【摘 要】隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和生活水平的逐漸提高，廢水排放量也隨之增多，造成的環(huán)境污染日趨嚴(yán)重。廢水水解酸化-生物處理技術(shù)由于其諸多優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用。本文綜述了包括水解酸化與活性污泥法、生物膜法、生物接觸氧法等廢水生物處理技術(shù)的原理、應(yīng)用，介紹廢水酸化-生物處理法的前沿動(dòng)態(tài)、應(yīng)用進(jìn)展及發(fā)展趨勢(shì)。

【關(guān)鍵詞】水解酸化；生物處理；研究進(jìn)展；發(fā)展趨勢(shì)

引言

隨著工業(yè)的發(fā)展，特別是隨著石油、化工、塑料及纖維等工業(yè)的發(fā)展，造成的水污染相當(dāng)嚴(yán)重，污水成分已愈來(lái)愈復(fù)雜，大量結(jié)構(gòu)復(fù)雜、難降解的有機(jī)物質(zhì)和有毒物質(zhì)進(jìn)入廢水和城市污水中，很難在短時(shí)間內(nèi)被常規(guī)生物處理系統(tǒng)中的微生物分解氧化[1]。為了解決高濃度、高毒性、難降解有機(jī)廢水的處理問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者們通過(guò)水解酸化并投加具有特定功能的微生物、營(yíng)養(yǎng)物或基質(zhì)類似物。目前。常見(jiàn)的污水的生物處理技術(shù)可分為好氧生物處理和厭氧生物處理。厭氧處理系統(tǒng)雖然具有剩余污泥少，成本低，能產(chǎn)生可利用的甲烷氣等優(yōu)點(diǎn)，但是其處理過(guò)程不穩(wěn)定，不易控制，反應(yīng)器初次啟動(dòng)緩慢，特別是出水COD濃度高，較難達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)，故在厭氧生物處理系統(tǒng)后一般還需串聯(lián)好氧處理系統(tǒng)，運(yùn)用這種串聯(lián)系統(tǒng)雖然使出水水質(zhì)得到了改善，但由于厭氧段采用甲烷化，對(duì)操作和運(yùn)行條件要求嚴(yán)格，原水中大量易于降解的物質(zhì)（如有機(jī)酸等）在厭氧處理系統(tǒng)中被甲烷化，剩余的主要是難降解或厭氧消化的剩余產(chǎn)物，因此，后續(xù)的好氧處理盡管負(fù)荷較低，但是處理效率也很低。直到80年代后出現(xiàn)了水解（酸化）好氧生物處理工藝，即從污水中獲取養(yǎng)分，同時(shí)降解和利用有害物質(zhì)，對(duì)廢水中呈溶解態(tài)或膠體狀態(tài)的有機(jī)污染物起到降解作用，從而達(dá)到提高廢水處理效果[2]。該方法與生物技術(shù)處理相結(jié)合，加上生物處理法具有消耗少、運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用低、工藝簡(jiǎn)單、操作管理方便和無(wú)二次污染等顯著優(yōu)點(diǎn)，這種所謂新興治理方式得到了越來(lái)越多人的重視，并在全世界范圍內(nèi)得到了積極發(fā)展和應(yīng)用，也取得了良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益[3]。

1.水解酸化-生物處理技術(shù)的機(jī)理

1.1水解酸化機(jī)理

廢水厭氧生物處理技術(shù)是指在分子氧不存在的條件下，通過(guò)厭氧微生物包括兼性厭氧微生物的作用，將廢水中各種復(fù)雜的有機(jī)物質(zhì)分解成甲烷和二氧化碳等物質(zhì)的過(guò)程。厭氧生物處理過(guò)程中，復(fù)雜的有機(jī)化合物分解為簡(jiǎn)單的、穩(wěn)定的化合物，并釋放能量。其中，大部分能量以甲烷的形式被釋放，而只有少量的有機(jī)物質(zhì)轉(zhuǎn)化為一個(gè)新的細(xì)胞成分。

