一、好氧生物處理的基本生物過程

       所謂“好氧”：是指（zhǐ）這類生物必須在有分（fèn）子態氧氣（qì）（O2）的存在下，才能進行（háng）正常的生理生化反（fǎn）應，主要包括大部分微生物、動物以及我（wǒ）們人類；所謂“厭氧”：是能在無分子態氧存在的條件下，能進行正常的生理生化反應的生物，如厭氧細菌、酵母菌等（děng）。好氧（yǎng）生物處理過（guò）程的生化反應方程式（shì）：

       ①分解反應（又稱氧化反應、異化代謝、分解代謝） CHONS +O2 CO2 + H2O + NH3 + SO42- +¼+能量（有機物的（de）組成元素）

       ②合成反應（也稱合（hé）成代謝、同化（huà）作用（yòng）） C、H、O、N、S +能量 C5H7NO2

       ③內源（yuán）呼吸（也稱細胞物質的自身氧（yǎng）化） C5H7NO2 + O2 CO2 + H2O + NH3 + SO42- +¼+能量在正常情況下，各類微生（shēng）物細胞物質的成分是相對穩（wěn）定的，一般可（kě）用下（xià）列實驗式來表示：細菌：C5H7NO2；真菌（jun1）：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（guò）程為合成提（tí）供能（néng）量和前物，而合成則給分解提供物質基（jī）礎；b、分解過程是一個產能過程，合成過程則（zé）是一個耗能過程（chéng）。2)對有機物的去除，二者都有（yǒu）重要貢獻；3）合成量的大小，對後續汙泥的處理有直接影響（汙泥的處理費用一般可以占整個城市汙水處理廠的40~50%）。不同形式的（de）有機物被生物降解的曆程也（yě）不（bú）同：一方麵（miàn）：結構簡單、小分子、可溶性物質，直接（jiē）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（wēi）生物吸附（fù），隨後在胞外酶的（de）作用下被水（shuǐ）解液化成小分子有機物，再（zài）進入細胞內。另（lìng）一方麵：有（yǒu）機物的化學結構不同，其降解過（guò）程也會（huì）不同，如：糖類；脂類；蛋白質

       二（èr）、影響好氧（yǎng）生物處理的主（zhǔ）要因（yīn）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（dù）的升高，生化反應的（de）速率加快，增殖速率也加快；細胞的（de）組成物如蛋白質（zhì）、核酸等對溫度很（hěn）敏感，溫度突升或降並超過（guò）一定限度（dù）時（shí），會有不可逆（nì）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（bāo）組成中，C、H、O、N約占90~97%；其餘3~10%為無（wú）機元素，主要的是P；生活汙水（shuǐ）一般不需再投加營養（yǎng）物質；而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（yíng）養元素：K、Mg、Ca、S、Na等；微（wēi）量（liàng）元素（sù）：Fe、Cu、Mn、Mo、Si、硼等；

       ④pH值：一般好氧（yǎng）微生物的*適宜pH在6.5~8.5之間；pH < 4.5時，真菌將占優勢，引起汙（wū）泥膨脹；另一方麵，微生物的活動也會影響混合液的pH值。

       ⑤有毒物質（zhì）（抑製物質（zhì））：重（chóng）金（jīn）屬（shǔ）；氰化物；H2S；鹵族元素及其化合物；酚、醇、醛等（děng）；

       ⑥有機負荷率（lǜ）：汙水中（zhōng）的有機物本來是微生物的食物，但太多時，也會不利（lì）於微（wēi）生物；

       ⑦氧化還原電位：好氧細菌：+300 ~ 400 mV， 至（zhì）少（shǎo）要求大於+100 mV；厭氧細菌：要求小於+100 mV，對於嚴格厭氧細菌，則<-100 mv，甚至<-300="" mv。<="" span="">

       第二節 廢水厭氧生（shēng）物（wù）處理原理

廢水厭氧生物處理在早期又被（bèi）稱為厭（yàn）氧消化、厭氧發酵；是指在（zài）厭（yàn）氧條件下由多種（厭氧或兼性）微生物的（de）共同作用下，使有（yǒu）機物分解並產生CH4和CO2的過（guò）程。

       一、厭（yàn）氧生物（wù）處理中（zhōng）的基本生物過程——階段性理論

1、兩階段理論：20世紀30~60年代，被普遍（biàn）接受的是（shì）“兩階段理（lǐ）論”*階段：發酵階段，又稱產（chǎn）酸階段或（huò）酸性發酵階段；主要功能是水解和（hé）酸化（huà），主要產物是脂肪酸、醇類、CO2和H2等；主要參與反應的微生物統稱為發酵細菌或產酸細（xì）菌；

