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(xué)過(guò)程
所謂“有氧”，是指此類(lèi)生物必須在分子氧(o2)存在下進(jìn)行正常的生理生化反應(yīng)，主要包括大多數(shù)微生物、動(dòng)物和我們?nèi)祟?lèi);所謂的“厭氧”：一種可以在沒(méi)有分子氧存在的情況下進(jìn)行正常生理和生化反應(yīng)的生物，如厭氧細(xì)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(chēng)氧化反應(yīng)，代謝，分解代謝)CHONS + O2 CO2 + H2O + NH3 + SO42- + 1/4 +能量(有機(jī)物組成)
(2)合成反應(yīng)(又稱(chēng)合成代謝和同化)C、H、O、N、S+能C5H7NO2
3內(nèi)源性呼吸(又稱(chēng)細(xì)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(xì)胞物質(zhì)的組成相對(duì)穩(wěn)定。一般可以用以下實(shí)驗(yàn)公式表達(dá)：細(xì)菌：c 5h 7no2;真菌：c 16h 17no6;藻類(lèi)：c 5h 8no2;原生動(dòng)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(guò)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(guò)程為生產(chǎn)過(guò)程，合成過(guò)程為耗能過(guò)程。2)清除有機(jī)物，兩者都有重要的貢獻(xiàn);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(gè)城市污水處理廠)。不同形式的有機(jī)物的生物降解過(guò)程也是不同的：一方面：簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)，小分子，可溶性物質(zhì)，直接進(jìn)入細(xì)胞壁;復(fù)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(xì)胞外酶的作用下水解為小分子的有機(jī)物，然后進(jìn)入細(xì)胞。另一方面，有機(jī)物的化學(xué)結(jié)構(gòu)不同，其降解過(guò)程也會(huì)不同，如糖類(lèi)、脂類(lèi)、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(xì)胞成分如蛋白質(zhì)、核酸等對(duì)溫度敏感，當(dāng)溫度上升或下降超過(guò)一定限度時(shí)會(huì)有不可逆的損害，最適合的溫度為15~30°c;>在40°或10°之后，會(huì)產(chǎn)生不利影響。
3營(yíng)養(yǎng)素：在細(xì)胞組成中，C，H，O，N約占90%至97%;剩余的3%至10%是無(wú)機(jī)元素，主要是P;生活污水一般不需要補(bǔ)充營(yíng)養(yǎng);并且需要一些工業(yè)廢水。通常，對(duì)于好氧生物處理過(guò)程，應(yīng)根據(jù)BOD添加N和P：N：P = 100：5：1;其他無(wú)機(jī)營(yíng)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(dāng)ph值小于4.5時(shí)，真菌會(huì)主導(dǎo)污泥膨脹，微生物的活性也會(huì)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(lèi)、醇類(lèi)、醛類(lèi)等;
6有機(jī)負(fù)荷率：污水中的有機(jī)物原本是微生物食品，但過(guò)多，對(duì)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(yán)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(chēng)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(jī)物的分解和CH4和CO2的產(chǎn)生。的過(guò)程。
一、厭氧生物處理的基本生物學(xué)過(guò)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(chēng)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(chēng)為發(fā)酵菌或產(chǎn)酸細(xì)菌;
這些微生物的特點(diǎn)是：
1)生長(zhǎng)速率快，
2)對(duì)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(chēng)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(chēng)為產(chǎn)甲烷。菌
產(chǎn)甲烷細(xì)菌的主要特征是：
1)生長(zhǎng)速度緩慢，世代時(shí)間長(zhǎng);
2)對(duì)環(huán)境條件(溫度，pH，抑制劑等)非常敏感且要求嚴(yán)格。
