一、好氧（yǎng）生物處理的基本（běn）生物（wù）過（guò）程

       所謂“好氧”：是指這（zhè）類生物（wù）必須在有分子態氧（yǎng）氣（O2）的存在下，才能（néng）進（jìn）行正常的生理生化反應，主要（yào）包括大部分微生物、動物（wù）以及99精品国产综合久久久久五月天人類；所（suǒ）謂（wèi）“厭（yàn）氧”：是能在無（wú）分（fèn）子態氧存在的條件下，能進行正常的生理生化反應的生物，如（rú）厭氧細菌、酵母菌等。好氧生物處理過程（chéng）的生化反應（yīng）方（fāng）程式（shì）：

       ①分解（jiě）反（fǎn）應（又稱氧化（huà）反應、異化代謝、分解代謝） CHONS +O2 CO2 + H2O + NH3 + SO42- +¼+能量（有機物的組成元（yuán）素（sù））

       ②合成反應（也稱合成代謝、同化作（zuò）用） C、H、O、N、S +能量（liàng） C5H7NO2

       ③內源呼吸（也稱細胞（bāo）物質的自身氧化） C5H7NO2 + O2 CO2 + H2O + NH3 + SO42- +¼+能量在正常情況下，各類微生物細胞物質（zhì）的（de）成分是相對穩定的，一般可用下列實驗式來表示：細菌：C5H7NO2；真菌：C16H17NO6；藻類：C5H8NO2；原生動物：C7H14NO3分解與合成的相互關係：1）二者不可分，而是相互依賴的；a、分解過程為合成（chéng）提供能量和前物，而合成則給分解提供物質基礎；b、分解過程是一個產能（néng）過程（chéng），合成過程則是（shì）一個耗能過程。2)對有機物的（de）去除，二者都有重要貢獻；3）合成量（liàng）的大小，對後續汙泥的處理有直接影響（汙泥的處（chù）理費用一般（bān）可以占整個城市汙水處理廠的（de）40~50%）。不同形式的有機物被生物降解的曆程也不同：一方麵：結構簡單、小分子、可溶性物質，直（zhí）接進入細胞壁；結構複雜、大分子、膠體狀或顆粒狀的物質，則*先被微生物吸附，隨後在胞（bāo）外酶的作用下被水解液化成小分子有機物（wù），再進入細胞內。另一方麵：有機物的化學結構不同，其降解過（guò）程也會不同，如（rú）：糖類；脂（zhī）類（lèi）；蛋白質

       二、影響（xiǎng）好氧生物處理的主要因素

       ①溶（róng）解氧（DO）：約1~2mg/l；

       ②水溫：是重要因素之一，在一定範圍內，隨著溫度的升高，生化反應的速率加（jiā）快，增殖速率也加快；細胞的組（zǔ）成物如（rú）蛋白質、核酸等對溫度很（hěn）敏感，溫度突升或降並超過一定限度時，會有不可逆的破壞；*適宜溫度 15~30°C；>40°C或< 10°C後，會有不利影響。

       ③營養物質：細胞組成中，C、H、O、N約占90~97%；其餘3~10%為無機元素（sù），主要的是P；生活汙（wū）水一般不需再投加營養物質；而（ér）某些工業廢水則需要，一般對於好氧生物處理工藝，應按BOD : N : P = 100 : 5 : 1投加N和P；其它無機營養元素：K、Mg、Ca、S、Na等（děng）；微量元素：Fe、Cu、Mn、Mo、Si、硼等；

       ④pH值：一（yī）般好氧微生物的*適宜pH在6.5~8.5之間；pH < 4.5時，真菌將占優勢，引起（qǐ）汙（wū）泥膨脹；另（lìng）一方麵，微生物的活（huó）動也會影響混合液的pH值。

