一、好氧生物處（chù）理的基本生物過程

       所謂“好（hǎo）氧”：是（shì）指這類生物必須在有分子態氧氣（O2）的存在下，才能進行正常的生理（lǐ）生化反（fǎn）應，主要包括（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的（de）條件下（xià），能進（jìn）行正常的生理生化反應的生物，如厭氧細菌、酵（jiào）母菌等。好氧生物處理過程（chéng）的生化反應方程式：

       ①分解（jiě）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（yīng）（也稱合（hé）成代謝、同化作用（yòng）） C、H、O、N、S +能量 C5H7NO2

       ③內源（yuán）呼吸（也稱細胞物質（zhì）的（de）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（de），一般可用下列實驗式來表示：細菌：C5H7NO2；真菌（jun1）：C16H17NO6；藻類：C5H8NO2；原生動物：C7H14NO3分解與合成的相互關係：1）二者不可分（fèn），而是相互依賴的（de）；a、分解過程為合成提供能量（liàng）和前物，而合成則給分解提供物質基（jī）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)對有機物的去除，二者都有重要（yào）貢獻；3）合成量的大小，對後續汙泥（ní）的處理有直接影響（汙泥的處理費用一（yī）般可以占整個城市汙水處理廠的40~50%）。不（bú）同形式的有（yǒu）機物被生物（wù）降解的曆程也不同：一方麵（miàn）：結構簡單、小分子（zǐ）、可溶性物質，直接進入細胞壁；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，隨後在胞外酶的作用下被水解液化成小分子有機物，再進入細胞內。另一方麵：有（yǒu）機（jī）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：是重要因素之一（yī），在（zài）一定範圍內，隨著溫度的升高（gāo），生化反應的速率加快（kuài），增殖速（sù）率也加快（kuài）；細胞（bāo）的（de）組成物如蛋白質、核酸等對溫度（dù）很敏感，溫度突升或（huò）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（wéi）無機元素，主要的是P；生活汙水一般不需再投加營養物質；而某些工業廢水則需要，一般對（duì）於好氧生（shēng）物處理工（gōng）藝，應按BOD : N : P = 100 : 5 : 1投加N和P；其它無機營養元（yuán）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（wēi）生物的*適（shì）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（lìng）一方麵，微生（shēng）物的活（huó）動也會影響（xiǎng）混合（hé）液的pH值。

       ⑤有毒物質（抑製物質）：重金屬；氰化（huà）物；H2S；鹵（lǔ）族元素（sù）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（tài）多時，也會不利於微生物；

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

       第二（èr）節 廢水厭氧生物處理原理

廢水厭（yàn）氧生物處理在早期又被（bèi）稱為厭氧消化、厭氧發酵；是指在厭氧條件下由多種（厭氧或（huò）兼性）微（wēi）生物的共同（tóng）作（zuò）用下，使有機物分解並產生CH4和CO2的過程。

       一、厭氧生物處理中的基本生物（wù）過程（chéng）——階段性理論

1、兩階（jiē）段理論：20世紀30~60年代，被普遍接受的是（shì）“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，主要產（chǎn）物是脂肪酸、醇類、CO2和H2等；主要參與反應的微生物統稱為發酵（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，又稱堿性發酵階（jiē）段（duàn）；是指產甲烷菌（jun1）利用前一階段的產物，並將其轉化為CH4和CO2；主要參與（yǔ）反應的微生物被統稱為產甲烷菌（Methane producing bacteria）；

       產甲烷細菌的主要特點是：

       1）生長速（sù）率慢，世代（dài）時間長；

       2）對環境條件（溫度、pH、抑製（zhì）物等（děng））非常敏感，要求苛刻。

       2、三階段理論對厭氧微（wēi）生物學的深入（rù）研究後，發現將厭氧消化過程簡單地劃分為上述兩個過程，不能真實反映厭氧反應過程的本質（zhì）；厭氧微生物學（xué）的研究表明，產甲烷菌是（shì）一類十分（fèn）特別的古細菌（Archea），除（chú）了在分類學（xué）和其特（tè）殊的學報結（jié）構外，其*主要的特點（diǎn）是：產（chǎn）甲烷細菌（jun1）隻能利用（yòng）一些簡單有機物作為基質（zhì），其中主要是一些簡單的一碳物質（zhì）如甲酸、甲醇（chún）、甲基胺類以及H2/CO2等，兩碳物質中隻有乙酸，而不能利用其（qí）它（tā）含兩碳或以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（chēng）為“奧氏產甲烷菌”的細（xì）菌，實際上是由兩種細菌共同（tóng）組成的，一種細菌*先把乙醇氧化為乙酸和H2（一種產氫產乙（yǐ）酸細菌），另一種細菌則（zé）利用（yòng）H2和CO2產（chǎn）生（shēng）CH4（一種（zhǒng）真正意義上的產甲烷細菌——嗜（shì）氫產（chǎn）甲烷細菌（jun1））；因而，Bryant提出了厭氧消化過程的“三階段理（lǐ）論”：水解、發酵階段：產氫（qīng）產乙酸階段：產氫產乙酸菌，將丙酸、丁酸等脂肪酸和乙醇等轉化為乙酸、H2/CO2；產（chǎn）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（zhōng）約有70%的CH4產自（zì）乙酸的分解，其餘的則（zé）產自H2和CO2。