2。通過(guò)對(duì)厭氧微生物三階段理論的深入研究，發(fā)現(xiàn)厭氧消化過(guò)程不能簡(jiǎn)單地分為上述兩個(gè)過(guò)程，不能真正反映厭氧反應(yīng)過(guò)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(xì)菌。除分類(lèi)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(jiǎn)單的有機(jī)物質(zhì)作為基質(zhì)，主要是一些簡(jiǎn)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(jì)70年代，布萊恩特發(fā)現(xiàn)了最初被稱(chēng)為“蘭花產(chǎn)甲烷菌”的東西。“事實(shí)上，細(xì)菌由兩種細(xì)菌組成。一種細(xì)菌將乙醇氧化成乙酸和H2(一種產(chǎn)氫的乙酸細(xì)菌)，另一種細(xì)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(guò)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(rèn)為厭氧生物處理過(guò)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(shí)，有人提出厭氧消化的“四階段理論”：事實(shí)上，它是基于上述三階段理論，已經(jīng)添加了一類(lèi)細(xì)菌，同一種產(chǎn)生酸的細(xì)菌。它的主要功能是將產(chǎn)氫的乙酸細(xì)菌產(chǎn)生的h2/co2結(jié)合成乙酸。然而，研究表明，事實(shí)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(rèn)為是對(duì)厭氧生物處理過(guò)程更全面、更準(zhǔn)確的描述。
4.多階段理論然而，當(dāng)通過(guò)厭氧生物處理過(guò)程處理復(fù)雜有機(jī)物質(zhì)時(shí)，厭氧反應(yīng)器中發(fā)生的反應(yīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)上述“三階段理論”和“四階段”中描述的反應(yīng)。 - 階段理論“。該過(guò)程很復(fù)雜，可以在“厭氧復(fù)雜系統(tǒng)分析”中找到。
二。厭氧消化過(guò)程中的主要微生物
主要介紹發(fā)酵細(xì)菌(產(chǎn)酸細(xì)菌)、制氫醋酸細(xì)菌、甲烷生產(chǎn)細(xì)菌等。
1.發(fā)酵細(xì)菌(產(chǎn)酸細(xì)菌)：
產(chǎn)酸菌在發(fā)酵過(guò)程中有兩個(gè)主要功能：
1水解-在細(xì)胞外酶作用下，不溶性有機(jī)物水解為可溶性有機(jī)物;
2酸化 - 可溶性大分子有機(jī)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(guò)程緩慢，受多種因素(pH，SRT，有機(jī)物等)的影響，有時(shí)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(xì)菌，半纖維素分解細(xì)菌，淀粉分解細(xì)菌，蛋白質(zhì)分解細(xì)菌，脂肪分解細(xì)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(xì)菌Hungate在1960年代開(kāi)創(chuàng)了嚴(yán)格的厭氧微生物培養(yǎng)技術(shù)后，對(duì)產(chǎn)甲烷的細(xì)菌進(jìn)行了廣泛的研究，產(chǎn)生甲烷的細(xì)菌的主要功能是轉(zhuǎn)化乙酸和產(chǎn)生氫氣的細(xì)菌h2/co2的產(chǎn)物，c4和co2，這樣厭氧消化過(guò)程就可以順利進(jìn)行;它可以主要分為兩大類(lèi)：乙酸營(yíng)養(yǎng)素型和h2營(yíng)養(yǎng)素型產(chǎn)甲烷菌，或產(chǎn)甲烷菌和產(chǎn)氫細(xì)菌;一般來(lái)說(shuō)，在性質(zhì)上，乙酸型甲烷素的種類(lèi)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?yàn)橐宜崾菂捬醴磻?yīng)爐中主要的甲烷產(chǎn)生基質(zhì)，一般來(lái)說(shuō)，甲烷的大約70氦是由乙酸的氧化和分解而來(lái)，根據(jù)產(chǎn)甲烷菌的形態(tài)和生理生態(tài)特征，可以分類(lèi)如下：---最新的分類(lèi)(Bergy的細(xì)菌手冊(cè)，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(jiàn)的有：
?、佼a(chǎn)甲烷桿菌;
②產(chǎn)甲烷球菌;
?、郛a(chǎn)甲烷八疊球菌;
4個(gè)產(chǎn)甲烷菌;等等。在分類(lèi)學(xué)中，產(chǎn)甲烷菌屬于古細(xì)菌(Archaebacteria)，其大小和外觀與真細(xì)菌相似，但事實(shí)上，其細(xì)胞組成特殊，特別是細(xì)胞壁的結(jié)構(gòu)特殊;在自然界中分布通常被認(rèn)為是在極端環(huán)境中居住(例如地?zé)釡厝?，深海隕石坑，沉積物等)，但實(shí)際上它分布廣泛，如污泥，瘤胃，昆蟲(chóng)腸，濕樹(shù)，厭氧反應(yīng)堆等;產(chǎn)甲烷菌是嚴(yán)格的厭氧菌，需要-150~-400mv的氧化還原電位，對(duì)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(zhǎng)。因此，產(chǎn)甲烷反應(yīng)通常是厭氧消化的限速步驟，長(zhǎng)達(dá)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(guò)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(shí)，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(yíng)養(yǎng)素、f/m比例、有毒物質(zhì)等。..
