废水反应基本原理(lǐ)

一、好氧生物(wù)处理(lǐ)的基本生物(wù)过程

所谓“好氧”：是指这类生物(wù)必1须在有(yǒu)分(fēn)子态氧气（O2）的存在下，才能(néng)进行正常的生理(lǐ)生化反应，主要包括大部分(fēn)微生物(wù)、动物(wù)以及我们人类；所谓“厌氧”：是能(néng)在无分(fēn)子态氧存在的条件下，能(néng)进行正常的生理(lǐ)生化反应的生物(wù)，如厌氧细菌、酵母菌等。好氧生物(wù)处理(lǐ)过程的生化反应方程式：

① 分(fēn)解反应（又(yòu)称氧化反应、异化代謝(xiè)、分(fēn)解代謝(xiè)） CHONS + O2 CO2 + H2O + NH3 + SO42- +¼+能(néng)量（有(yǒu)机物(wù)的组成元素）

② 合成反应（也称合成代謝(xiè)、同化作用(yòng)） C、H、O、N、S + 能(néng)量C5H7NO2

③ 内源呼吸（也称细胞物(wù)质的自身氧化） C5H7NO2 + O2 CO2 + H2O + NH3 + SO42- +¼+能(néng)量在正常情况下，各类微生物(wù)细胞物(wù)质的成分(fēn)是相对稳定的，一般可(kě)用(yòng)下列实验式来表示：细菌：C5H7NO2；真菌：C16H17NO6；藻类：C5H8NO2；原生动物(wù)：C7H14NO3分(fēn)解与合成的相互关系：1）二者不可(kě)分(fēn)，而是相互依赖的；a、分(fēn)解过程為(wèi)合成提供能(néng)量和前物(wù)，而合成则给分(fēn)解提供物(wù)质基础；b、分(fēn)解过程是一个产能(néng)过程，合成过程则是一个耗能(néng)过程。2)对有(yǒu)机物(wù)的去除，二者都有(yǒu)重要贡献；3）合成量的大小(xiǎo)，对后续污泥的处理(lǐ)有(yǒu)直接影响（污泥的处理(lǐ)费用(yòng)一般可(kě)以占整个城市污水处理(lǐ)厂的40~50%）。不同形式的有(yǒu)机物(wù)被生物(wù)降解的历程也不同：一方面：结构简单、小(xiǎo)分(fēn)子、可(kě)溶性物(wù)质，直接进入细胞壁；结构复杂、大分(fēn)子、胶體(tǐ)状或颗粒状的物(wù)质，则首先被微生物(wù)吸附，随后在胞外酶的作用(yòng)下被水解液化成小(xiǎo)分(fēn)子有(yǒu)机物(wù)，再进入细胞内。另一方面：有(yǒu)机物(wù)的化學(xué)结构不同，其降解过程也会不同，如：糖类；脂类；蛋白质

二、影响好氧生物(wù)处理(lǐ)的主要因素

① 溶解氧（DO）：约1~2mg/l；

② 水温：是重要因素之一，在一1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(wù)如蛋白质、核酸等对温度很(hěn)敏感，温度突升或降并超过一1定限度时，会有(yǒu)不可(kě)逆的破坏；适宜温度 15~30°C； >40°C 或< 10°C后，会有(yǒu)不利影响。

③ 营养物(wù)质：细胞组成中，C、H、O、N约占90~97%；其余3~10%為(wèi)无机元素，主要的是P；生活污水一般不需再投加营养物(wù)质；而某些工业废水则需要，一般对于好氧生物(wù)处理(lǐ)工艺，应按BOD : N : P = 100 : 5 : 1 投加N和P；其它无机营养元素：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(wù)的适宜pH在6.5~8.5之间；pH < 4.5时，真菌将占优势，引起污泥膨胀；另一方面，微生物(wù)的活动也会影响混合液的pH值。

