一、好氧生（shēng）物處理（lǐ）的（de）基（jī）本生物過程（chéng）

       所謂“好氧（yǎng）”：是指這類（lèi）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化反應，主要包括大部分微生物、動物以（yǐ）及（jí）我（wǒ）們人類；所謂“厭氧”：是能在無分子態氧存在的（de）條件下，能（néng）進（jìn）行正常（cháng）的生理生化反應的生物，如厭氧細菌、酵母菌等。好氧生物處理過程的生化反應方程式：

       ①分解反應（yīng）（又稱氧化反應、異（yì）化代謝（xiè）、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（也稱合成代（dài）謝、同化（huà）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+能量在正常情況下，各類微生物細胞物質的成分是相（xiàng）對穩定的，一般可用下列實驗式來表示：細菌：C5H7NO2；真菌：C16H17NO6；藻類（lèi）：C5H8NO2；原生動（dòng）物（wù）：C7H14NO3分解與合（hé）成的相互關係：1）二者不可分，而是相互依賴的；a、分解過程為合成提供能量和前物，而合成則給分解提供物質基礎；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)對有機物的去除，二者都有重要貢獻；3）合成量的大小，對後續汙泥的處理（lǐ）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%）。不同形式的有機物被生物降解的曆（lì）程也不同：一方麵：結構簡單、小分子、可（kě）溶性物質，直接進入細胞壁；結（jié）構（gòu）複雜、大分子、膠體狀或顆粒狀的物質，則*先被微（wēi）生物吸（xī）附，隨後在胞（bāo）外（wài）酶的（de）作用下被水解液化成小分子（zǐ）有機物，再進入細胞內。另一方麵：有機物的化學結構不（bú）同，其降解過程也會不（bú）同，如：糖類；脂類；蛋白（bái）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，在一定範圍內，隨著溫度的（de）升高，生化反應的速率加快（kuài），增（zēng）殖速率也加快；細胞的組成物如蛋白質、核酸等對溫度很敏感，溫度突升或降並超（chāo）過一定限度時，會有不可逆的（de）破壞；*適宜溫度 15~30°C；>40°C或< 10°C後，會有不利影響。

       ③營養（yǎng）物質：細胞組成（chéng）中，C、H、O、N約（yuē）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（jiā）營養（yǎng）物質；而某些工業廢水則需要，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）無機營（yíng）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）氧微生物的*適宜pH在6.5~8.5之（zhī）間；pH < 4.5時，真菌將占優勢，引（yǐn）起汙泥（ní）膨脹；另一方麵（miàn），微（wēi）生物（wù）的活動也會影響混合液（yè）的pH值（zhí）。

       ⑤有毒物質（抑製物質）：重金屬；氰化物；H2S；鹵族元素及其化（huà）合物；酚、醇、醛等；

       ⑥有機負荷率：汙水中的有機物本來（lái）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（diàn）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，對於嚴格（gé）厭氧細菌，則<-100 mv，甚至<-300="" mv。<="" span="">

       第二節 廢水（shuǐ）厭氧（yǎng）生物處理原理

廢水厭氧（yǎng）生物處（chù）理在早期又被稱為厭氧消化、厭氧發酵；是（shì）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過程——階段性理論

1、兩（liǎng）階段理論：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（jiē）段，又稱產酸階段或酸性發酵（jiào）階段；主要功能是水（shuǐ）解和酸化，主要產物是脂肪酸、醇（chún）類、CO2和H2等；主要參與反應的微生物（wù）統稱為發酵細菌或產酸細菌；

       這（zhè）些微生物的特點是：

       1）生長速率快，

       2）對環（huán）境條件的適應性（溫度、pH等）強。第二階段：產甲烷階段，又（yòu）稱堿性發酵階段；是指產甲烷菌利用前一階段的產物，並將其轉化為CH4和CO2；主要參與反應的微生物被統稱為產甲烷菌（jun1）（Methane producing bacteria）；

       產甲（jiǎ）烷細菌的主要特點是：

       1）生長速率（lǜ）慢，世（shì）代時間長；

       2）對環境條件（溫度、pH、抑製物等）非（fēi）常敏感，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劃分為上述兩個過程（chéng），不（bú）能真實反映厭氧反應過程的本質；厭氧微生物學的研究（jiū）表明，產甲烷菌是一類十分特別的古細菌（Archea），除了在分類學和其特殊的學報結構外，其*主要的特點是：產甲烷細菌隻能利用一些簡單有（yǒu）機物作為（wéi）基質，其中（zhōng）主要是（shì）一些簡單的一碳物質如甲酸、甲醇、甲基胺類以及（jí）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（de）脂肪酸和（hé）甲醇以外的醇類；上世紀70年代，Bryant發現原（yuán）來（lái）認（rèn）為是一種被稱為“奧氏產甲烷菌”的細菌，實際（jì）上是由（yóu）兩種細菌共（gòng）同組成的，一種細菌*先把（bǎ）乙醇氧化為乙酸和H2（一種產氫產乙酸細菌），另一種細菌則（zé）利用H2和（hé）CO2產生CH4（一種（zhǒng）真正意義上的產甲（jiǎ）烷細菌——嗜氫產甲烷細菌）；因（yīn）而（ér），Bryant提出了厭氧消化過（guò）程的“三階段理論”：水（shuǐ）解、發酵階段：產氫產乙酸階段：產氫產乙酸菌，將丙酸（suān）、丁酸等脂肪酸和（hé）乙醇（chún）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（yuē）有70%的CH4產自乙酸的分解，其餘的則產自H2和CO2。

