第一節廢水好氧生物處理原理‍

 

 

一、好氧生物處理的基本生物過程

 

所謂“好氧”：是指這類生物必須在有分子態氧氣（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、動物以及我們人類；所謂“厭氧”：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（又稱氧化反應、異化代謝、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+能量在正常情況下，各類微生物細胞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：C16H17NO6；藻類：C5H8NO2；原生動物：C7H14NO3分解與合成的相互關系：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，對后續污泥的處理有直接影響（污泥的處理費用一般可以占整個城市污水處理廠的40~50%）。不同形式的有機物被生物降解的歷程也不同：一方面：結構簡單、小分子、可溶性物質，直接進入細胞壁；結構復雜、大分子、膠體狀或顆粒狀的物質，則首先被微生物吸附，隨后在胞外酶的作用下被水解液化成小分子有機物，再進入細胞內。另一方面：有機物的化學結構不同，其降解過程也會不同，如：糖類；脂類；蛋白質

 

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，在一定范圍內，隨著溫度的升高，生化反應的速率加快，增殖速率也加快；細胞的組成物如蛋白質、核酸等對溫度很敏感，溫度突升或降并超過一定限度時，會有不可逆的破壞；最適宜溫度    15~30°C； >40°C  或< 10°C后，會有不利影響。

③ 營養物質：細胞組成中，C、H、O、N約占90~97%；其余3~10%為無機元素，主要的是P；生活污水一般不需再投加營養物質；而某些工業廢水則需要，一般對于好氧生物處理工藝，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；

④ pH值：一般好氧微生物的最適宜pH在6.5~8.5之間；pH < 4.5時，真菌將占優勢，引起污泥膨脹；另一方面，微生物的活動也會影響混合液的pH值。

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

⑥ 有機負荷率：污水中的有機物本來是微生物的食物，但太多時，也會不利于微生物；

⑦ 氧化還原電位：好氧細菌：+300 ~ 400 mV， 至少要求大于+100 mV；厭氧細菌：要求小于+100 mV，對于嚴格厭氧細菌，則<-100 mV，甚至<-300 mV。

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氧消化、厭氧發酵；是指在厭氧條件下由多種（厭氧或兼性）微生物的共同作用下，使有機物分解并產生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、兩階段理論：20世紀30~60年代，被普遍接受的是“兩階段理論”第一階段：發酵階段，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：

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：產甲烷階段，又稱堿性發酵階段；是指產甲烷菌利用前一階段的產物，并將其轉化為CH4和CO2；主要參與反應的微生物被統稱為產甲烷菌（Methane producing bacteria）；

產甲烷細菌的主要特點是：

1）生長速率慢，世代時間長；

2）對環境條件（溫度、pH、抑制物等）非常敏感，要求苛刻。

2、三階段理論對厭氧微生物學的深入研究后，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，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，其最主要的特點是：產甲烷細菌只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酸、甲醇、甲基胺類以及H2/CO2等，兩碳物質中只有乙酸，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，一種細菌首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產生CH4（一種真正意義上的產甲烷細菌——嗜氫產甲烷細菌）；因而，Bryant提出了厭氧消化過程的“三階段理論”：水解、發酵階段：產氫產乙酸階段：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產生CH4；一般認為，在厭氧生物處理過程中約有70%的CH4產自乙酸的分解，其余的則產自H2和CO2。

3、四階段理論（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產生的H2/CO2合成為乙酸。但研究表明，實際上這一部分由H2/CO2合成而來的乙酸的量較少，只占厭氧體系中總乙酸量的5%左右。總體來說，“三階段理論”、“四階段理論”是目前公認的對厭氧生物處理過程較全面和較準確的描述。

4、  多階段理論    但是，當利用厭氧生物處理工藝處理含有復雜有機物的時候，在厭氧反應器中發生的反應會遠比上述“三階段理論”、“四階段理論”中所描述的反應過程復雜，可以參見“厭氧復雜體系示意圖”。

 