⑤ 有(yǒu)毒物(wù)质（抑制物(wù)质）：重金属；氰1化物(wù)；H2S；卤族元素及其化合物(wù)；酚、醇、醛等；

⑥ 有(yǒu)机负荷率：污水中的有(yǒu)机物(wù)本来是微生物(wù)的食物(wù)，但太多(duō)时，也会不利于微生物(wù)；

⑦ 氧化还原電(diàn)位：好氧细菌：+300 ~ 400 mV， 至少要求大于+100 mV；厌氧细菌：要求小(xiǎo)于+100 mV，对于严格厌氧细菌，则<-100 mv<="" span="">，甚至<-300 mv<="" span="">。

废水厌氧生物(wù)处理(lǐ)在早期又(yòu)被称為(wèi)厌氧消化、厌氧发酵；是指在厌氧条件下由多(duō)种（厌氧或兼性）微生物(wù)的共同作用(yòng)下，使有(yǒu)机物(wù)分(fēn)解并产生CH4和CO2的过程。

一、厌氧生物(wù)处理(lǐ)中的基本生物(wù)过程——阶段性理(lǐ)论‍

1、两阶段理(lǐ)论：20世纪30~60年代，被普遍接受的是“两阶段理(lǐ)论”第一阶段：发酵阶段，又(yòu)称产酸阶段或酸性发酵阶段；主要功能(néng)是水解和酸化，主要产物(wù)是脂肪酸、醇类、CO2和H2等；主要参与反应的微生物(wù)统称為(wèi)发酵细菌或产酸细菌；

这些微生物(wù)的特点是：

1）生長(cháng)速率快，

2）对环境条件的适应性（温度、pH等）强。第二阶段：产甲烷阶段，又(yòu)称碱性发酵阶段；是指产甲烷菌利用(yòng)前一阶段的产物(wù)，并将其转化為(wèi)CH4和CO2；主要参与反应的微生物(wù)被统称為(wèi)产甲烷菌（Methane producing bacteria）；

产甲烷细菌的主要特点是：

1）生長(cháng)速率慢，世代时间長(cháng)；

2）对环境条件（温度、pH、抑制物(wù)等）非常敏感，要求苛刻。

2、三阶段理(lǐ)论对厌氧微生物(wù)學(xué)的深入研究后，发现将厌氧消化过程简单地划分(fēn)為(wèi)上述两个过程，不能(néng)真实反映厌氧反应过程的本质；厌氧微生物(wù)學(xué)的研究表明，产甲烷菌是一类十分(fēn)特别的古细菌（Archea），除了在分(fēn)类學(xué)和其特殊的學(xué)报结构外，其主要的特点是：产甲烷细菌只能(néng)利用(yòng)一些简单有(yǒu)机物(wù)作為(wèi)基质，其中主要是一些简单的一碳物(wù)质如甲酸、甲醇、甲基胺类以及H2/CO2等，两碳物(wù)质中只有(yǒu)乙酸，而不能(néng)利用(yòng)其它含两碳或以上的脂肪酸和甲醇以外的醇类；上世纪70年代，Bryant发现原来认為(wèi)是一种被称為(wèi)“奥氏产甲烷菌”的细菌，实际上是由两种细菌共同组成的，一种细菌首先把乙醇氧化為(wèi)乙酸和H2（一种产氢产乙酸细菌），另一种细菌则利用(yòng)H2和CO2产生CH4（一种真正意义上的产甲烷细菌——嗜氢产甲烷细菌）；因而，Bryant提出了厌氧消化过程的“三阶段理(lǐ)论”：水解、发酵阶段：产氢产乙酸阶段：产氢产乙酸菌，将丙酸、丁酸等脂肪酸和乙醇等转化為(wèi)乙酸、H2/CO2；产甲烷阶段：产甲烷菌利用(yòng)乙酸和H2、CO2产生CH4；一般认為(wèi)，在厌氧生物(wù)处理(lǐ)过程中约有(yǒu)70%的CH4产自乙酸的分(fēn)解，其余的则产自H2和CO2。

