污水处理技术之废水好氧厌氧反应的基本原理

一、好氧生物处理的基本生物学过程

所谓“有氧”，是指此类生物必须在分子氧(o2)存在下进行正常的生理生化反应，主要包括大多数微生物、动物和我们人类;所谓的“厌氧”：一种可以在没有分子氧存在的情况下进行正常生理和生化反应的生物，如厌氧细菌和酵母。好氧生物处理的生化反应方程：

1分解反应(又称氧化反应，代谢，分解代谢)CHONS + O2 CO2 + H2O + NH3 + SO42- + 1/4 +能量(有机物组成)

(2)合成反应(又称合成代谢和同化)C、H、O、N、S+能C5H7NO2

3内源性呼吸(又称细胞物质的自氧化)c5h 7no2+o2 co2+h2o+nh3+so42-+1/4+能量在正常条件下，各种微生物细胞物质的组成相对稳定。一般可以用以下实验公式表达：细菌：c 5h 7no2;真菌：c 16h 17no6;藻类：c 5h 8no2;原生动物：c 7h 14no3分解与合成的关系：1)两者不可分割但相互依存;a,分解过程为合成提供了能量和前体，而合成则为分解提供了物质基础;分解过程为生产过程，合成过程为耗能过程。2)清除有机物，两者都有重要的贡献;3)合成量的大小直接影响到后续污泥的处理(污泥的处理成本一般可以占40~50<整个城市污水处理厂)。不同形式的有机物的生物降解过程也是不同的：一方面：简单的结构，小分子，可溶性物质，直接进入细胞壁;复杂的，大分子的，胶体的，或粒状物质先被微生物吸附，然后在细胞外酶的作用下水解为小分子的有机物，然后进入细胞。另一方面，有机物的化学结构不同，其降解过程也会不同，如糖类、脂类、蛋白质等

二是影响好氧生物治疗的主要因素

(1)溶解氧(do)：约1-2 mg/l;

水温：是影响水温的重要因素之一。在一定范围内，随着温度的升高，生化反应速率加快，增殖速度也加快。细胞成分如蛋白质、核酸等对温度敏感，当温度上升或下降超过一定限度时会有不可逆的损害，最适合的温度为15~30°c;>在40°或10°之后，会产生不利影响。

3营养素：在细胞组成中，C，H，O，N约占90%至97%;剩余的3%至10%是无机元素，主要是P;生活污水一般不需要补充营养;并且需要一些工业废水。通常，对于好氧生物处理过程，应根据BOD添加N和P：N：P = 100：5：1;其他无机营养素：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佳ph值在6.5～8.5之间，当ph值小于4.5时，真菌会主导污泥膨胀，微生物的活性也会影响混合物的ph值。

5种有毒物质(抑制性物质)：重金属;氰化物;h2s;卤素元素及其化合物;酚类、醇类、醛类等;

6有机负荷率：污水中的有机物原本是微生物食品，但过多，对微生物也有害;

_氧化还原电位：好氧菌+300-400 mV，至少大于+100 mV;厌氧菌：小于+100 mV，严格厌氧菌，则小于100 mV，甚至小于300 mV。

第二节废水厌氧处理

废水的厌氧生物处理在早期也称为厌氧消化和厌氧发酵。它指的是在厌氧条件下各种(厌氧或兼性)微生物的作用下有机物的分解和CH4和CO2的产生。的过程。

一、厌氧生物处理的基本生物学过程——阶段理论

1、两阶段理论：在1930年代和1960年代，它被普遍接受为“两阶段理论”的第一阶段：发酵阶段，又称酸产阶段或酸性发酵阶段，主要功能是水解和酸化，主要产物为脂肪酸、醇、co2和h2;主要参与反应的微生物统称为发酵菌或产酸细菌;

这些微生物的特点是：

1)生长速率快，

2)对环境条件(温度，pH等)的适应性。第二阶段：产甲烷阶段，也称为碱性发酵阶段;指产甲烷利用前一阶段的产物，并将其转化为CH4和CO2;主要参与反应的微生物统称为产甲烷。菌

产甲烷细菌的主要特征是：

1)生长速度缓慢，世代时间长;

