一、好氧生物處理的基本生物（wù）過程

       所謂“好氧”：是指這類生物（wù）必須（xū）在（zài）有分子態氧氣（O2）的存在下，才能（néng）進行正常的生（shēng）理（lǐ）生化反應，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（néng）在無分子態氧存在的條件下，能進行（háng）正常（cháng）的生理生化反應的生物，如（rú）厭氧細菌、酵母菌等。好（hǎo）氧生物處理（lǐ）過程的生化反應方程式：

       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（yǒu）機物的組成元素）

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

       ③內源呼（hū）吸（也稱細胞物質的自身氧化） C5H7NO2 + O2 CO2 + H2O + NH3 + SO42- +¼+能（néng）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（de），一般可用下列實驗式來表示（shì）：細菌：C5H7NO2；真菌：C16H17NO6；藻類（lèi）：C5H8NO2；原生動物：C7H14NO3分解與合成的相互關係：1）二者（zhě）不可分，而是相互依賴的；a、分解過程為合成提供（gòng）能量和前（qián）物，而（ér）合成則（zé）給分解提（tí）供物質基礎；b、分解過程是一個產能過程，合（hé）成過程則是一個耗能過程。2)對有機物的去除，二者都有重要貢獻（xiàn）；3）合成量的大（dà）小，對後續汙泥的（de）處理有（yǒu）直接影響（汙（wū）泥的處（chù）理費用一般可以占整個（gè）城市汙水處理廠的40~50%）。不同形式的有機物被生（shēng）物降解的曆程也不同：一方麵：結構簡（jiǎn）單、小分子、可溶性（xìng）物質，直接進入細胞壁；結構複雜、大分子、膠體狀或顆粒（lì）狀的物質，則*先被（bèi）微生物吸附（fù），隨後在胞外酶的作用下被水解液（yè）化（huà）成小分子有機物，再進入細胞內。另一方（fāng）麵：有（yǒu）機物的化（huà）學結構（gòu）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（yuē）1~2mg/l；

       ②水（shuǐ）溫（wēn）：是重要因素（sù）之一，在一定範圍內，隨著溫（wēn）度（dù）的升（shēng）高，生化反應的（de）速率加快，增殖速（sù）率也加快；細胞的組成物如蛋白質、核酸等（děng）對溫度很敏感，溫度突升或降並超過一（yī）定限度時，會有不可（kě）逆的破壞；*適宜溫度 15~30°C；>40°C或< 10°C後，會有不利影（yǐng）響。

       ③營養物質：細（xì）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；生活汙水一般不需再投加營養物質；而某些工業廢水則需要，一般對於好氧生（shēng）物處理（lǐ）工藝，應按BOD : N : P = 100 : 5 : 1投加N和P；其它無（wú）機營養元素：K、Mg、Ca、S、Na等；微量元素：Fe、Cu、Mn、Mo、Si、硼等；

       ④pH值：一般好（hǎo）氧（yǎng）微生（shēng）物的*適宜pH在6.5~8.5之間（jiān）；pH < 4.5時，真菌將（jiāng）占優勢，引起汙泥膨（péng）脹；另一方麵，微生物的活動也會影響混合液的pH值。

       ⑤有（yǒu）毒物質（抑製（zhì）物質）：重金屬（shǔ）；氰化物；H2S；鹵族元素及其化合物；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（lì）於微生物；

       ⑦氧化還原電位：好氧細菌：+300 ~ 400 mV， 至少要求大（dà）於+100 mV；厭（yàn）氧細（xì）菌：要求小於+100 mV，對於嚴格厭氧細菌，則（zé）<-100 mv，甚至<-300="" mv。<="" span="">

       第二節 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（yàn）氧消化、厭（yàn）氧發酵；是（shì）指在厭氧條件下（xià）由多種（厭（yàn）氧（yǎng）或兼性（xìng））微（wēi）生物的共同作用下，使有機物分解並產生（shēng）CH4和（hé）CO2的（de）過程。

       一、厭氧生物處理中的基本生物過程——階段性理（lǐ）論

1、兩階段理（lǐ）論（lùn）：20世紀30~60年代，被（bèi）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，主要（yào）產物是（shì）脂肪酸、醇類（lèi）、CO2和（hé）H2等；主要參與反應的（de）微生物統稱（chēng）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，

       2）對（duì）環境條件的適應性（xìng）（溫度、pH等）強。第二階段：產甲烷階段，又稱堿性發酵階段；是指產甲烷菌利用前一階段（duàn）的產物（wù），並將其轉化為CH4和CO2；主要參與反應的微生物被統稱為產甲烷菌（Methane producing bacteria）；

