廢水反應基本原理

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(guò)程

所謂“好氧”：是指這類(lèi)生物必須在有分子態(tài)氧氣（O2）的存在下，才能進(jìn)行正常的生理生化反應，主要包括大部分微生物、動(dòng)物以及我們人類(lèi)；所謂“厭氧”：是能在無(wú)分子態(tài)氧存在的條件下，能進(jìn)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(guò)程的生化反應方程式：

① 分解反應（又稱(chēng)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(chēng)合成代謝、同化作用） C、H、O、N、S + 能量C5H7NO2

③ 內源呼吸（也稱(chēng)細胞物質(zhì)的自身氧化） C5H7NO2 + O2 CO2 + H2O + NH3 + SO42- +¼+能量在正常情況下，各類(lèi)微生物細胞物質(zhì)的成分是相對穩定的，一般可用下列實(shí)驗式來(lái)表示：細菌：C5H7NO2；真菌：C16H17NO6；藻類(lèi)：C5H8NO2；原生動(dòng)物：C7H14NO3分解與合成的相互關(guān)系：1）二者不可分，而是相互依賴(lài)的；a、分解過(guò)程為合成提供能量和前物，而合成則給分解提供物質(zhì)基礎；b、分解過(guò)程是一個(gè)產(chǎn)能過(guò)程，合成過(guò)程則是一個(gè)耗能過(guò)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(gè)城市污水處理廠(chǎng)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(jiǎn)單、小分子、可溶性物質(zhì)，直接進(jìn)入細胞壁；結構復雜、大分子、膠體狀或顆粒狀的物質(zhì)，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(jìn)入細胞內。另一方面：有機物的化學(xué)結構不同，其降解過(guò)程也會(huì )不同，如：糖類(lèi)；脂類(lèi)；蛋白質(zhì)

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(zhù)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(zhì)、核酸等對溫度很敏感，溫度突升或降并超過(guò)一定限度時(shí)，會(huì )有不可逆的破壞；最適宜溫度 15~30°C； >40°C 或< 10°C后，會(huì )有不利影響。

③ 營(yíng)養物質(zhì)：細胞組成中，C、H、O、N約占90~97%；其余3~10%為無(wú)機元素，主要的是P；生活污水一般不需再投加營(yíng)養物質(zhì)；而某些工業(yè)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(wú)機營(yíng)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(shí)，真菌將占優(yōu)勢，引起污泥膨脹；另一方面，微生物的活動(dòng)也會(huì )影響混合液的pH值。

⑤ 有毒物質(zhì)（抑制物質(zhì)）：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(lái)是微生物的食物，但太多時(shí)，也會(huì )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<="" span="">，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(chēng)為厭氧消化、厭氧發(fā)酵；是指在厭氧條件下由多種（厭氧或兼性）微生物的共同作用下，使有機物分解并產(chǎn)生CH4和CO2的過(guò)程。

一、厭氧生物處理中的基本生物過(guò)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(fā)酵階段，又稱(chēng)產(chǎn)酸階段或酸性發(fā)酵階段；主要功能是水解和酸化，主要產(chǎn)物是脂肪酸、醇類(lèi)、CO2和H2等；主要參與反應的微生物統稱(chēng)為發(fā)酵細菌或產(chǎn)酸細菌；

這些微生物的特點(diǎn)是：

1）生長(cháng)速率快，

2）對環(huán)境條件的適應性（溫度、pH等）強。第二階段：產(chǎn)甲烷階段，又稱(chēng)堿性發(fā)酵階段；是指產(chǎn)甲烷菌利用前一階段的產(chǎn)物，并將其轉化為CH4和CO2；主要參與反應的微生物被統稱(chēng)為產(chǎn)甲烷菌（Methane producing bacteria）；

