一、好氧生物處理的基本生（shēng）物過程

       所謂“好氧（yǎng）”：是指這類生物必須（xū）在有分子態氧氣（O2）的（de）存在（zài）下，才能進行正常的生理（lǐ）生化反應，主要包括大部分（fèn）微生（shēng）物（wù）、動物以及我們人類（lèi）；所謂“厭氧”：是（shì）能在無分子態氧存在的條件下（xià），能進行正常的生理生化反應的生物，如厭氧細菌、酵母（mǔ）菌等。好氧生物（wù）處理過程的（de）生化反應方程式：

       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+能量（有機物的組成（chéng）元素（sù））

       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內源呼（hū）吸（也稱（chēng）細胞物質的自身氧化（huà）） C5H7NO2 + O2 CO2 + H2O + NH3 + SO42- +¼+能量在正常（cháng）情況下，各類微生物（wù）細胞物質的成分是相（xiàng）對穩定的，一般可用下（xià）列實（shí）驗式來表示：細菌：C5H7NO2；真菌（jun1）：C16H17NO6；藻（zǎo）類：C5H8NO2；原生動物：C7H14NO3分解與（yǔ）合成的相互關係：1）二（èr）者不可分（fèn），而是（shì）相（xiàng）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（wù）質基礎；b、分解過程是一個產能過程，合成過程則（zé）是（shì）一個耗能過（guò）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（zhí）接影響（xiǎng）（汙泥的處理費用一般（bān）可（kě）以占整個城市汙水處理廠的40~50%）。不同形式的有機物（wù）被生物降解的曆程也不同：一方麵：結構簡（jiǎn）單、小分子、可溶性物質，直接進入細胞壁；結構複雜、大分（fèn）子（zǐ）、膠體狀或顆粒狀的物質，則*先被微生物吸（xī）附，隨後在胞外酶的作用下被水解液化成小（xiǎo）分子有機物，再進入細胞內。另一方（fāng）麵：有機物的化學結構不同，其降解過程也會不（bú）同，如：糖類；脂類；蛋白質

       二（èr）、影響好氧生物（wù）處理的（de）主要因（yīn）素

       ①溶解氧（DO）：約1~2mg/l；

       ②水溫：是重要因素之一，在一（yī）定範（fàn）圍內，隨著溫度的升（shēng）高，生化反應的速率加快，增殖速率也（yě）加快；細胞的組成物如蛋白質、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（huì）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（xiǎng）。

       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（wū）水一般不需（xū）再投加營養物質；而某些工業廢水則（zé）需要，一般對於好氧生物處理工藝（yì），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；微量元（yuán）素：Fe、Cu、Mn、Mo、Si、硼等；

       ④pH值：一般好氧微生物的*適宜pH在6.5~8.5之間；pH < 4.5時，真菌將占優勢，引起汙泥膨脹；另一方麵，微（wēi）生物的活動也會（huì）影（yǐng）響（xiǎng）混合液的pH值。

       ⑤有毒物質（抑製物質）：重金屬；氰化（huà）物；H2S；鹵族元素及其化合物；酚、醇、醛等（děng）；

       ⑥有機負荷率：汙水中的有機物本來是微生物（wù）的食物，但太多（duō）時，也會不（bú）利於微生物；

       ⑦氧化還原電位：好氧細菌：+300 ~ 400 mV， 至少要求大於+100 mV；厭（yàn）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 廢水厭氧生物處理（lǐ）原理

廢水厭氧生物處理在早期又被稱為厭氧消（xiāo）化、厭氧發酵；是指在厭氧條件下由多種（厭氧或兼性）微生物的共同作用下，使有機物分解並產生CH4和CO2的過程。

       一、厭氧生物處理中的（de）基本生物過程——階段性理論

1、兩階段理論（lùn）：20世紀（jì）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（huò）酸性發酵階段；主要功能是水解和酸化（huà），主要（yào）產物是脂肪酸、醇（chún）類（lèi）、CO2和H2等；主要參與反應的微（wēi）生物統稱為發酵（jiào）細菌或產酸細菌；

       這些微生物的特點是：

       1）生長速率快，

       2）對環境條件的適應性（溫度、pH等）強。第二階段：產甲烷階段（duàn），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，並將其轉化為CH4和（hé）CO2；主（zhǔ）要參與（yǔ）反應的微生物被統稱為產甲烷菌（jun1）（Methane producing bacteria）；

