**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
（1）COD→H2O+CO2 （2）COD→CH4+CO2
传统好氧工艺 传统厌氧工艺
（3）NH4+→NO3- （4）NO3-→N2
硝化工艺 反硝化或缺氧工艺
（5）H2S→S0 （6）SO42-→H2S
微需氧或好氧工艺 厌氧反应
（7）R-Cl→CO2+Cl- （8）R3CCl→CH4+CO2+Cl-
好氧反应 厌氧反应
从化学反应式（1）-（8）来看，除反应式（1）、（2）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**的工艺人们已开始有所涉及。如，对去除N、P的A2O或AO工艺（反应式（3）、（4）），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（6）），产生的硫化氢被微需氧**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（5））。*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（7）、（8））。
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AB工艺和序批式活性污泥（SBR）工艺。前者是在A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SBR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20世纪80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30%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���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。1983-1984年在北京进行了**阶段实验，采用37L的UASB反应器，并配有三相分离器，停留时间为8.0h。在这一阶段COD、BOD5和SS的去除率分别在50-70%、60-80%和70-90%。尽管停留时间很长（8.0h），但沼气产量很低，仅为0.02m3/（m3·d）。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，UASB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（*低为9℃）较低的实验。
在温暖气候条件下常温（10-20℃）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8-12h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。**，停留时间在8-24h的厌氧系统的竞争能力将大为降低，COD的去除率仅30-60%。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UASB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2.5h，但分别可取得高达45.7%、42.3%和93.0%的COD、BOD5和SS去除率。后处理的活性污泥法仅需采用2.5h停留时间。
新工艺有两个*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**、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*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。
（1）氧化还原电位（Eh）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（Eh）的控制必须首先满足对Eh要求严格的甲烷菌，一般为300mV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-300—-100mV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Eh控制在0mV左右，该过程即可孙里进行。
（2）pH值不同
在厌氧消化系统中，消化液的pH值控制在甲烷菌生长的*佳pH值范围，一般为6.8-7.2。在两相厌氧消化系统中，产酸相的pH值一般控制在6.0-6.5之间，在酸化反应器pH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pH值的范围，一般pH在6.5-7.5之间。
（3）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及两相厌氧消化系统的温度均严格控制，要么中温消化（30-35℃），要么高温消化（50-55℃）。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***，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***；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AO（HO）、A2O和AB等工艺A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AO（HO）、A2O和AB等工艺A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15-25g/L，而好氧AO（HO）、A2O和AB等工艺中从二沉池回流的污泥浓度一般*高为5g/L，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AO（HO）、A2O和AB等工艺中A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*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*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2-1）
表2-1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 |
Eh/Mv | 0 | -100～-300 | <-300 |
pH值 | 6.5～7.5 | 6.0～6.5 | 6.8～7.2 |
温度 | 不控制 | 控制 | 控制 |
优势微生物 | 兼性菌 | 兼性菌+*** | *** |
产气中甲烷含量 | 极少 | 少量 | 大量 |
*终产物 | 低浓度的有机酸 | 高浓度的有机酸如乙酸、少量CH4/CO2 | CH4/CO2 |
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**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**阶段完成之前，出水无厌氧发酵的**气味，改善处理厂的环境。
（5） **、**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。
