一、好氧生物處理的基（jī）本（běn）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（yǎng）氣（O2）的存在下，才能（néng）進行正常的生理生化反應，主（zhǔ）要包括（kuò）大部分微生物、動物以及我們人類；所謂“厭氧”：是能在無分子態氧存在（zài）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、酵母菌等。好氧（yǎng）生物處理過程的（de）生（shēng）化反應方程（chéng）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（有機物的組成元素）

       ②合成反應（也（yě）稱（chēng）合成代（dài）謝、同化作用） C、H、O、N、S +能量 C5H7NO2

       ③內源呼吸（也稱細胞（bāo）物（wù）質的（de）自（zì）身氧化） C5H7NO2 + O2 CO2 + H2O + NH3 + SO42- +¼+能量在正常情況下，各類微生物（wù）細胞（bāo）物質的成分是相對穩定（dìng）的（de），一般可用下列（liè）實驗式來表示：細菌：C5H7NO2；真菌：C16H17NO6；藻類（lèi）：C5H8NO2；原生動物（wù）：C7H14NO3分解與合成（chéng）的相互關係：1）二者不可分，而是相互依賴的；a、分解過程為（wéi）合成提供能量和前物，而合成則給分解提供物（wù）質基（jī）礎；b、分解（jiě）過程是一個產能過程，合成過程則是一（yī）個耗能過程。2)對有機物的去除，二者都有重要（yào）貢獻；3）合成量的（de）大小，對後（hòu）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（shuǐ）處理廠的40~50%）。不同形（xíng）式的有機物被生物降解的曆程也不（bú）同：一方麵：結構簡單、小分子、可溶性物質，直（zhí）接進入細胞壁；結構複雜（zá）、大分子、膠體狀或顆粒狀的物質，則（zé）*先（xiān）被（bèi）微生物吸附（fù），隨後在胞外（wài）酶的作用下被水解液化成小分（fèn）子（zǐ）有機物，再進入（rù）細胞內。另一方麵：有機（jī）物的化學結構不同（tóng），其（qí）降（jiàng）解過程也會不同（tóng），如：糖類；脂類；蛋白質

       二、影響好氧生物處（chù）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，在一定範圍（wéi）內，隨著溫度的升高，生化反應的速率加（jiā）快，增殖速率也（yě）加快；細胞的組成物如蛋（dàn）白質、核酸等對溫度很敏感，溫度突升（shēng）或降並超過一定限度時，會有不可逆的破壞；*適宜溫度 15~30°C；>40°C或< 10°C後，會（huì）有不利影響。

       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（huó）汙（wū）水一般不需再投加營養物質；而某些工業廢水（shuǐ）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（tā）無機（jī）營養元素（sù）：K、Mg、Ca、S、Na等；微量元素：Fe、Cu、Mn、Mo、Si、硼等；

       ④pH值（zhí）：一（yī）般好氧微生物的*適宜pH在6.5~8.5之間；pH < 4.5時，真（zhēn）菌將（jiāng）占優勢，引起汙泥膨脹；另（lìng）一方麵，微生物的活動也（yě）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（sù）及其化合物（wù）；酚（fēn）、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（wù）；

       ⑦氧化（huà）還原電位：好氧細菌：+300 ~ 400 mV， 至少要求大於+100 mV；厭氧細菌：要求小於+100 mV，對（duì）於嚴格厭氧細菌，則<-100 mv，甚至<-300="" mv。<="" span="">

       第二（èr）節 廢（fèi）水厭氧生物處理原理

廢水厭氧（yǎng）生物處理在早期又被稱為厭（yàn）氧消化、厭氧（yǎng）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（yǒu）機物分解並（bìng）產生CH4和CO2的過程。

       一、厭氧生物處理中的基本生物過程——階（jiē）段性理論

1、兩階段理論：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（chǎn）酸階段或酸性發酵階段；主（zhǔ）要功能是水解和酸化，主要產物是脂肪酸、醇類、CO2和H2等；主（zhǔ）要參與反應的微生（shēng）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（kuài），