大分子有機(jī)物的厭氧降解過(guò)程可以分為四個(gè)階段，即水解階段、發(fā)酵（或酸化）階段、產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸階段與產(chǎn)甲烷階段。水解階段是將非溶解性的復(fù)雜的聚合物轉(zhuǎn)化為溶解性的簡(jiǎn)單的單體或二聚體的過(guò)程。發(fā)酵階段則是將溶解性有機(jī)物轉(zhuǎn)化為以揮性為主的末端產(chǎn)物的降解過(guò)程，在發(fā)酵階段，有機(jī)物化合物同時(shí)作為電子和電子供體，因此這一降解過(guò)程也稱為酸化。在產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸階段中，發(fā)酵階段的產(chǎn)物在產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌的作用下被進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為乙酸、氫氣、碳酸以及新的細(xì)胞物質(zhì)。在最后的產(chǎn)甲烷階段，乙酸、氫氣、碳酸、甲酸和甲醇被轉(zhuǎn)化為甲烷、二氧化碳和新的細(xì)胞物質(zhì)。

水解酸化處理是指將厭氧過(guò)程控制在厭氧生物處理的第一和第二階段，即水解階段與發(fā)酵階段，在水解酸化處理階段，兼性的水解產(chǎn)酸菌可以利用H2O電離的H+和OH-將復(fù)雜的有機(jī)物分子中的C-C打開，一端加入H+一端加入OH-，可以將長(zhǎng)鏈水解為短鏈、支鏈水解為直鏈，環(huán)狀結(jié)構(gòu)水解為成直鏈或支鏈，從而把復(fù)雜的有機(jī)物轉(zhuǎn)化為簡(jiǎn)單的無(wú)機(jī)物，提高污水的可生化性。

水解酸化的反應(yīng)式一般可以寫作以下形式：

R-X+H2O—>R-OH+X-+H+

其中，R表示大分子有機(jī)物的主體碳鏈，X表示分子中的極性基團(tuán)。水解酸化工藝的優(yōu)點(diǎn)除了將大分子有機(jī)物分解為小分子，減少后續(xù)工藝的運(yùn)行時(shí)間外，還可以大幅度去除廢水中的懸浮物和有機(jī)物，能夠較好的抗沖擊負(fù)荷，保證后續(xù)工藝的進(jìn)水穩(wěn)定性，并且產(chǎn)泥量小，易處理。水解酸化工藝的不足之處為，單獨(dú)運(yùn)行無(wú)法達(dá)到出水水質(zhì)的要求，一般要與其他工藝聯(lián)用。

1.2活性污泥法機(jī)理

活性污泥凈化廢水，主要依靠懸浮于水中的多孔性膠體絮狀污泥。它是多種細(xì)菌組成的，至少有50多種?；钚晕勰嘀羞€含有多種原生動(dòng)物，在曝氣槽中裝有各式曝氣設(shè)備，進(jìn)行強(qiáng)制通風(fēng)，不斷的提供氧氣。凈化作用分兩部分：首先是活性污泥的表面吸附作用。包括物理吸附、電吸附和化學(xué)吸附作用，能吸附細(xì)小懸浮物、有機(jī)膠體和溶解性有機(jī)物。其次是生物氧化作用，被吸附的物質(zhì)在細(xì)菌體內(nèi)氧化分解，排出二氧化碳、水和氨，并繁殖細(xì)菌本體，使污泥恢復(fù)吸附能。曝氣槽中，還繁殖有多種原生動(dòng)物，它們不但食掉有機(jī)物，還以細(xì)菌為食料，以抑制過(guò)多污泥產(chǎn)生?；钚晕勰嘁话愕牧鞒淌沁@樣的：首先，廢水流經(jīng)一級(jí)處理系統(tǒng)除去硬渣、砂石和部分纖維等懸浮物。而后進(jìn)入活性污泥曝氣池，同時(shí)空氣不斷地通入池中，以維持廢水中的溶解氧在l.0mg/L左右，并控制污泥濃度在6000-3000mg/L[4]。此時(shí)溶解性有機(jī)物被大量降解。最后，夾雜著活性污泥的廢水進(jìn)入沉淀池進(jìn)行固液分離，上清液排出系統(tǒng)流入排放水體，沉淀的污泥一部分回流入曝氣池，另一部分進(jìn)入污泥處理系統(tǒng)?；钚晕勰喾ㄒ话鉈OD負(fù)荷可達(dá)3-5kgBOD/（m3·d），其BOD去除率為60-70%，COD去除率僅為40%。