       ⑤有毒物質（抑製物質）：重金屬；氰化物；H2S；鹵（lǔ）族元素及其化合物；酚、醇、醛等；

       ⑥有機負荷率：汙水中的有機物本來是微生物的食物，但太多時，也會不利於微生物；

       ⑦氧化還原電（diàn）位：好氧細菌：+300 ~ 400 mV， 至少要求大於+100 mV；厭氧細菌：要求小（xiǎo）於+100 mV，對於嚴格厭氧細（xì）菌，則<-100 mv，甚至<-300="" mv。<="" span="">

       第二節 廢水厭氧（yǎng）生物處（chù）理原理

廢（fèi）水（shuǐ）厭氧（yǎng）生物處理在早期又被稱為厭氧消化、厭氧發酵；是指在厭氧條件下由多種（厭（yàn）氧或兼性）微生物的共同作用下，使有機（jī）物分解並產生CH4和CO2的過程。

       一、厭氧生物處理中的基（jī）本生物過程——階段性理論

1、兩階段理論：20世紀30~60年代，被普遍接（jiē）受的是“兩階段理論”*階段：發酵階段，又稱產（chǎn）酸階段或酸性發酵階段；主要功（gōng）能是（shì）水解和酸化（huà），主要（yào）產物是脂肪酸、醇類、CO2和H2等；主要參（cān）與反（fǎn）應的微生物（wù）統稱為發（fā）酵細菌或產酸細菌；

       這些（xiē）微生物的特點是：

       1）生長速率快，

       2）對環境（jìng）條件的適（shì）應性（溫度、pH等）強。第二階段（duàn）：產（chǎn）甲烷階段，又稱堿性發酵階段；是指產（chǎn）甲烷菌利用（yòng）前一階段的產物，並將其（qí）轉化為CH4和CO2；主要參與反應的微（wēi）生（shēng）物（wù）被統稱為產甲（jiǎ）烷菌（jun1）（Methane producing bacteria）；

       產甲烷細菌的主要特點是：

       1）生長速率慢，世代時間長；

       2）對環境條（tiáo）件（溫度、pH、抑製物等（děng））非常敏感，要求苛刻。

       2、三階段理論對（duì）厭氧微生物學的深入研究後，發現（xiàn）將厭氧消化過程簡單地劃分為上述兩（liǎng）個過程，不能真實反映厭氧反應過程（chéng）的（de）本質；厭氧微生物學的研究表明，產甲烷菌是一（yī）類十分特別的古細菌（Archea），除了在分類學和其（qí）特殊（shū）的學報結構外，其*主要的特點（diǎn）是：產甲烷細菌隻能（néng）利用一（yī）些簡單有（yǒu）機物作為基質，其（qí）中主要是一些簡單的一碳物質如甲酸（suān）、甲醇、甲基胺類（lèi）以及H2/CO2等，兩碳物質中隻有乙酸，而不能利用其它含兩碳或以上的脂肪（fáng）酸和甲醇以外的醇類；上世紀70年（nián）代，Bryant發現原來認（rèn）為是一種被稱為“奧氏產（chǎn）甲烷菌”的細（xì）菌，實際上是（shì）由兩種細菌共同組成的，一種細菌*先把（bǎ）乙醇氧化為乙酸和H2（一種（zhǒng）產氫產乙酸細菌），另一種細菌則利（lì）用（yòng）H2和CO2產生CH4（一種真正意義上（shàng）的產甲烷細菌——嗜氫產甲烷細菌（jun1））；因而，Bryant提出了厭氧消化過程的“三階段理論”：水解、發酵階段：產氫產乙酸階段：產氫產乙酸菌，將丙酸、丁酸等脂肪酸（suān）和乙醇等轉化為乙酸、H2/CO2；產甲烷階段：產甲烷菌利用乙酸和H2、CO2產生CH4；一般認為，在厭氧（yǎng）生物處理過程（chéng）中約有70%的CH4產自乙酸的分（fèn）解，其餘的則產自H2和CO2。

