一、好（hǎo）氧（yǎng）生物處理的基（jī）本生物過程

       所（suǒ）謂“好氧”：是指這類生物必須在有分子（zǐ）態氧氣（O2）的存在下，才能進行正（zhèng）常的生理生化反應，主要（yào）包括（kuò）大（dà）部分微生物、動物以及我們人類；所謂“厭（yàn）氧”：是能在無分子態氧存在的（de）條件下，能進行正常的（de）生理生化反應的生物，如厭氧細菌、酵母菌等。好氧生物處理過程的生化（huà）反應方程式：

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

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

       ③內源呼吸（也稱細（xì）胞物質（zhì）的自身氧化） C5H7NO2 + O2 CO2 + H2O + NH3 + SO42- +¼+能量在（zài）正常（cháng）情況下，各類微生物細胞物質的成分是相（xiàng）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（chéng）的相互關係：1）二者（zhě）不可（kě）分，而是相互依賴的；a、分解過程為合成提供能量和前物，而合成（chéng）則給分解提供物質基礎；b、分解（jiě）過程是（shì）一個產（chǎn）能（néng）過程，合成（chéng）過程則是（shì）一個耗（hào）能過程。2)對有機物的去除，二（èr）者都有重要貢獻；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（gè）城市汙水處理廠的40~50%）。不同形式的有機物被生物（wù）降（jiàng）解（jiě）的曆程也不同：一方麵：結構簡單、小分子、可（kě）溶性物質，直接進入細胞壁（bì）；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（fù），隨後在（zài）胞外酶的作用下被水解液（yè）化成小分子有機物，再進入細胞內。另一方麵：有機物的化學結構不同，其降解過程也會（huì）不同，如（rú）：糖類；脂類；蛋白質

       二、影（yǐng）響好氧生物處理的主要因素

       ①溶解氧（DO）：約1~2mg/l；

       ②水溫：是重要因素之一（yī），在一（yī）定（dìng）範圍內（nèi），隨（suí）著溫度的升高（gāo），生化反應的速（sù）率加快，增殖速率也加快；細胞的組成物如蛋白（bái）質、核酸等對溫度（dù）很敏感，溫度突升（shēng）或降並超過一定限度時，會有不可逆的破壞；*適（shì）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%為無機元素，主要的是P；生活汙（wū）水一（yī）般不需再投（tóu）加（jiā）營養（yǎng）物質；而某些工業廢水則需要，一般對於好氧（yǎng）生物處理工藝，應按BOD : N : P = 100 : 5 : 1投加N和P；其它無（wú）機營（yíng）養（yǎng）元素：K、Mg、Ca、S、Na等；微量元素：Fe、Cu、Mn、Mo、Si、硼等；

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

       ⑤有毒（dú）物質（抑製物質）：重金（jīn）屬；氰化物；H2S；鹵族元素及其化合物；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（hái）原電位：好氧細菌：+300 ~ 400 mV， 至少（shǎo）要求大於+100 mV；厭氧細菌：要求小於+100 mV，對於嚴格厭（yàn）氧細菌，則<-100 mv，甚至<-300="" mv。<="" span="">

       第二節 廢水厭氧生物處理原理

廢水厭氧（yǎng）生物處（chù）理在（zài）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（厭氧或兼性）微生物的（de）共同作用（yòng）下，使有機物分解並產生CH4和CO2的過程。

       一（yī）、厭氧生物處（chù）理中的基本生物過程——階段（duàn）性理論（lùn）

1、兩階段理論：20世紀30~60年代，被普（pǔ）遍接受的（de）是“兩階段理論”*階段：發酵階段，又稱產酸階段或酸性發酵階段；主要功能是水解和酸化，主要產物是脂肪酸、醇類、CO2和H2等；主要（yào）參（cān）與反應的微生物統稱為發酵細菌或產酸細菌；

       這些微生物的特點是：

       1）生長速率快，

       2）對環境條件（jiàn）的適應性（溫度、pH等）強。第二階段：產甲烷階段，又（yòu）稱堿性發酵階段；是指（zhǐ）產甲烷菌利用前一階段的產物，並將其轉化為CH4和CO2；主要參與反應的微生物（wù）被統（tǒng）稱為產甲烷（wán）菌（Methane producing bacteria）；

