全面解析水解酸化原理

水解酸化反应机理

水解在化学上指的是化合物与水进行的一类反应的总称。在废水处理中，水解指的是有机底物进入细胞之前，在胞外进行的生物化学反应。水解是复杂的非溶解性的聚合物被转化为简单的溶解性单体或二聚体的过程。高分子有机物因相对分子量巨大，不能透过细胞膜，因此不可能为细菌直接利用。他们首先在细菌胞外酶的水解作用下转变为小分子物质。这一阶段最为典型的特征是生物反应的场所发生在细胞外，微生物通过释放胞外自由酶或连接在细胞外壁上的固定酶完成生物催化氧化反应（主要包括大分子物质的断链和水溶）。

酸化则是一类典型的发酵过程，即产酸发酵过程。酸化是有机底物即作为电子受体也是电子供体的生物降解过程。在酸化过程中溶解性有机物被转化以挥发酸为主的末端产物。

在厌氧条件下的混合微生物系统中，即使严格地控制条件，水解和酸化也无法截然分开，这是因为水解菌实际上是一种具有水解能力的发酵细菌，水解是耗能过程，发酵细菌付出能量进行水解是为了取得能进行发酵的水溶性底物，并通过胞内的生化反应取得能源，同时排出代谢产物(厌氧条件下主要为各种有机酸)。如果废水中同时存在不溶性和溶解性有机物时，水解和酸化更是不可分割地同时进行。如果酸化使pH值下降太多时，则不利于水解的进行。

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。水解酸化工艺就是将厌氧处理控制在反应时间较短的第一和第二阶段，即将不溶性有机物水解为可溶性有机物，将难生物降解的大分子物质转化为易生物降解的小分子有机物质的过程。

1.1 水解酸化的影响因素

a) 基质的种类和颗粒粒径

基质不同，其水解难易亦不同。基质的种类对水解酸化过程的速率有重要影响。如脂肪、蛋白质、多糖在其他条件相同的条件下，水解速率逐渐增大；对同类型有机物来说，分子量大的要比分子量小的更难水解；从分子结构来说，水解难易程度为直链结构＞支链结构＞环状结构，且单环化合物易于杂环化合物。污染物的颗粒的大小对水解速率的影响也很大。颗粒粒径越大，单位重量的比表面积就小，越难于水解。因此，对于颗粒大有机污染物浓度较高的废水或污泥，先破碎后再进入水解池，加速水解（酸化）速率。

b) 容积负荷

容积负荷是水解过程的重要工艺参数之一，它反映了进水浓度与停留时间对厌氧过程的综合影响。对于水解反应器，容积负荷设计取值较低，提高水力停留时间，使污染物质与水解微生物接触时间加长，溶解出COD浓度变高，水解也越完全。对于对于城市污水，水解反应可在很短时间内完成，容积负荷可取相对较高值；而对于工业废水比例较大的的污水，容积负荷需根据废水性质进行设计。

c) 配水系统

水解池良好运行的重要条件之一是保障污泥和废水之间的充分接触，因此系统底部的布水系统应该尽可能地均匀。水解反应器的配水系统是一个关键的设计系统，为了使反应器底部进水均匀，有必要采用将进水均匀分配到多个进水点的分配装置。

d) 上升流速

为确保水解反应器中泥水的充分接触及出水水质，水解池的上升流速应控制在一定的范围内。当上升流速偏低时，大量的较密实的活性污泥沉积在水解池的底部，在污水上升的过程中，泥水不能充分接触反应，从而导致了去除效果较差。当上升流速偏高时，会造成水解池的活性污泥大量流失。出水带泥，一方面对后续好氧生化处理的微生物造成毒性，另一方面无法保证水解池的去除效果。

1.2 水解酸化工艺优点

水解酸化阶段主要利用的是发酵细菌，这类细菌的种类繁多，代谢能力强，繁殖速度快，对外界环境适应能力强等特点。

水解酸化工艺与好氧工艺联用与单独的好氧工艺相比，具有以下优点：

1、水解酸化工艺运行费用低，且其对废水中有机物的去除亦可节省好氧段的需氧量，从而节省整体工艺的运行费用；

2、水解酸化工艺使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，提高好氧处理的效能；

3、水解酸化工艺的产泥量远低于好氧工艺，并已高度矿化，易于处理；

4、水解酸化工艺可对进水负荷的变化起到缓冲作用，从而为好氧处理创造较为稳定的进水条件；

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。