廢水好氧厭氧反應(yīng)的基本原理：
一、好氧生物處理的基本生物學過程
所謂“有氧”，是指此類生物必須在分子氧(o2)存在下進行正常的生理生化反應(yīng)，主要包括大多數(shù)微生物、動物和我們?nèi)祟?所謂的“厭氧”：一種可以在沒有分子氧存在的情況下進行正常生理和生化反應(yīng)的生物，如厭氧細菌和酵母。好氧生物處理的生化反應(yīng)方程：
1分解反應(yīng)(又稱氧化反應(yīng)，代謝，分解代謝)CHONS + O2 CO2 + H2O + NH3 + SO42- + 1/4 +能量(有機物組成)
(2)合成反應(yīng)(又稱合成代謝和同化)C、H、O、N、S+能C5H7NO2
3內(nèi)源性呼吸(又稱細胞物質(zhì)的自氧化)c5h 7no2+o2 co2+h2o+nh3+so42-+1/4+能量在正常條件下，各種微生物細胞物質(zhì)的組成相對穩(wěn)定。一般可以用以下實驗公式表達：細菌：c 5h 7no2;真菌：c 16h 17no6;藻類：c 5h 8no2;原生動物：c 7h 14no3分解與合成的關(guān)系：1)兩者不可分割但相互依存;a,分解過程為合成提供了能量和前體，而合成則為分解提供了物質(zhì)基礎(chǔ);分解過程為生產(chǎn)過程，合成過程為耗能過程。2)清除有機物，兩者都有重要的貢獻;3)合成量的大小直接影響到后續(xù)污泥的處理(污泥的處理成本一般可以占40~50<整個城市污水處理廠)。不同形式的有機物的生物降解過程也是不同的：一方面：簡單的結(jié)構(gòu)，小分子，可溶性物質(zhì)，直接進入細胞壁;復雜的，大分子的，膠體的，或粒狀物質(zhì)先被微生物吸附，然后在細胞外酶的作用下水解為小分子的有機物，然后進入細胞。另一方面，有機物的化學結(jié)構(gòu)不同，其降解過程也會不同，如糖類、脂類、蛋白質(zhì)等
二是影響好氧生物治療的主要因素
(1)溶解氧(do)：約1-2 mg/l;
水溫：是影響水溫的重要因素之一。在一定范圍內(nèi)，隨著溫度的升高，生化反應(yīng)速率加快，增殖速度也加快。細胞成分如蛋白質(zhì)、核酸等對溫度敏感，當溫度上升或下降超過一定限度時會有不可逆的損害，最適合的溫度為15~30°c;>在40°或10°之后，會產(chǎn)生不利影響。
3營養(yǎng)素：在細胞組成中，C，H，O，N約占90%至97%;剩余的3%至10%是無機元素，主要是P;生活污水一般不需要補充營養(yǎng);并且需要一些工業(yè)廢水。通常，對于好氧生物處理過程，應(yīng)根據(jù)BOD添加N和P：N：P = 100：5：1;其他無機營養(yǎng)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之間，當ph值小于4.5時，真菌會主導污泥膨脹，微生物的活性也會影響混合物的ph值。
5種有毒物質(zhì)(抑制性物質(zhì))：重金屬;氰化物;h2s;鹵素元素及其化合物;酚類、醇類、醛類等;
6有機負荷率：污水中的有機物原本是微生物食品，但過多，對微生物也有害;
_氧化還原電位：好氧菌+300-400 mV，至少大于+100 mV;厭氧菌：小于+100 mV，嚴格厭氧菌，則小于100 mV，甚至小于300 mV。
第二節(jié)廢水厭氧處理