產(chǎn)甲烷細菌的主要特點(diǎn)是：

1）生長(cháng)速率慢，世代時(shí)間長(cháng)；

2）對環(huán)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(xué)的深入研究后，發(fā)現將厭氧消化過(guò)程簡(jiǎn)單地劃分為上述兩個(gè)過(guò)程，不能真實(shí)反映厭氧反應過(guò)程的本質(zhì)；厭氧微生物學(xué)的研究表明，產(chǎn)甲烷菌是一類(lèi)十分特別的古細菌（Archea），除了在分類(lèi)學(xué)和其特殊的學(xué)報結構外，其最主要的特點(diǎn)是：產(chǎn)甲烷細菌只能利用一些簡(jiǎn)單有機物作為基質(zhì)，其中主要是一些簡(jiǎn)單的一碳物質(zhì)如甲酸、甲醇、甲基胺類(lèi)以及H2/CO2等，兩碳物質(zhì)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(lèi)；上世紀70年代，Bryant發(fā)現原來(lái)認為是一種被稱(chēng)為“奧氏產(chǎn)甲烷菌”的細菌，實(shí)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(chǎn)氫產(chǎn)乙酸細菌），另一種細菌則利用H2和CO2產(chǎn)生CH4（一種真正意義上的產(chǎn)甲烷細菌——嗜氫產(chǎn)甲烷細菌）；因而，Bryant提出了厭氧消化過(guò)程的“三階段理論”：水解、發(fā)酵階段：產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸階段：產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌，將丙酸、丁酸等脂肪酸和乙醇等轉化為乙酸、H2/CO2；產(chǎn)甲烷階段：產(chǎn)甲烷菌利用乙酸和H2、CO2產(chǎn)生CH4；一般認為，在厭氧生物處理過(guò)程中約有70%的CH4產(chǎn)自乙酸的分解，其余的則產(chǎn)自H2和CO2。

3、四階段理論（四菌群學(xué)說(shuō)）：幾乎與Bryant提出“三階段理論”的同時(shí)，又有人提出了厭氧消化過(guò)程的“四菌群學(xué)說(shuō)”：實(shí)際上，是在上述三階段理論的基礎上，增加了一類(lèi)細菌——同型產(chǎn)乙酸菌，其主要功能是可以將產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸細菌產(chǎn)生的H2/CO2合成為乙酸。但研究表明，實(shí)際上這一部分由H2/CO2合成而來(lái)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(lái)說(shuō)，“三階段理論”、“四階段理論”是目前公認的對厭氧生物處理過(guò)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(shí)候，在厭氧反應器中發(fā)生的反應會(huì )遠比上述“三階段理論”、“四階段理論”中所描述的反應過(guò)程復雜，可以參見(jiàn)“厭氧復雜體系示意圖”。

二、厭氧消化過(guò)程中的主要微生物

主要介紹其中的發(fā)酵細菌（產(chǎn)酸細菌）、產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌、產(chǎn)甲烷菌等。

1、發(fā)酵細菌（產(chǎn)酸細菌）：

發(fā)酵產(chǎn)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(lèi)等；主要的發(fā)酵產(chǎn)酸細菌：梭菌屬、擬桿菌屬、丁酸弧菌屬、雙岐桿菌屬等；水解過(guò)程較緩慢，并受多種因素影響（pH、SRT、有機物種類(lèi)等），有時(shí)回成為厭氧反應的限速步驟；產(chǎn)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(lái)分：纖維素分解菌、半纖維素分解菌、淀粉分解菌、蛋白質(zhì)分解菌、脂肪分解菌等。

2、產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌：產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸細菌的主要功能是將各種高級脂肪酸和醇類(lèi)氧化分解為乙酸和H2；為產(chǎn)甲烷細菌提供合適的基質(zhì)，在厭氧系統中常常與產(chǎn)甲烷細菌處于共生互營(yíng)關(guān)系。

3、產(chǎn)甲烷菌20世紀60年代Hungate開(kāi)創(chuàng )了嚴格厭氧微生物培養技術(shù)之后，對產(chǎn)甲烷細菌的研究才得以廣泛進(jìn)行；產(chǎn)甲烷細菌的主要功能是將產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌的產(chǎn)物——乙酸和H2/CO2轉化為CH4和CO2，使厭氧消化過(guò)程得以順利進(jìn)行；主要可分為兩大類(lèi)：乙酸營(yíng)養型和H2營(yíng)養型產(chǎn)甲烷菌，或稱(chēng)為嗜乙酸產(chǎn)甲烷細菌和嗜氫產(chǎn)甲烷細菌；一般來(lái)說(shuō)，在自然界中乙酸營(yíng)養型產(chǎn)甲烷菌的種類(lèi)較少，只有Methanosarcina（產(chǎn)甲烷八疊球菌）和Methanothrix（產(chǎn)甲烷絲狀菌），但這兩種產(chǎn)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(chǎn)甲烷基質(zhì)，一般來(lái)說(shuō)有70%左右的甲烷是來(lái)自乙酸的氧化分解； 根據產(chǎn)甲烷菌的形態(tài)和生理生態(tài)特征，可將其分類(lèi)如下：——最新的分類(lèi)（Bergy’s細菌手冊第九版），共分為：三目、七科、十九屬、65種；產(chǎn)甲烷菌有各種不同的形態(tài)，常見(jiàn)的有：