       產甲烷細菌的主要特（tè）點是：

       1）生長（zhǎng）速率（lǜ）慢，世代時間長；

       2）對環境條件（jiàn）（溫度、pH、抑製物等）非常（cháng）敏感，要求苛刻。

       2、三階段理論對厭氧微生物學的深入研究後，發現將厭氧消化過程簡單（dān）地劃（huá）分為（wéi）上述兩個過程，不能真實反映厭氧反應過程的本質；厭（yàn）氧微（wēi）生物（wù）學的研究表明，產甲烷（wán）菌是一類十分特別的古細菌（Archea），除了在（zài）分類學和其特殊的學報結構外，其*主要（yào）的特點是：產甲烷細菌隻能利用一些簡單（dān）有機物作為（wéi）基質，其中主要是一（yī）些簡單的一碳物質如甲酸、甲醇、甲基胺（àn）類以及H2/CO2等，兩碳物質中隻有乙（yǐ）酸，而不能利（lì）用其它含（hán）兩碳或以上的脂肪酸和甲醇以外的（de）醇類；上世紀70年代，Bryant發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）細菌共同組成的（de），一種細菌*先把（bǎ）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（shēng）CH4（一種真正意義上的產甲烷細菌——嗜氫產（chǎn）甲烷細菌）；因而，Bryant提出（chū）了厭氧消化過程的“三階段理論”：水解、發酵（jiào）階（jiē）段：產氫產乙酸階段：產（chǎn）氫產乙酸菌，將丙酸（suān）、丁酸（suān）等脂肪（fáng）酸和乙醇等（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（shēng）物處理過程（chéng）中（zhōng）約有70%的CH4產自乙酸的（de）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”的同時，又有人提出了厭氧消化（huà）過程的“四菌群學（xué）說”：實際（jì）上，是在上述（shù）三階段理論的基礎上，增加了一類細菌——同（tóng）型產乙酸菌，其主要功能是可以（yǐ）將產氫產乙酸（suān）細菌產生的H2/CO2合成為乙（yǐ）酸。但研究表明，實際上這一部分由H2/CO2合成而來（lái）的乙（yǐ）酸的量較少，隻占厭氧體係中總（zǒng）乙酸量的5%左右（yòu）。總體來說，“三階段理（lǐ）論”、“四階段理論”是（shì）目前公認的對厭氧生物處（chù）理過程（chéng）較（jiào）全麵和較準確的（de）描（miáo）述。

       4、多階段理（lǐ）論 但是，當利用厭氧生物處理工藝處理含（hán）有複（fù）雜有機（jī）物的時候，在厭氧（yǎng）反應器中發生（shēng）的（de）反應會遠比上述“三階段理論”、“四階段理論”中所描述的反應過程複雜，可（kě）以參見“厭氧複雜體係示意圖”。

       二、厭氧（yǎng）消化過程中的主要微生物

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

       1、發酵細菌（jun1）（產酸細菌）：

       發酵產酸（suān）細菌的主要功能（néng）有兩種：

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

       ②酸化——將可（kě）溶性（xìng）大（dà）分子（zǐ）有機物轉化（huà）為脂（zhī）肪酸、醇類等；主要（yào）的發酵產酸細菌：梭菌屬、擬杆（gǎn）菌（jun1）屬、丁酸弧（hú）菌屬、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（zhǒng）類等（děng）），有時回成為厭氧（yǎng）反應的限（xiàn）速步驟；產酸反應的速率較快；大多數是（shì）厭氧菌（jun1），也有大量是兼性厭氧菌；可以按功能來（lái）分（fèn）：纖維素分解菌、半纖維素分解菌、澱粉分解菌（jun1）、蛋白質分解菌、脂肪分（fèn）解菌等。

       2、產氫產乙酸（suān）菌：產氫產（chǎn）乙酸細菌的主要功能是將各種高級脂肪酸和醇類氧化分解為乙（yǐ）酸和H2；為產甲烷細菌提供合適的基質，在厭氧係（xì）統中常常（cháng）與產甲（jiǎ）烷細菌處於（yú）共生互營關係。

       3、產甲烷菌20世紀60年代Hungate開創了嚴格厭氧微（wēi）生（shēng）物培（péi）養技術（shù）之後，對產甲烷細菌的研究才得以（yǐ）廣泛進行；產甲烷細菌的主要功能是將產氫產乙酸菌的產物——乙酸和H2/CO2轉（zhuǎn）化為CH4和CO2，使厭氧消化過（guò）程得以順利進行；主要可分為兩大（dà）類：乙酸營養型和H2營養型產甲烷（wán）菌，或稱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（rán）界中乙酸營養（yǎng）型產甲烷菌的種類較少，隻有Methanosarcina（產甲烷八疊球菌）和Methanothrix（產甲烷絲狀菌（jun1）），但這兩種產甲烷細菌在厭氧反（fǎn）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（de）產（chǎn）甲烷基質，一般來說有70%左右的甲烷是來自乙（yǐ）酸的氧化分解；根據產甲烷菌的形態和生理生態特征，可將其分類如下：——*新的分類（Bergy’s細菌手冊第九版（bǎn）），共分為：三目、七科（kē）、十九屬、65種；產甲烷菌有各種不同的形態，常見的有（yǒu）：

       ①產甲烷杆菌；

       ②產甲烷球（qiú）菌；

       ③產（chǎn）甲烷八疊球（qiú）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、外觀上與普通細菌（Eubacteria）相似（sì），但實際上，其細胞成分特殊，特別是（shì）細胞壁的結構較特殊；在自然界的分布，一般可以認為是棲息於一些極端環境中（zhōng）（如地熱泉水、深海火山口、沉積物等），但實際上其分布極為廣（guǎng）泛，如汙泥、瘤胃、昆蟲腸道（dào）、濕樹木（mù）、厭（yàn）氧反應器等；產甲烷菌都是嚴格厭氧細菌（jun1），要求氧化還原電位在-150~-400mv，氧和氧化劑對其有很（hěn）強的毒害作用；產甲烷（wán）菌的增殖速率很慢，繁殖（zhí）世代時間長，可（kě）達4~6天，因此，一般情況下產（chǎn）甲烷反（fǎn）應是厭氧消化的（de）限速步驟。