廢水的厭氧生物處理在早期也稱為厭氧消化和厭氧發(fā)酵。它指的是在厭氧條件下各種(厭氧或兼性)微生物的作用下有機物的分解和CH4和CO2的產(chǎn)生。的過程。
一、厭氧生物處理的基本生物學過程——階段理論
1、兩階段理論：在1930年代和1960年代，它被普遍接受為“兩階段理論”的第一階段：發(fā)酵階段，又稱酸產(chǎn)階段或酸性發(fā)酵階段，主要功能是水解和酸化，主要產(chǎn)物為脂肪酸、醇、co2和h2;主要參與反應(yīng)的微生物統(tǒng)稱為發(fā)酵菌或產(chǎn)酸細菌;
這些微生物的特點是：
1)生長速率快，
2)對環(huán)境條件(溫度，pH等)的適應(yīng)性。第二階段：產(chǎn)甲烷階段，也稱為堿性發(fā)酵階段;指產(chǎn)甲烷利用前一階段的產(chǎn)物，并將其轉(zhuǎn)化為CH4和CO2;主要參與反應(yīng)的微生物統(tǒng)稱為產(chǎn)甲烷。菌
產(chǎn)甲烷細菌的主要特征是：
1)生長速度緩慢，世代時間長;
2)對環(huán)境條件(溫度，pH，抑制劑等)非常敏感且要求嚴格。
2。通過對厭氧微生物三階段理論的深入研究，發(fā)現(xiàn)厭氧消化過程不能簡單地分為上述兩個過程，不能真正反映厭氧反應(yīng)過程的本質(zhì)。厭氧微生物研究表明產(chǎn)甲烷菌是一種非常特殊的古細菌。除分類法及其特殊的期刊結(jié)構(gòu)外，其主要特征是：產(chǎn)甲烷菌只能利用一些簡單的有機物質(zhì)作為基質(zhì)，主要是一些簡單的單碳物質(zhì)，如甲酸、甲醇、甲胺和H2/CO2。乙酸是僅有的兩種碳物質(zhì)，但不能使用除甲醇以外的含有兩種或兩種以上碳的其他脂肪酸和醇。20世紀70年代，布萊恩特發(fā)現(xiàn)了最初被稱為“蘭花產(chǎn)甲烷菌”的東西。“事實上，細菌由兩種細菌組成。一種細菌將乙醇氧化成乙酸和H2(一種產(chǎn)氫的乙酸細菌)，另一種細菌利用H2和CO2生產(chǎn)CH4(一種真正的產(chǎn)甲烷菌，產(chǎn)氫的產(chǎn)甲烷菌)。因此，布萊恩特提出了厭氧消化過程的“三階段理論”：水解和發(fā)酵階段。產(chǎn)氫乙酸階段：產(chǎn)氫乙酸菌將丙酸、丁酸、乙醇等脂肪酸轉(zhuǎn)化為乙酸和H2/CO2;產(chǎn)甲烷菌利用乙酸和H2、CO2生產(chǎn)CH4;一般認為厭氧生物處理過程中約70%的CH4是由醋酸分解，其余由H2和CO2產(chǎn)生。
3、四階段理論(四階段理論)：幾乎與科比提出“三階段理論”同時，有人提出厭氧消化的“四階段理論”：事實上，它是基于上述三階段理論，已經(jīng)添加了一類細菌，同一種產(chǎn)生酸的細菌。它的主要功能是將產(chǎn)氫的乙酸細菌產(chǎn)生的h2/co2結(jié)合成乙酸。然而，研究表明，事實上，這部分由h 2/co2合成的乙酸較少，僅占厭氧系統(tǒng)中總丁酸的5%左右。一般而言，“三階段理論”和“四階段理論”目前被公認為是對厭氧生物處理過程更全面、更準確的描述。
4.多階段理論然而，當通過厭氧生物處理過程處理復雜有機物質(zhì)時，厭氧反應(yīng)器中發(fā)生的反應(yīng)遠遠超過上述“三階段理論”和“四階段”中描述的反應(yīng)。 - 階段理論“。該過程很復雜，可以在“厭氧復雜系統(tǒng)分析”中找到。
二。厭氧消化過程中的主要微生物