       產甲烷（wán）細菌的主要特點是：

       1）生長速率（lǜ）慢，世代時間長；

       2）對環境條件（溫度、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（hòu），發現將厭氧消化過程簡單地劃分（fèn）為上述兩個過程，不能真實反映厭氧反應過程的本質；厭氧（yǎng）微生物學的研究表明，產甲烷菌（jun1）是一類十分特別（bié）的古細（xì）菌（Archea），除了在分類學和其特殊的學（xué）報（bào）結構外，其*主要的特點是（shì）：產甲烷細菌隻能利用（yòng）一些簡單有機物作為基質，其中主要是一些（xiē）簡單的（de）一碳物（wù）質如甲（jiǎ）酸、甲醇、甲基胺類以及H2/CO2等（děng），兩碳物質中隻有乙酸，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70年代，Bryant發現原來認為是一（yī）種被稱為“奧氏產甲烷菌”的細（xì）菌，實際（jì）上是由兩種細菌共同組成的，一種（zhǒng）細菌*先把乙醇氧化為乙酸和H2（一種產氫產乙酸細菌），另一種細菌則利用H2和CO2產（chǎn）生CH4（一種真正意義上的產甲烷（wán）細菌——嗜氫產甲烷細菌）；因而，Bryant提出了厭氧消化過程的“三階段理論”：水解、發酵階段：產氫產乙酸階段：產氫產乙酸菌，將丙（bǐng）酸、丁（dīng）酸等脂肪酸和乙（yǐ）醇等轉化為乙（yǐ）酸、H2/CO2；產甲烷階段：產甲烷菌利（lì）用乙（yǐ）酸和H2、CO2產生CH4；一（yī）般認為，在厭氧生物處理過（guò）程中（zhōng）約有70%的CH4產自乙酸的分解，其（qí）餘的則產（chǎn）自（zì）H2和CO2。

       3、四（sì）階段理論（四（sì）菌群（qún）學（xué）說（shuō））：幾乎（hū）與Bryant提（tí）出“三階段理論”的同時，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上，增加（jiā）了一類細菌——同型產乙（yǐ）酸菌，其（qí）主要功能（néng）是可以將產氫產乙酸細菌產生的H2/CO2合（hé）成為乙（yǐ）酸。但研究表明（míng），實際上這一部分由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。總體來說，“三階段理論”、“四階（jiē）段理論”是目前公認的對厭氧生物處理過程較全（quán）麵和較準確的描述。

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

       二、厭氧消化過程（chéng）中的主要微生物

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

       1、發酵細菌（產酸（suān）細菌）：

       發酵產酸細（xì）菌（jun1）的（de）主要功能有兩種：

       ①水解——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——將可溶性大分子（zǐ）有機物轉化為脂肪酸、醇類等；主（zhǔ）要的發酵產酸細（xì）菌：梭（suō）菌屬、擬杆菌屬、丁酸弧菌屬、雙岐杆菌屬（shǔ）等；水解過程較緩慢，並受多（duō）種因素影響（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（kuài）；大（dà）多數是厭氧菌，也有大量是兼（jiān）性厭氧菌；可以按功能來分：纖維素分解（jiě）菌、半纖維素分解菌、澱粉分解菌、蛋（dàn）白質分解菌、脂肪分（fèn）解菌等。

       2、產氫產乙酸菌：產氫產乙酸細（xì）菌的主要（yào）功能是將各種高（gāo）級脂肪酸和（hé）醇類氧化分解為乙酸和H2；為產甲烷細（xì）菌（jun1）提供合適的基質，在厭氧係統中常常與產甲（jiǎ）烷細菌處於共生（shēng）互營關係（xì）。

       3、產甲烷菌20世紀60年代Hungate開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是將產氫產乙酸（suān）菌的產物——乙酸（suān）和H2/CO2轉化（huà）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：乙酸營養型和H2營（yíng）養（yǎng）型產甲烷菌，或稱為嗜乙酸（suān）產甲烷細菌和嗜氫產甲烷細菌；一般來說，在自然界中乙酸營養（yǎng）型（xíng）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），但這兩種產甲烷細菌在厭氧反應器中居多，特別（bié）是後者，因為在厭氧反應器中乙酸是主要的產甲烷基質，一般來說有（yǒu）70%左右的甲（jiǎ）烷是來自乙酸的氧化分解；根據產甲烷菌的形態和生理生態（tài）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、十九屬、65種；產（chǎn）甲（jiǎ）烷菌有各種不同的形態，常見的有：

       ①產甲烷杆菌；

       ②產甲烷（wán）球菌；

       ③產（chǎn）甲（jiǎ）烷八疊球菌；

       ④產（chǎn）甲烷（wán）絲菌；等等。在生物分類學上（shàng），產甲烷菌（Methanogens）屬於古細菌（Archaebacteria），大小、外觀上與普通（tōng）細菌（Eubacteria）相似，但（dàn）實際上，其細胞成分特殊，特別是細胞壁的（de）結（jié）構較特殊；在自然界的分布，一般可以認為（wéi）是棲息（xī）於一（yī）些極端環境中（如地熱泉水、深海火山口、沉積（jī）物等），但實際上其分布（bù）極為廣泛，如汙（wū）泥、瘤胃、昆蟲腸道、濕樹木、厭氧反應器等；產甲烷（wán）菌都是嚴格（gé）厭氧細菌，要求氧化還原電位在-150~-400mv，氧（yǎng）和氧化劑對其有很強的毒害作用；產甲烷菌的增殖速率很（hěn）慢，繁殖世代時間長，可達4~6天，因（yīn）此，一（yī）般情況下產甲烷反應是厭（yàn）氧消化的限（xiàn）速步驟。

