一、好氧生物處理的基本生物過程

所謂“好氧”：是指這類生物必須在有分子態(tài)氧氣（O2）的存在下，才能進(jìn)行正常的生理生化反應(yīng)，主要包括大部分微生物、動(dòng)物以及我們?nèi)祟?；所謂“厭氧”：是能在無分子態(tài)氧存在的條件下，能進(jìn)行正常的生理生化反應(yīng)的生物，如厭氧細(xì)菌、酵母菌等。好氧生物處理過程的生化反應(yīng)方程式：

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

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

③內(nèi)源呼吸（也稱細(xì)胞物質(zhì)的自身氧化） C5H7NO2 + O2 CO2 + H2O + NH3 + SO42- +?+能量在正常情況下，各類微生物細(xì)胞物質(zhì)的成分是相對(duì)穩(wěn)定的，一般可用下列實(shí)驗(yàn)式來表示：細(xì)菌：C5H7NO2；真菌：C16H17NO6；藻類：C5H8NO2；原生動(dòng)物：C7H14NO3分解與合成的相互關(guān)系：1）二者不可分，而是相互依賴的；a、分解過程為合成提供能量和前物，而合成則給分解提供物質(zhì)基礎(chǔ)；b、分解過程是一個(gè)產(chǎn)能過程，合成過程則是一個(gè)耗能過程。2)對(duì)有機(jī)物的去除，二者都有重要貢獻(xiàn)；3）合成量的大小，對(duì)后續(xù)污泥的處理有直接影響（污泥的處理費(fèi)用一般可以占整個(gè)城市污水處理廠的40~50%）。不同形式的有機(jī)物被生物降解的歷程也不同：一方面：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、小分子、可溶性物質(zhì)，直接進(jìn)入細(xì)胞壁；結(jié)構(gòu)復(fù)雜、大分子、膠體狀或顆粒狀的物質(zhì)，則首先被微生物吸附，隨后在胞外酶的作用下被水解液化成小分子有機(jī)物，再進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)。另一方面：有機(jī)物的化學(xué)結(jié)構(gòu)不同，其降解過程也會(huì)不同，如：糖類；脂類；蛋白質(zhì)。

二、影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，在一定范圍內(nèi)，隨著溫度的升高，生化反應(yīng)的速率加快，增殖速率也加快；細(xì)胞的組成物如蛋白質(zhì)、核酸等對(duì)溫度很敏感，溫度突升或降并超過一定限度時(shí)，會(huì)有不可逆的破壞；最適宜溫度 15~30°C；>40°C或< 10°C后，會(huì)有不利影響。

③營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)：細(xì)胞組成中，C、H、O、N約占90~97%；其余3~10%為無機(jī)元素，主要的是P；生活污水一般不需再投加營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)；而某些工業(yè)廢水則需要，一般對(duì)于好氧生物處理工藝，應(yīng)按BOD : N : P = 100 : 5 : 1投加N和P；其它無機(jī)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：一般好氧微生物的最適宜pH在6.5~8.5之間；pH < 4.5時(shí)，真菌將占優(yōu)勢(shì)，引起污泥膨脹；另一方面，微生物的活動(dòng)也會(huì)影響混合液的pH值。

⑤有毒物質(zhì)（抑制物質(zhì)）：重金屬；氰化物；H2S；鹵族元素及其化合物；酚、醇、醛等；

⑥有機(jī)負(fù)荷率：污水中的有機(jī)物本來是微生物的食物，但太多時(shí)，也會(huì)不利于微生物；

⑦氧化還原電位：好氧細(xì)菌：+300 ~ 400 mV， 至少要求大于+100 mV；厭氧細(xì)菌：要求小于+100 mV，對(duì)于嚴(yán)格厭氧細(xì)菌，則<-100 mV，甚至<-300 mV。

第二節(jié) 廢水厭氧生物處理原理

廢水厭氧生物處理在早期又被稱為厭氧消化、厭氧發(fā)酵；是指在厭氧條件下由多種（厭氧或兼性）微生物的共同作用下，使有機(jī)物分解并產(chǎn)生CH4和CO2的過程。

一、厭氧生物處理中的基本生物過程——階段性理論

1、兩階段理論：20世紀(jì)30~60年代，被普遍接受的是“兩階段理論”第一階段：發(fā)酵階段，又稱產(chǎn)酸階段或酸性發(fā)酵階段；主要功能是水解和酸化，主要產(chǎn)物是脂肪酸、醇類、CO2和H2等；主要參與反應(yīng)的微生物統(tǒng)稱為發(fā)酵細(xì)菌或產(chǎn)酸細(xì)菌；

