废水好氧生(sheng)物处(chu)理(li)原(yuan)理(li)
一、好氧(yang)生物(wu)处理的(de)基本生物(wu)过程
所(suo)谓(wei)“好(hao)氧”：是指(zhi)这类(lei)生物必须在有分(fen)子态氧气（O2）的存在(zai)下，才能进(jin)行正常的生(sheng)理生(sheng)化反应，主要包括大部分(fen)微生(sheng)物、动物以及我们人类。所谓(wei)“厌氧”：是能在无分子态氧存在的条件下，能进行正常的生(sheng)理(li)生(sheng)化(hua)反(fan)应的生(sheng)物，如厌氧细菌、酵母菌等。好(hao)氧生(sheng)物处理(li)过程(cheng)的生(sheng)化(hua)反(fan)应方(fang)程(cheng)式：① 分(fen)解反应(ying)(ying)（又称氧化反应(ying)(ying)、异化代谢(xie)、分(fen)解代谢(xie)） CHONS + O2 CO2 + H2O + NH3 + SO42- +¼+能量（有机物的组成元素）② 合(he)(he)成反(fan)应（也(ye)称(cheng)合(he)(he)成代谢、同化作用） C、H、O、N、S + 能量C5H7NO2③ 内(nei)源(yuan)呼吸（也称细(xi)胞物(wu)质的(de)自身氧化） C5H7NO2 + O2 CO2 + H2O + NH3 + SO42- +¼+能量。
在正常情况下，各类微生物(wu)细胞物(wu)质的(de)成分是相对稳(wen)定的(de)，一般可用下列实(shi)验式来表示：细菌：C5H7NO2；真菌：C16H17NO6；藻类：C5H8NO2；原生动物：C7H14NO3
分解与(yu)合成的相互关系：
1）二者密不可分，且(qie)相互依赖；a、分(fen)解过程为(wei)合成(cheng)提供能量和前物，而合成(cheng)则给(ji)分(fen)解提供物质基础；b、分解过程是一个产(chan)能过程，合成过程则(ze)是一个耗能过程。
2)对(dui)有(you)机物的(de)去除，二者都有(you)重要贡(gong)献(xian)；
3）合成(cheng)量的(de)(de)大小，对后续污(wu)泥的(de)(de)处(chu)理有直(zhi)接影响(xiang)（污(wu)泥的(de)(de)处(chu)理费用一般可以占整个城市污(wu)水处(chu)理厂的(de)(de)40~50%）。不同(tong)形式的(de)有机物(wu)(wu)(wu)被(bei)(bei)生物(wu)(wu)(wu)降解(jie)的(de)历(li)程(cheng)也不同(tong)：一方面(mian)：结(jie)构简单、小(xiao)分子(zi)(zi)、可(ke)溶性物(wu)(wu)(wu)质，直接进入(ru)细胞(bao)壁；结(jie)构复杂、大分子(zi)(zi)、胶体状或颗粒状的(de)物(wu)(wu)(wu)质，则首先被(bei)(bei)微生物(wu)(wu)(wu)吸附，随后在胞(bao)外酶的(de)作用(yong)下被(bei)(bei)水解(jie)液化(hua)成小(xiao)分子(zi)(zi)有机物(wu)(wu)(wu)，再进入(ru)细胞(bao)内。另一方面(mian)：有机物(wu)(wu)(wu)的(de)化(hua)学结(jie)构不同(tong)，其(qi)降解(jie)过(guo)程(cheng)也会不同(tong)，如：糖类(lei)；脂类(lei)；蛋白(bai)质
二、影(ying)响好(hao)氧(yang)生(sheng)物(wu)处理的主要因素
