一、好氧生物處理的基本生物過程（chéng）

       所謂“好（hǎo）氧”：是指這類生物必須在有分子態氧氣（O2）的存在（zài）下，才能進行正常的生理生化反應，主（zhǔ）要包括大部分微生物（wù）、動物以及我們人類；所謂“厭氧（yǎng）”：是能在無分子態氧存在的條件下，能進行正常的生理生化反應的生物，如厭氧（yǎng）細菌、酵母菌等。好氧生物處理過程的生（shēng）化（huà）反應方程式：

       ①分解（jiě）反應（又稱氧化反應（yīng）、異化代謝、分解（jiě）代謝） CHONS +O2 CO2 + H2O + NH3 + SO42- +¼+能量（有機物的組成元素）

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

       ③內源呼吸（也稱細胞物質的自身氧化） C5H7NO2 + O2 CO2 + H2O + NH3 + SO42- +¼+能量（liàng）在正常情況下，各（gè）類微（wēi）生物（wù）細胞物質的成分是相對穩定的，一般可用下列實驗式來表（biǎo）示：細菌：C5H7NO2；真菌：C16H17NO6；藻類：C5H8NO2；原生動物：C7H14NO3分（fèn）解與合（hé）成的（de）相（xiàng）互（hù）關係：1）二者不可分，而是相互依賴（lài）的；a、分解過程為合成提供能量（liàng）和前物（wù），而（ér）合成則給分解提供物質基礎；b、分（fèn）解過程是一個產（chǎn）能過程（chéng），合成（chéng）過程則是一個耗能過（guò）程。2)對有（yǒu）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（wū）泥（ní）的處理有直接影響（汙泥的處（chù）理費用（yòng）一般可以占整個城市汙水（shuǐ）處理廠的40~50%）。不同形式的有機物被生物降解（jiě）的曆程（chéng）也不同：一方麵：結構（gòu）簡單、小（xiǎo）分子、可溶性物質，直接進入（rù）細胞壁；結構複雜（zá）、大分（fèn）子、膠體狀或顆粒狀的物質，則*先被微生物吸附，隨後在（zài）胞外酶的作用下被水解液（yè）化成小分子（zǐ）有機物，再進入細胞內。另一方麵：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（dàn）白質

       二、影響好氧生物處（chù）理的主要因素（sù）

       ①溶解（jiě）氧（DO）：約1~2mg/l；

       ②水溫：是重要因素之一，在一定範圍內，隨著溫度（dù）的升高，生化反應的速率加快，增殖速率也加快；細胞（bāo）的組成物如蛋白（bái）質、核酸（suān）等對溫度很敏（mǐn）感，溫度突升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（huò）< 10°C後，會有不利（lì）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（zhǔ）要的是P；生活汙水一般不需再投加營養物質；而（ér）某些工業廢水則需要，一般對於好氧生物（wù）處理工藝，應按BOD : N : P = 100 : 5 : 1投加N和（hé）P；其它無機營養元素：K、Mg、Ca、S、Na等；微量（liàng）元素：Fe、Cu、Mn、Mo、Si、硼等；

       ④pH值：一般好氧微生物的*適（shì）宜pH在（zài）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，微生物的活動也會影（yǐng）響混合液的pH值。

       ⑤有毒物質（抑製物質）：重金屬（shǔ）；氰化（huà）物；H2S；鹵族（zú）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（wù）本來是微生物的食物，但太多（duō）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（xì）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（dì）二節 廢（fèi）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氧消化、厭氧發酵；是指在厭氧條件（jiàn）下由多種（厭氧或兼性）微生（shēng）物的共（gòng）同作用下，使有機物分解並產生（shēng）CH4和（hé）CO2的過程。

       一、厭氧生物處（chù）理中的基本生物過程——階段性理論

1、兩階段理論（lùn）：20世紀30~60年代，被普遍接受的是“兩（liǎng）階段理論”*階段：發（fā）酵階段（duàn），又稱產酸階段（duàn）或酸性發酵階段；主要功能是水（shuǐ）解和酸化（huà），主要產物是脂肪酸、醇類、CO2和H2等；主要參與反應的微生物統稱為發酵細菌或產酸細菌；