這些微生物的特點(diǎn)是：

1）生長(zhǎng)速率快，

2）對(duì)環(huán)境條件的適應(yīng)性（溫度、pH等）強(qiáng)。第二階段：產(chǎn)甲烷階段，又稱堿性發(fā)酵階段；是指產(chǎn)甲烷菌利用前一階段的產(chǎn)物，并將其轉(zhuǎn)化為CH4和CO2；主要參與反應(yīng)的微生物被統(tǒng)稱為產(chǎn)甲烷菌（Methane producing bacteria）；

產(chǎn)甲烷細(xì)菌的主要特點(diǎn)是：

1）生長(zhǎng)速率慢，世代時(shí)間長(zhǎng)；

2）對(duì)環(huán)境條件（溫度、pH、抑制物等）非常敏感，要求苛刻。

2、三階段理論對(duì)厭氧微生物學(xué)的深入研究后，發(fā)現(xiàn)將厭氧消化過程簡(jiǎn)單地劃分為上述兩個(gè)過程，不能真實(shí)反映厭氧反應(yīng)過程的本質(zhì)；厭氧微生物學(xué)的研究表明，產(chǎn)甲烷菌是一類十分特別的古細(xì)菌（Archea），除了在分類學(xué)和其特殊的學(xué)報(bào)結(jié)構(gòu)外，其最主要的特點(diǎn)是：產(chǎn)甲烷細(xì)菌只能利用一些簡(jiǎn)單有機(jī)物作為基質(zhì)，其中主要是一些簡(jiǎn)單的一碳物質(zhì)如甲酸、甲醇、甲基胺類以及H2/CO2等，兩碳物質(zhì)中只有乙酸，而不能利用其它含兩碳或以上的脂肪酸和甲醇以外的醇類；上世紀(jì)70年代，Bryant發(fā)現(xiàn)原來認(rèn)為是一種被稱為“奧氏產(chǎn)甲烷菌”的細(xì)菌，實(shí)際上是由兩種細(xì)菌共同組成的，一種細(xì)菌首先把乙醇氧化為乙酸和H2（一種產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸細(xì)菌），另一種細(xì)菌則利用H2和CO2產(chǎn)生CH4（一種真正意義上的產(chǎn)甲烷細(xì)菌——嗜氫產(chǎn)甲烷細(xì)菌）；因而，Bryant提出了厭氧消化過程的“三階段理論”：水解、發(fā)酵階段：產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸階段：產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌，將丙酸、丁酸等脂肪酸和乙醇等轉(zhuǎn)化為乙酸、H2/CO2；產(chǎn)甲烷階段：產(chǎn)甲烷菌利用乙酸和H2、CO2產(chǎn)生CH4；一般認(rèn)為，在厭氧生物處理過程中約有70%的CH4產(chǎn)自乙酸的分解，其余的則產(chǎn)自H2和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(shí)，又有人提出了厭氧消化過程的“四菌群學(xué)說”：實(shí)際上，是在上述三階段理論的基礎(chǔ)上，增加了一類細(xì)菌——同型產(chǎn)乙酸菌，其主要功能是可以將產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸細(xì)菌產(chǎn)生的H2/CO2合成為乙酸。但研究表明，實(shí)際上這一部分由H2/CO2合成而來的乙酸的量較少，只占厭氧體系中總乙酸量的5%左右。總體來說，“三階段理論”、“四階段理論”是目前公認(rèn)的對(duì)厭氧生物處理過程較全面和較準(zhǔn)確的描述。

4、多階段理論 但是，當(dāng)利用厭氧生物處理工藝處理含有復(fù)雜有機(jī)物的時(shí)候，在厭氧反應(yīng)器中發(fā)生的反應(yīng)會(huì)遠(yuǎn)比上述“三階段理論”、“四階段理論”中所描述的反應(yīng)過程復(fù)雜，可以參見“厭氧復(fù)雜體系示意圖”。

二、厭氧消化過程中的主要微生物

主要介紹其中的發(fā)酵細(xì)菌（產(chǎn)酸細(xì)菌）、產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌、產(chǎn)甲烷菌等。

1、發(fā)酵細(xì)菌（產(chǎn)酸細(xì)菌）：

發(fā)酵產(chǎn)酸細(xì)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)物水解成可溶性有機(jī)物；

②酸化——將可溶性大分子有機(jī)物轉(zhuǎn)化為脂肪酸、醇類等；主要的發(fā)酵產(chǎn)酸細(xì)菌：梭菌屬、擬桿菌屬、丁酸弧菌屬、雙岐桿菌屬等；水解過程較緩慢，并受多種因素影響（pH、SRT、有機(jī)物種類等），有時(shí)回成為厭氧反應(yīng)的限速步驟；產(chǎn)酸反應(yīng)的速率較快；大多數(shù)是厭氧菌，也有大量是兼性厭氧菌；可以按功能來分：纖維素分解菌、半纖維素分解菌、淀粉分解菌、蛋白質(zhì)分解菌、脂肪分解菌等。