3、四阶段理(lǐ)论（四菌群學(xué)说）：几乎与Bryant提出“三阶段理(lǐ)论”的同时，又(yòu)有(yǒu)人提出了厌氧消化过程的“四菌群學(xué)说”：实际上，是在上述三阶段理(lǐ)论的基础上，增加了一类细菌——同型产乙酸菌，其主要功能(néng)是可(kě)以将产氢产乙酸细菌产生的H2/CO2合成為(wèi)乙酸。但研究表明，实际上这一部分(fēn)由H2/CO2合成而来的乙酸的量较少，只占厌氧體(tǐ)系中总乙酸量的5%左右。总體(tǐ)来说，“三阶段理(lǐ)论”、“四阶段理(lǐ)论”是目前公认的对厌氧生物(wù)处理(lǐ)过程较全1面和较准确的描述。

4、 多(duō)阶段理(lǐ)论 但是，当利用(yòng)厌氧生物(wù)处理(lǐ)工艺处理(lǐ)含有(yǒu)复杂有(yǒu)机物(wù)的时候，在厌氧反应器中发生的反应会遠(yuǎn)比上述“三阶段理(lǐ)论”、“四阶段理(lǐ)论”中所描述的反应过程复杂，可(kě)以参见“厌氧复杂體(tǐ)系示意图”。

二、厌氧消化过程中的主要微生物(wù)

主要介绍其中的发酵细菌（产酸细菌）、产氢产乙酸菌、产甲烷菌等。

1、发酵细菌（产酸细菌）：

发酵产酸细菌的主要功能(néng)有(yǒu)两种：

① 水解——在胞外酶的作用(yòng)下，将不溶性有(yǒu)机物(wù)水解成可(kě)溶性有(yǒu)机物(wù)；

② 酸化——将可(kě)溶性大分(fēn)子有(yǒu)机物(wù)转化為(wèi)脂肪酸、醇类等；主要的发酵产酸细菌：梭菌属、拟杆菌属、丁酸弧菌属、双岐杆菌属等；水解过程较缓慢，并受多(duō)种因素影响（pH、SRT、有(yǒu)机物(wù)种类等），有(yǒu)时回成為(wèi)厌氧反应的限速步骤；产酸反应的速率较快；大多(duō)数是厌1氧菌，也有(yǒu)大量是兼性厌1氧菌；可(kě)以按功能(néng)来分(fēn)：纤维素分(fēn)解菌、半纤维素分(fēn)解菌、淀粉分(fēn)解菌、蛋白质分(fēn)解菌、脂肪分(fēn)解菌等。

2、产氢产乙酸菌：产氢产乙酸细菌的主要功能(néng)是将各种高1级脂肪酸和醇类氧化分(fēn)解為(wèi)乙酸和H2；為(wèi)产甲烷细菌提供合适的基质，在厌氧系统中常常与产甲烷细菌处于共生互营关系。

3、产甲烷菌20世纪60年代Hungate开创了严格厌氧微生物(wù)培养技术之后，对产甲烷细菌的研究才得以广泛进行；产甲烷细菌的主要功能(néng)是将产氢产乙酸菌的产物(wù)——乙酸和H2/CO2转化為(wèi)CH4和CO2，使厌氧消化过程得以顺利进行；主要可(kě)分(fēn)為(wèi)两大类：乙酸营养型和H2营养型产甲烷菌，或称為(wèi)嗜乙酸产甲烷细菌和嗜氢产甲烷细菌；一般来说，在自然界中乙酸营养型产甲烷菌的种类较少，只有(yǒu)Methanosarcina（产甲烷八叠球菌）和Methanothrix（产甲烷丝状菌），但这两种产甲烷细菌在厌氧反应器中居多(duō)，特别是后者，因為(wèi)在厌氧反应器中乙酸是主要的产甲烷基质，一般来说有(yǒu)70%左右的甲烷是来自乙酸的氧化分(fēn)解； 根据产甲烷菌的形态和生理(lǐ)生态特征，可(kě)将其分(fēn)类如下：——新(xīn)的分(fēn)类（Bergy’s细菌手册第九版），共分(fēn)為(wèi)：三目、七科(kē)、十九属、65种；产甲烷菌有(yǒu)各种不同的形态，常见的有(yǒu)：

