一、好氧生物處（chù）理的基本生物過程

       所謂“好氧”：是指（zhǐ）這類生物必須在有分子（zǐ）態氧氣（O2）的存在下，才能進行正常的生理生（shēng）化反應，主要包括大部分微生物、動物以及我們人類；所謂（wèi）“厭氧（yǎng）”：是（shì）能在無分子態氧存在的條件下，能進行正（zhèng）常的生理生化反應的生物，如厭（yàn）氧細菌、酵母菌等。好（hǎo）氧生（shēng）物處理過程的（de）生化反應方程式：

       ①分解反應（又稱氧（yǎng）化反應、異化代謝、分解代謝） CHONS +O2 CO2 + H2O + NH3 + SO42- +¼+能量（有機物的（de）組成元素）

       ②合成（chéng）反應（也稱（chēng）合成代謝、同化作（zuò）用） C、H、O、N、S +能量 C5H7NO2

       ③內源呼吸（也稱細胞物質的自（zì）身氧化） C5H7NO2 + O2 CO2 + H2O + NH3 + SO42- +¼+能量在（zài）正常情況下（xià），各類微生物細胞（bāo）物質的成分是相對穩定的，一般可用下列實驗式來表示：細菌：C5H7NO2；真菌（jun1）：C16H17NO6；藻類（lèi）：C5H8NO2；原生動物：C7H14NO3分解與合成的相互關係：1）二者不可分，而是相（xiàng）互依賴的；a、分解過（guò）程為合成提供能量和前物（wù），而合成則給分解（jiě）提供（gòng）物質基礎；b、分解過程是一個產能過程，合成過程則是一個耗能過程。2)對有機物的去（qù）除，二者都有重要貢獻；3）合成量的大小，對後續汙泥的處理有直接影響（汙泥的處理費用一般可以占整（zhěng）個（gè）城市汙水處理廠的40~50%）。不同形式的（de）有機物被生物降解的（de）曆程也（yě）不同：一方麵：結構簡（jiǎn）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（de）物質，則*先被微生物吸附，隨後在胞外酶的作用下（xià）被（bèi）水解液化成小分子有機物，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（huì）不同，如：糖類；脂類；蛋白質

       二、影響好氧（yǎng）生物處理的主要因素

       ①溶（róng）解氧（DO）：約1~2mg/l；

       ②水溫（wēn）：是重要因素之一，在一定範圍內（nèi），隨著（zhe）溫度的升高，生化反應的速率加快，增殖速率也加快；細胞的組成物如蛋（dàn）白質、核酸等對（duì）溫度很敏感，溫度突升或降並（bìng）超過一定限（xiàn）度（dù）時，會有不可（kě）逆的破壞；*適宜溫度 15~30°C；>40°C或< 10°C後（hòu），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%為無機（jī）元素，主要的是（shì）P；生活（huó）汙水一般不需再投（tóu）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；其它無機營養元素：K、Mg、Ca、S、Na等；微量元素：Fe、Cu、Mn、Mo、Si、硼等；

       ④pH值（zhí）：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，微生物的活（huó）動也會影響混（hún）合液的pH值。

       ⑤有毒物質（抑製物（wù）質）：重金屬；氰化物；H2S；鹵族元素及其化合（hé）物；酚、醇、醛等；

       ⑥有機負（fù）荷率：汙水中的有（yǒu）機物本來是微生物的食物，但太多時（shí），也會（huì）不（bú）利於微生物；

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

廢水厭氧生物處理在早期又被稱為（wéi）厭氧消化、厭氧發（fā）酵；是指在厭氧條件下由多種（厭氧或兼性（xìng））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（yàn）氧生（shēng）物（wù）處理中的基（jī）本生物過程——階段性（xìng）理論

1、兩階（jiē）段理論：20世紀30~60年代，被普遍接受的是“兩階（jiē）段（duàn）理論”*階段：發酵階段（duàn），又稱產酸階段或酸性發酵階段；主要功能是水解和酸化，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；