① 溶解氧(yang)（DO）：约1~2mg/l；② 水温：是重要(yao)因素之一(yi)，在一定范围内，随着温度的升高，生化反应的速率加快，增殖速率也加快；细胞的组成物如蛋白质、核酸等对温度很敏感，温度突升或降并超过一定限度时，会有不可逆的破坏；最适宜温度 15~30°C； >40°C 或< 10°C后(hou)，会有不利影响(xiang)。③ 营养物质(zhi)：细胞(bao)组成(cheng)中(zhong)，C、H、O、N约占90~97%；其余3~10%为无(wu)机元素，主要的是P；生活(huo)污水一般不(bu)需再投加营(ying)养物质(zhi)；而(er)某(mou)些工业废水则需要(yao)，一般对于好氧生物处理工艺，应按BOD : N : P = 100 : 5 : 1 投加N和P；其它无机营养元素(su)：K、Mg、Ca、S、Na等；微(wei)量元素： Fe、Cu、Mn、Mo、Si、硼等；④ pH值：一般好氧微生物的最适宜pH在6.5~8.5之(zhi)间；pH < 4.5时，真菌将(jiang)占优势，引起污(wu)泥膨胀；另(ling)一方面，微生物的活动也会影响混合液的pH值。⑤ 有毒物(wu)质（抑(yi)制物(wu)质）：重金(jin)属；氰化(hua)物(wu)；H2S；卤族(zu)元素(su)及其(qi)化合物；酚、醇、醛等；⑥ 有机负荷率：污水中的有机物(wu)本来是微生物(wu)的食物(wu)，但太多时，也会不(bu)利于微生物(wu)；⑦ 氧(yang)化还原电位(wei)：好氧(yang)细菌：+300 ~ 400 mV， 至少要求大于+100 mV；厌(yan)氧(yang)细菌(jun)：要求小于(yu)+100 mV，对于严格(ge)厌氧细(xi)菌，则(ze)<-100 mv<="" span="">，甚至<-300 mv<="" span="">。（氧化还原电位反映水溶液中所有物质表现出来的宏观氧化还原性。氧化还原电位越高，氧化性越强，氧化还原电位越低，还原性越强。电位为正表示溶液显示出一定的氧化性，为负则表示溶液显示出一定的还原性。）
废水(shui)厌氧生物处理原理
废水厌氧(yang)(yang)生(sheng)(sheng)物(wu)处理在早(zao)期(qi)又(you)被称为厌氧(yang)(yang)消化、厌氧(yang)(yang)发酵(jiao)；是(shi)指在厌氧(yang)(yang)条件下由多种（厌氧(yang)(yang)或兼性(xing)）微生(sheng)(sheng)物(wu)的共同作用下，使有机物(wu)分解(jie)并产生(sheng)(sheng)CH4和CO2的(de)过程(cheng)。一、厌氧生物处理中的基本生物过(guo)程(cheng)——阶(jie)段性理论
1、两阶段理论：20世(shi)纪30~60年(nian)代(dai)，被(bei)普遍接受的(de)是“两阶段理论”。
第一阶段：发酵(jiao)阶段，又称产(chan)酸阶(jie)段(duan)或酸性发酵阶段；主要功能是水解和酸化，主要产物是脂肪酸、醇类、CO2和H2等；主要参与反应的(de)微(wei)生物(wu)统称为发(fa)酵(jiao)细菌(jun)或产酸细菌(jun)；
这些微生物的特点是：1）生长速率快，2）对(dui)环境条件(jian)的适应性（温度、pH等）强。
第二阶段：产甲烷阶段，又称碱(jian)性发酵阶段；是指产甲烷菌利用前一阶段的产物，并将其转化为CH4和CO2；主要参(can)与反应的微生物被(bei)统称为产甲烷菌(jun)（Methane producing bacteria）；
2）对环境(jing)条件（温度、pH、抑制物等(deng)）非常敏感，要(yao)求苛刻。2、三阶段理论：对厌氧微生物学的深入研究后，发现将厌氧消化过程简单地划分为上述两个过程，不能真实反映厌氧反应过程的本质；厌氧微生物学的研究表明，产甲烷菌是一类十分特别的古细菌（Archea），除了在分(fen)类学(xue)(xue)和其特(te)殊的(de)(de)学(xue)(xue)报结构外，其最主要(yao)的(de)(de)特(te)点是：产甲(jia)烷细(xi)菌只能利用一(yi)些简单有机(ji)物(wu)作(zuo)为基质，其中主要(yao)是一(yi)些简单的(de)(de)一(yi)碳物(wu)质如甲(jia)酸、甲(jia)醇(chun)、甲(jia)基胺(an)类以(yi)及H2/CO2等，