主要介紹發(fā)酵細菌(產(chǎn)酸細菌)、制氫醋酸細菌、甲烷生產(chǎn)細菌等。
1.發(fā)酵細菌(產(chǎn)酸細菌)：
產(chǎn)酸菌在發(fā)酵過程中有兩個主要功能：
1水解-在細胞外酶作用下，不溶性有機物水解為可溶性有機物;
2酸化 - 可溶性大分子有機物轉(zhuǎn)化為脂肪酸，醇等;主要發(fā)酵產(chǎn)酸菌：Clostridium，Bacteroides，Vibrio butyricum，Bifidobacterium等;水解過程緩慢，受多種因素(pH，SRT，有機物等)的影響，有時成為厭氧反應(yīng)的限速步驟;產(chǎn)酸反應(yīng)速度更快;其中大部分是厭氧菌，大量是兼性厭氧菌;它可以分為功能：纖維素分解細菌，半纖維素分解細菌，淀粉分解細菌，蛋白質(zhì)分解細菌，脂肪分解細菌等。
2。產(chǎn)氫乙酸菌：產(chǎn)氫乙酸菌的主要作用是將各種高濃度脂肪酸和醇氧化成乙酸和H2;為產(chǎn)甲烷菌提供合適的底物，這些底物在厭氧系統(tǒng)中經(jīng)常與產(chǎn)甲烷菌共生。
3、產(chǎn)甲烷的細菌Hungate在1960年代開創(chuàng)了嚴格的厭氧微生物培養(yǎng)技術(shù)后，對產(chǎn)甲烷的細菌進行了廣泛的研究，產(chǎn)生甲烷的細菌的主要功能是轉(zhuǎn)化乙酸和產(chǎn)生氫氣的細菌h2/co2的產(chǎn)物，c4和co2，這樣厭氧消化過程就可以順利進行;它可以主要分為兩大類：乙酸營養(yǎng)素型和h2營養(yǎng)素型產(chǎn)甲烷菌，或產(chǎn)甲烷菌和產(chǎn)氫細菌;一般來說，在性質(zhì)上，乙酸型甲烷素的種類較少，只有甲烷苷(甲烷球菌)和Methanothrix(甲烷苷)，但這兩種產(chǎn)甲烷菌多在厭氧反應(yīng)爐中，特別是后者，因為乙酸是厭氧反應(yīng)爐中主要的甲烷產(chǎn)生基質(zhì)，一般來說，甲烷的大約70氦是由乙酸的氧化和分解而來，根據(jù)產(chǎn)甲烷菌的形態(tài)和生理生態(tài)特征，可以分類如下：---最新的分類(Bergy的細菌手冊，第九版)，分為：三目、七科、十九屬、65種;甲烷生產(chǎn)有多種不同的形式，常見的有：
?、佼a(chǎn)甲烷桿菌;
?、诋a(chǎn)甲烷球菌;
③產(chǎn)甲烷八疊球菌;
4個產(chǎn)甲烷菌;等等。在分類學中，產(chǎn)甲烷菌屬于古細菌(Archaebacteria)，其大小和外觀與真細菌相似，但事實上，其細胞組成特殊，特別是細胞壁的結(jié)構(gòu)特殊;在自然界中分布通常被認為是在極端環(huán)境中居住(例如地熱溫泉，深海隕石坑，沉積物等)，但實際上它分布廣泛，如污泥，瘤胃，昆蟲腸，濕樹，厭氧反應(yīng)堆等;產(chǎn)甲烷菌是嚴格的厭氧菌，需要-150~-400mv的氧化還原電位，對氧和氧化劑具有高毒性;產(chǎn)甲烷菌的增殖速度很慢，繁殖期很長。因此，產(chǎn)甲烷反應(yīng)通常是厭氧消化的限速步驟，長達4至6天。
厭氧生物處理的影響因素
甲烷生成反應(yīng)是厭氧消化過程的控制階段。因此，一般在討論厭氧生物處理的影響因素時，主要討論影響甲烷產(chǎn)生的因素。主要影響因素有：溫度、ph值、氧化還原電位、營養(yǎng)素、f/m比例、有毒物質(zhì)等。..