       3、四階段理論（四（sì）菌群學說）：幾乎與Bryant提出（chū）“三階段理論”的同時，又有人提出（chū）了厭氧消化過程（chéng）的“四菌群學說”：實際上，是在（zài）上述三階段（duàn）理論的基礎上，增加了一類細菌——同型產乙酸菌，其（qí）主要功能是可以將產氫產乙酸細菌產（chǎn）生（shēng）的H2/CO2合（hé）成為乙酸。但研究表明，實際上這一部分由H2/CO2合（hé）成而（ér）來的乙（yǐ）酸的量較少（shǎo），隻占（zhàn）厭（yàn）氧體係（xì）中總乙酸量的5%左右。總體來說，“三階段理論”、“四階段理論”是目前公認的對厭（yàn）氧生物處理過程較全麵和較準確的描述。

       4、多階段理論 但是，當利用厭氧生物處理工藝（yì）處理含（hán）有複雜有機物的時候，在厭氧（yǎng）反（fǎn）應器中發生的反應會（huì）遠比（bǐ）上述“三階（jiē）段理論”、“四（sì）階段（duàn）理論”中所描述的反應過程複雜，可以參（cān）見“厭氧複雜（zá）體係示意（yì）圖（tú）”。

       二、厭（yàn）氧消化過程中的主要微生物

       主要介紹其中的發酵細菌（jun1）（產酸細菌）、產氫（qīng）產乙酸菌、產（chǎn）甲烷菌等。

       1、發（fā）酵細菌（產酸細菌）：

       發酵產酸細（xì）菌的主要功能有兩種：

       ①水解——在胞外酶的作（zuò）用下（xià），將不溶性有機物水解成可溶性有機物（wù）；

       ②酸化——將可（kě）溶性大分子（zǐ）有機物轉化為脂肪酸（suān）、醇類等；主要的發酵產酸細菌（jun1）：梭菌屬、擬杆菌屬、丁酸弧菌（jun1）屬、雙岐杆菌屬（shǔ）等；水解過程較緩慢，並受多種因素影響（pH、SRT、有機物種類等），有時回成為厭（yàn）氧反應的限（xiàn）速步驟；產酸反應的速率（lǜ）較（jiào）快；大多數是厭氧菌，也有大量是兼性厭氧菌；可以按功能來分：纖維素分解（jiě）菌、半纖維素分（fèn）解菌、澱粉（fěn）分解菌、蛋白質分解菌、脂肪分解菌等（děng）。

       2、產（chǎn）氫產乙（yǐ）酸菌（jun1）：產氫（qīng）產乙酸細（xì）菌的主要功能是將各種高級脂肪酸和醇類氧化分（fèn）解為乙酸和H2；為產（chǎn）甲烷細菌提供合適（shì）的基質，在厭氧（yǎng）係統中（zhōng）常常（cháng）與產甲烷細菌處於（yú）共生互（hù）營關係。

       3、產甲烷菌20世紀60年代Hungate開創了嚴格厭氧（yǎng）微生物培養技術之後，對產（chǎn）甲烷細菌的研究（jiū）才得（dé）以廣泛進行；產（chǎn）甲烷細菌的（de）主要功（gōng）能是將產氫（qīng）產乙酸菌的產物——乙酸和（hé）H2/CO2轉化為CH4和CO2，使厭氧（yǎng）消化過程得以順（shùn）利進（jìn）行；主要可分為兩大類：乙酸營養型和H2營養型（xíng）產甲烷菌，或稱為嗜乙酸產甲烷細菌和嗜氫（qīng）產甲烷細菌；一般來說，在自然界中乙酸營養型產甲烷菌的種類較（jiào）少，隻有Methanosarcina（產甲烷八疊球菌）和Methanothrix（產甲（jiǎ）烷絲（sī）狀菌），但這兩種產甲烷細菌在厭氧反應器中居多，特別是後者，因為在厭氧反應器中乙酸是（shì）主（zhǔ）要的（de）產（chǎn）甲烷基質，一般來說有70%左右（yòu）的甲烷是來自乙酸的（de）氧（yǎng）化分解；根據產甲烷菌的形態（tài）和生理生態（tài）特征，可將其分類如下：——*新的分類（Bergy’s細菌手冊第九版），共分為：三目、七科、十九（jiǔ）屬、65種；產甲烷菌有各（gè）種不同的形態，常見的有：

