艺停留时间左右仍然达不到与本工艺相接近的出水水质，因此，从曝气池容积上新工艺要少左右。若同样采用穿孔管曝气设备，曝气可节省气量，同样采用中微孔曝气器节省气量为左右。表 不同工艺处理北京高碑店城市污水实验结果对比穿孔管曝气中微孔曝气穿孔管曝气中微孔曝气停留时间气水比回流比污泥指数出水浓度（）出水浓度（）出水浓度（）、可以同时达到对剩余污泥的稳定如前所述，水解好氧工艺的一个最显著的特点就是污水、污泥一次得到处理，可以在传统的工艺流程中取消消化池。通过示范工程年的物料平衡，水解池中污泥的水解率可高达左右，排出系统污泥量比初沉池消化池联合系统低，结果证实存在取消消化池的可能性。对于污水处理厂而言，污泥量的平衡只是其中一个方面，还有其他一些重要的指标，因此，需要对新工艺流程污泥处理指标进行详细的对比和分析。（）水解池可以同时稳定污泥通过年的示范工程，水解池平均去除的悬浮物量为，水解池排出的污泥总量则为，污泥水解率为。即去除的在微生物作用下发生水解，根据温度不同污水水解率在之间变化。（）水解污泥的沉降与浓缩性能了解水解污泥的沉降性能，可为浓缩池提供设计依据。根据静沉实验数据并经过生产性实验动态结果修正，从沉降实验现象观察水解污泥沉降性能十分良好，为，为，沉降性能优于初沉池和曝气池污泥。在浓缩下，水解污泥的含水率可从降至左右，浓缩后污泥可直接进行脱水。第四节 水解好氧生物处理工艺的机理一、有机物形态对水解去除率的影响污水中的污染物按分散划分为悬浮状、超胶体、胶体和溶解性种不同形态。根据工程上采用的简单分离方法来划分，定义为溶解性、胶体、超胶体和可沉的。例如：溶解性为通过滤膜的组分；胶体为通过滤纸的过滤液与溶解性之差；超胶体为通过之间的组分；可沉的为粒径>、通过沉淀可以去除的组分。根据以上分类，水解反应器的运行效果反应前后的污水特性见图。从图种实验数据可知，城市污水进水中可沉和超胶体占总的左右，经水解处理后基本上去除了可沉性和超胶体的。由此可见，水解池对悬浮性物质的去除能力很强，所以水解工艺适合污水中含悬浮状比例较高的废水。经水解反应后，出水溶解性比例从提高到占出水的。在运转中经常有水解池出水溶解性、值高于进水的情况，这说明反应中确有相当数量的不溶性有机物溶解于水中，这通过污泥产量的计量可以得到进一步证实，在条件下去除悬浮物有发生水解。二、有机物降解途径以为例，图给出了对可沉性、超胶体、胶体性和溶解性等不同物理状态的有机污染物迁移转化途径的图示。首先水解反应器中的大量微生物将进水中颗粒物质和胶体物质迅速截留和吸附，这是一个物理过程的快速反应，一般只要几秒到几十秒即可完成，因此，反应是迅速的。截留下来的物质吸附在水解污泥的表面，漫漫地被分解代谢，其在系统内的污泥停留时间要大于水力停留时间。在大量水解细菌的作用下将大分子、难于生物降解物质转化为易于生物降解的小分子物质后，重新释放到液体中，在较高的水力负荷下随水流移出系统。由于水解和产酸菌世代期较短，往往以分和小时计，因此，这一降解过程也是迅速的。在这一过程中溶解性、的去除率虽然表面上讲只有左右，但是由于颗粒有机物发生水解增加了系统中溶解性有机物的浓度，因此，溶解性、去除率远远大于。但是由于酸化过程的控制不能严格划分，在污泥中可能仍有少量甲烷菌的存在，可能产生少量的甲烷，但甲烷在水中的溶解度也相当可观，故以气体形成释放的甲烷量很少。可以看出，水解反应器集沉淀、吸附、网捕和生物絮凝等物理化学过程以与水解、酸化和甲烷化过程等生物降解功能于一体。这些过程在水解反应器中得到了强化，这与功能单一的初沉池有本质的区别。三、水解池动态特性分析、上升流速与系统内污泥浓度的关系研究上升流速和污泥层高度（实际上是污泥浓度）之间的变化规律，可以忽略由于污泥积累造成的污泥区高度的变化。