1.溫度：溫度對(duì)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(dāng)處理含有病原體和寄生蟲(chóng)時(shí)，當(dāng)使用雞蛋的廢水或污泥時(shí)，高溫消化可以達(dá)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(kāi)發(fā)和應(yīng)用，溫度對(duì)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(jìn)行(20~25) °C)以節(jié)省能源和運(yùn)營(yíng)成本。
2。酸堿度：酸堿度是厭氧消化過(guò)程中最重要的影響因素;重要原因：產(chǎn)甲烷菌對(duì)酸堿度的變化非常敏感。一般來(lái)說(shuō)，最佳pH值在6.8到7.2之間。當(dāng)<6.5或>8.2時(shí)，產(chǎn)甲烷菌將受到嚴(yán)重抑制，進(jìn)而導(dǎo)致整個(gè)厭氧消化過(guò)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(gè)主要由碳酸鹽系統(tǒng)控制的pH值緩沖系統(tǒng)。一般來(lái)說(shuō)，系統(tǒng)中脂肪酸含量的增加(積累)會(huì)導(dǎo)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(huì)產(chǎn)生，使系統(tǒng)的PH值升高。堿度一度被認(rèn)為是厭氧消化的關(guān)鍵因素，但實(shí)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(dāng)?shù)膒H值;一旦厭氧系統(tǒng)發(fā)生酸化，則需要很長(zhǎng)的時(shí)間才能恢復(fù)。
3、氧化還原勢(shì)：嚴(yán)格的厭氧環(huán)境是產(chǎn)甲烷細(xì)菌進(jìn)行正常生理活動(dòng)的基本條件;非甲烷產(chǎn)生菌可以在氧化還原勢(shì)+100~-100mv的環(huán)境中正常生長(zhǎng)和移動(dòng);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(yíng)養(yǎng)要求：厭氧微生物N，P等營(yíng)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(xì)菌不具備合成某些必需維生素或氨基酸的功能，因此有時(shí)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(jī)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(jī)負(fù)荷高于好氧生物處理，一般可達(dá)5-10 kg COD/m3.d，甚至可達(dá)50-80 kg COD/m3.d;無(wú)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(yuǎn)高于產(chǎn)甲烷階段，因此必須謹(jǐn)慎選擇有機(jī)負(fù)荷;有機(jī)容積負(fù)荷高的前提是生物量高，而相應(yīng)的污泥負(fù)荷低;有機(jī)容積負(fù)荷高可以縮短HRT，減少反應(yīng)器容積。
6、有毒物質(zhì)：----常見(jiàn)的抑菌物質(zhì)有：硫化物、氨氮、重金屬、氰化物和某些有機(jī)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(guò)程中很容易還原為硫化物;當(dāng)可溶性硫化物達(dá)到一定濃度時(shí)，厭氧消化過(guò)程主要是產(chǎn)甲烷過(guò)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(guò)高，會(huì)對(duì)厭氧消化過(guò)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(qiáng)。
重金屬厭氧細(xì)菌酶系統(tǒng)的破壞。
4氰化物：5種有毒有機(jī)物：
四、厭氧生物處理的主要特點(diǎn)
1、厭氧生物處理工藝的主要優(yōu)點(diǎn)：
1能源消耗大大減少，生物能源(沼氣)也可以恢復(fù);
(2)污泥產(chǎn)量很低;—厭氧微生物的生長(zhǎng)速度遠(yuǎn)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(jī)物;4反應(yīng)過(guò)程比較復(fù)雜-厭氧消化是一種連續(xù)的微生物過(guò)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(guò)程的主要缺點(diǎn)：
它對(duì)溫度和酸堿度等環(huán)境因素敏感。
水質(zhì)差的處理需進(jìn)一步采用有氧方法處理;
?、蹥馕遁^大;
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