       2）對環境條件的適應性（溫（wēn）度、pH等）強。第二階（jiē）段（duàn）：產甲烷（wán）階段（duàn），又稱堿性發酵階段；是指產甲烷（wán）菌（jun1）利用（yòng）前一階段的產物，並（bìng）將其（qí）轉化（huà）為CH4和CO2；主要參與反應（yīng）的微生物被統稱（chēng）為產（chǎn）甲烷菌（Methane producing bacteria）；

       產甲烷細菌的主要特點是：

       1）生長速（sù）率慢，世（shì）代時間長；

       2）對環境條件（jiàn）（溫度（dù）、pH、抑製物等）非常敏（mǐn）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地（dì）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；厭氧微生物（wù）學（xué）的研究表明，產甲烷菌是一類十分特別的古細菌（Archea），除了在分（fèn）類學和其特（tè）殊的學報結構外，其*主要的特點是：產甲烷細（xì）菌隻能利用一些簡單有機物作為（wéi）基質，其中主要是一（yī）些簡單的一碳物質如甲酸、甲醇、甲基胺類以（yǐ）及H2/CO2等，兩碳物質中隻有乙酸，而不（bú）能（néng）利用其它含（hán）兩碳或以（yǐ）上的脂肪酸和甲醇以外的醇類；上世紀70年（nián）代，Bryant發現原來認為是一種被稱為“奧氏產甲烷菌（jun1）”的細菌，實際上是由兩種細菌（jun1）共（gòng）同組成（chéng）的，一種細菌*先把乙醇氧化為乙酸和H2（一（yī）種產氫產乙酸細菌），另（lìng）一種細菌則利（lì）用H2和CO2產生CH4（一種真正意（yì）義上的產甲烷（wán）細菌——嗜氫產甲烷（wán）細菌）；因而，Bryant提出了厭氧消化過程的“三階段理論”：水解、發酵階段：產氫產乙酸（suān）階段：產氫產（chǎn）乙酸菌，將丙酸、丁酸（suān）等脂（zhī）肪酸和乙醇等轉化為乙酸、H2/CO2；產甲（jiǎ）烷（wán）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（yuē）有70%的（de）CH4產自乙（yǐ）酸的分解，其餘的則產自H2和CO2。

       3、四階段（duàn）理論（四菌群學說）：幾乎（hū）與Bryant提出“三階段理（lǐ）論”的（de）同（tóng）時，又有人提出了厭氧消化過程的“四菌群學說”：實際上，是在上述三階（jiē）段理論的（de）基礎上，增加了一（yī）類細菌——同（tóng）型產乙酸菌，其主要功能（néng）是可以將產氫產乙酸細菌產生的H2/CO2合成（chéng）為乙酸。但研究表明，實際（jì）上（shàng）這一部分由H2/CO2合成而來的乙酸的量較少，隻（zhī）占（zhàn）厭氧體係中總乙酸量的5%左右。總體來說，“三階段（duàn）理論”、“四階段理論”是目前公認的對厭氧生物處理過程較全麵和較準確的描（miáo）述。

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

       二、厭氧消化過程中的主要微生（shēng）物

       主（zhǔ）要介紹其中的發酵細菌（產酸細菌）、產氫產（chǎn）乙酸菌、產甲（jiǎ）烷菌等。

       1、發酵（jiào）細（xì）菌（產酸細菌）：

       發酵（jiào）產酸細菌的主要功能有（yǒu）兩種：

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

       ②酸化——將可溶性大分子有機物轉化為脂肪酸、醇類等；主要的發（fā）酵產酸細菌：梭菌屬、擬杆菌屬、丁（dīng）酸弧菌屬、雙岐杆菌屬等（děng）；水解過程（chéng）較緩（huǎn）慢，並受多種因素影（yǐng）響（pH、SRT、有機物種類等），有時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，也有大量是兼性厭氧菌；可以按功能來分：纖維素（sù）分（fèn）解菌、半纖維素分解菌、澱粉分解菌、蛋白質分解菌、脂肪分解菌等（děng）。