       ①產甲烷杆菌；

       ②產甲烷球菌；

       ③產甲烷八疊球菌；

       ④產甲烷絲菌；等等。在生物分類（lèi）學上，產甲烷菌（Methanogens）屬於古細菌（Archaebacteria），大小、外觀（guān）上與普（pǔ）通細菌（Eubacteria）相似，但實際上（shàng），其細胞成分特殊（shū），特別是細胞壁的（de）結構較特殊（shū）；在自（zì）然界的分（fèn）布，一般可以認為是棲息於一些極端環境中（如地（dì）熱泉水（shuǐ）、深海火山口、沉（chén）積物等（děng）），但實際上其分布極為廣泛，如汙泥、瘤胃、昆蟲腸道、濕樹木（mù）、厭氧反應器等；產甲烷菌都是（shì）嚴格厭氧細菌，要求氧化還原電位在-150~-400mv，氧和氧化劑對其有很強（qiáng）的毒害作用；產甲烷（wán）菌的增殖速率很慢，繁殖世代時間長，可達4~6天，因此，一般情況下產甲烷反應是厭氧消（xiāo）化的限速步驟。

       三、厭氧生物處理的影響因素

       產甲烷反應是（shì）厭氧消化過程的控製階段，因此，一般（bān）來說，在討論厭氧（yǎng）生物處理的影響因素時主要討論影響產甲烷菌的各項因（yīn）素；主要影響因素有：溫度、pH值、氧化還原電位、營（yíng）養物質、F/M比（bǐ）、有毒物質（zhì）等。

       1、溫度：溫度對厭氧微生物（wù）的影響尤為顯著；厭氧細菌可分為嗜熱菌（或高溫（wēn）菌）、嗜溫菌（中溫菌）；相應地，厭氧消化分為：高溫消化（55°C左（zuǒ）右）和中（zhōng）溫消化（35°C左右）；高溫消化的反應速率約為中溫消化（huà）的1.5~1.9倍，產氣率也較高，但氣（qì）體中甲烷含量較低；當處理含有病原菌和寄生蟲卵的廢水或（huò）汙（wū）泥時，高溫消化可取得較好的衛生效果，消化後汙泥（ní）的（de）脫水性能也較好；隨著新型厭氧反應器的開發研究和應用，溫度對厭氧消化的影（yǐng）響不再非常重要（新型反應器內的生（shēng）物（wù）量很大），因此可（kě）以在常溫條件下（20~25°C）進行，以節省能量和運行費用。

       2、pH值和堿度：pH值是（shì）厭氧消化過程（chéng）中的（de）*重要的影響因素（sù）；重（chóng）要原（yuán）因：產甲烷菌對pH值（zhí）的變化非常敏（mǐn）感，一般認為（wéi），其*適pH值範圍為6.8~7.2，在（zài）<6.5或>8.2時，產甲烷（wán）菌（jun1）會受到嚴重抑製，而進一步導致整個（gè）厭氧消化（huà）過程的惡化；厭氧體係中的pH值受多種因素的影響：進水pH值（zhí）、進水水質（有機物濃度、有機物種類等）、生化反應（yīng）、酸堿平衡、氣固液相間的（de）溶解（jiě）平衡等；厭氧體係是一個pH值的緩衝體係，主要由碳酸鹽（yán）體係所控製；一般來說：係統中（zhōng）脂肪酸含量的增加（累積），將消耗 ，使pH下（xià）降；但產甲烷（wán）菌的作用不（bú）但可以消耗脂肪酸，而且還會產（chǎn）生 ，使係統的pH值回升。堿度曾一度在厭氧消化中被認（rèn）為是一個至關重要的影響因素，但實際上其作用主要是保證厭氧體係具有一定的緩衝能力，維持合適的pH值；厭氧體係一旦發生酸化，則需要很長的時間才能恢複。