二、厭氧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——將可溶性大分子有機物轉化為脂肪酸、醇類等；主要的發酵產酸細菌：梭菌屬、擬桿菌屬、丁酸弧菌屬、雙岐桿菌屬等；水解過程較緩慢，并受多種因素影響（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；大多數是厭氧菌，也有大量是兼性厭氧菌；可以按功能來分：纖維素分解菌、半纖維素分解菌、淀粉分解菌、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；為產甲烷細菌提供合適的基質，在厭氧系統中常常與產甲烷細菌處于共生互營關系。

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后，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菌的產物——乙酸和H2/CO2轉化為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，只有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，特別是后者，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征，可將其分類如下：——最新的分類（Bergy’s細菌手冊第九版），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產甲烷桿菌；

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）屬于古細菌（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，特別是細胞壁的結構較特殊；在自然界的分布，一般可以認為是棲息于一些極端環境中（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，如污泥、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菌，要求氧化還原電位在-150~-400mv，氧和氧化劑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是厭氧消化的限速步驟

 

三、厭氧生物處理的影響因素

 

產甲烷反應是厭氧消化過程的控制階段，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各項因素；主要影響因素有：溫度、pH值、氧化還原電位、營養物質、F/M比、有毒物質等。

1、溫度：溫度對厭氧微生物的影響尤為顯著；厭氧細菌可分為嗜熱菌（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左右）和中溫消化（35°C左右）；高溫消化的反應速率約為中溫消化的1.5~1.9倍，產氣率也較高，但氣體中甲烷含量較低；當處理含有病原菌和寄生蟲卵的廢水或污泥時，高溫消化可取得較好的衛生效果，消化后污泥的脫水性能也較好；隨著新型厭氧反應器的開發研究和應用，溫度對厭氧消化的影響不再非常重要（新型反應器內的生物量很大），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：pH值是厭氧消化過程中的最重要的影響因素；重要原因：產甲烷菌對pH值的變化非常敏感，一般認為，其最適pH值范圍為6.8~7.2，在<6.5或>8.2時，產甲烷菌會受到嚴重抑制，而進一步導致整個厭氧消化過程的惡化；厭氧體系中的pH值受多種因素的影響：進水pH值、進水水質（有機物濃度、有機物種類等）、生化反應、酸堿平衡、氣固液相間的溶解平衡等；厭氧體系是一個pH值的緩沖體系，主要由碳酸鹽體系所控制；一般來說：系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肪酸，而且還會產生 ，使系統的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素，但實際上其作用主要是保證厭氧體系具有一定的緩沖能力，維持合適的pH值；厭氧體系一旦發生酸化，則需要很長的時間才能恢復。

3、氧化還原電位：嚴格的厭氧環境是產甲烷菌進行正常生理活動的基本條件；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動；產甲烷菌的最適氧化還原電位為-150~ -400mv，在培養產甲烷菌的初期，氧化還原電位不能高于-330mv；

4、營養要求：厭氧微生物對N、P等營養物質的要求略低于好氧微生物，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基酸的功能，所以有時需要投加：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：酵母浸出膏、生物素、維生素等。

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，一般可達5~10kgCOD/m3.d，甚至可達50~80 kgCOD/m3.d；無傳氧的限制；可以積聚更高的生物量。產酸階段的反應速率遠高于產甲烷階段，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，而相應較低的污泥負荷；高的有機容積負荷可以縮短HRT，減少反應器容積。

6、有毒物質：——常見的抑制性物質有：硫化物、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；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制作用；投加某些金屬如Fe可以去除S2-，或從系統中吹脫H2S可以減輕硫化物的抑制作用。

②氨氮：氨氮是厭氧消化的緩沖劑；但濃度過高，則會對厭氧消化過程產生毒害作用；抑制濃度為50~200mg/l，但馴化后，適應能力會得到加強。

③重金屬：——使厭氧細菌的酶系統受到破壞。

④氰化物：⑤有毒有機物：

 

四、厭氧生物處理的主要特征

 

1、厭氧生物處理過程的主要優點：

①  能耗大大降低，而且還可以回收生物能（沼氣）；

②  污泥產量很低；——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，而好氧微生物的產率約為0.25~0.6kgVSS/kgCOD。

③  厭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降解或部分降解；④  反應過程較為復雜——厭氧消化是由多種不同性質、不同功能的微生物協同工作的一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

  水質、水質分析