       3、四階段理（lǐ）論（四（sì）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（yàn）氧消化（huà）過程（chéng）的“四菌群學說”：實際上，是在上述三階（jiē）段理論的基礎上，增加了一類細菌——同型產（chǎn）乙酸菌，其主要功能是可以（yǐ）將產氫產乙酸細菌產生（shēng）的H2/CO2合成為乙酸。但研究表（biǎo）明，實際上這一部分由H2/CO2合成而來的（de）乙酸的量較少，隻占厭氧體係中（zhōng）總乙酸量的5%左（zuǒ）右。總體來說，“三階（jiē）段理（lǐ）論”、“四階段理論（lùn）”是（shì）目前公認的對厭氧生物處理過程較全麵和較（jiào）準確的（de）描述。

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

       二（èr）、厭氧（yǎng）消化過程中的主要微生物

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

       1、發酵細菌（產酸細菌）：

       發酵產酸細菌的主要功能有兩種：

       ①水解——在胞外酶（méi）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）物轉化為脂肪酸、醇類等（děng）；主要的發酵產酸細菌：梭菌屬、擬杆（gǎn）菌屬（shǔ）、丁酸弧菌屬、雙岐杆（gǎn）菌屬等；水（shuǐ）解過程較緩慢，並受多種因素影響（xiǎng）（pH、SRT、有機物種類等），有時（shí）回成為厭氧（yǎng）反應的限速步（bù）驟；產酸反應的速率較快；大多數（shù）是（shì）厭氧菌，也有大量是兼性（xìng）厭氧菌；可以按功能來分：纖維素（sù）分解菌、半纖維素分解菌、澱粉分解菌、蛋（dàn）白質分解菌、脂（zhī）肪分解菌（jun1）等。

       2、產氫產乙（yǐ）酸菌：產氫產（chǎn）乙酸細菌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（jiǎ）烷（wán）細菌提供（gòng）合適的基質，在厭氧係統中常常（cháng）與產甲烷細菌處於（yú）共生互營關係。

       3、產甲（jiǎ）烷菌20世紀60年代（dài）Hungate開創了嚴格厭氧微生物培養技術之後，對產甲烷細（xì）菌的研究才得以廣泛進行；產甲烷細菌的（de）主要功能是將產（chǎn）氫產乙酸菌的產物——乙酸和H2/CO2轉化為CH4和（hé）CO2，使厭氧消化過程得以順利進行；主（zhǔ）要可分為（wéi）兩大（dà）類：乙酸營養型（xíng）和H2營養型產甲（jiǎ）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（dié）球菌）和Methanothrix（產（chǎn）甲烷絲狀菌），但這兩種產甲烷細菌（jun1）在厭氧反應器（qì）中居（jū）多，特別是後（hòu）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70%左右的甲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特（tè）征，可將其分類如下：——*新的分類（Bergy’s細菌手（shǒu）冊第九版），共分為：三目、七科、十九屬、65種；產甲烷菌有各種不同的形態，常見的有：

       ①產甲烷（wán）杆菌；

       ②產甲烷球菌；

       ③產甲烷八疊球菌；

       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、外觀上與普通細菌（jun1）（Eubacteria）相似，但實際上（shàng），其細胞成分特殊（shū），特（tè）別（bié）是細（xì）胞壁的結構（gòu）較特殊；在自然界的分布，一般可以認為是棲（qī）息（xī）於一些極端環境（jìng）中（如地熱泉水、深海火山口、沉積物等），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（yǎng）反應（yīng）器等；產甲烷菌都是嚴格厭氧細（xì）菌，要求氧化還原電位在-150~-400mv，氧和（hé）氧化劑（jì）對其有很強的毒害作用；產甲烷菌的增殖速率很慢，繁殖世代時間長，可達4~6天，因此，一般情況下產甲烷反應（yīng）是厭氧（yǎng）消化的限速步驟。

       三、厭氧生物處理的影（yǐng）響因素

       產（chǎn）甲烷反（fǎn）應（yīng）是厭氧消化過程的（de）控製階段（duàn），因此，一般來（lái）說（shuō），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（gè）項因素；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（yǒu）毒物質等。