       3、四階段理（lǐ）論（四菌群（qún）學說）：幾乎（hū）與（yǔ）Bryant提出“三階段理論”的同時，又有（yǒu）人提出了厭氧消化過（guò）程的“四菌群學說”：實際上，是在上述三階段理論的基（jī）礎上（shàng），增加了一類細菌——同型產乙酸菌，其主要功能是可以（yǐ）將產氫產乙酸細菌產生的H2/CO2合成為乙酸。但研究（jiū）表明，實際上這一部分由H2/CO2合成而來的乙酸的量較少，隻占厭氧（yǎng）體係中總乙酸量的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理過程較全麵和較準確（què）的描述。

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

       二、厭氧消（xiāo）化過程中的主要微生物

       主要介紹其中的發酵細（xì）菌（產酸細菌）、產氫產（chǎn）乙酸菌、產甲烷菌等。

       1、發酵細菌（產酸細菌）：

       發酵產（chǎn）酸細菌的主要功能有兩種：

       ①水解——在胞外酶的（de）作用下（xià），將不溶性有機物水解成（chéng）可溶性有機物；

       ②酸化——將（jiāng）可溶性大分子有機物轉化為脂肪酸、醇類等；主要的發酵產酸細菌（jun1）：梭（suō）菌（jun1）屬、擬杆菌屬、丁酸弧菌（jun1）屬、雙岐杆菌（jun1）屬等；水解過程較緩慢，並受多種因素影響（pH、SRT、有機物種（zhǒng）類等），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（néng）來分：纖維素分解菌（jun1）、半纖維素分解菌、澱粉分解菌、蛋白質分解菌、脂肪分解菌等。

       2、產氫產乙酸菌：產氫（qīng）產乙酸細菌的主要功（gōng）能是將各種高（gāo）級脂肪酸（suān）和醇類氧化分解為乙酸和H2；為產甲（jiǎ）烷細菌（jun1）提供合適的基質，在厭氧係統中常常（cháng）與產甲烷細（xì）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（yàn）氧微生物培養技術之後，對（duì）產（chǎn）甲烷細菌的研究才得以廣泛進行；產甲烷細菌（jun1）的主要功能（néng）是將產氫產乙（yǐ）酸菌（jun1）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行；主要可分為兩大類（lèi）：乙酸營養型和H2營養型產甲烷菌，或稱為嗜乙酸（suān）產甲烷細菌和嗜氫產甲（jiǎ）烷細菌；一般來說，在自（zì）然界中（zhōng）乙（yǐ）酸營養型產甲烷菌的種類較少，隻有Methanosarcina（產甲烷八疊球菌（jun1））和Methanothrix（產甲烷絲狀菌），但（dàn）這兩種產甲烷細菌在厭氧反應器中居多，特別是（shì）後者，因（yīn）為在厭氧反應器中乙酸是主要的產甲烷基質（zhì），一般來說有70%左右的甲烷是來自乙酸的氧化分解；根據產甲（jiǎ）烷菌的形態和生理（lǐ）生態特征，可將其分類（lèi）如下：——*新的分類（Bergy’s細菌手冊第九版（bǎn）），共分（fèn）為：三目、七科、十九屬（shǔ）、65種；產甲烷菌有（yǒu）各（gè）種不同的形態，常見的有：

       ①產甲烷杆菌；

       ②產甲烷（wán）球（qiú）菌；

       ③產甲（jiǎ）烷八疊球菌；

       ④產甲烷絲菌；等等。在生物分類學上，產甲烷菌（Methanogens）屬於古細菌（Archaebacteria），大小、外觀（guān）上與普通細菌（Eubacteria）相似，但（dàn）實際上，其細胞成分特殊，特別是細胞壁的結構較特殊（shū）；在自然界的分布，一（yī）般可以（yǐ）認為是棲息於一些（xiē）極（jí）端環（huán）境中（如地熱泉水、深海火山口、沉積物等（děng）），但實際上其分布極為廣泛（fàn），如汙泥、瘤（liú）胃、昆蟲腸道、濕樹木、厭氧反應器等；產甲烷菌都是嚴格厭氧（yǎng）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（de）增殖速率很慢，繁殖世代時（shí）間長，可達4~6天，因此，一般情況下產甲（jiǎ）烷反（fǎn）應是厭（yàn）氧（yǎng）消化的限速步驟。

       三、厭氧生物處理的影響因（yīn）素

       產甲烷反應是厭氧消化過程的（de）控製階段，因此（cǐ），一般來說，在討（tǎo）論厭氧生物（wù）處理的影響因素（sù）時主要討論影響產甲烷菌的各（gè）項因素（sù）；主要影（yǐng）響因素有：溫度、pH值、氧化還原（yuán）電位、營養物質、F/M比、有毒物質等。