       2、產氫產乙酸菌：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解為乙酸和H2；為產甲烷細（xì）菌提（tí）供合適的基質，在厭氧係統中常常（cháng）與產甲烷細菌處於共生互營關係。

       3、產甲烷菌20世紀60年代Hungate開創了嚴格厭氧（yǎng）微生物培養技（jì）術之後，對產甲烷（wán）細菌的研究才得以廣泛進行；產甲烷細菌的主要功能是將產氫（qīng）產乙酸菌的（de）產（chǎn）物——乙酸和H2/CO2轉化為（wéi）CH4和CO2，使厭氧消化過程得以順利進行（háng）；主要（yào）可分為兩大類：乙酸營養型和H2營養型產甲烷菌，或稱為嗜乙（yǐ）酸產甲（jiǎ）烷細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的種類較（jiào）少，隻有Methanosarcina（產甲烷八疊球菌）和Methanothrix（產（chǎn）甲烷絲狀菌），但這兩（liǎng）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（suān）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（jun1）有各種不同的形態，常見的有：

       ①產甲烷杆菌；

       ②產甲烷球菌（jun1）；

       ③產甲烷八疊球菌（jun1）；

       ④產甲烷絲菌；等等。在（zài）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，但實際上，其細（xì）胞成分特殊，特別（bié）是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（如地熱（rè）泉水、深海火山口（kǒu）、沉積物等），但實（shí）際上其分布極為廣泛，如汙（wū）泥、瘤胃、昆蟲腸（cháng）道、濕樹木（mù）、厭氧反應器等；產甲烷菌都是嚴格厭氧細菌（jun1），要（yào）求氧化還原電位在（zài）-150~-400mv，氧和氧化（huà）劑對其有很強的（de）毒害作用；產甲烷菌的增殖速率很慢，繁殖世代時間長（zhǎng），可（kě）達（dá）4~6天，因此，一般情況下產（chǎn）甲烷反（fǎn）應是（shì）厭氧消化（huà）的限速步（bù）驟（zhòu）。

       三、厭氧生物處理的影響因（yīn）素

       產甲烷反應是（shì）厭（yàn）氧消（xiāo）化過程的控製階段，因此，一般來說，在討論厭（yàn）氧生物（wù）處（chù）理的影響因素時主要討論影響產甲烷菌的各項因素；主要影響（xiǎng）因素有：溫度、pH值、氧化還原電位、營養物質（zhì）、F/M比、有毒（dú）物質等（děng）。

       1、溫度：溫度對厭氧微生物的影響尤為顯著；厭（yàn）氧細菌可分為嗜熱菌（jun1）（或高溫（wēn）菌）、嗜溫菌（中溫菌）；相應地，厭氧消化分為：高（gāo）溫消（xiāo）化（55°C左右）和中溫消化（35°C左右）；高溫消化的反（fǎn）應速率約為中溫消化的1.5~1.9倍，產氣率也較高，但氣體中甲烷（wán）含量較低；當處理含有（yǒu）病原菌和寄生（shēng）蟲卵的廢水或汙泥時，高溫（wēn）消化可取得較好（hǎo）的衛生（shēng）效果，消化後汙泥的脫水性能也較好；隨著新型厭氧反應器的開發研究和應用，溫度對厭氧消化的（de）影響不再非常重要（新型反應器內的生物量很大），因（yīn）此可以在常溫條（tiáo）件下（20~25°C）進行，以節省能量和運行費用。