       3、氧化還原電位：嚴格的厭氧環境是產甲烷菌進行正常生理活動的基本條件；非產甲烷菌可以在氧化還原電位（wèi）為+100~ -100mv的環（huán）境（jìng）正常生長和活動；產甲烷菌的*適氧化還原電位（wèi）為-150~ -400mv，在培（péi）養產甲烷（wán）菌的（de）初期，氧化還原電位不能高於-330mv；

       4、營養要求（qiú）：厭氧微生（shēng）物對N、P等營養物質的要求略低於好氧微生物，其要求COD：N：P = 200：5：1；

       多數厭氧菌不具有合成某些必要的維生素或氨基酸的功能（néng），所以有時需要投（tóu）加（jiā）：①K、Na、Ca等金屬鹽類；

       ②微量（liàng）元素（sù）Ni、Co、Mo、Fe等；

       ③有機微量物質：酵（jiào）母浸出膏、生物素、維生素等。

       5、F/M比：厭氧生物處理的有機物負荷較好氧生物（wù）處理更高，一般可達5~10kgCOD/m3.d，甚至可達（dá）50~80 kgCOD/m3.d；無傳氧的限製；可（kě）以積（jī）聚（jù）更高的生物（wù）量。產酸階段的反應速率遠高於產甲烷階（jiē）段，因此必須十分（fèn）謹慎地選擇有機負荷；高的有機容積負荷的前提是高的生（shēng）物量，而相應較低的汙泥負荷；高的有機容積（jī）負荷可以縮短HRT，減少反應器容積。

       6、有毒物質：——常見的（de）抑製性物質有：硫化（huà）物（wù）、氨氮、重金屬、氰化物及某些有機物；

       ①硫化物和硫酸鹽：硫酸鹽和其它硫的氧（yǎng）化（huà）物很（hěn）容易在厭氧消化過程中被還原成硫化物（wù）；可溶的硫化物達到一定濃度時，會對（duì）厭氧消化過程主要是產甲烷過（guò）程（chéng）產生抑製作用；投加某些金屬如（rú）Fe可以去除S2-，或從係統（tǒng）中吹（chuī）脫H2S可以（yǐ）減輕硫化物的抑製作用。

       ②氨氮：氨氮是厭（yàn）氧消化的緩衝劑；但濃（nóng）度過高，則會對厭氧消化過程產生毒害作用；抑製濃度為50~200mg/l，但馴化後，適應能力會得到加強。

       ③重金屬：——使厭氧細菌的酶係統受到（dào）破壞（huài）。

       ④氰化物：⑤有毒有機（jī）物：

       四、厭氧生物處理的主要特征

       1、厭氧（yǎng）生物處理過程的主要優點：

       ①能耗大大降低，而且還可以回收生物能（沼氣）；

       ②汙（wū）泥產量很低；——厭氧微生物的增殖速率比好氧微生物低得多，產酸菌的產率Y為0.15~0.34kgVSS/kgCOD，產甲烷菌的產率Y為（wéi）0.03kgVSS/kgCOD左右，而好氧微生物（wù）的產率約為0.25~0.6kgVSS/kgCOD。

       ③厭氧微生物有（yǒu）可能對好氧微生物不能降解的一些有機（jī）物進行降解或部分降解；④反應過程較（jiào）為複雜——厭氧（yǎng）消化是由多種不同性質、不同功能的微生（shēng）物（wù）協同工作的一個連續的微生物（wù）過程；

       2、厭氧生物處理過程的主要缺點：

       ①對溫（wēn）度、pH等環境因素較敏（mǐn）感；

       ②處理出水水質較差，需進一（yī）步利用好氧法進行處理；

       ③氣味較大（dà）；

       ④對氨氮的去除效果不好；等等