两(liang)碳物质(zhi)中(zhong)只(zhi)有乙酸(suan)，而不能(neng)利用(yong)其它含两(liang)碳或(huo)以上的脂肪酸(suan)和甲醇(chun)以外的醇(chun)类；上世纪70年代(dai)，Bryant发现原来认为是一种被称为“奥(ao)氏(shi)产甲(jia)烷(wan)菌”的(de)细菌(jun)，实际上是由(you)两种(zhong)细菌(jun)共同组(zu)成的(de)，一种(zhong)细菌(jun)首先把乙醇氧化为乙酸和H2（一种产(chan)氢产(chan)乙酸细(xi)菌），另一种细(xi)菌则(ze)利(li)用(yong)H2和CO2产生CH4（一种真正意义上(shang)的产(chan)甲烷细菌(jun)——嗜(shi)氢产甲烷细菌(jun)）；因而，Bryant提出了厌(yan)氧消化过(guo)程(cheng)的“三阶段理论(lun)”：水解、发酵阶段(duan)：产(chan)氢产(chan)乙(yi)酸(suan)阶段(duan)：产(chan)氢产(chan)乙(yi)酸(suan)菌，将丙(bing)酸(suan)、丁酸(suan)等脂肪(fang)酸(suan)和(he)乙(yi)醇等转化(hua)为乙(yi)酸(suan)、H2/CO2；产(chan)甲烷阶段：产(chan)甲烷菌利(li)用乙酸(suan)和(he)H2、CO2产生(sheng)CH4；一般认(ren)为，在厌氧生(sheng)物(wu)处(chu)理过程中约有(you)70%的CH4产自(zi)乙(yi)酸的分解，其余(yu)的则产自(zi)H2和CO2。3、四阶段(duan)理论（四菌群学说）：几乎与Bryant提出“三阶段理(li)论”的同时，又有人提出了厌氧消化过程的“四菌群(qun)学说”：实际上，是在上述三阶段理(li)论的基础上，增加了一类细菌——同型产乙酸菌，其主(zhu)要功能(neng)是可以(yi)将(jiang)产氢产乙酸细菌产生的H2/CO2合成为(wei)乙(yi)酸(suan)。但研究(jiu)表明，实际上这一部分由H2/CO2合成而(er)来(lai)的(de)乙酸(suan)的(de)量较少，只占厌氧体系中总乙酸(suan)量的(de)5%左右。总体(ti)来说，“三(san)阶段(duan)理论”、“四阶段理论”是目前公(gong)认的(de)对厌氧生物处理过程较(jiao)全面和较(jiao)准确的(de)描述。4、 多(duo)阶段理论是(shi)当(dang)利用厌氧(yang)生(sheng)(sheng)物处(chu)理工(gong)艺处(chu)理含有复杂有机物的时候(hou)，在厌氧(yang)反应(ying)器中(zhong)发生(sheng)(sheng)的反应(ying)会(hui)远比上述(shu)“三(san)阶段理论”、“四阶段理(li)论”中所描述的反应过程复杂(za)，可以参见“厌(yan)氧复杂体系示意图”。二、厌氧(yang)消化过程中(zhong)的主(zhu)要微生物
主要介绍其中的(de)发酵细(xi)(xi)菌（产酸细(xi)(xi)菌）、产氢产乙酸菌、产甲(jia)烷菌等。发酵产酸细菌的主(zhu)要功(gong)能(neng)有两种：① 水解——在胞外酶的作用下，将不(bu)溶(rong)性有(you)(you)机(ji)物水解成可溶(rong)性有(you)(you)机(ji)物；② 酸化——将可溶(rong)性大分子有机物(wu)转化为脂肪酸(suan)(suan)、醇类等(deng)；主要的发酵产酸(suan)(suan)细(xi)菌(jun)：梭菌(jun)属、拟杆菌(jun)属、丁酸(suan)(suan)弧菌(jun)属、双(shuang)岐(qi)杆菌(jun)属等(deng)；水解(jie)过程较缓(huan)慢(man)，并受多种(zhong)因素影响（pH、SRT、有机物(wu)种类等），有时回成为厌氧(yang)反应(ying)的限速步骤；产(chan)酸反应(ying)的速率较快(kuai)；大多数是厌氧(yang)菌(jun)，也有大量是兼性厌氧(yang)菌(jun)；可(ke)以按功(gong)能来分(fen)：纤(xian)维(wei)素分(fen)解菌(jun)、半纤(xian)维(wei)素分(fen)解菌(jun)、淀粉分(fen)解菌(jun)、蛋白质分(fen)解菌(jun)、脂(zhi)肪分(fen)解菌(jun)等。