2)对环境条件(温度，pH，抑制剂等)非常敏感且要求严格。

2。通过对厌氧微生物三阶段理论的深入研究，发现厌氧消化过程不能简单地分为上述两个过程，不能真正反映厌氧反应过程的本质。厌氧微生物研究表明产甲烷菌是一种非常特殊的古细菌。除分类法及其特殊的期刊结构外，其主要特征是：产甲烷菌只能利用一些简单的有机物质作为基质，主要是一些简单的单碳物质，如甲酸、甲醇、甲胺和H2/CO2。乙酸是仅有的两种碳物质，但不能使用除甲醇以外的含有两种或两种以上碳的其他脂肪酸和醇。20世纪70年代，布莱恩特发现了最初被称为“兰花产甲烷菌”的东西。“事实上，细菌由两种细菌组成。一种细菌将乙醇氧化成乙酸和H2(一种产氢的乙酸细菌)，另一种细菌利用H2和CO2生产CH4(一种真正的产甲烷菌，产氢的产甲烷菌)。因此，布莱恩特提出了厌氧消化过程的“三阶段理论”：水解和发酵阶段。产氢乙酸阶段：产氢乙酸菌将丙酸、丁酸、乙醇等脂肪酸转化为乙酸和H2/CO2;产甲烷菌利用乙酸和H2、CO2生产CH4;一般认为厌氧生物处理过程中约70%的CH4是由醋酸分解，其余由H2和CO2产生。

3、四阶段理论(四阶段理论)：几乎与科比提出“三阶段理论”同时，有人提出厌氧消化的“四阶段理论”：事实上，它是基于上述三阶段理论，已经添加了一类细菌，同一种产生酸的细菌。它的主要功能是将产氢的乙酸细菌产生的h2/co2结合成乙酸。然而，研究表明，事实上，这部分由h 2/co2合成的乙酸较少，仅占厌氧系统中总丁酸的5%左右。一般而言，“三阶段理论”和“四阶段理论”目前被公认为是对厌氧生物处理过程更全面、更准确的描述。

4.多阶段理论然而，当通过厌氧生物处理过程处理复杂有机物质时，厌氧反应器中发生的反应远远超过上述“三阶段理论”和“四阶段”中描述的反应。 - 阶段理论“。该过程很复杂，可以在“厌氧复杂系统分析”中找到。

二。厌氧消化过程中的主要微生物

主要介绍发酵细菌(产酸细菌)、制氢醋酸细菌、甲烷生产细菌等。

1.发酵细菌(产酸细菌)：

产酸菌在发酵过程中有两个主要功能：

1水解-在细胞外酶作用下，不溶性有机物水解为可溶性有机物;

2酸化 - 可溶性大分子有机物转化为脂肪酸，醇等;主要发酵产酸菌：Clostridium，Bacteroides，Vibrio butyricum，Bifidobacterium等;水解过程缓慢，受多种因素(pH，SRT，有机物等)的影响，有时成为厌氧反应的限速步骤;产酸反应速度更快;其中大部分是厌氧菌，大量是兼性厌氧菌;它可以分为功能：纤维素分解细菌，半纤维素分解细菌，淀粉分解细菌，蛋白质分解细菌，脂肪分解细菌等。

2。产氢乙酸菌：产氢乙酸菌的主要作用是将各种高浓度脂肪酸和醇氧化成乙酸和H2;为产甲烷菌提供合适的底物，这些底物在厌氧系统中经常与产甲烷菌共生。

3、产甲烷的细菌Hungate在1960年代开创了严格的厌氧微生物培养技术后，对产甲烷的细菌进行了广泛的研究，产生甲烷的细菌的主要功能是转化乙酸和产生氢气的细菌h2/co2的产物，c4和co2，这样厌氧消化过程就可以顺利进行;它可以主要分为两大类：乙酸营养素型和h2营养素型产甲烷菌，或产甲烷菌和产氢细菌;一般来说，在性质上，乙酸型甲烷素的种类较少，只有甲烷苷(甲烷球菌)和Methanothrix(甲烷苷)，但这两种产甲烷菌多在厌氧反应炉中，特别是后者，因为乙酸是厌氧反应炉中主要的甲烷产生基质，一般来说，甲烷的大约70氦是由乙酸的氧化和分解而来，根据产甲烷菌的形态和生理生态特征，可以分类如下：---最新的分类(Bergy的细菌手册，第九版)，分为：三目、七科、十九属、65种;甲烷生产有多种不同的形式，常见的有：

①产甲烷杆菌;

②产甲烷球菌;

③产甲烷八叠球菌;

4个产甲烷菌;等等。在分类学中，产甲烷菌属于古细菌(Archaebacteria)，其大小和外观与真细菌相似，但事实上，其细胞组成特殊，特别是细胞壁的结构特殊;在自然界中分布通常被认为是在极端环境中居住(例如地热温泉，深海陨石坑，沉积物等)，但实际上它分布广泛，如污泥，瘤胃，昆虫肠，湿树，厌氧反应堆等;产甲烷菌是严格的厌氧菌，需要-150~-400mv的氧化还原电位，对氧和氧化剂具有高毒性;产甲烷菌的增殖速度很慢，繁殖期很长。因此，产甲烷反应通常是厌氧消化的限速步骤，长达4至6天。

厌氧生物处理的影响因素

甲烷生成反应是厌氧消化过程的控制阶段。因此，一般在讨论厌氧生物处理的影响因素时，主要讨论影响甲烷产生的因素。主要影响因素有：温度、ph值、氧化还原电位、营养素、f/m比例、有毒物质等。..