       三、厭氧生物處理（lǐ）的影響因（yīn）素

       產甲烷反應是厭氧消（xiāo）化過程的控（kòng）製階段，因此，一般來說，在討論厭氧生物處理的影響因素時主要討論影響產甲（jiǎ）烷菌的各項因（yīn）素（sù）；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響尤（yóu）為顯著；厭氧細菌可分為嗜熱菌（或高溫菌（jun1））、嗜溫菌（中溫菌）；相應（yīng）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（xiāo）化的反應速率約為中溫消化的1.5~1.9倍，產氣率（lǜ）也較（jiào）高，但氣體中甲烷（wán）含（hán）量較低；當處理含有病（bìng）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，消化後汙泥的脫水性能也（yě）較好；隨著新型（xíng）厭（yàn）氧反應器的開發研究和應（yīng）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（liàng）很大），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*重要的影響因素；重（chóng）要原（yuán）因：產甲烷菌對pH值（zhí）的變化非常敏感，一般認為，其*適pH值（zhí）範圍為6.8~7.2，在<6.5或>8.2時，產甲（jiǎ）烷菌（jun1）會受到嚴重（chóng）抑製（zhì），而進一步導（dǎo）致整（zhěng）個厭氧消化過程的惡化（huà）；厭氧體（tǐ）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（yǒu）機物種類等）、生化反應、酸堿平衡、氣固液（yè）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；一般來說：係統中脂（zhī）肪酸含量的增加（jiā）（累積），將消耗 ，使pH下降；但產甲烷菌的（de）作用不但可以消耗（hào）脂肪酸，而且還會產生 ，使係（xì）統的pH值回（huí）升。堿度曾一度在厭氧消（xiāo）化中被認為是一個至（zhì）關重要的影響因素，但實際上其作用（yòng）主要是保證厭氧體係具（jù）有（yǒu）一（yī）定的（de）緩（huǎn）衝能力，維持合適的pH值（zhí）；厭氧體係一旦發生酸化，則需要（yào）很長的時間才能恢（huī）複。

       3、氧化還原電位：嚴（yán）格的厭氧環境（jìng）是產甲烷菌進行正常生理活動的基本（běn）條件；非產甲烷菌可以在氧化還原電（diàn）位為+100~ -100mv的環境正常生長和活（huó）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，氧化還原電位不能高於-330mv；

       4、營養要求（qiú）：厭氧微生物對N、P等營（yíng）養物質的（de）要求（qiú）略（luè）低於好氧微生物，其要求（qiú）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（huò）氨基酸的功能（néng），所以有時需（xū）要（yào）投加（jiā）：①K、Na、Ca等金屬鹽類（lèi）；

       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（wù）處理的有機物負荷較好氧生物處理（lǐ）更高，一般可達5~10kgCOD/m3.d，甚（shèn）至可（kě）達（dá）50~80 kgCOD/m3.d；無傳氧的限製；可以積聚更高的生物量。產酸階段的反應速率遠高於產甲烷階段，因此必須十分謹慎地選擇有機負荷；高的有機容積負荷的前提是高的生物量，而相應較低的汙泥負荷（hé）；高的有機容積負荷（hé）可以縮短HRT，減少（shǎo）反應器容積。

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

       ①硫化物和硫酸鹽：硫酸鹽和其它硫的氧化物很容（róng）易在厭氧消化（huà）過程中被還原成硫化物；可溶的硫化物達到一定濃度時，會對厭氧消化過程主要是產甲烷過程產生抑製（zhì）作用；投（tóu）加某些金屬如Fe可以去除S2-，或從係統中吹脫（tuō）H2S可以減輕硫化物的抑製（zhì）作用。

       ②氨氮：氨氮是厭氧消（xiāo）化的（de）緩衝劑；但濃度（dù）過高，則（zé）會對厭氧消化過程產生毒害作用；抑製濃度為50~200mg/l，但馴化（huà）後，適應能力會（huì）得到加強。

       ③重金屬（shǔ）：——使厭氧（yǎng）細菌的酶係統（tǒng）受到破壞。

       ④氰化物：⑤有毒（dú）有機物：

       四、厭氧生物處理的主要特征

       1、厭氧生物處理過（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（hěn）低；——厭氧微生物的增殖速率比好氧微生物（wù）低得多，產酸（suān）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（chǎn）率約為0.25~0.6kgVSS/kgCOD。

       ③厭氧微生物有（yǒu）可能對好氧微生物不能降解的一（yī）些有機物（wù）進行降解或部分降解；④反應過程較為（wéi）複雜——厭氧消化（huà）是由多種不同性質、不同（tóng）功能的微生物協同工作的一個（gè）連續的微生物過程（chéng）；

       2、厭氧生（shēng）物處理過程的主要缺點：

       ①對溫度、pH等環境因素較敏（mǐn）感；

       ②處理出水（shuǐ）水質較差，需進一步利用好氧法進行處理（lǐ）；

       ③氣（qì）味較大；

       ④對氨氮的去除效果不好；等等