1.3生物膜法機(jī)理

膜生物反應(yīng)器是將膜分離技術(shù)和生物技術(shù)有機(jī)地結(jié)合在一起，以膜技術(shù)的高效分離作用取代傳統(tǒng)活性污泥法中的二沉池，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)工藝所無(wú)法比擬的泥水分離和污泥濃縮效果，消除了污泥膨脹的影響，并可大幅度提高曝氣池中活性污泥的濃度，省卻了污泥回流系統(tǒng)，反應(yīng)器在高容積負(fù)荷和低污泥負(fù)荷、長(zhǎng)泥齡運(yùn)行下，大大減少了剩余污泥量，并通過(guò)膜的高效截留作用，可以使廢水中大分子難降解成分截留在反應(yīng)器內(nèi)，延長(zhǎng)了反應(yīng)時(shí)間，大大提高了難降解有機(jī)物的降解率，并實(shí)現(xiàn)對(duì)懸浮物、病原菌和病毒的有效去除，提高處理出水水質(zhì)，在通常情況下，其處理出水無(wú)需進(jìn)行消毒處理即可達(dá)到相關(guān)的衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)[5]。

1.4生物接觸氧化法機(jī)理

生物接觸氧化法中，填料表面全為生物膜所布滿，由于絲狀菌的大量滋生微生物有可能形成一個(gè)呈立體結(jié)構(gòu)的密集生物網(wǎng)而附著在填料上，同時(shí)由于曝氣吹脫使部分絮體或碎裂微生物膜以懸浮狀態(tài)存在于污水中。起初附著于填料表面只有少量的微生物，由于微生物的不斷繁殖，在具備充足的溶解氧和豐富的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的情況下，生物膜變得越來(lái)越厚。這是好氧菌通過(guò)吸收擴(kuò)散到生物膜內(nèi)溶解氧和有機(jī)物用于自身的生長(zhǎng)代謝的作用。當(dāng)生物膜厚度生長(zhǎng)到一定程度的時(shí)候，生物膜內(nèi)層不能支撐其表面的生物群體時(shí)，這時(shí)好氧菌開始死亡隨之溶化，此時(shí)內(nèi)層的厭氧菌開始得以繁殖發(fā)展。厭氧菌經(jīng)過(guò)了一段時(shí)間的積累后其數(shù)量開始減少，又由于有代謝氣體從內(nèi)部跑出，便使得內(nèi)層生物膜表面由于這種作用產(chǎn)生了出現(xiàn)許多孔道，生物膜的附著力明顯降低，并成塊的脫落下來(lái)，在脫落的填料表層，微生物又重新積聚成為生物膜，這樣就使微生物能夠保持良好的活性，新陳代謝處于良性循環(huán)。從而能夠取得穩(wěn)定的去除效率。生物接觸氧化法中固著的生物膜不同于一般生物膜。生物膜的厚度取決于水中有機(jī)物的濃度和曝氣量，通過(guò)在氧化裝置中采用曝氣方式，不僅為生物膜提供了較充足的DO，而且由于曝氣的攪動(dòng)作用，也使生物膜的更新速度加快，這樣使得膜的活力與氧化能力會(huì)得到有效的提高。并且由于空氣不斷地打入水中，其不斷的攪動(dòng)水體能使污水形成了紊流，這樣便使得污水與固著在填料上的微生物可以有效的相接觸，對(duì)于生物濾池中可能存在接觸不良的這種現(xiàn)象，通過(guò)曝氣大大降低了其發(fā)生率。

2.水解酸化-生物處理技術(shù)的應(yīng)用

隨著生物處理技術(shù)的日益成熟，已廣泛應(yīng)用在多種廢水的處理中.主要通過(guò)提高目標(biāo)污染物的去除效果，改善污泥性能、減少污泥產(chǎn)量、縮短系統(tǒng)的啟動(dòng)時(shí)間，增強(qiáng)耐沖擊負(fù)荷的能力和系統(tǒng)的穩(wěn)定性、添加生物酶，加快反應(yīng)進(jìn)行。

李海英等為期1個(gè)月的連續(xù)處理造紙漂白廢水試驗(yàn)表明，固定化細(xì)胞的酶活性及可吸附有機(jī)鹵素（AOX）去除率均高于自由菌液，對(duì)溫度和pH的適應(yīng)范圍較寬；在停留時(shí)間為2.4h時(shí)，其去除率可穩(wěn)定在80%左右[6]；