2、產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌：產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸細(xì)菌的主要功能是將各種高級(jí)脂肪酸和醇類氧化分解為乙酸和H2；為產(chǎn)甲烷細(xì)菌提供合適的基質(zhì)，在厭氧系統(tǒng)中常常與產(chǎn)甲烷細(xì)菌處于共生互營(yíng)關(guān)系。

3、產(chǎn)甲烷菌20世紀(jì)60年代Hungate開創(chuàng)了嚴(yán)格厭氧微生物培養(yǎng)技術(shù)之后，對(duì)產(chǎn)甲烷細(xì)菌的研究才得以廣泛進(jìn)行；產(chǎn)甲烷細(xì)菌的主要功能是將產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌的產(chǎn)物——乙酸和H2/CO2轉(zhuǎn)化為CH4和CO2，使厭氧消化過程得以順利進(jìn)行；主要可分為兩大類：乙酸營(yíng)養(yǎng)型和H2營(yíng)養(yǎng)型產(chǎn)甲烷菌，或稱為嗜乙酸產(chǎn)甲烷細(xì)菌和嗜氫產(chǎn)甲烷細(xì)菌；一般來說，在自然界中乙酸營(yíng)養(yǎng)型產(chǎn)甲烷菌的種類較少，只有Methanosarcina（產(chǎn)甲烷八疊球菌）和Methanothrix（產(chǎn)甲烷絲狀菌），但這兩種產(chǎn)甲烷細(xì)菌在厭氧反應(yīng)器中居多，特別是后者，因?yàn)樵趨捬醴磻?yīng)器中乙酸是主要的產(chǎn)甲烷基質(zhì)，一般來說有70%左右的甲烷是來自乙酸的氧化分解；根據(jù)產(chǎn)甲烷菌的形態(tài)和生理生態(tài)特征，可將其分類如下：——最新的分類（Bergy’s細(xì)菌手冊(cè)第九版），共分為：三目、七科、十九屬、65種；產(chǎn)甲烷菌有各種不同的形態(tài)，常見的有：

①產(chǎn)甲烷桿菌；

②產(chǎn)甲烷球菌；

③產(chǎn)甲烷八疊球菌；

④產(chǎn)甲烷絲菌；等等。在生物分類學(xué)上，產(chǎn)甲烷菌（Methanogens）屬于古細(xì)菌（Archaebacteria），大小、外觀上與普通細(xì)菌（Eubacteria）相似，但實(shí)際上，其細(xì)胞成分特殊，特別是細(xì)胞壁的結(jié)構(gòu)較特殊；在自然界的分布，一般可以認(rèn)為是棲息于一些極端環(huán)境中（如地?zé)崛?、深?；鹕娇凇⒊练e物等），但實(shí)際上其分布極為廣泛，如污泥、瘤胃、昆蟲腸道、濕樹木、厭氧反應(yīng)器等；產(chǎn)甲烷菌都是嚴(yán)格厭氧細(xì)菌，要求氧化還原電位在-150~-400mv，氧和氧化劑對(duì)其有很強(qiáng)的毒害作用；產(chǎn)甲烷菌的增殖速率很慢，繁殖世代時(shí)間長(zhǎng)，可達(dá)4~6天，因此，一般情況下產(chǎn)甲烷反應(yīng)是厭氧消化的限速步驟。

三、厭氧生物處理的影響因素

產(chǎn)甲烷反應(yīng)是厭氧消化過程的控制階段，因此，一般來說，在討論厭氧生物處理的影響因素時(shí)主要討論影響產(chǎn)甲烷菌的各項(xiàng)因素；主要影響因素有：溫度、pH值、氧化還原電位、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、F/M比、有毒物質(zhì)等。

1、溫度：溫度對(duì)厭氧微生物的影響尤為顯著；厭氧細(xì)菌可分為嗜熱菌（或高溫菌）、嗜溫菌（中溫菌）；相應(yīng)地，厭氧消化分為：高溫消化（55°C左右）和中溫消化（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(chǎn)氣率也較高，但氣體中甲烷含量較低；當(dāng)處理含有病原菌和寄生蟲卵的廢水或污泥時(shí)，高溫消化可取得較好的衛(wèi)生效果，消化后污泥的脫水性能也較好；隨著新型厭氧反應(yīng)器的開發(fā)研究和應(yīng)用，溫度對(duì)厭氧消化的影響不再非常重要（新型反應(yīng)器內(nèi)的生物量很大），因此可以在常溫條件下（20~25°C）進(jìn)行，以節(jié)省能量和運(yùn)行費(fèi)用。