不断调整进水量，改变上升流速，在一个特定的上升流速下，测定稳定后相对应的污泥层高度（一般为改变负荷以后），并通过整个系统内污泥总量，换算出相对应的污泥层高度内平均浓度，则可以得出图所示结果。图中为无量纲化上升流速，为密云县城市污水处理厂设计最大上升流速，；为平均污泥浓度，。从图可见，在稳定状态下一个上升流速对应于一个平均污泥浓度。这种对应关系是由于在水解池内污泥在垂直方向的运动是污泥颗粒的平均浓度和水流的上升流速在稳定状态达到平衡时形成，即。而污泥的沉淀速度与污泥浓度可用理论公式描述：因此，通过图中数据可以得到应用于城市污水水解池中的关系式：应用上述关系，在实际运行的密云县城市污水处理厂的平均流量、最大流量和最小流量下所对应的污泥浓度分别约为，和。从以上数据可以看出，在最大流量条件下，污泥层由于膨胀而造成污泥浓度降低，同时引起污泥成层的沉淀速度提高，自动保持反应器内污泥浓度（约）；而随着流量的减少，在最小流量时污泥浓度增加，沉速降低也达到动态平衡，这时污泥浓度为。这一特征可以在运转管理中得到运用，来制定不同的排泥措施，以减少污泥处理的投资和运转费用。、稳定性分析水解反应器属上流式污泥床反应器范畴，具有两个基本功能：即生物反应和沉淀功能。图给出了这两者在水解反应器中的相互约速关系。在水解酸化反应中所需微生物的浓度与水力停留时间呈反向变化（反应曲线）。从理论上讲，在给定的污泥龄下（一定），状态的稳定点一定在反应曲线之上。只要微生物量足够多，则反应不受停留时间的控制，这在工程上是十分有利的。考虑到系统运行的经济性，停留时间越短越好，这要求运行点、沿反应曲线向左上移动。随着停留时间的限制，即受污水上升流速的制约。沉降曲线给出了这种限制关系，其将平面分为两部分，右半平面为稳定状态，左平面是不稳定状态。有两种情况会造成污泥界面上升；第一种情况，长期不排泥，这时污泥面将不断上升，这是由于污泥量增加使得污泥浓度增加，这时可通过排泥重新回到稳定状态；第二种情况，当水力停留时间缩短，水的上升流速增大造成污泥界面上升，这可通过排泥来降低系统中的污泥量，使污泥浓度与停留时间达到一个新的稳定状态。图所示是设计与运行管理中的一个重要关系，其反映了生物反应与沉淀作用这对矛盾的统一关系。由此可以得出结论，对于低浓度城市污水厌氧处理过程，水力停留时间和水力负荷是较有机负荷更为本质和更有效的运行、设计参数。四、难降解有机物的降解水解反应器对有机物的降解在一定程度上只是一个预处理过程，水解反应过程中没有彻底完成有机物的降解任务，而是改变有机物的形态。具体讲是将大分子物质降解为小分子物质，将难生化降解物质降解为易生化降解的物质。这样使得以形式存在而不易检出的有机物，在水解反应过程中分解形成一些可以被测出的有机物，从而使比例有所增加。使用色谱质谱联机（）对污水处理过程中污水含有的各种有机污染物进行鉴定，是国内外近年来在环境工作中的新进展。色谱仪能有效地分离污水中有机混合物，而质谱仪又能对单一组分进行定性鉴定。采用液液萃取、毛细管气相色谱法与气相色谱质谱联机法，对有机污染物在水解池、曝气池中的降解过程进行了分析、研究，以期对有机污染物在新的工艺过程中的降解转化过程的特殊性进行了解。水样采取的混合样，水质的常规指标数据见表。表 水质参数表对水解反应前后与最终出水有机物组分采用色谱质谱分析结果见图。峰面积数据由气相色谱积分仪给出（面积由以上开始积分），有机物鉴定采用色谱质谱联机法，由表给出。需要说明的是，表中只给出了主要的化合物，对于峰面积较小的化合物表中没有给出。