       這些（xiē）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（jiǎ）烷階段，又稱堿性（xìng）發酵階段；是指產甲烷菌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（wù）被（bèi）統（tǒng）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，世代時間長；

       2）對環境條（tiáo）件（溫度、pH、抑製物等）非（fēi）常敏感，要求苛刻（kè）。

       2、三階段理論對厭氧微（wēi）生物學的深入研（yán）究（jiū）後，發現將（jiāng）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；厭氧微生物學的研究表明，產甲烷菌是一類十分特（tè）別的古細菌（jun1）（Archea），除了在分類學和其特殊的學報結（jié）構外，其*主要的特點是：產甲烷細菌隻能利（lì）用一（yī）些簡（jiǎn）單有（yǒu）機物作為基質，其中（zhōng）主要（yào）是一些（xiē）簡單的一（yī）碳物質如甲酸、甲醇、甲基胺類以及H2/CO2等，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（fáng）酸和甲醇以外的醇類；上世紀（jì）70年代，Bryant發現原來認（rèn）為是一種被稱為“奧氏產甲烷（wán）菌”的（de）細菌，實際上是由兩種細（xì）菌共同組成的，一種細菌*先把乙醇氧化為乙酸和H2（一種產氫產乙酸細菌），另（lìng）一種細菌（jun1）則利用H2和CO2產生（shēng）CH4（一種真正意義（yì）上（shàng）的產甲烷細菌——嗜氫產（chǎn）甲（jiǎ）烷細菌）；因而，Bryant提出了（le）厭（yàn）氧消化過程的“三階（jiē）段理論”：水解、發酵（jiào）階段：產氫產乙酸階段：產氫產乙酸菌，將丙酸（suān）、丁酸等脂肪酸和乙醇等轉化為乙酸、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（de）CH4產自乙酸的分解，其餘的則產自H2和CO2。

       3、四階段理論（四菌群（qún）學說）：幾乎與Bryant提出“三階段理論（lùn）”的同時，又有人提出了厭氧消（xiāo）化過程的“四菌群學說”：實際上，是在上述三階段理論的基礎上，增加了一類細菌——同型產乙酸菌，其主要功能是可以將產氫產乙酸細菌（jun1）產生的H2/CO2合成為乙酸。但研究表明，實際上這一部分（fèn）由H2/CO2合成而來的乙酸的量較少（shǎo），隻占厭氧體係中總乙酸量的5%左（zuǒ）右。總體（tǐ）來說，“三階段理論”、“四階段（duàn）理論”是（shì）目前（qián）公認的對厭氧生物處理過程較全麵和較準確的描述。

       4、多階段理論 但是，當利用（yòng）厭氧生（shēng）物處理工藝處理含有複（fù）雜有機物的時候，在厭氧反應器中發生的反應會遠比上述“三階段理論”、“四（sì）階段理（lǐ）論（lùn）”中所（suǒ）描述的反應過程複（fù）雜，可以參見“厭氧複雜體係示意（yì）圖”。

       二、厭氧消化過程中的主要微生物

       主要介（jiè）紹其中的發酵細菌（產酸細菌）、產氫產乙酸菌（jun1）、產甲烷菌等。

       1、發酵細菌（產酸細菌）：

       發酵（jiào）產酸細菌的主要功能（néng）有兩種：

       ①水（shuǐ）解——在胞外酶（méi）的作用下，將不溶性有機物水解（jiě）成（chéng）可溶性有機物；

       ②酸化——將（jiāng）可溶（róng）性大分子有機物（wù）轉化為脂肪（fáng）酸、醇類等；主要的發酵產酸細菌：梭菌屬、擬杆菌屬、丁酸弧菌屬、雙岐杆菌屬等；水解過（guò）程較緩慢，並受多（duō）種因素（sù）影響（pH、SRT、有機物種類（lèi）等（děng）），有時回成為厭氧反應的限速步驟；產酸反應（yīng）的速率（lǜ）較快；大多數是厭氧菌（jun1），也（yě）有大量是兼（jiān）性（xìng）厭氧菌；可以按功能來分：纖維素分解菌、半纖維素分解菌、澱（diàn）粉分解菌、蛋白質分解菌、脂肪分解菌等。

