2.2废水生物处理基本原理

③ 4HCOO??2H??CH4?CO2?2HC3? ④ 4CO?2H2O?CH4?3CO2

??⑤ 4CH3OH?3CH4?HCO?H2O 3?H?⑥ 4(CH3)3?NH4??9H2O?9CH4?3HCO3??3H??4NH4

??⑦ 2(CH3)3?S?3H2O?3CH4?HCO 3?H?2H2S⑧ 4CH3OH?H2?CH4?H2O

根据产甲烷菌的形态和生理生态特征，可将其分类如下：

产甲烷杆菌属 产甲烷杆菌目 产甲烷杆菌科 产甲烷杆短菌属 产甲烷球菌目 产甲烷球菌科 产甲烷球菌属 产甲烷微菌属 产甲烷微菌科 产甲烷微菌目 产甲烷八叠球菌科 产甲烷丝菌属 索氏产甲烷丝菌属 产甲烷菌属 产甲烷螺菌属 产甲烷八叠球菌属 瘤胃产甲烷杆菌 范氏产甲烷球菌 运动产甲烷微菌 黑海产甲烷微菌 亨氏产甲烷螺菌 巴氏产甲烷八叠球菌 甲酸产甲烷杆菌

——最新的分类（Bergy’s细菌手册第九版），共分为：三目、七科、十九属、65种；

产甲烷菌有各种不同的形态，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产甲烷丝菌；等等。

在生物分类学上，产甲烷菌（Methanogens）属于古细菌（Archaebacteria），大小、外观上与普通细菌（Eubacteria）相似，但实际上，其细胞成分特殊，特别是细胞壁的结构较特殊；在自然界的分布，一般可以认为是栖息于一些极端环境中（如地热泉水、深海火山口、沉积物等），但实际上其分布极为广泛，如污泥、瘤胃、昆虫肠道、湿树木、厌氧反应器等；产甲烷菌都是严格厌氧细菌，要求氧化还原电位在-150?-400mv，氧和氧化剂对其有很强的毒害作用；产甲烷菌的增殖速率很慢，繁殖世代时间长，可达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、厌氧生物处理的影响因素

产甲烷反应是厌氧消化过程的控制阶段，因此，一般来说，在讨论厌氧生物处理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：温度、pH值、氧化还原电位、营养物质、F/M比、有毒物质等。

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1、温度：

温度对厌氧微生物的影响尤为显著；厌氧细菌可分为嗜热菌（或高温菌）、嗜温菌（中温菌）；相应地，厌氧消化分为：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为中温消化的1.5~1.9倍，产气率也较高，但气体中甲烷含量较低；当处理含有病原菌和寄生虫卵的废水或污泥时，高温消化可取得较好的卫生效果，消化后污泥的脱水性能也较好；随着新型厌氧反应器的开发研究和应用，温度对厌氧消化的影响不再非常重要（新型反应器内的生物量很大），因此可以在常温条件下（20~25?C）进行，以节省能量和运行费用。

2、pH值和碱度：

pH值是厌氧消化过程中的最重要的影响因素；重要原因：产甲烷菌对pH值的变化非常敏感，一般认为，其最适pH值范围为6.8~7.2，在<6.5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；厌氧体系中的pH值受多种因素的影响：进水pH值、进水水质（有机物浓度、有机物种类等）、生化反应、酸碱平衡、气固液相间的溶解平衡等；厌氧体系是一个pH值的缓冲体系，主要由碳酸

?，使pH下降；但产甲烷菌盐体系所控制；一般来说：系统中脂肪酸含量的增加（累积），将消耗HCO3?，使系统的pH值回升。 的作用不但可以消耗脂肪酸，而且还会产生HCO3

碱度曾一度在厌氧消化中被认为是一个至关重要的影响因素，但实际上其作用主要是保证厌氧体系具有一定的缓冲能力，维持合适的pH值；厌氧体系一旦发生酸化，则需要很长的时间才能恢复。

3、氧化还原电位：

严格的厌氧环境是产甲烷菌进行正常生理活动的基本条件；非产甲烷菌可以在氧化还原电位为+100~ -100mv的环境正常生长和活动；产甲烷菌的最适氧化还原电位为-150~ -400mv，在培养产甲烷菌的初期，氧化还原电位不能高于-330mv；

4、营养要求：

厌氧微生物对N、P等营养物质的要求略低于好氧微生物，其要求COD：N：P = 200：5：1；多数厌氧菌不具有合成某些必要的维生素或氨基酸的功能，所以有时需要投加：①K、Na、Ca等金属盐类；②微量元素Ni、Co、Mo、Fe等；③有机微量物质：酵母浸出膏、生物素、维生素等。

5、F/M比：

厌氧生物处理的有机物负荷较好氧生物处理更高，一般可达5~10kgCOD/m3.d，甚至可达50~80 kgCOD/m3.d；无传氧的限制；可以积聚更高的生物量。

产酸阶段的反应速率远高于产甲烷阶段，因此必须十分谨慎地选择有机负荷； 高的有机容积负荷的前提是高的生物量，而相应较低的污泥负荷； 高的有机容积负荷可以缩短HRT，减少反应器容积。

