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氧氣（O2）的存在下，才（cái）能進行正常的生理（lǐ）生（shēng）化反應，主要包括大部分微生（shēng）物、動物以及我們人類；所謂“厭氧”：是能在無分子態氧（yǎng）存（cún）在的條件下，能進行正常的生理生化反（fǎn）應的生物，如厭氧細菌、酵母菌（jun1）等。好氧生物處理（lǐ）過程的生化反應方程式（shì）：

       ①分解反應（又稱氧化反應、異化（huà）代謝、分解代謝） CHONS +O2 CO2 + H2O + NH3 + SO42- +¼+能（néng）量（有（yǒu）機物的組成（chéng）元素）

       ②合成反應（yīng）（也（yě）稱合成（chéng）代（dài）謝、同化作用） C、H、O、N、S +能量 C5H7NO2

       ③內源（yuán）呼吸（xī）（也稱細胞物質的自身氧化） C5H7NO2 + O2 CO2 + H2O + NH3 + SO42- +¼+能量在正常情況下，各類微生物細胞物質的成分是相對穩定的，一般可用下列實驗式來表示：細（xì）菌：C5H7NO2；真菌：C16H17NO6；藻類：C5H8NO2；原生（shēng）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、分解過程為合成提供能（néng）量和前物，而合成則給分解提供（gòng）物質基礎；b、分解過程是一個產能過程，合成過程則是一個耗（hào）能過程。2)對有（yǒu）機（jī）物的去除，二者都有重要貢獻；3）合成量的大小，對後續汙泥的處理有直（zhí）接（jiē）影響（xiǎng）（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（tóng）形式的有機物被生物降解的（de）曆程也不同：一方麵：結構簡單、小分子、可（kě）溶（róng）性物（wù）質，直接進入細胞壁；結構複雜、大分子、膠體狀或顆粒狀的物（wù）質，則（zé）*先被微生物（wù）吸附，隨（suí）後（hòu）在胞外酶的作用下被水解液化（huà）成小（xiǎo）分（fèn）子有機物，再進入細胞內。另一方麵（miàn）：有機物的化學結構不同，其降解過程也會不同，如：糖類；脂類；蛋白質

       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（yīn）素之（zhī）一，在一定範圍內，隨著溫度的升高，生化反應的速率加快，增殖速率也加快（kuài）；細胞的組成物如蛋白質、核酸等對溫度很敏感，溫度突升或降並超過一定限度時，會有不可逆的（de）破壞；*適宜（yí）溫度 15~30°C；>40°C或< 10°C後，會有不利影（yǐng）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，主要的是P；生活汙水（shuǐ）一般不需再投加營養物質；而某些工業（yè）廢水則需要（yào），一般對於（yú）好（hǎo）氧生物（wù）處理工藝，應按BOD : N : P = 100 : 5 : 1投加N和P；其它無機（jī）營養元（yuán）素：K、Mg、Ca、S、Na等；微量元素：Fe、Cu、Mn、Mo、Si、硼（péng）等；

       ④pH值：一般好氧（yǎng）微生物（wù）的*適宜pH在6.5~8.5之間；pH < 4.5時，真菌將（jiāng）占（zhàn）優勢，引起汙泥膨脹；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（zhì）（抑製物質）：重金屬；氰化物；H2S；鹵族元（yuán）素及其化合物（wù）；酚、醇、醛等；

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

       ⑦氧化還原電位：好氧細（xì）菌：+300 ~ 400 mV， 至少要求（qiú）大於+100 mV；厭氧細菌：要求小於+100 mV，對於（yú）嚴格厭氧細菌（jun1），則<-100 mv，甚至（zhì）<-300="" mv。<="" span="">