       1、溫度：溫度對厭氧微生物的影響尤（yóu）為（wéi）顯著；厭氧（yǎng）細菌可分為（wéi）嗜熱菌（或高溫菌）、嗜溫菌（中溫菌）；相應地，厭氧消化分為：高溫消化（55°C左（zuǒ）右）和中溫消化（35°C左右）；高溫消化的反應速率約為中（zhōng）溫消化的1.5~1.9倍，產氣（qì）率也較高，但氣（qì）體中甲烷含量較低；當處（chù）理含有病原菌和寄生蟲卵的廢水或汙泥時，高溫消化可取得較好（hǎo）的（de）衛（wèi）生效果，消化後汙泥的脫水性（xìng）能也較好；隨著新型厭氧（yǎng）反應器的開發研究和應用，溫度對（duì）厭氧消化的影響不再非常重（chóng）要（新型反（fǎn）應器內的生（shēng）物量很大），因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（dù）：pH值是厭氧消（xiāo）化過程中的（de）*重要（yào）的影響因素；重要原因：產甲烷菌對pH值的變化非常敏（mǐn）感，一般認為，其*適pH值範圍為6.8~7.2，在<6.5或>8.2時，產甲烷菌會受到嚴重（chóng）抑製，而進一步導致整個厭氧消化過（guò）程的惡化；厭（yàn）氧體（tǐ）係中的pH值受多種因素的影響：進水pH值、進（jìn）水水（shuǐ）質（有機物濃度、有機物種類等）、生化反應、酸堿平衡、氣固液相間的溶解平（píng）衡等；厭（yàn）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（zhì）；一般來說：係（xì）統（tǒng）中脂肪酸含量的增加（累積），將消耗 ，使pH下降；但產（chǎn）甲烷菌的作用不但可以消耗脂（zhī）肪酸，而且還會產生 ，使係統（tǒng）的pH值回升。堿度曾一度在厭氧消化中被認為是一個至關重要的影響因（yīn）素，但實（shí）際（jì）上其作用（yòng）主要是（shì）保證厭氧體係具有（yǒu）一定的緩衝能（néng）力，維持合適的（de）pH值；厭氧體係一旦發生酸化，則需要很長的時間才能恢複。

       3、氧化還原電位：嚴格的厭氧環境是產甲烷（wán）菌進行正常生理活動的基（jī）本（běn）條件；非（fēi）產甲（jiǎ）烷菌可以在（zài）氧化還原電位為+100~ -100mv的（de）環境正常生長和活動；產甲烷菌（jun1）的*適（shì）氧化還原電（diàn）位為-150~ -400mv，在（zài）培養產（chǎn）甲烷菌的初期，氧化還原電位（wèi）不能高於-330mv；

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

       多數厭氧菌不具（jù）有合成某些必（bì）要的維生素或氨基酸的功（gōng）能，所以有時需要投加：①K、Na、Ca等金屬鹽類；

       ②微量元素（sù）Ni、Co、Mo、Fe等；

       ③有機微量物質（zhì）：酵母浸出膏、生物素、維生素（sù）等。

       5、F/M比：厭氧生物處理的有機物負荷較好氧生物處理更高，一般（bān）可達（dá）5~10kgCOD/m3.d，甚至可（kě）達50~80 kgCOD/m3.d；無傳氧的限製；可以積聚更高的生物量。產（chǎn）酸（suān）階段的反應速率遠高於產（chǎn）甲烷階段，因此必須（xū）十分謹慎地選擇有機負荷（hé）；高的有機容積負荷的（de）前提是高的生物量，而相應較低的汙泥負荷；高的有機容積負荷可以縮（suō）短HRT，減少反應器容積（jī）。

       6、有毒物質：——常見的抑製性物質有：硫化（huà）物、氨氮、重金（jīn）屬、氰化物及某（mǒu）些有機物；

       ①硫化物和硫酸鹽：硫（liú）酸鹽和其它硫的氧化物很容易在厭氧消化過程（chéng）中被還原（yuán）成硫（liú）化物；可溶的硫（liú）化物達到一（yī）定濃度時，會對厭氧消化過程主要是產甲烷（wán）過（guò）程產生抑製作用；投加某（mǒu）些金（jīn）屬如Fe可以去除S2-，或從係（xì）統中吹脫H2S可以減（jiǎn）輕硫化物的抑製作用。

       ②氨氮：氨氮是厭（yàn）氧（yǎng）消化的緩衝劑；但濃度過（guò）高，則會對厭氧消化過程產生毒（dú）害作用（yòng）；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受到破壞。

       ④氰化物（wù）：⑤有毒有機物：

       四、厭（yàn）氧生物處理的主要特（tè）征

       1、厭氧生物處理（lǐ）過程的主要優點（diǎn）：

       ①能耗（hào）大（dà）大降低，而且還可以回收生物能（néng）（沼氣）；

       ②汙泥（ní）產量很低；——厭氧微生物的增殖速率比好氧微生物低得（dé）多，產酸菌（jun1）的產率（lǜ）Y為0.15~0.34kgVSS/kgCOD，產（chǎn）甲烷菌的產率Y為0.03kgVSS/kgCOD左右，而好氧微生物的產率約為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（jiě）的一些有機物進行降解或部分降解；④反應過程較為複雜——厭（yàn）氧消化是由多種不同性質、不同功能的微生（shēng）物協同工作的一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對溫度、pH等環境因素較敏感；

       ②處理出水水質較差，需進一步利用好氧法進行處理；

       ③氣味較大；

       ④對氨氮的去除效果不好；等等