       產甲烷細菌的主要特點（diǎn）是：

       1）生長速（sù）率慢，世代時間長；

       2）對環（huán）境條件（溫度、pH、抑製物等）非常敏感，要求苛刻。

       2、三階段理論（lùn）對厭氧微生物學的深入研究後（hòu），發現將厭氧消化過程簡單地劃分為上述兩個過程，不能真（zhēn）實反映厭氧（yǎng）反應過程的本質（zhì）；厭氧微生物學的研（yán）究表明，產（chǎn）甲烷菌是一類十分特別的古細菌（Archea），除了在分類學和其特殊的（de）學報結構（gòu）外，其*主要的特點是：產甲烷（wán）細菌隻能利用一些（xiē）簡單有機物作（zuò）為基質，其中主要（yào）是一些簡單的一碳物質如甲酸、甲醇、甲基（jī）胺類以及H2/CO2等（děng），兩（liǎng）碳物質中隻有乙酸，而不（bú）能利用其它含兩碳或以上的脂肪酸和甲（jiǎ）醇以外的醇類；上世紀70年代，Bryant發現原來認為是一種被稱為“奧氏（shì）產甲烷菌”的細菌，實際上是由兩種細菌共同組成的，一種（zhǒng）細菌*先把乙醇氧化為乙酸和H2（一種產氫產乙（yǐ）酸（suān）細菌），另一（yī）種細菌則利用H2和CO2產生CH4（一種真正意義上的產甲（jiǎ）烷細菌——嗜氫（qīng）產甲烷細菌）；因而，Bryant提出了厭氧消化過程的“三階段理論”：水解、發酵（jiào）階段：產氫（qīng）產乙酸（suān）階段（duàn）：產氫產乙酸（suān）菌，將丙酸、丁酸等脂肪酸（suān）和乙醇等轉（zhuǎn）化為乙酸、H2/CO2；產甲（jiǎ）烷階（jiē）段：產甲烷菌利（lì）用乙酸和H2、CO2產（chǎn）生CH4；一般認為，在厭氧生（shēng）物處理過程中約有70%的CH4產自乙酸的（de）分解，其（qí）餘的則產（chǎn）自H2和CO2。

       3、四階段理論（四菌群（qún）學說）：幾（jǐ）乎（hū）與Bryant提出“三階段理論”的同時，又有人提出了厭氧消（xiāo）化過程（chéng）的“四菌群學說”：實際上（shàng），是在上述（shù）三階段理論的基礎上，增（zēng）加（jiā）了一類細菌——同型產乙酸菌，其主要功能是可以將產氫產乙（yǐ）酸細菌產生的（de）H2/CO2合（hé）成為乙酸。但研究表（biǎo）明，實（shí）際上這一部分由H2/CO2合（hé）成而來的（de）乙酸的量較少，隻占厭氧體（tǐ）係中總乙酸量的5%左右。總體來說，“三階段理論”、“四階段理論”是目前公認的對厭氧生物處（chù）理過程較全麵（miàn）和較準確（què）的描述。

       4、多階段理論 但是，當利用厭氧生物處理（lǐ）工藝處理含有複雜有機物的時候（hòu），在厭氧（yǎng）反應器中發生的反應會遠比（bǐ）上述（shù）“三階段理論”、“四階段理論”中所描述的反應過程複雜，可以參見“厭氧複雜體係示意圖”。

       二、厭氧消化（huà）過程中的主（zhǔ）要微生物

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

       1、發酵細菌（jun1）（產酸細菌）：

       發酵產酸細菌的主要功能有兩種：

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

       ②酸化——將可（kě）溶性大分子有機物轉化為脂肪酸、醇類等；主要的發酵產酸細（xì）菌：梭菌屬、擬杆菌屬、丁酸弧菌屬、雙岐杆菌屬等；水解過程較緩慢，並受多種因素影響（pH、SRT、有機物（wù）種類等），有時（shí）回成為厭氧反應的限速步驟；產酸反應的速率較快；大多數是厭氧菌，也有大量是兼（jiān）性厭氧菌；可以按功能來分（fèn）：纖維素分解菌、半纖維素分解菌、澱（diàn）粉分解菌、蛋白質分解菌、脂肪分解菌（jun1）等。