       第二節 廢水厭氧生物處理原理

廢水（shuǐ）厭氧生物處理在早期又被稱為（wéi）厭氧消化（huà）、厭氧發酵；是指（zhǐ）在厭氧條件下由多種（厭氧或兼性）微生物的（de）共同（tóng）作用下，使（shǐ）有機物分解（jiě）並（bìng）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（liǎng）階段理論：20世紀30~60年代，被普遍接受的是“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（néng）是水解和酸化（huà），主（zhǔ）要產物是（shì）脂肪（fáng）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；

       這些微生物的特點是：

       1）生長速率快（kuài），

       2）對環境條件的適應性（溫度、pH等（děng））強。第二階段：產（chǎn）甲烷階段，又稱堿性發酵階段；是指產甲烷菌利用前一（yī）階段的產物，並將其轉化為CH4和CO2；主要參與反應的微（wēi）生物被統稱為（wéi）產甲烷菌（jun1）（Methane producing bacteria）；

       產甲烷細菌的主要特點是：

       1）生長速率慢（màn），世代時間長；

       2）對環境條件（jiàn）（溫度、pH、抑製物等（děng））非（fēi）常敏感，要求苛刻。

       2、三階段（duàn）理論（lùn）對厭氧（yǎng）微生物學的深入研究後，發現將厭氧消化過程簡單地劃分為（wéi）上述兩個過程，不能真（zhēn）實反映厭（yàn）氧反應過程的本質；厭氧微生物學的研究（jiū）表明，產甲烷菌是一類十分特別的古（gǔ）細菌（Archea），除了（le）在分類學和其（qí）特殊的學報結構外，其*主要的特（tè）點是：產（chǎn）甲烷細菌隻能利用一些簡單有機物作為（wéi）基質，其（qí）中主要是一些簡單的一碳物質如甲（jiǎ）酸、甲醇、甲基胺類以及H2/CO2等，兩碳物質中隻有乙（yǐ）酸，而不能利用其它含兩碳或以上的脂肪酸和甲醇（chún）以（yǐ）外的醇類；上世紀70年代，Bryant發現原（yuán）來認為是一種被稱為“奧氏產甲烷菌（jun1）”的（de）細菌，實際上是由兩種細菌共同組成的，一種細菌*先把乙醇氧化為乙酸和H2（一種產氫產乙酸（suān）細菌），另一種細菌則利用H2和CO2產生CH4（一種真正意義上（shàng）的產甲烷細菌（jun1）——嗜氫產甲烷細菌）；因而，Bryant提出了厭氧消（xiāo）化過程（chéng）的“三階段理（lǐ）論”：水解、發酵階段：產氫產乙酸階段（duàn）：產氫產乙酸菌，將（jiāng）丙酸、丁（dīng）酸等脂（zhī）肪酸和（hé）乙（yǐ）醇等（děng）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（zì）乙酸的分解，其餘的則產自H2和CO2。

       3、四階段理論（四菌群學說）：幾乎與Bryant提出“三階段理論”的同（tóng）時，又有人提出了厭氧消化過程的“四菌群學說”：實際上，是在（zài）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（kě）以（yǐ）將產氫產乙酸細菌產生（shēng）的H2/CO2合成為（wéi）乙酸。但研究表明，實際上這一部（bù）分由H2/CO2合成而來的乙酸的量（liàng）較少，隻占厭氧體係中總乙酸量的5%左右。總體來（lái）說（shuō），“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（jiào）準確的描（miáo）述。

       4、多階段理（lǐ）論 但（dàn）是，當利用厭氧生（shēng）物處理工藝處理含有複雜有機物的時候（hòu），在厭氧反應器中（zhōng）發生的反應（yīng）會遠比上述“三階（jiē）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、厭氧消化過程中（zhōng）的主要微生物