2、产(chan)氢产(chan)乙(yi)酸(suan)菌：产(chan)氢产(chan)乙(yi)酸(suan)细菌的(de)主要功能是将各种高级脂(zhi)肪(fang)酸(suan)和醇类氧(yang)化(hua)分解为(wei)乙(yi)酸(suan)和H2；为产(chan)甲(jia)(jia)烷细菌提供(gong)合适的基(ji)质(zhi)，在(zai)厌氧系(xi)统(tong)中(zhong)常常与产(chan)甲(jia)(jia)烷细菌处(chu)于共生互营关系(xi)。3、产甲(jia)烷菌(jun)，20世纪60年代Hungate开创(chuang)了(le)严格(ge)厌氧微生(sheng)物培养(yang)技术之(zhi)后，对产甲烷(wan)细菌(jun)的研究才得(de)以广泛进行；产甲烷(wan)细菌(jun)的主要功能(neng)是将产氢产乙酸菌(jun)的产物——乙酸和H2/CO2转化为CH4和(he)CO2，使厌氧消化(hua)过程得以(yi)顺(shun)利(li)进行；主要可(ke)分为(wei)两大类(lei)：乙酸营养(yang)型和H2营养型(xing)产(chan)甲(jia)烷菌，或称为嗜乙酸产(chan)甲(jia)烷细菌和嗜氢产(chan)甲(jia)烷细菌；一般(ban)来说，在自然界中乙酸营养型(xing)产(chan)甲(jia)烷菌的种(zhong)类较少，只(zhi)有Methanosarcina（产甲烷八叠球菌）和Methanothrix（产(chan)甲(jia)烷(wan)丝(si)状菌(jun)），但这两(liang)种产(chan)甲(jia)烷(wan)细菌(jun)在(zai)厌氧反应(ying)器中(zhong)居多，特(te)别是(shi)(shi)后者，因为在(zai)厌氧反应(ying)器中(zhong)乙酸是(shi)(shi)主要的产(chan)甲(jia)烷(wan)基质，一般来说有70%左右的甲(jia)烷是来自乙(yi)酸的氧化(hua)分解； 根据(ju)产甲烷(wan)菌的形态和(he)生(sheng)理(li)生(sheng)态特征，可将其(qi)分(fen)类如下：——最新的分(fen)类（Bergy’s细(xi)菌(jun)手(shou)册第九(jiu)版），共(gong)分(fen)为(wei)：三目、七科、十九(jiu)属(shu)、65种(zhong)(zhong)；产甲烷菌有各种(zhong)(zhong)不同(tong)的(de)形态(tai)，常见的(de)有：③产(chan)甲烷(wan)八叠球(qiu)菌；④产(chan)甲(jia)烷丝菌；等(deng)等(deng)。在生物分类学(xue)上，产(chan)甲(jia)烷菌（Methanogens）属(shu)于古细(xi)菌（Archaebacteria），大小(xiao)、外观上与普(pu)通细菌(jun)（Eubacteria）相似，但(dan)实际(ji)上，其(qi)细胞成(cheng)分特(te)(te)殊，特(te)(te)别是(shi)细胞壁(bi)的(de)结构较特(te)(te)殊；在(zai)自然界(jie)的(de)分布(bu)，一(yi)般(ban)可以认为是(shi)栖息于一(yi)些(xie)极(ji)端环境中（如地热泉水、深海火山口(kou)、沉积物(wu)等），但(dan)实际(ji)上其(qi)分布(bu)极(ji)为广泛，如污(wu)泥、瘤胃、昆虫肠道(dao)、湿树木、厌(yan)氧反应器等；产甲烷菌都是(shi)严格(ge)厌(yan)氧细菌，要(yao)求氧化还原电位在(zai)-150~-400mv，氧(yang)(yang)和(he)氧(yang)(yang)化剂对其有很(hen)强的毒害(hai)作用；产甲烷菌的增(zeng)殖速率很(hen)慢(man)，繁殖世代时(shi)间长，可达(da)4~6天(tian)，因(yin)此，一般情况(kuang)下产(chan)甲烷反(fan)应是厌氧消化的限速步骤(zhou)三、厌(yan)氧生物处理(li)的影(ying)响因素