表 采用色谱质谱联机法鉴定不同处理阶段有机物的定性分析结果含氧二氯甲基甲烷三氯丙烷溴化二氯丙烷溴氯丙烷二氯丙烷二氯丙烷双（氯乙氧基）乙烷二氯丙醇二氯丙醇氯乙酸氯化甲醚乙氯甲基丙醛3氯双（氯）丙烷溴氟环戊烷氯苯酚氯代苯酚氯萘二（二甲基乙基）苯酚4（甲基亚乙基）双酚苯乙腈萘乙酸苯乙酯丙酸苯乙酯未知峰甲基丁酸苯乙酯甲基二羧基乙烯酸丙酸甘氨酸甲基戊酸己酸庚酸辛酸壬酸甲二氯己酸羟基十六酸甲酯羟基乙酸甲酯十六酸甲酯环戊基十一酸甲酯戊基酸甲酯氯乙酸丁酯磷酸三丁酯未知峰甲基甲氯基丙未知峰甲基环戊硫醇九碳醇未知峰十八稀醇十二基环乙醇甲基戊炔醇未知峰未知峰三十二醇（十八基氯）乙醇甲基十二醇十八碳烯醛甲南乙醛乙基戊醛比南半乳吡喃果糖三苷（乙基己基）噻吩图是不同反应阶段碱性中性化合物色谱变化图和酸性化合物色谱变化图，图是根据色谱图计算不同保留时间间隔内山峰峰数与峰面积反应前后的对比图。可以分析有以下几个现象。（1） 不论是酸性组分或碱性组分中性组分色谱图，经水解反应后出峰时间都大幅度提前，尤其以酸性组分更为明显，说明经过反应后小分子化合物增加。（2） 酸性组分化合物个数明显增加，由个增至个，同时，酸性组分总峰面积有所增加。（3） 碱性中性化合物数由个减至个，而碱性中性组分峰面积有所减少，以上事实说明碱性中性化合物经酸化反应后结构发生了很大变化。（4） 化合物峰面积与峰数分布反应前后发生变化，原污水是随着保留时间的增大而增加，这说明大分子化合物比例占绝大多数，在保留时间大于时，酸性组分出峰个数占出峰总数，峰面积也占同样的比例；经水解酸性反应后保留时间大于，酸性组分峰数占总峰数的比例降为，峰面积比例仅为；而保留时间小于时，峰面积的碱性中性组分占，酸性组分占，说明小分子化合物占化合物比例的绝大部分。详细的数据比例见图。（5） 碱性中性化合物峰面积有所减少，而酸性组分总峰面积有所增加，说明碱性中性化合物转变为酸性化合物。通过上述现象分析，结合质谱化合物检索可以得出如下结论。（1） 经水解反应池后，酸性化合物数量和种类大幅度增加，说明水解反应池对有机物不仅仅起到物理截留作用，而是以生物作用为主的水解酸化反应过程，同时也说明酸化过程的工程控制措施是恰当的。（2） 经水解酸化反应后，有机物的种类并没有减少，相反增加了许多小分子的化合物，这些化合物是水解、酸化反应的中间产物，这与一般生物处理构筑物降解规律是有区别的。从溶解性有机物的数量（以峰面积表示）上，经过水解反应后总量有所增加，这说明部分不溶性有机物经过水解酸化反应后确实转变为溶解性有机物，从而使悬浮性有机物量有所减少。（3） 进水中主要有机物相当部分为大分子化合物（在以上），其中有很多苯系化合物（见表），这些苯系化合物在水解池出水与最终出水中部未检出，这说明难降解大分子物质经过水解酸化后可以降解。从微观角度为说明水解好氧工艺最终出水可优于传统好氧生物处理工艺提供了理论基础。（4） 经水解酸化反应后产物大部分是酸性小分子化合物，且多为化合物。经过水解酸化反应后，有机物的种类并没有减少，相反增加了许多小分子的化合物，这些酸性化合物容易被生物降解，这也从一个侧面说明，为什么经过水解酸化反应后比值有所提高，即可生化性有所提高。这是由于大分子难降解化合物降解为小分子易降解的酸性小分子化合物所致。（5） 经过活性污泥法最终处理后，出水的化合物种类和含量有明显减少。去除率可达以上，但某些化合物，如，（，甲基亚乙基）双酚等化合物由于其结构上的特点，在处理过程中没有被分解。并且在处理后出现一些新化合物，如哔喃果糖三苷等化合物，它们可能是微生物生物代谢过程中的中间产物，或者为某些胞外酶。这些有机物的共同特点是难于为生物所降解，这也说明为什么二级处理到一定程度，最终出水浓度仍然保持一定水平的原因。采用色质联用方法研究水解酸化过程特性，进一步证实了对水解池在工艺中所起作用的分析、推断。从理论上说明了水解好氧生物处理的机理，但在分析中也存在一些没有解决的问题，例如，对于水解降解产物中一些卤代烃产物的形成途径缺乏认识，还有待于进一步分析。第五节 水解工艺对后续好氧工艺的影响水解工艺着眼于整个系统的处理效率和经济效率，放弃了厌氧反应中甲烷发酵阶段，利用厌氧反应中水解和产酸作用，使得污水、污泥一次得到处理。