①產(chǎn)甲烷桿菌；

②產(chǎn)甲烷球菌；

③產(chǎn)甲烷八疊球菌；

④產(chǎn)甲烷絲菌；等等。在生物分類(lèi)學(xué)上，產(chǎn)甲烷菌（Methanogens）屬于古細菌（Archaebacteria），大小、外觀(guān)上與普通細菌（Eubacteria）相似，但實(shí)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(huán)境中（如地熱泉水、深海火山口、沉積物等），但實(shí)際上其分布極為廣泛，如污泥、瘤胃、昆蟲(chóng)腸道、濕樹(shù)木、厭氧反應器等；產(chǎn)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(chǎn)甲烷菌的增殖速率很慢，繁殖世代時(shí)間長(cháng)，可達4~6天，因此，一般情況下產(chǎn)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(chǎn)甲烷反應是厭氧消化過(guò)程的控制階段，因此，一般來(lái)說(shuō)，在討論厭氧生物處理的影響因素時(shí)主要討論影響產(chǎn)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(yíng)養物質(zhì)、F/M比、有毒物質(zhì)等。

1、溫度：溫度對厭氧微生物的影響尤為顯著(zhù)；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(chǎn)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(chóng)卵的廢水或污泥時(shí)，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(zhù)新型厭氧反應器的開(kāi)發(fā)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(jìn)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(guò)程中的最重要的影響因素；重要原因：產(chǎn)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< span="">或>8.2時(shí)，產(chǎn)甲烷菌會(huì )受到嚴重抑制，而進(jìn)一步導致整個(gè)厭氧消化過(guò)程的惡化；厭氧體系中的pH值受多種因素的影響：進(jìn)水pH值、進(jìn)水水質(zhì)（有機物濃度、有機物種類(lèi)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(gè)pH值的緩沖體系，主要由碳酸鹽體系所控制；一般來(lái)說(shuō)：系統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肪酸，而且還會(huì )產(chǎn)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(gè)至關(guān)重要的影響因素，但實(shí)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(fā)生酸化，則需要很長(cháng)的時(shí)間才能恢復。

3、氧化還原電位：嚴格的厭氧環(huán)境是產(chǎn)甲烷菌進(jìn)行正常生理活動(dòng)的基本條件；非產(chǎn)甲烷菌可以在氧化還原電位為+100~ -100mv的環(huán)境正常生長(cháng)和活動(dòng)；產(chǎn)甲烷菌的最適氧化還原電位為-150~ -400mv，在培養產(chǎn)甲烷菌的初期，氧化還原電位不能高于-330mv；

4、營(yíng)養要求：厭氧微生物對N、P等營(yíng)養物質(zhì)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(shí)需要投加：①K、Na、Ca等金屬鹽類(lèi)；

②微量元素Ni、Co、Mo、Fe等；

③有機微量物質(zhì)：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(wú)傳氧的限制；可以積聚更高的生物量。產(chǎn)酸階段的反應速率遠高于產(chǎn)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(zhì)：——常見(jiàn)的抑制性物質(zhì)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(guò)程中被還原成硫化物；可溶的硫化物達到一定濃度時(shí)，會(huì )對厭氧消化過(guò)程主要是產(chǎn)甲烷過(guò)程產(chǎn)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(guò)高，則會(huì )對厭氧消化過(guò)程產(chǎn)生毒害作用；抑制濃度為50~200mg/l，但馴化后，適應能力會(huì )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(guò)程的主要優(yōu)點(diǎn)：

① 能耗大大降低，而且還可以回收生物能（沼氣）；

② 污泥產(chǎn)量很低；——厭氧微生物的增殖速率比好氧微生物低得多，產(chǎn)酸菌的產(chǎn)率Y為0.15~0.34kgVSS/kgCOD，產(chǎn)甲烷菌的產(chǎn)率Y為0.03kgVSS/kgCOD左右，而好氧微生物的產(chǎn)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(jìn)行降解或部分降解；④ 反應過(guò)程較為復雜——厭氧消化是由多種不同性質(zhì)、不同功能的微生物協(xié)同工作的一個(gè)連續的微生物過(guò)程；

2、厭氧生物處理過(guò)程的主要缺點(diǎn)：

① 對溫度、pH等環(huán)境因素較敏感；

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

③ 氣味較大；

④ 對氨氮的去除效果不好。