产甲烷反应是厌氧消化(hua)过(guo)程(cheng)的控制阶段，因此，一(yi)般来说，在(zai)讨论厌氧生(sheng)物处(chu)理的影响(xiang)因素时(shi)主要讨论影响(xiang)产甲烷(wan)菌的各项因素；主要影响因素有：温(wen)度、pH值、氧化还(hai)原电位、营(ying)养物质、F/M比、有毒物(wu)质等。 1、温度：温度对(dui)厌(yan)氧(yang)微(wei)生物的影响尤为显(xian)著；厌(yan)氧(yang)细菌(jun)可(ke)分(fen)为嗜热菌(jun)（或高(gao)温菌(jun)）、嗜温菌(jun)（中(zhong)温菌(jun)）；相应(ying)地，厌(yan)氧(yang)消(xiao)化分(fen)为：高(gao)温消(xiao)化（55°C左右）和中温消化(hua)（35°C左右）；高温(wen)消(xiao)(xiao)化的(de)反应(ying)速率约为中(zhong)温(wen)消(xiao)(xiao)化的(de)1.5~1.9倍，产气率也较高，但气体中甲烷含量较低；当处理含有病原菌和寄生虫卵的废水或污泥时，高温消化可取得较好的卫生效果，消化后污泥的脱水性能也较好；随着新型厌(yan)氧反应器的开发研究和(he)应用，温度对厌氧消(xiao)化(hua)的(de)影响不再非常重要（新型(xing)反应器内的(de)生物量很(hen)大），因(yin)此可以在常温条件下（20~25°C）进(jin)行，以节省能量和运(yun)行费用。2、pH值和碱度：pH值(zhi)是厌氧消化过程中的最重要(yao)的影响因素；重要(yao)原因：产甲烷菌(jun)对(dui)pH值的变(bian)化(hua)非常敏感，一般认为，其最适pH值范围为6.8~7.2，在<6.5< span="">或>8.2时，产甲烷(wan)菌会受到严重抑制(zhi)，而进(jin)一步导致(zhi)整个厌氧消化过程(cheng)的恶(e)化；厌氧体(ti)系中的pH值受多种(zhong)因素(su)的影响：进水pH值、进(jin)水水质（有机(ji)物(wu)浓度、有机(ji)物(wu)种(zhong)类等(deng)）、生化(hua)反应、酸碱(jian)平衡、气固(gu)液相间的溶解平衡等(deng)；厌氧体系是(shi)一个(ge)pH值的(de)缓冲(chong)体系(xi)，主要由碳酸盐体系(xi)所控制；一般来(lai)说：系(xi)统中脂肪酸含量的增加（累积），将消(xiao)耗 ，使pH下降；但产甲烷(wan)菌(jun)的作用(yong)不但可以消耗脂肪酸，而且还会使(shi)系统的pH值回升。碱度曾(ceng)一度在(zai)厌氧消化中(zhong)被认(ren)为是一个(ge)至关重要的(de)影响因素，但实际上其作(zuo)用主要是保证厌氧体系具(ju)有一定的(de)缓(huan)冲能力，维持合适的(de)pH值；厌氧体系一旦发生酸化，则需要很(hen)长的(de)时间才能恢复。