1.溫度：溫度對厭氧微生物的影響尤為顯著;厭氧菌可分為嗜熱菌(或高溫菌)和嗜溫菌(中溫菌);相應(yīng)地，厭氧消化分為：高溫消化(55°C)和中溫消化(約35°C);高溫消化反應(yīng)速率約為中溫消解的1.5~1.9倍，產(chǎn)氣率也較高，但甲烷的含氣量較低;當處理含有病原體和寄生蟲時，當使用雞蛋的廢水或污泥時，高溫消化可以達到更好的衛(wèi)生效果，消化后污泥的脫水性能也更好;隨著新型厭氧反應(yīng)器的開發(fā)和應(yīng)用，溫度對厭氧消化的影響不再是非常重要的(新反應(yīng)器中的生物量非常大)，因此可以在常溫條件下進行(20~25) °C)以節(jié)省能源和運營成本。
2。酸堿度：酸堿度是厭氧消化過程中最重要的影響因素;重要原因：產(chǎn)甲烷菌對酸堿度的變化非常敏感。一般來說，最佳pH值在6.8到7.2之間。當<6.5或>8.2時，產(chǎn)甲烷菌將受到嚴重抑制，進而導致整個厭氧消化過程的惡化，厭氧系統(tǒng)的pH值受多種因素影響。厭氧系統(tǒng)是一個主要由碳酸鹽系統(tǒng)控制的pH值緩沖系統(tǒng)。一般來說，系統(tǒng)中脂肪酸含量的增加(積累)會導致pH值的降低，但產(chǎn)甲烷菌的作用不僅可以消除。脂肪酸的消耗，也會產(chǎn)生，使系統(tǒng)的PH值升高。堿度一度被認為是厭氧消化的關(guān)鍵因素，但實際上它的主要功能是保證厭氧系統(tǒng)具有一定的緩沖能力，并保持適當?shù)膒H值;一旦厭氧系統(tǒng)發(fā)生酸化，則需要很長的時間才能恢復。
3、氧化還原勢：嚴格的厭氧環(huán)境是產(chǎn)甲烷細菌進行正常生理活動的基本條件;非甲烷產(chǎn)生菌可以在氧化還原勢+100~-100mv的環(huán)境中正常生長和移動;產(chǎn)甲烷菌的最佳氧化還原電位為-150~-400mv。在產(chǎn)甲烷菌培養(yǎng)初期，氧化還原電位不能高于-330mv;
4，營養(yǎng)要求：厭氧微生物N，P等營養(yǎng)成分略低于好氧微生物，這需要COD：N：P = 200：5：1;
大多數(shù)厭氧細菌不具備合成某些必需維生素或氨基酸的功能，因此有時需要添加它們：1。鉀、鈉、鈣等金屬鹽;
2微量元素ni、co、mo、fe等;
3有機微量物質(zhì)：酵母膏，生物素，維生素等。
5。F/M比：厭氧生物處理有機負荷高于好氧生物處理，一般可達5-10 kg COD/m3.d，甚至可達50-80 kg COD/m3.d;無氧傳遞限制;可積累較高的生物量。產(chǎn)酸階段的反應(yīng)速率遠高于產(chǎn)甲烷階段，因此必須謹慎選擇有機負荷;有機容積負荷高的前提是生物量高，而相應(yīng)的污泥負荷低;有機容積負荷高可以縮短HRT，減少反應(yīng)器容積。
6、有毒物質(zhì)：----常見的抑菌物質(zhì)有：硫化物、氨氮、重金屬、氰化物和某些有機物;
1硫化物和硫酸鹽：硫酸鹽和其他硫氧化物在厭氧消化過程中很容易還原為硫化物;當可溶性硫化物達到一定濃度時，厭氧消化過程主要是產(chǎn)甲烷過程。發(fā)生抑制;加入某些金屬如Fe可以除去S2-，或從系統(tǒng)中除去H2S可以減少硫化物的抑制。
(2)氨氮：氨氮是厭氧消化的緩沖劑，但如果濃度過高，會對厭氧消化過程產(chǎn)生毒性影響;抑制濃度為50-200 mg/L，但馴化后，適應(yīng)性增強。
重金屬厭氧細菌酶系統(tǒng)的破壞。
4氰化物：5種有毒有機物：
四、厭氧生物處理的主要特點
1、厭氧生物處理工藝的主要優(yōu)點：
1能源消耗大大減少，生物能源(沼氣)也可以恢復;
(2)污泥產(chǎn)量很低;—厭氧微生物的生長速度遠低于好氧微生物，產(chǎn)酸菌的產(chǎn)量為0.15-0.34 kg vss/kg cod，產(chǎn)甲烷菌的產(chǎn)量約為0.03 kg vss/kg cod，好氧微生物的產(chǎn)量約為0.25-0.6 kg vss/kg cod。
厭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機物;4反應(yīng)過程比較復雜-厭氧消化是一種連續(xù)的微生物過程，在其中多種性質(zhì)不同、功能不同的微生物共同作用;
2.厭氧生物處理過程的主要缺點：
它對溫度和酸堿度等環(huán)境因素敏感。
水質(zhì)差的處理需進一步采用有氧方法處理;
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4氨氮的去除效果不好，等等。相關(guān)鏈接：廢水氧化處理技術(shù)分析
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