       2、產氫產（chǎn）乙酸菌（jun1）：產氫產（chǎn）乙酸（suān）細菌的（de）主要功能是將各（gè）種高（gāo）級脂肪酸和醇類氧化分解為乙酸和H2；為產甲烷細菌提供合適的基質，在厭氧係統中常常與產甲烷細菌處於共生互營關係（xì）。

       3、產甲烷菌20世紀60年代Hungate開創了嚴格厭氧微生物培（péi）養技術之後，對產甲烷細菌的研究才得以廣泛進行；產甲烷細菌的主要功能是將（jiāng）產氫產乙酸菌的產物——乙（yǐ）酸（suān）和H2/CO2轉化為CH4和CO2，使厭氧消化過程得以順利進行；主（zhǔ）要可分為兩大（dà）類：乙酸（suān）營（yíng）養型和（hé）H2營養型產甲（jiǎ）烷菌，或稱（chēng）為嗜乙酸產甲烷細菌和嗜氫產甲烷（wán）細菌；一般來說，在自然界中乙酸（suān）營養（yǎng）型（xíng）產（chǎn）甲烷菌的種類較少，隻有Methanosarcina（產甲烷八疊球菌）和Methanothrix（產甲烷絲狀菌），但（dàn）這兩種產甲烷細菌在厭氧反應（yīng）器中居多，特別是後者，因為在厭氧反應器（qì）中乙酸是主要的產甲烷基質，一般來（lái）說（shuō）有70%左右的甲烷（wán）是（shì）來自（zì）乙酸的（de）氧化分（fèn）解；根據產甲烷菌的形（xíng）態和生理生（shēng）態特征，可將其分類如下：——*新的分類（Bergy’s細菌手冊第（dì）九版），共（gòng）分為（wéi）：三目、七科、十九屬（shǔ）、65種；產（chǎn）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（wán）球菌；

       ③產甲烷八（bā）疊球菌；

       ④產甲烷絲菌；等等。在（zài）生物分類學上，產甲烷菌（Methanogens）屬於（yú）古（gǔ）細（xì）菌（Archaebacteria），大（dà）小、外觀上與普（pǔ）通細菌（Eubacteria）相似（sì），但實際上，其細胞成分特殊，特別是細胞壁（bì）的結構較特殊；在自然界的分布，一般（bān）可以認為是棲息於一些極端環境中（如地熱泉水、深海火山口、沉積物等），但實際上其分布極為廣泛，如汙泥（ní）、瘤胃、昆蟲腸道、濕樹木、厭氧（yǎng）反應器等；產甲烷菌（jun1）都是嚴格厭氧細菌，要求氧化還原電位在-150~-400mv，氧和氧化劑對其有很強的毒害作用；產甲烷菌的增殖速率很慢，繁殖世代時間長，可（kě）達4~6天，因此，一（yī）般情況下（xià）產甲烷反應（yīng）是厭氧消化（huà）的限速步驟。

       三、厭氧生物處（chù）理的影響因素

       產甲（jiǎ）烷反應是厭氧消化過程的控製階段，因此（cǐ），一般來說，在討論厭氧生物處（chù）理的影響因素時（shí）主要討論影響產甲（jiǎ）烷菌（jun1）的各項因素；主要影響因素有：溫（wēn）度、pH值、氧（yǎng）化還原電位、營養（yǎng）物質、F/M比（bǐ）、有毒物質等。

       1、溫（wēn）度：溫度對厭氧微生物的影響尤為顯著；厭氧細菌可分為嗜熱菌（或高（gāo）溫菌）、嗜溫菌（jun1）（中溫菌）；相應地，厭氧消化分為：高（gāo）溫消化（55°C左右）和中溫（wēn）消化（35°C左右）；高溫消化的反應（yīng）速率約為中溫消化的1.5~1.9倍，產氣率（lǜ）也較高（gāo），但氣體中甲烷含量較低；當處理含有（yǒu）病原菌和（hé）寄生（shēng）蟲卵的廢水或汙泥（ní）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好（hǎo）；隨著新型（xíng）厭氧反應器的開發研究和應用，溫度對厭氧消化的影響不再非常重要（新型反應器內的（de）生物量很大），因此可以（yǐ）在常溫條件下（20~25°C）進行，以節省能量（liàng）和運行費用。