       這些微生物的特點是（shì）：

       1）生（shēng）長速率快，

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

       產甲烷細菌（jun1）的主要（yào）特點是：

       1）生長速率慢，世代時間長；

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

       2、三階段理（lǐ）論對厭氧微生（shēng）物學的深入研究後，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；厭氧微生物學的研究表明（míng），產甲烷菌是一類十分特別的古細菌（jun1）（Archea），除了在分類學和其特殊的學報結構外，其*主要（yào）的特點（diǎn）是：產甲烷細菌隻能利用一些簡單有機物作為基質，其中主要是一些簡單的一碳物質如甲（jiǎ）酸、甲醇、甲基胺類以及H2/CO2等，兩碳物質中隻有乙酸，而（ér）不能利用（yòng）其它含兩碳或以（yǐ）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”的細菌，實際上是由兩種細菌共同組成的，一（yī）種細菌*先把乙醇氧化為乙酸和H2（一（yī）種（zhǒng）產氫產乙酸細菌），另一種細菌則利用H2和CO2產生（shēng）CH4（一種真正意義上（shàng）的產甲烷細菌——嗜氫產甲烷細菌）；因而，Bryant提出了厭氧消化過程的“三階段（duàn）理論”：水解、發酵階段：產氫產乙酸階（jiē）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；產甲烷階段：產甲烷菌利用乙酸和H2、CO2產（chǎn）生CH4；一般認（rèn）為，在厭氧生物處理過程中約有70%的CH4產（chǎn）自乙（yǐ）酸的分解，其餘的則產自H2和CO2。

       3、四（sì）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過程的“四菌群學說”：實際上，是在上（shàng）述三階段理論（lùn）的基礎上，增加了一類（lèi）細菌——同型產乙酸菌（jun1），其主要功能是可以將產（chǎn）氫產乙酸（suān）細菌產生的H2/CO2合成為乙酸。但研究表明，實際上這（zhè）一部分由H2/CO2合成而來的乙酸（suān）的量較少，隻占厭氧體係中總乙酸量的（de）5%左右（yòu）。總體來（lái）說，“三階段理論”、“四階段理（lǐ）論”是目前公認的對厭氧生物處理過程較全麵和較（jiào）準確的描述。

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

       二、厭氧消化過程中的主要微生（shēng）物

       主要介紹（shào）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（jiào）細菌（產酸細菌）：

       發酵產酸細菌的主要功能有兩種：

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

       ②酸化——將可溶性大分子有機（jī）物（wù）轉（zhuǎn）化為脂肪酸、醇類（lèi）等；主要的發酵產酸細菌：梭菌屬、擬杆菌屬、丁酸弧（hú）菌屬、雙岐杆菌（jun1）屬等；水解過程較緩慢，並受多種（zhǒng）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（yǒu）大量是兼性厭氧菌；可以按功能來分：纖（xiān）維素分解菌、半纖（xiān）維（wéi）素分解菌、澱粉（fěn）分解（jiě）菌、蛋白質分解菌、脂肪分解菌等（děng）。

       2、產氫產乙酸菌：產氫產乙酸細菌的主要功（gōng）能是（shì）將各種（zhǒng）高級脂肪酸和醇類氧化分解為乙酸和H2；為（wéi）產甲烷細菌（jun1）提（tí）供合適的基質，在厭氧係統中常常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（chuàng）了嚴格厭（yàn）氧微（wēi）生物培養技術之後，對（duì）產甲烷（wán）細（xì）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菌的（de）產物——乙酸和H2/CO2轉化為CH4和CO2，使厭氧消化（huà）過程得以順利進行；主要可分為兩大類：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少，隻有Methanosarcina（產甲烷八疊球（qiú）菌（jun1））和Methanothrix（產甲烷絲狀菌），但這（zhè）兩種產甲烷細菌在厭氧反應（yīng）器中居多，特別是後者，因為在厭氧反應（yīng）器中乙酸是主要的（de）產（chǎn）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（jù）產甲烷菌的形態和生理生態特征（zhēng），可將其分類（lèi）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（zhǒng）；產甲烷菌有各種不同的形態，常（cháng）見（jiàn）的有：

       ①產甲烷杆菌；

       ②產甲（jiǎ）烷球菌；

       ③產甲烷八疊球菌；

       ④產甲烷絲菌；等等。在（zài）生物分類學上（shàng），產甲烷菌（Methanogens）屬於古細菌（Archaebacteria），大小、外觀上與普通細菌（Eubacteria）相似，但實際上，其細胞成分特殊，特別是細（xì）胞壁的結構較（jiào）特殊；在自然界的分布，一般可以認為（wéi）是棲息於一些極（jí）端環境中（如地熱泉水、深海火山口、沉積物（wù）等），但實際上其分布極為廣泛，如（rú）汙泥、瘤胃、昆（kūn）蟲腸（cháng）道、濕（shī）樹木（mù）、厭氧反應（yīng）器等；產甲烷菌都是嚴格厭氧細菌，要求氧化還原電位在（zài）-150~-400mv，氧和（hé）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（màn），繁殖世代時間長，可達4~6天，因（yīn）此，一般情況下產甲烷反（fǎn）應是厭氧消化的限速步驟。

       三、厭氧生（shēng）物處理的（de）影響因素

       產甲烷反應是厭氧消化過程的控（kòng）製階段，因此，一般來說（shuō），在討論厭氧生（shēng）物處理的影響因素（sù）時主要討論影響產甲烷菌的各項因素；主要影響因（yīn）素有：溫度、pH值、氧化（huà）還原電位、營（yíng）養物質、F/M比、有毒物質等。