①产甲烷杆菌；

②产甲烷球菌；

③产甲烷八叠球菌；

④产甲烷丝菌；等等。在生物(wù)分(fēn)类學(xué)上，产甲烷菌（Methanogens）属于古细菌（Archaebacteria），大小(xiǎo)、外观上与普通细菌（Eubacteria）相似，但实际上，其细胞成分(fēn)特殊，特别是细胞壁的结构较特殊；在自然界的分(fēn)布，一般可(kě)以认為(wèi)是栖息于一些极端环境中（如地热泉水、深海火山(shān)口、沉积物(wù)等），但实际上其分(fēn)布极為(wèi)广泛，如污泥、瘤胃、昆虫肠道、湿树木(mù)、厌氧反应器等；产甲烷菌都是严格厌氧细菌，要求氧化还原電(diàn)位在-150~-400mv，氧和氧化剂对其有(yǒu)很(hěn)强的毒害作用(yòng)；产甲烷菌的增殖速率很(hěn)慢，繁殖世代时间長(cháng)，可(kě)达4~6天，因此，一般情况下产甲烷反应是厌氧消化的限速步骤

三、厌氧生物(wù)处理(lǐ)的影响因素

产甲烷反应是厌氧消化过程的控制阶段，因此，一般来说，在讨论厌氧生物(wù)处理(lǐ)的影响因素时主要讨论影响产甲烷菌的各项因素；主要影响因素有(yǒu)：温度、pH值、氧化还原電(diàn)位、营养物(wù)质、F/M比、有(yǒu)毒物(wù)质等。

1、温度：温度对厌氧微生物(wù)的影响尤為(wèi)显著；厌氧细菌可(kě)分(fēn)為(wèi)嗜热菌（或高温菌）、嗜温菌（中温菌）；相应地，厌氧消化分(fēn)為(wèi)：高温消化（55°C左右）和中温消化（35°C左右）；高温消化的反应速率约為(wèi)中温消化的1.5~1.9倍，产气率也较高，但气體(tǐ)中甲烷含量较低；当处理(lǐ)含有(yǒu)病原菌和寄生虫卵的废水或污泥时，高温消化可(kě)取得较好的卫生效果，消化后污泥的脱水性能(néng)也较好；随着新(xīn)型厌氧反应器的开发研究和应用(yòng)，温度对厌氧消化的影响不再非常重要（新(xīn)型反应器内的生物(wù)量很(hěn)大），因此可(kě)以在常温条件下（20~25°C）进行，以节省能(néng)量和运行费用(yòng)。

2、pH值和碱度：pH值是厌氧消化过程中的重要的影响因素；重要原因：产甲烷菌对pH值的变化非常敏感，一般认為(wèi)，其适pH值范围為(wèi)6.8~7.2，在<6.5< span="">或>8.2时，产甲烷菌会受到严重抑制，而进一步导致整个厌氧消化过程的恶化；厌氧體(tǐ)系中的pH值受多(duō)种因素的影响：进水pH值、进水水质（有(yǒu)机物(wù)浓度、有(yǒu)机物(wù)种类等）、生化反应、酸碱平衡、气固液相间的溶解平衡等；厌氧體(tǐ)系是一个pH值的缓冲體(tǐ)系，主要由碳酸盐體(tǐ)系所控制；一般来说：系统中脂肪酸含量的增加（累积），将消耗 ，使pH下降；但产甲烷菌的作用(yòng)不但可(kě)以消耗脂肪酸，而且还会产生 ，使系统的pH值回升。碱度曾一度在厌氧消化中被认為(wèi)是一个至关重要的影响因素，但实际上其作用(yòng)主要是保证厌氧體(tǐ)系具有(yǒu)一1定的缓冲能(néng)力，维持合适的pH值；厌氧體(tǐ)系一旦发生酸化，则需要很(hěn)長(cháng)的时间才能(néng)恢复。