       2、pH值（zhí）和堿（jiǎn）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（jun1）對pH值的變化（huà）非常敏感，一般認為，其*適pH值範圍（wéi）為6.8~7.2，在（zài）<6.5或（huò）>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（xiāo）化過程（chéng）的惡化；厭氧體係中的pH值受多種因素的影響：進水pH值、進水水質（有機物濃（nóng）度、有機物種類等（děng））、生化反應（yīng）、酸堿平衡、氣固液（yè）相間的溶解平衡等；厭氧體係是一個pH值的緩衝體係，主要由碳酸鹽（yán）體係所控製；一般來說：係統中脂肪酸含量的（de）增加（jiā）（累積），將（jiāng）消耗 ，使pH下降；但產甲烷菌的作用不但可以消耗脂（zhī）肪（fáng）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（gè）至關（guān）重要的影響因素，但實際上其作用主要是保證厭氧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（dàn）發生酸化，則需要很長的時間才能恢複。

       3、氧（yǎng）化還原電位：嚴格的厭氧環境是產甲（jiǎ）烷菌進行正常生理（lǐ）活動（dòng）的基本（běn）條（tiáo）件；非產甲烷（wán）菌可以在氧化還原電位為（wéi）+100~ -100mv的環境（jìng）正常生長和活動；產甲烷菌的*適氧（yǎng）化還原電位為-150~ -400mv，在培養產（chǎn）甲烷菌的初期，氧化還原（yuán）電位不能高於-330mv；

       4、營養要（yào）求：厭氧微生物對（duì）N、P等（děng）營養物質的要求略低於好氧微生物，其要求（qiú）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（sù）或氨基酸的功能，所以有時需要投加：①K、Na、Ca等金（jīn）屬鹽類；

       ②微量元素Ni、Co、Mo、Fe等；

       ③有機微量（liàng）物質：酵母浸出膏、生物素、維生素等（děng）。

       5、F/M比：厭氧生物處理的有（yǒu）機物負荷較好氧生物處理更高，一般可達5~10kgCOD/m3.d，甚至可達50~80 kgCOD/m3.d；無傳氧的限製；可以積聚更高的生物量。產酸階段的反（fǎn）應速率遠高（gāo）於產甲烷階段，因此必須十分謹慎（shèn）地選擇有機負荷；高的（de）有機容積負荷的（de）前提是（shì）高的生物量，而相應較低的汙泥負荷；高的有（yǒu）機容積負荷（hé）可以縮短（duǎn）HRT，減少反應器（qì）容積。

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

       ①硫化物和硫（liú）酸鹽：硫酸鹽和其它硫的氧化物很容易（yì）在厭氧消化過程（chéng）中被還原成硫化物；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烷過程產生抑製（zhì）作用；投加某些金屬如Fe可（kě）以去除S2-，或從係統中吹脫H2S可以減輕（qīng）硫化物的抑製作用。

       ②氨（ān）氮：氨氮是（shì）厭氧消化（huà）的緩衝劑；但濃度過高，則會（huì）對厭氧消化過程產生（shēng）毒害（hài）作用（yòng）；抑製濃（nóng）度為50~200mg/l，但馴化（huà）後，適應能力會（huì）得到（dào）加（jiā）強。

       ③重金屬：——使厭氧細菌的酶係統受到（dào）破壞。

       ④氰化物：⑤有毒有機物（wù）：

       四、厭氧生物處理的主要特征

       1、厭（yàn）氧生物處理過程的主要優點：

       ①能耗大（dà）大降低，而且還可（kě）以回收（shōu）生物能（沼氣）；

       ②汙泥產量很低；——厭氧（yǎng）微生物的增殖速率比（bǐ）好氧微生物低（dī）得多，產酸菌的產率Y為（wéi）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（chǎn）率（lǜ）約為0.25~0.6kgVSS/kgCOD。

       ③厭（yàn）氧微（wēi）生物有可能對好氧微生物不能降解的一些有（yǒu）機物進行（háng）降（jiàng）解或部分降解；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工作的一（yī）個連續的微生物過程；

       2、厭氧生物處理過程的（de）主要缺點：

       ①對溫度、pH等環（huán）境因素較敏感；

       ②處理出水水質較差，需進一步（bù）利用好氧法進行處理；

       ③氣味（wèi）較大；

       ④對氨氮的去除效果不好；等等