水解酸化

定义

水解酸化是一种介于好氧处理与厌氧处理之间的污水生物处理方法，其做法是在厌氧反应进行到水解和酸化两个阶段之后即予终止，不让反应进入产乙酸和产甲烷阶段^[1]。它以提升废水的可生化性、也就是提高 BOD5 与 COD 的比值作为主要目标，而不是以彻底矿化有机物或回收沼气为目的，因此通常作为整套处理流程的前置单元使用^[3]。

与完整的厌氧消化相比，水解酸化在氧化还原电位、pH 值和温度上的要求都宽松得多，反应器内起作用的优势菌群是兼性厌氧的水解产酸菌，而非专性厌氧的产甲烷菌^[4]。正因为不追求产甲烷，水解酸化池无需密闭、无需搅拌器，也无需水、气、固三相分离器，工程造价与维护难度都相应降低^[5]。

原理

在厌氧降解的四个阶段中，水解阶段指复杂的非溶解性聚合物被转化为简单的溶解性单体或二聚体；酸化阶段指溶解性有机物被转化为以挥发性脂肪酸为主的末端产物^[6]。水解酸化就是只完成这两个阶段：细菌胞外酶先把纤维素、淀粉、蛋白质等大分子分别分解为纤维二糖与葡萄糖、麦芽糖与葡萄糖、短肽与氨基酸，这些小分子水解产物能够溶于水并透过细胞膜被细菌利用^[3]。

反应在时间上呈现明显的两段特征。进水中的颗粒物质和胶体物质先被污泥层迅速截留和吸附，这一步属于物理过程，一般只需几秒到几十秒；随后被截留的物质吸附在水解污泥表面被缓慢分解代谢，其在系统内的污泥停留时间要长于水力停留时间^[7]。由于水解菌和产酸菌世代时间短，多以分钟和小时计，这一降解过程同样进行得较快^[5]。

水解速率受多种因素制约。就多糖、蛋白质和脂肪而言，在相同条件下水解速率依次减小；同类有机物分子量越大越难水解，分子结构上直链比支链易水解、支链比环状易水解，颗粒粒径越大越难水解^[6]。水解酸化微生物对 pH 的适应范围较宽，水解过程可在 pH 3.5 至 10.0 的区间内顺利进行，最佳值约为 5.5 至 6.5；温度在 10 至 20 摄氏度之间变化时，水解速率变化不大^[8]。

水解与酸化在工程上难以截然分开。水解菌本身是兼具水解能力的发酵细菌，水解是耗能过程，细菌付出能量进行水解是为了取得可溶性底物，并通过胞内反应获得能源、排出以有机酸为主的代谢产物；当废水同时含有不溶性和溶解性有机物时，两个过程更是不可分割地同时进行^[9]。

发展历程

水解酸化工艺的概念由中国研究者王凯军于 1987 年提出，是一项具有中国自主知识产权的污水处理技术^[7]。其研究起点是低浓度污水的厌氧处理试验：北京市环境保护科学研究院的团队从 1985 年 8 月起在北京高碑店建成处理规模 1800 立方米每天的水解—好氧工艺示范工程，水温在 13 至 31 摄氏度之间连续运行 3 年以上^[2]。

1986 年该研究通过技术鉴定，随后获得国家发明专利和北京市科技进步一等奖^[2]。北京密云县城 15000 立方米每天的污水处理厂采用了这一工艺，其水解池设计停留时间 2.5 小时，运行期间水解池对 COD、BOD 和 SS 的去除率分别为 31.2%、33.2% 和 76.5%^[2]。

此后该工艺被列入国家“七五”攻关、建设部开发项目和北京市重点科研计划，国家环境保护总局将其列为最佳实用技术^[2]。到 20 世纪 90 年代末，水解—好氧生物处理工艺已应用于 10 余座城市污水处理厂，形成 20 万立方米每天的处理能力^[2]。水解酸化反应器的型式也从最初的升流式污泥床扩展到复合式反应器、厌氧折流板反应器、厌氧接触反应器等^[7]。