       2、產氫產乙酸菌：產氫產（chǎn）乙酸細（xì）菌的主要功（gōng）能是將各種高級脂肪酸和醇（chún）類氧化分解為乙酸和H2；為產（chǎn）甲烷細菌提供（gòng）合適的基質，在厭氧係統中常常與產甲烷細菌（jun1）處於共生互營關係。

       3、產甲烷菌20世紀60年代Hungate開創了嚴格厭氧微生物培養技術之（zhī）後，對產甲烷細菌的研究（jiū）才得以廣泛（fàn）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（suān）和H2/CO2轉化為CH4和CO2，使厭氧消化過程得以順利進（jìn）行；主要可分（fèn）為兩大（dà）類：乙酸營養型和（hé）H2營養型產甲烷菌，或稱為嗜乙酸產甲烷（wán）細（xì）菌和（hé）嗜氫產甲烷細菌；一般（bān）來說，在自然界中乙（yǐ）酸營養（yǎng）型產甲烷（wán）菌的種類較少，隻有Methanosarcina（產（chǎn）甲烷（wán）八疊球菌）和（hé）Methanothrix（產甲（jiǎ）烷絲狀菌），但這兩種產甲烷細菌（jun1）在厭氧反（fǎn）應器中居多，特別是後者，因為在厭氧反（fǎn）應器中乙酸是主要的（de）產甲烷基質（zhì），一般來（lái）說有70%左右的甲烷是來自乙酸的（de）氧化分解；根據（jù）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（dì）九版），共分為：三目、七科、十九屬、65種；產甲烷菌有各種（zhǒng）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產甲烷絲菌；等等。在生物分類（lèi）學上，產甲烷菌（Methanogens）屬於（yú）古（gǔ）細菌（Archaebacteria），大小、外觀上與普通細（xì）菌（Eubacteria）相似，但實際上，其（qí）細胞成分特殊，特（tè）別（bié）是（shì）細胞壁的結構較特殊（shū）；在自然界的分布，一（yī）般可以認為是棲息於一些極端環境中（如（rú）地熱泉水、深海火山（shān）口、沉（chén）積物等），但實際上其分布極為廣泛，如汙泥、瘤胃、昆蟲腸道、濕樹木、厭氧反應器等；產甲烷菌都是嚴格厭氧細（xì）菌（jun1），要求氧化還原電位在-150~-400mv，氧和氧化劑（jì）對其有很（hěn）強的（de）毒害作用；產甲烷菌的增殖（zhí）速率（lǜ）很慢，繁殖世代時間長，可達4~6天（tiān），因此，一般情況下產甲烷反應是厭氧消化的限速步驟。

       三、厭氧生物處理的影響（xiǎng）因（yīn）素

       產甲（jiǎ）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因素時主要討論影響產甲烷菌的（de）各項（xiàng）因素（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（yàn）氧微生（shēng）物的（de）影響尤為顯著；厭氧細菌可分為嗜熱菌（或高（gāo）溫（wēn）菌）、嗜溫菌（中溫（wēn）菌）；相應地，厭氧消化分為（wéi）：高溫消化（55°C左右）和中溫消化（35°C左右（yòu））；高（gāo）溫消化的（de）反應速率約為中溫消化的1.5~1.9倍，產氣率也較高，但（dàn）氣體中（zhōng）甲烷含量較低；當處理含（hán）有病（bìng）原菌（jun1）和寄生蟲卵的（de）廢水或汙（wū）泥時，高溫消（xiāo）化可取得較好的衛生效果，消化後（hòu）汙泥的脫水性能也較好；隨著新型厭氧反應器的（de）開發研究和應用，溫度對厭氧消化的影響不再非（fēi）常重要（新型反應器內的生物量很大），因此可以在（zài）常溫條件下（20~25°C）進行，以節省能量（liàng）和（hé）運行費用。