       這些微生（shēng）物的特點是：

       1）生長（zhǎng）速率快（kuài），

       2）對環境條件的適應性（溫度、pH等）強。第二階段：產甲烷階段，又稱（chēng）堿性發酵階段；是指產甲烷菌利用前一階（jiē）段（duàn）的產物，並將其轉（zhuǎn）化為CH4和CO2；主要參與反應的微生物被統稱為產甲烷菌（Methane producing bacteria）；

       產甲烷細菌的主要特點是：

       1）生長速率慢，世代時（shí）間長；

       2）對環境條件（溫度、pH、抑製物等）非常敏感，要求苛刻。

       2、三階（jiē）段理論（lùn）對厭氧微生（shēng）物學的深入研究後，發現將厭氧消化過（guò）程簡單（dān）地劃分為上述（shù）兩個過程，不能真實反映（yìng）厭氧反應過程的本質；厭氧微生物學的研究表（biǎo）明，產甲烷菌是一類十分特（tè）別（bié）的古細菌（jun1）（Archea），除了在分類學和其特殊的學報結構外，其*主要的特點是：產甲烷細菌隻能利用一些簡單有機物作為基（jī）質，其中主（zhǔ）要是一些簡單的一碳物質如甲酸、甲醇、甲基胺類以及H2/CO2等，兩碳物（wù）質中隻有乙酸（suān），而不能利用其它含兩碳或以（yǐ）上的脂肪酸（suān）和甲醇以外的醇類；上世紀70年代（dài），Bryant發（fā）現原來認為是一種被稱為“奧氏產甲烷菌”的（de）細菌，實際上是由兩種（zhǒng）細（xì）菌共（gòng）同組成（chéng）的，一種細菌*先把乙醇氧化為（wéi）乙酸和H2（一種產氫（qīng）產乙酸細菌），另一種細菌則利（lì）用H2和CO2產生CH4（一種（zhǒng）真正意義上的產甲烷細（xì）菌——嗜氫產甲烷細菌）；因而，Bryant提出了厭氧消化過程（chéng）的“三階段理（lǐ）論”：水解、發酵（jiào）階段：產氫產乙酸階段：產氫產乙（yǐ）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，在厭氧生物處理過程中約有70%的CH4產自乙酸的分解，其餘的則產（chǎn）自H2和（hé）CO2。

       3、四階段理論（四菌群學（xué）說）：幾乎與Bryant提出“三階段理論”的同時，又有人提出（chū）了厭氧消化過程的（de）“四菌群學說”：實際上，是在上述三階段理論的基礎上，增加了一類細菌——同型產乙酸菌，其主要功能是可以將產氫產（chǎn）乙酸細菌產生的H2/CO2合成為乙酸。但研究表明，實際上這一部分由H2/CO2合成而來的乙酸的量（liàng）較少，隻占厭氧體係中（zhōng）總乙酸量的5%左右。總體來說，“三階段理論”、“四階段理論”是目前公認的對厭氧生物處理過程（chéng）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處理含有複雜有機物的時候，在厭氧反應（yīng）器中發生（shēng）的（de）反應（yīng）會遠比上述“三階段理論”、“四階段理論”中所描述的反應過程複雜（zá），可以參（cān）見“厭氧複雜體係示意圖”。

       二、厭氧（yǎng）消化（huà）過程中的主要微生物

       主要介（jiè）紹其中的發酵細（xì）菌（產酸細菌）、產氫產乙酸菌、產甲烷（wán）菌等。

       1、發酵（jiào）細（xì）菌（產酸細菌）：

       發酵產酸細菌的主要功能有兩種：

       ①水解——在胞外酶（méi）的作用下，將不溶性有機物水解成可溶性有機物；

       ②酸化——將可溶性大分（fèn）子有機物轉化為脂肪（fáng）酸、醇類等；主要的發酵產酸細菌：梭菌屬、擬（nǐ）杆菌（jun1）屬、丁酸弧菌屬、雙岐杆菌（jun1）屬等；水解（jiě）過程較緩慢，並受多種因素影響（pH、SRT、有（yǒu）機物（wù）種（zhǒng）類等），有時回成為厭氧反應的限速步驟；產酸反應的（de）速率較快；大（dà）多數是厭氧菌，也有大量是（shì）兼性厭氧菌；可（kě）以（yǐ）按功能來（lái）分：纖維素分解菌（jun1）、半纖維素（sù）分解菌、澱粉（fěn）分解菌、蛋白質分解菌、脂肪分（fèn）解菌等。