       主要介紹其中的發酵細菌（產酸細菌）、產（chǎn）氫產乙酸菌、產（chǎn）甲（jiǎ）烷菌（jun1）等。

       1、發酵（jiào）細菌（產酸細（xì）菌）：

       發（fā）酵產酸細菌的主要功能有兩種：

       ①水解——在胞外酶的作用（yòng）下，將不溶性有（yǒu）機物（wù）水（shuǐ）解成可溶性（xìng）有機物；

       ②酸化——將可溶性大分子有（yǒu）機物轉化為脂肪酸、醇類等；主要的發酵產酸細菌：梭菌屬、擬杆菌屬、丁酸弧（hú）菌屬、雙岐（qí）杆菌屬等；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（fǎn）應的限速步驟；產酸反應的速率較快；大多數是厭氧菌，也有大量是兼性厭氧菌；可（kě）以按功能來分：纖維素分解菌、半纖維素分（fèn）解菌、澱粉分解菌、蛋白質分（fèn）解菌（jun1）、脂肪分解菌等。

       2、產氫產乙酸（suān）菌：產氫產乙酸細菌（jun1）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；為產甲烷細菌提供合適的基質（zhì），在厭氧（yǎng）係統中常常與產甲烷細菌處於共生互營（yíng）關係。

       3、產甲烷菌20世紀60年代Hungate開（kāi）創了嚴格厭氧微生物培養技術之後，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（néng）是將產氫產乙酸（suān）菌的產物——乙酸和H2/CO2轉化為CH4和CO2，使厭氧消化過程得以順利進（jìn）行（háng）；主要（yào）可分為兩大類：乙酸（suān）營養型和H2營養型產甲烷菌（jun1），或稱為嗜乙酸產甲烷細菌和嗜氫產甲烷細（xì）菌；一般來說，在自然界中乙酸營（yíng）養型（xíng）產甲烷（wán）菌的種類較少，隻（zhī）有（yǒu）Methanosarcina（產甲烷八疊球菌）和（hé）Methanothrix（產甲烷絲狀菌），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主要的產甲烷基質，一般（bān）來說有70%左右的甲烷是來自乙酸的（de）氧化分解；根據產甲烷菌的形態和生理生態特征，可將其分類（lèi）如下（xià）：——*新的分類（Bergy’s細菌手冊第九版），共分為：三（sān）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（bā）疊球菌；

       ④產甲烷（wán）絲菌；等等。在生物分類學上，產甲烷菌（Methanogens）屬於古細菌（Archaebacteria），大小、外觀上與普通細（xì）菌（Eubacteria）相似，但實際上，其細胞成分特殊，特別是細胞壁的（de）結構較特殊；在自然界的分布，一般可以認為是棲息於一（yī）些極端環（huán）境中（如地熱泉水、深（shēn）海火山（shān）口、沉積物等），但實際上其分布極（jí）為廣泛，如汙泥、瘤胃、昆蟲腸（cháng）道、濕樹木、厭氧反應器等；產甲烷菌都是嚴格厭氧細菌，要求氧化還（hái）原電（diàn）位在-150~-400mv，氧和氧（yǎng）化劑對其有很（hěn）強的毒害作用；產甲烷菌（jun1）的增殖速（sù）率很慢（màn），繁殖世代時（shí）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

       產甲烷反應是厭氧消化過程的控製階段，因此，一般來說，在討論厭氧生物處理的影響（xiǎng）因素時（shí）主要討論（lùn）影響產甲烷菌的各項因素；主要影響因素有：溫度、pH值、氧化還原電位、營養物質、F/M比、有毒物質等。

       1、溫度：溫度對厭氧微生物的影（yǐng）響尤為顯著；厭氧細菌可（kě）分為嗜熱（rè）菌（或高溫菌）、嗜（shì）溫菌（中（zhōng）溫菌）；相應地（dì），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（huà）的反應速率約為中溫消化的1.5~1.9倍，產氣率也（yě）較高，但（dàn）氣體中甲烷含量較低（dī）；當處理含有病原菌和寄生蟲卵的廢水或汙泥時，高溫消化可取得較好的衛生效果，消化後汙泥（ní）的脫水性能也較好；隨著新型厭氧反應器的開發研究和應（yīng）用，溫（wēn）度對厭氧消化（huà）的影響不再非常重要（新型反應器內的生物量很大），因此可以在常溫條件下（20~25°C）進行，以節省能量和（hé）運行費用。