喬慶霞等選育優(yōu)勢(shì)菌處理含氯漂白廢水中段水相對(duì)濃度為50%，pH為7.0，菌液量為2ml時(shí)，對(duì)廢水中有機(jī)氯化物和COD的綜合處理效果較好[7].生物增強(qiáng)作用比一般的廢水處理方法更能提高系統(tǒng)對(duì)BOD5，COD，TOC或某種特定難降解物的去除效果。

韓長(zhǎng)秀等利用投加高效菌種強(qiáng)化法處理牛奶廢水，在延時(shí)曝氣、曝氣塘和氧化溝3種不同的處理系統(tǒng)，都提高了BOD5，COD的去除率[8]；

劉暉用該方法處理馬鈴薯廢水時(shí)，TOC的去除率達(dá)到98%；通過(guò)在活性污泥法中投加苯酚降解菌，在40d內(nèi)處理系統(tǒng)對(duì)苯酚的去除率保持在95%～100%，而沒(méi)有采用生物強(qiáng)化的中苯酚的去除率降低到40%，提高苯酚的去除率[9]；

林俊岳在附著生長(zhǎng)生物床中，加入降解BTX（苯、甲苯、二甲苯）的混合優(yōu)勢(shì)菌，生物增強(qiáng)系統(tǒng)的去除效果提高7mg/L BTX；生物增強(qiáng)作用不僅可以有效地消除污泥膨脹，增強(qiáng)污泥沉降性能，且可減少污泥產(chǎn)量，一般可使污泥容積降低20%左右[10]。

D.RenateHuebner.改善出水水質(zhì)，減少污泥排放和污泥處理的能耗.結(jié)果表明，接種生物增強(qiáng)劑運(yùn)行3周就可消除污泥膨脹現(xiàn)象[11]；

潘景盛在大規(guī)模廢水處理中，使用生物增強(qiáng)劑后，污泥床厚度下降到2m左右，降低能耗，控制臭氣的產(chǎn)生，縮短系統(tǒng)的啟動(dòng)時(shí)間，達(dá)到較高的快速處理效果，增強(qiáng)系統(tǒng)的耐沖擊負(fù)荷能力以及處理系統(tǒng)的穩(wěn)定性[12]。

3.結(jié)語(yǔ)

從國(guó)內(nèi)外廢水生物處理法的研究與應(yīng)用現(xiàn)狀來(lái)看，不斷推出更好的生物處理工藝，去除污水中溶解和膠體的有機(jī)物質(zhì)的效率越來(lái)越高，污水出水水質(zhì)好，達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)，已成為在現(xiàn)代廢水處理的研究熱點(diǎn)。廢水生物處理向著更先進(jìn)、更高效、更節(jié)能、自動(dòng)化程度更高的方向發(fā)展，細(xì)胞及微生物固定化技術(shù)的應(yīng)用、新型填料與載體的開發(fā)應(yīng)用、節(jié)能技術(shù)突出等領(lǐng)域取得長(zhǎng)足的進(jìn)展。該方法具有提高難降解有機(jī)物的去除率、改善污泥性能、縮短系統(tǒng)的啟動(dòng)時(shí)間、增強(qiáng)系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性和耐沖擊負(fù)荷能力，顯著提高水處理范圍和水處理能力，具有工藝簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、處理能力強(qiáng)、占地面積少、運(yùn)行方式靈活等優(yōu)點(diǎn)，是一種投資省、運(yùn)行費(fèi)用低、處理效率高的廢水處理的新工藝。該技術(shù)廣泛應(yīng)用于生活污水、紡織、屠宰、造紙、核污染等廢水處理.然而目前建造的廢水處理工程與設(shè)施的投資和昂貴的運(yùn)行、管理費(fèi)用成為廢水處理工程中的瓶頸。如何改善載體的結(jié)構(gòu)，提高對(duì)微生物的附著能力、加強(qiáng)傳質(zhì)、提供更大的孔隙率和比表面積，改善材質(zhì)以降低生產(chǎn)成本及運(yùn)行成本等將成為這一領(lǐng)域中較為集中的研究課題。因此，生物強(qiáng)化技術(shù)與傳統(tǒng)生物處理技術(shù)相結(jié)合，成為廢水生物處理的必然趨勢(shì)，對(duì)經(jīng)濟(jì)與環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展具有深遠(yuǎn)的歷史意義！

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作者簡(jiǎn)介：

卞靜晶（1981-），女，江蘇南京人，環(huán)境管理專業(yè)工程師，本科，從事環(huán)境監(jiān)測(cè)與管理工作。