       2、產氫產乙酸菌：產氫產乙酸細菌的主要（yào）功能是將各種高級脂肪酸和醇類（lèi）氧化分解為乙酸和H2；為產（chǎn）甲烷細菌提（tí）供合適的基質，在厭氧係統中常常與產甲（jiǎ）烷細菌處於共生互營關係。

       3、產甲烷菌20世紀60年代Hungate開創了嚴格（gé）厭氧微生物培養技術之後，對產甲（jiǎ）烷細菌的研究才得（dé）以廣泛進行；產甲烷細菌（jun1）的主要功能是將產氫產乙酸菌的產物——乙酸和H2/CO2轉化為CH4和CO2，使厭氧消化（huà）過程得以順利（lì）進行；主要可分為兩大類：乙酸營養型和（hé）H2營養型產甲烷菌，或稱為（wéi）嗜乙酸（suān）產甲烷細（xì）菌和嗜氫產甲烷細菌；一般來說，在自然界中乙酸營養型產甲烷菌（jun1）的種類較少，隻有Methanosarcina（產甲烷八疊球菌）和Methanothrix（產甲烷絲狀菌），但這兩種產（chǎn）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）主要（yào）的產甲烷基質，一般來說有70%左右（yòu）的（de）甲烷是來自（zì）乙酸的氧（yǎng）化分（fèn）解（jiě）；根（gēn）據產甲（jiǎ）烷菌的形態和生理生態特征，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、十九屬、65種；產甲烷菌有各種不同的形態，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。在生物分類學上，產（chǎn）甲烷菌（Methanogens）屬於古（gǔ）細菌（jun1）（Archaebacteria），大小、外觀上與普通細菌（Eubacteria）相（xiàng）似，但實際上，其細胞成分特殊，特別是細胞壁的結構較特殊（shū）；在自然界（jiè）的分布，一般可以認為（wéi）是棲息於一些（xiē）極端環境中（如地熱泉水、深海火山口、沉積物等），但實際上（shàng）其分布極為廣泛，如（rú）汙泥、瘤（liú）胃、昆蟲腸道、濕樹木（mù）、厭氧反應器等；產甲烷菌都是嚴格厭氧細菌，要（yào）求氧（yǎng）化還原電位在-150~-400mv，氧和氧化劑對其有很強的毒害作用；產甲烷菌的增殖（zhí）速率很慢，繁殖世代（dài）時間長，可達4~6天，因此，一般情況下產甲烷反應是厭氧消化的限速步驟。

       三、厭氧生物（wù）處理的影響因素

       產甲烷反應（yīng）是厭氧消化（huà）過程（chéng）的控製（zhì）階段，因此，一般來說，在討論厭氧生（shēng）物處理的影（yǐng）響因（yīn）素時（shí）主要討論影響產甲烷菌的各項因素；主要影響（xiǎng）因素有（yǒu）：溫（wēn）度、pH值、氧化還原電位、營養物質、F/M比、有毒物質等。

       1、溫度：溫度（dù）對厭氧微生物的影響尤為顯著；厭氧細菌可分為嗜熱菌（jun1）（或（huò）高溫菌）、嗜溫菌（中溫菌）；相（xiàng）應地，厭氧消化分為：高溫（wēn）消化（55°C左右）和中溫消化（35°C左右）；高溫消化的反應速率約為中溫消（xiāo）化的1.5~1.9倍，產（chǎn）氣率（lǜ）也較高，但氣體中甲烷含量較低（dī）；當處理含有病原菌和寄生蟲卵的（de）廢水或汙泥時，高溫消化可取得較好的衛生效果，消化（huà）後汙泥的脫水性能也較（jiào）好；隨著新型厭氧反應器的開發研究和應（yīng）用，溫度對厭氧消化的影響不（bú）再非常重要（新型反應器（qì）內的生物量很大），因此可以在常（cháng）溫條件下（20~25°C）進行，以節省能量和（hé）運行費用。