3、氧化还原電(diàn)位：严格的厌氧环境是产甲烷菌进行正常生理(lǐ)活动的基本条件；非产甲烷菌可(kě)以在氧化还原電(diàn)位為(wèi)+100~ -100mv的环境正常生長(cháng)和活动；产甲烷菌的适氧化还原電(diàn)位為(wèi)-150~ -400mv，在培养产甲烷菌的初期，氧化还原電(diàn)位不能(néng)高于-330mv；

4、营养要求：厌氧微生物(wù)对N、P等营养物(wù)质的要求略低于好氧微生物(wù)，其要求COD：N：P = 200：5：1；

多(duō)数厌1氧菌不具有(yǒu)合成某些必要的维生素或氨基酸的功能(néng)，所以有(yǒu)时需要投加：①K、Na、Ca等金属盐类；

②微量元素Ni、Co、Mo、Fe等；

③有(yǒu)机微量物(wù)质：酵母浸出膏、生物(wù)素、维生素等。

5、F/M比：厌氧生物(wù)处理(lǐ)的有(yǒu)机物(wù)负荷较好氧生物(wù)处理(lǐ)更高，一般可(kě)达5~10kgCOD/m3.d，甚至可(kě)达50~80 kgCOD/m3.d；无传氧的限制；可(kě)以积聚更高的生物(wù)量。产酸阶段的反应速率遠(yuǎn)高于产甲烷阶段，因此必1须十分(fēn)谨慎地选择有(yǒu)机负荷；高的有(yǒu)机容积负荷的前提是高的生物(wù)量，而相应较低的污泥负荷；高的有(yǒu)机容积负荷可(kě)以缩短HRT，减少反应器容积。

6、有(yǒu)毒物(wù)质：——常见的抑制性物(wù)质有(yǒu)：硫化物(wù)、氨氮、重金属、氰1化物(wù)及某些有(yǒu)机物(wù)；

①硫化物(wù)和硫酸盐：硫酸盐和其它硫的氧化物(wù)很(hěn)容易在厌氧消化过程中被还原成硫化物(wù)；可(kě)溶的硫化物(wù)达到一1定浓度时，会对厌氧消化过程主要是产甲烷过程产生抑制作用(yòng)；投加某些金属如Fe可(kě)以去除S2-，或从系统中吹脱H2S可(kě)以减轻硫化物(wù)的抑制作用(yòng)。

②氨氮：氨氮是厌氧消化的缓冲剂；但浓度过高，则会对厌氧消化过程产生毒害作用(yòng)；抑制浓度為(wèi)50~200mg/l，但驯化后，适应能(néng)力会得到加强。

③重金属：——使厌氧细菌的酶系统受到破坏。

④氰1化物(wù)：⑤有(yǒu)毒有(yǒu)机物(wù)：

四、厌氧生物(wù)处理(lǐ)的主要特征

1、厌氧生物(wù)处理(lǐ)过程的主要优点：

① 能(néng)耗大大降低，而且还可(kě)以回收生物(wù)能(néng)（沼气）；

② 污泥产量很(hěn)低；——厌氧微生物(wù)的增殖速率比好氧微生物(wù)低得多(duō)，产酸菌的产率Y為(wèi)0.15~0.34kgVSS/kgCOD，产甲烷菌的产率Y為(wèi)0.03kgVSS/kgCOD左右，而好氧微生物(wù)的产率约為(wèi)0.25~0.6kgVSS/kgCOD。

③ 厌氧微生物(wù)有(yǒu)可(kě)能(néng)对好氧微生物(wù)不能(néng)降解的一些有(yǒu)机物(wù)进行降解或部分(fēn)降解；④ 反应过程较為(wèi)复杂——厌氧消化是由多(duō)种不同性质、不同功能(néng)的微生物(wù)协同工作的一个连续的微生物(wù)过程；

2、厌氧生物(wù)处理(lǐ)过程的主要缺点：

① 对温度、pH等环境因素较敏感；

② 处理(lǐ)出水水质较差，需进一步利用(yòng)好氧法进行处理(lǐ)；

③ 气味较大；

④ 对氨氮的去除效果不好；等等