3、氧(yang)化还(hai)原(yuan)电位：严格的厌氧(yang)环(huan)境(jing)是产甲烷(wan)菌进行正常生理活动的基本条(tiao)件；非产甲烷(wan)菌可(ke)以在氧(yang)化还(hai)原(yuan)电位为+100~ -100mv的(de)环境正(zheng)常(chang)生长和活(huo)动；产甲(jia)烷(wan)菌的(de)最适氧化还原电位为-150~ -400mv，在培养产甲烷(wan)菌的(de)初(chu)期，氧化还原(yuan)电位不能高于(yu)-330mv；4、营(ying)养要求(qiu)：厌(yan)氧微(wei)生物对N、P等营养物(wu)质的要(yao)求略低于(yu)好(hao)氧微(wei)生(sheng)物(wu)，其(qi)要(yao)求COD：N：P = 200：5：1；多数厌氧菌不具有(you)合(he)成某些必(bi)要的维生(sheng)素(su)或氨(an)基酸的功(gong)能，所以有(you)时需要投加：①K、Na、Ca等(deng)金属(shu)盐类；②微(wei)量元素Ni、Co、Mo、Fe等；③有机微(wei)量物(wu)质：酵母浸出膏、生物(wu)素(su)(su)、维生素(su)(su)等(deng)。5、F/M比：厌氧(yang)生(sheng)物处(chu)理(li)的有机物负荷较好氧(yang)生(sheng)物处(chu)理(li)更高(gao)，一(yi)般(ban)可达(da)5~10kgCOD/m3.d，甚至可(ke)达50~80 kgCOD/m3.d；无传氧的限(xian)制；可(ke)以积聚更高的生物量。产酸阶段的反应速率远高于产甲烷阶段，因此必(bi)须十分谨慎地选(xuan)择有机负荷；高的有机容积负荷的前提是高的生物量，而相应较低的污(wu)泥负荷；高的有机容积负荷可(ke)以缩短HRT，减少反应器容(rong)积。6、有(you)毒物质：——常见的抑制(zhi)性物(wu)质有(you)：硫化(hua)物(wu)、氨(an)氮、重金属、氰化(hua)物(wu)及某些有(you)机物(wu)；①硫(liu)化(hua)(hua)(hua)物(wu)和硫(liu)酸盐(yan)(yan)：硫(liu)酸盐(yan)(yan)和其它硫(liu)的氧化(hua)(hua)(hua)物(wu)很容易(yi)在厌(yan)氧消化(hua)(hua)(hua)过(guo)程(cheng)中被还原成硫(liu)化(hua)(hua)(hua)物(wu)；可溶的硫(liu)化(hua)(hua)(hua)物(wu)达到(dao)一(yi)定浓度时，会对厌(yan)氧消化(hua)(hua)(hua)过(guo)程(cheng)主(zhu)要是(shi)产甲烷(wan)过(guo)程(cheng)产生抑制作用；投加某些金属如(ru)Fe可以去除S2-，或从系统中(zhong)吹脱H2S可以(yi)减(jian)轻硫化(hua)物的抑(yi)制(zhi)作(zuo)用。②氨(an)(an)氮：氨(an)(an)氮是厌氧(yang)消(xiao)化的缓冲(chong)剂(ji)；但浓(nong)度过高，则会对厌氧(yang)消(xiao)化过程产生毒害作用；抑(yi)制(zhi)浓(nong)度为50~200mg/l，但驯化后(hou)，适应能力会得到(dao)加强(qiang)。③重(zhong)金(jin)属：——使厌氧(yang)细菌的(de)酶系(xi)统受到破坏(huai)。④氰(qing)化物(wu)。
⑤有毒有机物。
四、厌(yan)氧生物(wu)处理(li)的(de)主要特征(zheng)
① 能耗大大降低，而且还可以回收生物能（沼(zhao)气）；② 污泥产量很低(di)；——厌氧(yang)微(wei)生物的(de)增殖速率(lv)比(bi)好(hao)氧(yang)微(wei)生物低得(de)多，产(chan)酸菌的(de)产(chan)率(lv)Y为0.15~0.34kgVSS/kgCOD，产(chan)甲烷(wan)菌(jun)的产(chan)率Y为(wei)0.03kgVSS/kgCOD左右，而好氧微生物的产率约(yue)为0.25~0.6kgVSS/kgCOD。③ 厌氧微生(sheng)物有可(ke)能对好氧微生(sheng)物不(bu)能降(jiang)(jiang)解的一(yi)些有机物进行降(jiang)(jiang)解或部分降(jiang)(jiang)解；
④ 反应过程较为复杂——厌
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