       1、溫度：溫度對厭氧微（wēi）生物（wù）的影響（xiǎng）尤（yóu）為顯著；厭氧細菌可分為嗜熱菌（jun1）（或高溫菌）、嗜溫菌（中溫菌（jun1））；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）；高溫消化的反應速（sù）率約為中（zhōng）溫消（xiāo）化的1.5~1.9倍，產氣率也（yě）較高，但氣體中甲（jiǎ）烷含量較低；當處理含有病原菌和寄生（shēng）蟲卵的廢水或汙泥時，高溫消化可取得較好的衛（wèi）生效果，消化後汙泥的脫水性能也（yě）較（jiào）好；隨著新型厭氧反應器的（de）開發研究和應（yīng）用，溫度對厭氧消化的影（yǐng）響不再非常重要（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，以節省能量和運行費用（yòng）。

       2、pH值和堿度：pH值是厭氧消化過程中的*重要的影響因素；重要原因：產甲（jiǎ）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（jiǎ）烷菌會受到嚴重抑（yì）製，而進一（yī）步導致（zhì）整個厭氧（yǎng）消化過程的惡（è）化；厭（yàn）氧體係中的pH值受多種因素的影響：進（jìn）水pH值、進水水質（有機物濃度、有機物種類等）、生（shēng）化反應、酸堿平衡、氣固液相間的溶（róng）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（xì）統中脂肪酸含量的增加（累積），將消耗 ，使pH下降；但（dàn）產甲烷菌的作用不但可以（yǐ）消耗脂肪酸，而且還會產（chǎn）生（shēng） ，使（shǐ）係統的pH值回升。堿度曾一度在厭氧消化中被認（rèn）為是一個至關重要的影響因素（sù），但實際（jì）上其作用主要是保證厭氧（yǎng）體係（xì）具有一定的緩衝能力，維持合適的pH值；厭氧體係一（yī）旦發生酸化，則需（xū）要很長（zhǎng）的時間才能恢複。

       3、氧化還原電位：嚴格的厭（yàn）氧環境（jìng）是產（chǎn）甲烷菌（jun1）進行正常生理活動的基本條（tiáo）件；非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（huó）動；產甲烷菌的*適氧化（huà）還（hái）原電位（wèi）為-150~ -400mv，在培養產（chǎn）甲烷菌的初期，氧化還原電位不能高於-330mv；

       4、營養要求：厭氧微生物對N、P等營養物（wù）質的要求略低於好（hǎo）氧微生物，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素或氨（ān）基酸的功能，所以有時需要投加（jiā）：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（jìn）出（chū）膏、生物素、維生素（sù）等。

       5、F/M比：厭氧生物處（chù）理（lǐ）的有機物負荷較好氧（yǎng）生物處理（lǐ）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（wù）量。產酸階段的反應速率遠高於（yú）產甲烷（wán）階段，因此必須十分謹慎地選擇有機負荷；高的有機（jī）容積負荷的前（qián）提（tí）是高的（de）生（shēng）物量，而相應較低的（de）汙泥（ní）負荷（hé）；高的有機容（róng）積負荷可以縮短HRT，減（jiǎn）少（shǎo）反應器容積（jī）。

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

       ①硫（liú）化物（wù）和硫酸鹽：硫酸鹽和其它硫的氧化（huà）物（wù）很容易在厭氧消化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（duì）厭氧消化過程主要是產甲烷過程產生抑製作用；投加某些金屬如Fe可以去除S2-，或從係統中吹脫H2S可（kě）以減輕硫化物的抑製作用（yòng）。

       ②氨氮（dàn）：氨氮是厭氧消化的緩衝劑；但濃度過高，則會（huì）對厭（yàn）氧消化過程產生毒害作用（yòng）；抑製濃度（dù）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受到破壞。

       ④氰化物：⑤有毒有（yǒu）機物：

       四、厭氧生物（wù）處理的主要特征

       1、厭（yàn）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（shōu）生物能（沼氣）；

       ②汙泥（ní）產（chǎn）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（jun1）的產率Y為0.03kgVSS/kgCOD左右，而好氧微生物（wù）的產率約為0.25~0.6kgVSS/kgCOD。

       ③厭氧微生物有可能對好（hǎo）氧微生物不能降解的一些有機物進行降（jiàng）解或部分降解；④反應過程較為複雜（zá）——厭氧消化是由多種不同性質、不同功能的微生物協同工作（zuò）的（de）一（yī）個連續的微生物過程；

       2、厭氧生物處理過程的主要缺點：

       ①對溫度、pH等環（huán）境（jìng）因素較敏感；

       ②處理出水水質較差，需進（jìn）一步利用（yòng）好氧法進行處理；

       ③氣味較大；

       ④對氨氮的去除（chú）效果不好；等等