       三、厭氧生物處理的影響因素

       產甲烷反（fǎn）應是厭（yàn）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因（yīn）素時主要討論影響產甲烷菌的（de）各項因素；主要影（yǐng）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（duì）厭氧（yǎng）微生物的影響尤為顯著；厭氧（yǎng）細菌可分為嗜熱菌（或高溫菌）、嗜溫菌（中溫菌）；相（xiàng）應地，厭氧消化分為：高（gāo）溫消化（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，產氣率也較高（gāo），但（dàn）氣體中甲烷（wán）含量（liàng）較低；當處理含有病原菌和寄生蟲卵的廢水或汙泥時（shí），高（gāo）溫消化可取得較好的衛生效果，消（xiāo）化後汙泥（ní）的脫水性能（néng）也較好；隨著新（xīn）型厭氧反應器的開發研究和應（yīng）用（yòng），溫度對厭氧消化的影響不再（zài）非常重要（新型（xíng）反應器內的生物量（liàng）很（hěn）大），因（yīn）此可以在常溫條件下（20~25°C）進行，以節省能量和運行費用。

       2、pH值和堿度：pH值是厭氧消化過程中的*重（chóng）要的影響因（yīn）素（sù）；重要原因：產甲烷菌對pH值的變化非常敏感，一般認為，其*適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，而進一步導致整個厭氧消化過程的惡化；厭氧體係中的pH值受多種因素（sù）的影響：進水pH值、進水水質（有機物濃度、有機物種類等）、生化反應、酸堿平衡、氣固液（yè）相間（jiān）的溶解平衡等；厭氧體係是（shì）一個pH值的緩衝體係，主要由碳酸鹽體係所控製；一般來說：係統中脂肪酸含量（liàng）的增加（累積），將消耗 ，使pH下降（jiàng）；但產甲烷菌的（de）作用（yòng）不但可以消耗脂肪（fáng）酸，而且還會產生 ，使係（xì）統的（de）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（dàn）實際上其作用主要是保證（zhèng）厭氧體係具有一（yī）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（hái）原電（diàn）位：嚴格的厭氧環境是（shì）產甲烷菌進行正常生理活動的基本條件；非（fēi）產甲烷菌可以在氧化還原電位為+100~ -100mv的環境正常生長和活動；產甲（jiǎ）烷菌的*適氧化還（hái）原電位（wèi）為-150~ -400mv，在培養產甲烷菌的初期，氧化還原電位不能高於-330mv；

       4、營養要求：厭氧（yǎng）微生物對N、P等營養物質的要求（qiú）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（chéng）某些（xiē）必要的維（wéi）生素或氨基酸的功能，所以有（yǒu）時需要投加：①K、Na、Ca等金屬鹽類；

       ②微量元素Ni、Co、Mo、Fe等；

       ③有機微量物質：酵母浸出膏、生物素（sù）、維生素等。

       5、F/M比：厭氧生物處理（lǐ）的有（yǒu）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50~80 kgCOD/m3.d；無傳氧的限（xiàn）製；可以積聚（jù）更（gèng）高的生物量。產酸階段的反應（yīng）速率（lǜ）遠高於產甲烷階段，因此必須十分謹慎地選擇有機負荷；高的有機容積（jī）負荷的（de）前提是高的生物量，而相應較低的汙泥負（fù）荷；高的有（yǒu）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（xìng）物質有：硫（liú）化物、氨氮、重金屬、氰化物及某些有機物；

       ①硫化物和硫酸鹽：硫酸鹽和其它硫的氧（yǎng）化物很容易在（zài）厭氧消化過程中被還（hái）原成硫化物；可溶的硫化（huà）物達到一定濃度時，會對厭氧消化過程主要是產甲（jiǎ）烷過程產（chǎn）生（shēng）抑（yì）製作用；投（tóu）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（wù）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，則會對厭氧消化（huà）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（huì）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（lǐ）的主要特征

       1、厭氧生物處（chù）理過（guò）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汙泥產量很低；——厭氧（yǎng）微生物的增殖速率比好氧微生物低得（dé）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（yǎng）微生物有可能對好氧微生物不能降解的一些（xiē）有機物進行降解或部分降解（jiě）；④反應過程較為複雜——厭氧消化是由多種不同性質、不同功能的微生物協同（tóng）工作的（de）一個連續（xù）的微生物過程；

       2、厭氧生物處理過（guò）程的主要缺點：

       ①對溫度、pH等環境因素較敏感；

       ②處理出（chū）水水質（zhì）較差，需進一步利用好氧法進行處理；

       ③氣味較大；

       ④對氨（ān）氮的去除效果不好；等等