2、pH值和堿度：pH值是厭氧消化過程中的最重要的影響因素；重要原因：產(chǎn)甲烷菌對(duì)pH值的變化非常敏感，一般認(rèn)為，其最適pH值范圍為6.8~7.2，在<6.5或>8.2時(shí)，產(chǎn)甲烷菌會(huì)受到嚴(yán)重抑制，而進(jìn)一步導(dǎo)致整個(gè)厭氧消化過程的惡化；厭氧體系中的pH值受多種因素的影響：進(jìn)水pH值、進(jìn)水水質(zhì)（有機(jī)物濃度、有機(jī)物種類等）、生化反應(yīng)、酸堿平衡、氣固液相間的溶解平衡等；厭氧體系是一個(gè)pH值的緩沖體系，主要由碳酸鹽體系所控制；一般來說：系統(tǒng)中脂肪酸含量的增加（累積），將消耗 ，使pH下降；但產(chǎn)甲烷菌的作用不但可以消耗脂肪酸，而且還會(huì)產(chǎn)生 ，使系統(tǒng)的pH值回升。堿度曾一度在厭氧消化中被認(rèn)為是一個(gè)至關(guān)重要的影響因素，但實(shí)際上其作用主要是保證厭氧體系具有一定的緩沖能力，維持合適的pH值；厭氧體系一旦發(fā)生酸化，則需要很長(zhǎng)的時(shí)間才能恢復(fù)。

3、氧化還原電位：嚴(yán)格的厭氧環(huán)境是產(chǎn)甲烷菌進(jìn)行正常生理活動(dòng)的基本條件；非產(chǎn)甲烷菌可以在氧化還原電位為+100~ -100mv的環(huán)境正常生長(zhǎng)和活動(dòng)；產(chǎn)甲烷菌的最適氧化還原電位為-150~ -400mv，在培養(yǎng)產(chǎn)甲烷菌的初期，氧化還原電位不能高于-330mv；

4、營(yíng)養(yǎng)要求：厭氧微生物對(duì)N、P等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的要求略低于好氧微生物，其要求COD：N：P = 200：5：1；

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

②微量元素Ni、Co、Mo、Fe等；

③有機(jī)微量物質(zhì)：酵母浸出膏、生物素、維生素等。

5、F/M比：厭氧生物處理的有機(jī)物負(fù)荷較好氧生物處理更高，一般可達(dá)5~10kgCOD/m3.d，甚至可達(dá)50~80 kgCOD/m3.d；無傳氧的限制；可以積聚更高的生物量。產(chǎn)酸階段的反應(yīng)速率遠(yuǎn)高于產(chǎn)甲烷階段，因此必須十分謹(jǐn)慎地選擇有機(jī)負(fù)荷；高的有機(jī)容積負(fù)荷的前提是高的生物量，而相應(yīng)較低的污泥負(fù)荷；高的有機(jī)容積負(fù)荷可以縮短HRT，減少反應(yīng)器容積。

6、有毒物質(zhì)：——常見的抑制性物質(zhì)有：硫化物、氨氮、重金屬、氰化物及某些有機(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程中被還原成硫化物；可溶的硫化物達(dá)到一定濃度時(shí)，會(huì)對(duì)厭氧消化過程主要是產(chǎn)甲烷過程產(chǎn)生抑制作用；投加某些金屬如Fe可以去除S2-，或從系統(tǒng)中吹脫H2S可以減輕硫化物的抑制作用。

②氨氮：氨氮是厭氧消化的緩沖劑；但濃度過高，則會(huì)對(duì)厭氧消化過程產(chǎn)生毒害作用；抑制濃度為50~200mg/l，但馴化后，適應(yīng)能力會(huì)得到加強(qiáng)。

③重金屬：——使厭氧細(xì)菌的酶系統(tǒng)受到破壞。

④氰化物：⑤有毒有機(jī)物：

四、厭氧生物處理的主要特征

1、厭氧生物處理過程的主要優(yōu)點(diǎn)：

①能耗大大降低，而且還可以回收生物能（沼氣）；

②污泥產(chǎn)量很低；——厭氧微生物的增殖速率比好氧微生物低得多，產(chǎn)酸菌的產(chǎn)率Y為0.15~0.34kgVSS/kgCOD，產(chǎn)甲烷菌的產(chǎn)率Y為0.03kgVSS/kgCOD左右，而好氧微生物的產(chǎn)率約為0.25~0.6kgVSS/kgCOD。

③厭氧微生物有可能對(duì)好氧微生物不能降解的一些有機(jī)物進(jìn)行降解或部分降解；④反應(yīng)過程較為復(fù)雜——厭氧消化是由多種不同性質(zhì)、不同功能的微生物協(xié)同工作的一個(gè)連續(xù)的微生物過程；

2、厭氧生物處理過程的主要缺點(diǎn)：

①對(duì)溫度、pH等環(huán)境因素較敏感；

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

③氣味較大；

④對(duì)氨氮的去除效果不好；等等

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