6、有毒物质：

——常见的抑制性物质有：硫化物、氨氮、重金属、氰化物及某些有机物；

①硫化物和硫酸盐：硫酸盐和其它硫的氧化物很容易在厌氧消化过程中被还原成硫化物；可溶的硫化物达到一定浓度时，会对厌氧消化过程主要是产甲烷过程产生抑制作用；投加某些金属如Fe可以去除S2-，或从系统中吹脱H2S可以减轻硫化物的抑制作用。

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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；抑制浓度为50~200mg/l，但驯化后，适应能力会得到加强。

③重金属：——使厌氧细菌的酶系统受到破坏。 ④氰化物： ⑤有毒有机物：

四、厌氧生物处理的主要特征

1、厌氧生物处理过程的主要优点：

① 能耗大大降低，而且还可以回收生物能（沼气）； ② 污泥产量很低；

——厌氧微生物的增殖速率比好氧微生物低得多，产酸菌的产率Y为0.15~0.34kgVSS/kgCOD，产甲烷菌的产率Y为0.03kgVSS/kgCOD左右，而好氧微生物的产率约为0.25~0.6kgVSS/kgCOD。 ③ 厌氧微生物有可能对好氧微生物不能降解的一些有机物进行降解或部分降解；

④ 反应过程较为复杂——厌氧消化是由多种不同性质、不同功能的微生物协同工作的一个连续的微生物过程；

2、厌氧生物处理过程的主要缺点：

① 对温度、pH等环境因素较敏感；

② 处理出水水质较差，需进一步利用好氧法进行处理； ③ 气味较大；

④ 对氨氮的去除效果不好；等等

第三节 废水生物脱氮原理

一、废水生物脱氮的基本过程

①氨化（Ammonificaton）：废水中的含氮有机物，在生物处理过程中被好氧或厌氧异养型微生物氧化分解为氨氮的过程；

②硝化（Nitrification）：废水中的氨氮在好氧自养型微生物（统称为硝化菌）的作用下被转化为NO2? 和NO3?的过程；

③反硝化（Denitrification）：废水中的NO2? 和/或NO3?在缺氧条件下在反硝化菌（异养型细菌）的作用下被还原为N2的过程。

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二、硝化反应（Nitrification）

1、硝化反应的基本原理

??硝化反应分为两步进行：①NH4； ②NO2?NO3。 ?NO2??是由两组自养型硝化菌分两步完成的：① 亚硝酸盐细菌（或称为氨氧化细菌）（Nitrosomonas）；② 硝酸盐细菌（或称为亚硝酸盐氧化细菌）（Nitrobacter）；

到目前为止，还未发现有任何一种细菌可以直接将氨氮通过一步氧化到硝酸盐。

这两种硝化细菌的特点：① 都是革兰氏染色阴性、不生芽孢的短杆菌和球菌；② 强烈好氧，不能在酸性条件下生长；③ 无需有机物，以氧化无机含氮化合物获得能量，以无机C（CO2或HCO3?）为碳源；④ 化能自养型；⑤ 生长缓慢，世代时间长。

2、硝化反应过程及反应方程式

??① 亚硝化反应：NH4?1.5O2?NO2?H2O?2H?

如果加上细胞合成，则：

???55NH4?76O2?109HCO3?C5H7O2N?54NO2?57H2O?104H2CO3

亚硝酸盐细菌的产率是：0.146g/g NH4+-N（113/55/14）；

氧化1mg NH4+-N为NO2?-N，需氧3.16mg（76?32/55/14）；

氧化1mg NH4+-N为NO2?-N，需消耗7.08mg碱度（以CaCO3计）（109?50/55/14）

② 硝化反应：

??NO2?0.5O2?NO3

如果加上细胞合成，则：

????400NO2?NH4?4H2CO3?HCO3?195O2?C5H7O2N?3H2O?400NO3

硝酸盐细菌的产率是：0.02g/gNO2?--N(113/400/14)

氧化1mg NO2?-N为NO3—N，需氧1.11mg(195*32/400/14) 几乎不消耗碱度

③总的硝化反应：

??NH4?2O2?NO3?H2O?2H?

如加上细胞合成，则：

???NH4?1.86O2?1.98HCO3?(0.0181?0.0025)C5H7O2N?1.04H2O?0.98NO3?1.88H2CO3 总的细菌产率是： 0.02g/gNO2?-N(113/400/14)；

?氧化1mg NH4?N为NO3?N，需氧4.27mg(1.86*32/14)； ??氧化1 mg NH4?N为NO3?N，需消耗碱度7.07mg(以CaCO3计)；

?污水中必须有足够的碱度，否则硝化反应会导致pH值下降，使反应速率减缓或停滞；

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