       1、溫度：溫度對厭氧微（wēi）生（shēng）物的影響（xiǎng）尤為顯著；厭氧細菌可分為嗜熱菌（或高溫菌）、嗜溫菌（中溫菌）；相應地，厭氧消化分為：高溫（wēn）消化（55°C左右）和中溫消化（35°C左（zuǒ）右）；高溫消（xiāo）化的反應速率約為（wéi）中溫消化的1.5~1.9倍（bèi），產氣率也較高，但氣體中甲烷含量較低；當處理含有病原菌和寄生蟲卵的廢水或汙泥時，高溫（wēn）消化可取（qǔ）得（dé）較好的衛生效果，消化後汙泥的脫水（shuǐ）性（xìng）能也較好；隨（suí）著新型厭氧（yǎng）反應器的開發研究和應用，溫度對厭氧（yǎng）消化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（néng）量和（hé）運行費用。

       2、pH值和堿度：pH值（zhí）是厭氧消化過程（chéng）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pH值範圍為6.8~7.2，在（zài）<6.5或>8.2時，產甲烷菌（jun1）會受到嚴重（chóng）抑製，而進一步導致整個厭氧（yǎng）消化過程（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（有機物濃度、有機物（wù）種類等）、生化反應、酸（suān）堿（jiǎn）平衡、氣（qì）固（gù）液相間的溶解平衡等；厭（yàn）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（jiāng）消耗 ，使（shǐ）pH下降；但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。堿度曾一度在厭氧消化中被認為是一個至（zhì）關重要的影響因素，但（dàn）實際上其作（zuò）用主（zhǔ）要是保證厭氧體係具有一定的緩衝能力，維持（chí）合適的pH值；厭氧體係一旦發生酸化，則需（xū）要很（hěn）長的時間才能恢複。

       3、氧化還原電位：嚴格的厭氧環境（jìng）是產甲烷菌進行正常生理活動的基本條件（jiàn）；非產甲（jiǎ）烷（wán）菌可以在氧化還原電位為+100~ -100mv的環境（jìng）正常生長和（hé）活動；產甲烷（wán）菌的*適氧化還原電位為-150~ -400mv，在培養產甲烷（wán）菌的（de）初期，氧化還原（yuán）電（diàn）位不能高於-330mv；

       4、營養要求：厭氧微生物對N、P等營養物（wù）質的要求略低於（yú）好氧微生物（wù），其要求COD：N：P = 200：5：1；

       多數厭氧菌不具有合成某些必要的維生（shēng）素或（huò）氨基酸的（de）功能，所以有（yǒu）時需要投加：①K、Na、Ca等金（jīn）屬鹽類；

       ②微量元素Ni、Co、Mo、Fe等（děng）；

       ③有機微量物質：酵母（mǔ）浸出膏、生（shēng）物素、維（wéi）生素等。

       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（dá）50~80 kgCOD/m3.d；無傳氧（yǎng）的限製；可（kě）以積聚更高的生物量。產酸（suān）階段的反應速（sù）率遠（yuǎn）高於產甲烷階段，因此必須十分謹慎地選擇有機負荷；高的有機容積負荷的前提是高的（de）生物量，而相應較低（dī）的汙泥負（fù）荷；高的有（yǒu）機容積負（fù）荷可以縮短HRT，減少反應器容積。

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

       ①硫化物和硫酸鹽：硫酸鹽和其它硫的氧化物（wù）很容易在厭氧消化過程（chéng）中被還（hái）原成硫（liú）化物；可溶的硫化物達到（dào）一定濃度時，會對厭氧消化過程（chéng）主要是產（chǎn）甲烷過程產生抑製作用；投加某些金（jīn）屬如Fe可以去除S2-，或從係統中吹脫H2S可以減輕硫（liú）化物的抑製作用。

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

       ③重金屬：——使厭氧（yǎng）細菌的酶係統受到破壞。

       ④氰化物：⑤有毒有機物：

       四、厭氧生（shēng）物處理的（de）主要特征（zhēng）

       1、厭氧生物處理過程（chéng）的主要優點（diǎn）：

       ①能（néng）耗大（dà）大降低，而且還可以回收（shōu）生物能（沼氣）；

       ②汙泥產量很低；——厭氧微生物的增殖速率比好氧微生物低得多，產（chǎn）酸菌（jun1）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（hǎo）氧（yǎng）微生物的產率約為（wéi）0.25~0.6kgVSS/kgCOD。

       ③厭氧微生物有（yǒu）可能對好氧微生物（wù）不能降解的一些有機物進行降解或部（bù）分降解；④反應過程較為複雜——厭氧消化是（shì）由多（duō）種不同性質、不同（tóng）功能的微生物協（xié）同工作的一個連續的微（wēi）生物過程；

       2、厭氧生物處理過程（chéng）的（de）主要缺點：

       ①對（duì）溫（wēn）度、pH等環境因素較敏感；

       ②處理出水水質（zhì）較差，需進一步利用好氧法進行處理；

       ③氣味較大；

       ④對氨氮的去（qù）除效果（guǒ）不好（hǎo）；等等