在整个过程中，大量悬浮物水解成可溶性物质，大分子降解为小分子，因此工艺过程中有许多不同于传统工艺的特点。且由于这些特点，单从出水水质、等去除率来评价水解反应器的作用是不全面的，应对后处理中各种现象进行分析，以全面评价水解反应在整个系统中的功能。表和表为不同国家的城市污水在不同实验条件下，原水水质与水解出水的性质对比。表 原污水与水解出水水质比较（北京市高碑店污水处理厂）项 目原污水水解出水原污水水解出水（）（）（）溶解性比例（） 动力学常数耗气速率【（·）】气水比：曝气池停留时间曝气池出水（）表水解反应前后污水性质的变化（，荷兰）项目（）（）（）5f5f进水出水、有机物含量显著减少水解反应器的第一个特点是对于有机污染物（特别是悬浮物）相对高的去除率，平均去除率为，而悬浮性去除率更高，为；出水悬浮物的浓度低于，这些因素对于各种后处理是非常有利的。如采用活性污泥法后处理，由于有机物的绝大数量减少，与传统的活性污泥工艺相比，停留时间也可减少，同时曝气量减少。其基建总投资、能耗和运行费用可分别节省左右。如采用氧化塘后处理，与单独采用传统氧化塘相比，占地面积减少以上，基建投资降低，运行费用降低，并且基本上解决了一般氧化塘的淤结问题。若采用土地处理系统，由于经水解池处理后污水的可生化性提高，悬浮物弄地低于，可大大提高土地的处理负荷，减少占地，提高处理效率，可应用于城市污水。根据实际情况的不同，后处理工艺目前的应用有以下几种形式。（1） 水解活性污泥处理工艺，如北京密云污水处理厂；（2） 水解氧化沟处理工艺，如河南安阳豆腐营污水处理厂；（3） 水解接触氧化处理工艺，如深圳白泥坑污水处理厂；（4） 水解土地处理工艺，如山东安丘污水处理厂；（5） 水解氧化塘处理工艺，如新疆昌吉污水处理厂；、比值和溶解性有机物比例显著增加不同条件下的城市污水经水解反应后，出水值有所提高，如从提高到（北京），从提高到（荷兰）。比值的提高说明废水可生化性的提高，这是水解反应的第二个显著特点。另外经水解处理后，溶解性有机物比例发生了很大变化，水解出水溶解性比例提高了倍。而一般经初沉池后出水溶解性、的比例变化较小。众所周知，微生物对有机物的摄取只有溶解性的小分子物质才可直接进入细胞体内，而不溶性大分子物质首先要通过细胞外酶的分解才可直接进入微生物体内的代谢过程。经水解处理，有机物在微生物的代谢途径上减少了一个重要环节，无疑将加速有机物的降解。这表明水解反应器相对于曝气池起到了预处理的作用，使得经水解处理后出水变得更易于被好氧菌降解。水解池出水采用活性污泥后处理工艺与采用传统活性污泥工艺进行对比如下：在停留时间左右的情况下，不论采用穿孔管或中微孔曝气方式，和去除率均显著高于传统工艺流程，且出水低于，传统工艺停留时间左右仍然达不到与本工艺相接近的出水水质，因此，从曝气池容积上新工艺要少左右。曝气量若同样采用穿孔管曝气设备，曝气量可节省气量，同样采用中微孔曝气器时节省量为左右。、降解动力学原污水和水解出水历时变化曲线不同（图）。水解出水耗氧量开始变化很快，随后迅速趋于平稳，而原水耗氧量变化很缓慢。水解出水的值从原水的上升到，在第天水解出水好氧曲线开始转平；而原污水在第天左右开始转平，时间上两者相差倍。可以得出如下结论：（1） 需氧量的差别，理论上使得处理水解池出水可降低的氧耗量；（2） 在相同停留时间下，水解池出水有机物去除比例可高于传统工艺；（3） 可生物降解物质的降解所需的反应时间两者相差倍，这说明采用水解好氧处理工艺可显著缩短曝气时间，从理论上讲，这个比例可高达。、污泥和去除平衡在实验室（荷兰）的实验中，通过严格的物料平衡得到图所示的和污泥平衡关系。从图中数据可以算出污泥的水解率为（以计），说明水解反应器中污泥也受到了充分的处理，这是水解反应的第三个显著特点。由图给出的和污泥平衡可知，的平均去除率为，而接近的去除的仍然保留在污