       2、pH值和堿度：pH值是（shì）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值的變化非常敏感，一般（bān）認為，其*適（shì）pH值範圍為6.8~7.2，在<6.5或>8.2時，產甲烷菌會受到嚴重抑製，而（ér）進一步導致（zhì）整個厭氧消化過程的惡化；厭（yàn）氧體係中的pH值受多種因素的影（yǐng）響：進水pH值、進（jìn）水水質（有機物濃度、有機物種類等）、生化反應、酸堿平衡、氣固液相間的溶解平衡等；厭（yàn）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：係統中脂肪酸含量的增加（累積），將消耗 ，使pH下降；但（dàn）產甲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（zài）厭氧消化中被認為是一個至關重要的影響因素，但實際上（shàng）其作用主要是（shì）保證厭氧體係具有一定的緩衝能力，維持合（hé）適（shì）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（diàn）位（wèi）：嚴（yán）格的厭氧環境是產甲烷菌進行正常生理活動的基本條件（jiàn）；非（fēi）產甲烷菌可以在氧化（huà）還原電位為+100~ -100mv的環境正常生長和活動；產甲烷菌的*適氧化還原電位為-150~ -400mv，在培養產甲烷菌的初期，氧（yǎng）化還原電（diàn）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（zhì）的要求略低（dī）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（xiē）必要的維生素或氨基酸的功能，所以有時需要投加：①K、Na、Ca等金屬鹽類；

       ②微量元素Ni、Co、Mo、Fe等；

       ③有機微（wēi）量物質：酵母浸（jìn）出（chū）膏、生物素、維生素等。

       5、F/M比（bǐ）：厭氧生物處理的有機物負荷較好氧生物處理更高，一般可達5~10kgCOD/m3.d，甚（shèn）至可達（dá）50~80 kgCOD/m3.d；無傳氧（yǎng）的限（xiàn）製；可以積聚更高（gāo）的（de）生物量。產酸階段的反應速率（lǜ）遠高於產甲烷階段，因此必須十分謹慎地選擇（zé）有機負荷；高的有機容（róng）積負荷的前提是高的生物量，而相應較（jiào）低的汙泥負荷；高的有機容積負荷可以縮短HRT，減少反應器容積。

       6、有毒物質：——常見的抑製性物（wù）質有：硫化物、氨氮、重金屬（shǔ）、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（hěn）容易在厭氧消化過程中被（bèi）還原成硫化（huà）物；可溶的硫化（huà）物（wù）達到一定濃度時，會對厭氧消化（huà）過程主要是產甲烷（wán）過程產生抑製作用；投（tóu）加（jiā）某些金屬如Fe可以去除（chú）S2-，或從係統中吹（chuī）脫H2S可以減輕（qīng）硫化物的抑製作用。

       ②氨氮：氨氮是厭氧消化（huà）的緩衝劑；但濃度過高，則會對（duì）厭（yàn）氧消化過程產生毒（dú）害作用（yòng）；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破壞。

       ④氰化物：⑤有毒有機物：

       四、厭氧生物處理的（de）主要特征

       1、厭氧生物（wù）處理過程（chéng）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汙泥產量很低；——厭氧微生物（wù）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厭氧微生物有可能對好氧微生物不能（néng）降解（jiě）的一些有機物進（jìn）行降解或部分降解；④反應過程較（jiào）為複雜——厭氧消化（huà）是由（yóu）多種不同性質、不（bú）同功能的微生物協同工作的一個連續的（de）微生物過程；

       2、厭氧生物處理過程的主要（yào）缺點：

       ①對溫度、pH等環境因素較敏感；

       ②處理（lǐ）出（chū）水（shuǐ）水（shuǐ）質較差，需進一步利用好氧法進行處理；

       ③氣味較大；

       ④對氨氮的去除效果不好；等（děng）等