1.温度：温度对厌氧微生物的影响尤为显着;厌氧菌可分为嗜热菌(或高温菌)和嗜温菌(中温菌);相应地，厌氧消化分为：高温消化(55°C)和中温消化(约35°C);高温消化反应速率约为中温消解的1.5~1.9倍，产气率也较高，但甲烷的含气量较低;当处理含有病原体和寄生虫时，当使用鸡蛋的废水或污泥时，高温消化可以达到更好的卫生效果，消化后污泥的脱水性能也更好;随着新型厌氧反应器的开发和应用，温度对厌氧消化的影响不再是非常重要的(新反应器中的生物量非常大)，因此可以在常温条件下进行(20~25) °C)以节省能源和运营成本。

2。酸碱度：酸碱度是厌氧消化过程中最重要的影响因素;重要原因：产甲烷菌对酸碱度的变化非常敏感。一般来说，最佳pH值在6.8到7.2之间。当<6.5或>8.2时，产甲烷菌将受到严重抑制，进而导致整个厌氧消化过程的恶化，厌氧系统的pH值受多种因素影响。厌氧系统是一个主要由碳酸盐系统控制的pH值缓冲系统。一般来说，系统中脂肪酸含量的增加(积累)会导致pH值的降低，但产甲烷菌的作用不仅可以消除。脂肪酸的消耗，也会产生，使系统的PH值升高。碱度一度被认为是厌氧消化的关键因素，但实际上它的主要功能是保证厌氧系统具有一定的缓冲能力，并保持适当的pH值;一旦厌氧系统发生酸化，则需要很长的时间才能恢复。

3、氧化还原势：严格的厌氧环境是产甲烷细菌进行正常生理活动的基本条件;非甲烷产生菌可以在氧化还原势+100~-100mv的环境中正常生长和移动;产甲烷菌的最佳氧化还原电位为-150~-400mv。在产甲烷菌培养初期，氧化还原电位不能高于-330mv;

4，营养要求：厌氧微生物N，P等营养成分略低于好氧微生物，这需要COD：N：P = 200：5：1;

大多数厌氧细菌不具备合成某些必需维生素或氨基酸的功能，因此有时需要添加它们：1。钾、钠、钙等金属盐;

2微量元素ni、co、mo、fe等;

3有机微量物质：酵母膏，生物素，维生素等。

5。F/M比：厌氧生物处理有机负荷高于好氧生物处理，一般可达5-10 kg COD/m3.d，甚至可达50-80 kg COD/m3.d;无氧传递限制;可积累较高的生物量。产酸阶段的反应速率远高于产甲烷阶段，因此必须谨慎选择有机负荷;有机容积负荷高的前提是生物量高，而相应的污泥负荷低;有机容积负荷高可以缩短HRT，减少反应器容积。

6、有毒物质：----常见的抑菌物质有：硫化物、氨氮、重金属、氰化物和某些有机物;

1硫化物和硫酸盐：硫酸盐和其他硫氧化物在厌氧消化过程中很容易还原为硫化物;当可溶性硫化物达到一定浓度时，厌氧消化过程主要是产甲烷过程。发生抑制;加入某些金属如Fe可以除去S2-，或从系统中除去H2S可以减少硫化物的抑制。

(2)氨氮：氨氮是厌氧消化的缓冲剂，但如果浓度过高，会对厌氧消化过程产生毒性影响;抑制浓度为50-200 mg/L，但驯化后，适应性增强。

重金属厌氧细菌酶系统的破坏。

4氰化物：5种有毒有机物：

四、厌氧生物处理的主要特点

1、厌氧生物处理工艺的主要优点：

1能源消耗大大减少，生物能源(沼气)也可以恢复;

(2)污泥产量很低;—厌氧微生物的生长速度远低于好氧微生物，产酸菌的产量为0.15-0.34 kg vss/kg cod，产甲烷菌的产量约为0.03 kg vss/kg cod，好氧微生物的产量约为0.25-0.6 kg vss/kg cod。

厌氧微生物可以降解或部分降解一些有氧微生物不能降解的有机物;4反应过程比较复杂-厌氧消化是一种连续的微生物过程，在其中多种性质不同、功能不同的微生物共同作用;

2.厌氧生物处理过程的主要缺点：

它对温度和酸碱度等环境因素敏感。

水质差的处理需进一步采用有氧方法处理;

③气味较大;

4氨氮的去除效果不好，等等。