       2、pH值和堿度：pH值是厭氧消化過程中的*重要的影響因素；重要原因：產甲烷菌對pH值的變化非（fēi）常敏感，一般認為，其*適pH值範（fàn）圍為6.8~7.2，在<6.5或>8.2時，產甲烷菌會受到（dào）嚴重（chóng）抑製，而進一步導致整（zhěng）個厭氧消化（huà）過程的惡化；厭氧體係中的pH值受多種因素的影（yǐng）響：進水pH值、進水水質（有機物濃（nóng）度（dù）、有機物種類等）、生化反應、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，主要由碳酸鹽體係所控製；一般（bān）來說：係統中脂肪酸含量的增加（累積），將消耗 ，使pH下降；但產（chǎn）甲烷菌的作（zuò）用（yòng）不但可以消耗脂肪酸，而且還會產生 ，使（shǐ）係統的（de）pH值回升。堿度（dù）曾一度（dù）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（zhǔ）要是保證厭氧體係具有一定的緩衝能（néng）力，維持合適的pH值；厭氧體係一旦發生酸化，則需要很長（zhǎng）的時間才能恢複。

       3、氧化還原電位：嚴格的（de）厭氧環境是產甲烷菌進行正常（cháng）生理活動的基本條（tiáo）件；非產甲烷菌可以在（zài）氧化還原電位為+100~ -100mv的環境正常（cháng）生長和活（huó）動；產甲烷菌的（de）*適氧（yǎng）化還原電位為（wéi）-150~ -400mv，在（zài）培養產甲（jiǎ）烷菌的初期，氧化還原電位不能高於-330mv；

       4、營養（yǎng）要求：厭氧微生物對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（jun1）不具有合（hé）成某些（xiē）必（bì）要的維生素或氨基（jī）酸的功能，所以有（yǒu）時需（xū）要投加（jiā）：①K、Na、Ca等金屬鹽類；

       ②微量元素Ni、Co、Mo、Fe等；

       ③有機微（wēi）量物質：酵母浸出膏、生物素、維生（shēng）素（sù）等（děng）。

       5、F/M比：厭氧（yǎng）生物處理的有機物負荷較好（hǎo）氧生物處理更高，一（yī）般可達（dá）5~10kgCOD/m3.d，甚至可達50~80 kgCOD/m3.d；無傳氧（yǎng）的限製；可以積聚更高的生物量（liàng）。產酸階段的反應速率遠高於產甲烷階段，因此必須十（shí）分（fèn）謹慎地選擇有機負荷；高的有機（jī）容積負荷的前提是高的生物量，而相應較低的汙泥負荷；高的有機容（róng）積負荷可以縮短HRT，減少反應（yīng）器容積（jī）。

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

       ①硫化物和硫酸鹽：硫酸（suān）鹽和其它硫的氧（yǎng）化物很容易在厭氧（yǎng）消化過程中被還原成硫化物；可溶的硫化物達到一定濃度時，會對厭氧（yǎng）消化過程主要（yào）是（shì）產甲烷過程產生抑製（zhì）作用；投加某些金屬如Fe可以去除S2-，或（huò）從係統中吹脫H2S可以減輕硫化物的抑製作用。

       ②氨氮：氨氮（dàn）是厭氧消化的緩（huǎn）衝劑；但濃度（dù）過高，則會對厭氧消化過程產生（shēng）毒害作用；抑製濃度為50~200mg/l，但馴化後，適應能力（lì）會得到加強。

       ③重金屬：——使厭氧細菌的酶係統受到破壞。

       ④氰化物：⑤有毒有（yǒu）機物：

       四、厭氧（yǎng）生物處理的主要特征

       1、厭（yàn）氧生物處理過程（chéng）的主要優點：

       ①能耗大大降低（dī），而且還可以回收生物能（néng）（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（shēng）物低得（dé）多，產酸（suān）菌的（de）產率Y為0.15~0.34kgVSS/kgCOD，產甲烷（wán）菌的產率Y為0.03kgVSS/kgCOD左右（yòu），而好氧微生物的產率約為0.25~0.6kgVSS/kgCOD。

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

       2、厭（yàn）氧生物處理過程的主要缺點：

       ①對溫度、pH等（děng）環境因素較敏感（gǎn）；

       ②處理出水水質較差，需進（jìn）一步利用好（hǎo）氧法進行處理；

       ③氣味較大；

       ④對氨氮的去（qù）除效果不好；等等