       2、pH值和堿度：pH值是厭氧消化過程中的*重（chóng）要的影響因素；重要原因：產甲烷（wán）菌對pH值的變化非（fēi）常敏感，一（yī）般認為，其*適pH值範圍（wéi）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（dǎo）致整個厭氧消化過程的惡化（huà）；厭氧體係（xì）中的pH值（zhí）受多種因素的影響：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（yè）相間的溶解平（píng）衡等；厭氧體係是一個pH值的緩衝體係，主要由碳酸（suān）鹽體係所控製；一般來說：係統中脂肪酸含量的增加（累積），將消耗 ，使pH下降；但產甲烷菌的作用不但可以消耗脂（zhī）肪酸，而且還會產生（shēng） ，使係統的pH值回升。堿度曾一度在厭氧消化中（zhōng）被（bèi）認為是一個至關重要的影響因素，但實際（jì）上其作用主要是保證厭氧體係具有一定的緩衝能力，維持合適的pH值；厭氧體係一旦發生酸化，則需（xū）要很長的時間才能恢複。

       3、氧化還（hái）原電位（wèi）：嚴（yán）格的厭氧環境是產（chǎn）甲（jiǎ）烷（wán）菌進行正常生理活動的（de）基本條件；非產甲烷菌可以在氧化還原電位為（wéi）+100~ -100mv的環境正常生長和活動；產甲烷菌的*適（shì）氧化還原電位為-150~ -400mv，在培養產甲烷菌的初期（qī），氧化還原電位（wèi）不能高於-330mv；

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

       多（duō）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（tóu）加（jiā）：①K、Na、Ca等金屬鹽類；

       ②微量元素Ni、Co、Mo、Fe等；

       ③有（yǒu）機微量物質：酵母浸出膏、生物素、維生素等。

       5、F/M比（bǐ）：厭氧生（shēng）物處理的有機物負荷較（jiào）好氧生（shēng）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。產酸階段的反應速（sù）率遠高於產甲烷（wán）階（jiē）段，因（yīn）此必須十分（fèn）謹慎地選擇有機負荷；高的有機容積負（fù）荷的前提是高（gāo）的生物量，而相應較低的汙泥負（fù）荷；高的有機容積負荷可以縮短HRT，減少反應器容積（jī）。

       6、有毒（dú）物質：——常見的抑製性物質有：硫化（huà）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化物很容易在厭氧消化過程中被還原成硫化物（wù）；可溶的硫（liú）化物達到一定濃度時（shí），會對厭氧消化過程主要是產甲（jiǎ）烷過程產生抑製作用；投加某些金屬（shǔ）如Fe可以去除S2-，或從係統中吹脫H2S可以減輕硫化物的抑（yì）製作用。

       ②氨氮：氨氮是厭（yàn）氧消化的緩衝（chōng）劑；但濃度（dù）過高，則會（huì）對厭氧消化過（guò）程產生毒害作（zuò）用；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（tǒng）受到破壞。

       ④氰化物：⑤有毒有機物：

       四、厭氧生物處理的主要特征

       1、厭氧生物處（chù）理過程的主要優點：

       ①能耗大大降低，而（ér）且還可以回收生物能（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（yòu），而好氧（yǎng）微（wēi）生物的產率約為0.25~0.6kgVSS/kgCOD。

       ③厭（yàn）氧微生物有可能對好氧微生物不能降解的一些有機物進行（háng）降解（jiě）或部（bù）分降解；④反應過程較為複雜（zá）——厭氧消化（huà）是由多種不同性質、不同功能的微生物協（xié）同工作的（de）一（yī）個連續的微生物過程；

       2、厭氧生（shēng）物處理過程的主要缺點：

       ①對（duì）溫度、pH等（děng）環境因素較敏感（gǎn）；

       ②處理（lǐ）出水水質較差，需進（jìn）一（yī）步利用好氧法進行處（chù）理；

       ③氣味較（jiào）大；

       ④對氨氮的去除效果不好；等等