       2、pH值（zhí）和堿度：pH值是厭（yàn）氧（yǎng）消化過程中的*重要的影響因素；重要原因：產甲烷菌對pH值的變化非常敏（mǐn）感，一般認（rèn）為，其*適pH值範圍為6.8~7.2，在<6.5或>8.2時，產甲烷菌會（huì）受到嚴（yán）重抑製（zhì），而進一（yī）步導致整個厭（yàn）氧消（xiāo）化過程的惡化；厭氧體係中的pH值受多種（zhǒng）因素的影響：進水pH值、進（jìn）水水質（zhì）（有機物濃度、有機物種類等）、生（shēng）化反應、酸（suān）堿平衡、氣固（gù）液相間的溶解平衡等；厭氧體係是（shì）一（yī）個pH值的緩衝體係，主要由碳酸鹽體係所（suǒ）控製；一般來說（shuō）：係統中脂肪酸（suān）含量的增加（累（lèi）積），將消（xiāo）耗 ，使pH下降（jiàng）；但（dàn）產甲（jiǎ）烷菌的作用不但可以消耗脂肪酸，而且還會產生 ，使係統的pH值回升。堿度曾一度在厭氧消化中被認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（yǎng）體係具有一定的緩衝能力，維持合（hé）適的pH值；厭氧體係一旦發（fā）生酸化，則需要很長的時間才能恢複。

       3、氧化還原電位：嚴（yán）格的厭氧環境（jìng）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為+100~ -100mv的（de）環境正常生長和活動；產甲烷菌的（de）*適氧化還原電位為-150~ -400mv，在培（péi）養產（chǎn）甲烷（wán）菌的（de）初期，氧化還原電（diàn）位不（bú）能高於-330mv；

       4、營養要求（qiú）：厭（yàn）氧微生物（wù）對N、P等營養物質的要求略低於好氧微生物，其（qí）要求COD：N：P = 200：5：1；

       多數厭氧菌不具有（yǒu）合成（chéng）某些必要的維生素或（huò）氨基酸的功能，所以有時需要投加：①K、Na、Ca等金屬鹽類；

       ②微量元（yuán）素Ni、Co、Mo、Fe等；

       ③有（yǒu）機（jī）微量物（wù）質：酵母浸出膏、生物素、維生素（sù）等。

       5、F/M比：厭氧生物（wù）處理的有機物負荷較好氧生物處（chù）理更高，一般（bān）可達5~10kgCOD/m3.d，甚至可達50~80 kgCOD/m3.d；無傳（chuán）氧（yǎng）的限製；可以積聚更（gèng）高的生物量。產酸階段的反應速率遠高於產甲烷階段，因此必須十分謹慎地選擇有機負（fù）荷；高（gāo）的有機容積負（fù）荷的前提（tí）是高的生物量，而相應較低的汙泥負（fù）荷；高（gāo）的（de）有機容積負荷可以（yǐ）縮短HRT，減少反應器容積。

       6、有（yǒu）毒物質：——常見的抑製性物質有：硫化物、氨氮、重金屬、氰化物及某（mǒu）些有機（jī）物；

       ①硫化物和硫酸鹽：硫酸鹽和其它硫的氧化物很容易在厭氧消化過（guò）程中（zhōng）被還原成硫化物；可溶的硫化物（wù）達到一定濃（nóng）度時，會對厭氧消化（huà）過程主要是產甲烷過程產生抑製作用；投加某些金屬如Fe可以去除S2-，或從係統中吹脫H2S可以減輕硫化物的（de）抑（yì）製作用。

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

       ③重金屬：——使（shǐ）厭氧細菌的酶係統受到破壞（huài）。

       ④氰化物：⑤有毒有機物：

       四、厭氧生物處理的主要特（tè）征

       1、厭氧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（qì））；

       ②汙泥產量很低；——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（jun1）的產率（lǜ）Y為0.03kgVSS/kgCOD左右，而好氧微生物的產率約為0.25~0.6kgVSS/kgCOD。

       ③厭氧微生物有（yǒu）可能對好氧（yǎng）微生物不能降解的一（yī）些有機物進行降解（jiě）或（huò）部分降解；④反應（yīng）過程較為複雜（zá）——厭氧消化是由多種不同性質、不同功能的（de）微生物協（xié）同工作的一個連續的（de）微生物過程；

       2、厭氧生物處理（lǐ）過程的主要缺點：

       ①對（duì）溫度、pH等環（huán）境因素較敏感；

       ②處（chù）理出水水質較差，需進（jìn）一步利用好氧（yǎng）法進行處理；

       ③氣味較大；

       ④對氨（ān）氮的去除效果不好；等等