应用

水解酸化最主要的用途是作为预处理单元，替代功能单一的传统初次沉淀池。在水力停留时间与初沉池相当的情况下，水解反应器对 COD、BOD5、SS 的去除率分别为 43.5%、32.3% 和 83.6%，而初沉池分别为 28.9%、25% 和 63.9%^[2]。处理城市污水时，原水经水解后溶解性 COD 比例由 50.8% 升至 77.8%，BOD5 与 COD 的比值由 0.345 提高到 0.41 左右，从而使后续曝气池的停留时间可由 8 小时缩短至 4 小时^[2]。

该工艺广泛用于水质波动大、可生化性差的工业废水。相关综述将其应用领域归纳为印染、造纸、烟草、制药、石化、涂装等行业，并常与厌氧、好氧或物化工艺组合使用^[10]。在改良型式方面，出现了零价铁水解酸化、生物填料水解酸化、微曝气水解酸化等做法^[10]。

在农村和小城镇分散污水处理中，水解酸化常作为一体化工艺的首个生化单元。有工程将农户化粪池改造利用，污水经格栅进入水解酸化池后依次进入高效厌氧池、塔式蚯蚓生态滤池和复合人工湿地，江苏常州武进区的项目覆盖 33 个自然村，2008 年投运^[11]。吉林磐石的一项示范工程采用“格栅—沉砂池—水解池—改型 SBR—消毒”流程，2011 年 10 月建成运行，实际处理水量约 7500 立方米每天^[12]。

水解酸化还兼具污泥处理功能。由于采用厌氧处理技术，处理污水的同时也完成了对污泥的处理，污泥量可比常规污水处理工艺减少 50% 至 60%，使污水与污泥处理一元化，并简化了传统流程^[12]。研究显示，水解池排出的污泥已相当稳定，污泥脱水性能与卫生学指标不低于消化污泥，因此可以从污泥处理流程中取消消化池系统^[13]。

局限

水解酸化的作用重点在于改变污染物的化学结构和性质，而不在于去除 COD 总量。工程实测中，该单元对 COD 的去除率通常只有 10% 至 30%，去除的部分主要来自污泥层的截留与大颗粒有机物的沉淀，即悬浮性和胶体性 COD^[14]。这意味着它不能单独保证出水达标，一般情况下必须连接后续处理系统才能完成净化^[7]。

水解酸化不彻底降解有机物，也不产甲烷，因而不能回收沼气这一能源；作为代价，它把有机物的降解任务留给了后续好氧段，整体能耗的降低建立在后续工艺效率提升的基础上^[7]。此外，反应控制在产甲烷阶段之前，只抑制而非绝对排除产甲烷菌，污泥中可能仍存在少量甲烷菌并产生微量甲烷，只是以气体形式释放的量很少^[7]。

工程运行中存在若干具体问题。布水不均、污泥板结和短流会导致水解酸化池效果不佳，有中试研究为此改用升流式水解酸化反应器，中试设备的平均 COD 去除率超过 31.51%，较对照组提高 15% 以上^[15]。上升流速也是敏感参数：流速偏低时较密实的活性污泥沉积于池底，泥水不能充分接触，去除效果变差；流速偏高则会大量流失活性污泥，同样无法保证效果^[6]。

对含硫酸盐较高的废水，水解酸化过程存在副反应风险。石化废水普遍含有较高浓度硫酸盐，在厌氧水解酸化过程中会被还原为硫化氢，这种气体有毒且具恶臭，会腐蚀金属设备，并可能引起后续好氧生物处理系统污泥膨胀、影响其稳定性^[14]。针对这一问题，出现了将厌氧水解酸化改造为微好氧水解酸化的做法，以抑制硫酸盐还原、减少硫化氢产生^[14]。

参见

• 厌氧消化 —— 水解酸化是厌氧消化的前两个阶段，两者在运行目的与环境条件上存在明显差别。

• 升流式厌氧污泥床 —— 水解酸化反应器属于升流式厌氧污泥床的技术范畴，二者在布水与污泥截留方面原理相通。

• 序批式活性污泥法 —— 与水解酸化组合形成水解酸化—SBR 等处理流程，是常见的后接好氧单元。

• BOD5 —— 与 COD 的比值是衡量水解酸化改善废水可生化性效果的核心指标。

• 挥发性脂肪酸 —— 水解酸化酸化阶段的主要末端产物，常被用作判断水解酸化效果的指标。