一、好氧生物處理的基本生物過程
所謂“好氧”：是指這類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(yīng)，主要包括大部分微生物、動(dòng)物以及我們?nèi)祟悾?/span>
所謂“厭氧”：是能在無分子態(tài)氧存在的條件下，能進(jìn)行正常的生理生化反應(yīng)的生物，如厭氧細(xì)菌、酵母菌等。
好氧生物處理過程的生化反應(yīng)方程式：
① 分解反應(yīng)（又稱氧化反應(yīng)、異化代謝、分解代謝）CHONS + O2 CO2 + H2O + NH3 + SO42- +?+能量（有機(jī)物的組成元素）
② 合成反應(yīng)（也稱合成代謝、同化作用）C、H、O、N、S + 能量 C5H7NO2
③ 內(nèi)源呼吸（也稱細(xì)胞物質(zhì)的自身氧化）C5H7NO2 + O2 CO2 + H2O + NH3 + SO42- +?+能量
在正常情況下，各類微生物細(xì)胞物質(zhì)的成分是相對(duì)穩(wěn)定的，一般可用下列實(shí)驗(yàn)式來表示：細(xì)菌：C5H7NO2；真菌：C16H17NO6；藻類：C5H8NO2；原生動(dòng)物：C7H14NO3
分解與合成的相互關(guān)系：
1）二者不可分，而是相互依賴的；a、分解過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(chǔ)；b、分解過程是一個(gè)產(chǎn)能過程，合成過程則是一個(gè)耗能過程。
2)對(duì)有機(jī)物的去除，二者都有重要貢獻(xiàn)；3）合成量的大小，對(duì)后續(xù)污泥的處理有直接影響（污泥的處理費(fèi)用一般可以占整個(gè)城市污水處理廠的40~50%）。
不同形式的有機(jī)物被生物降解的歷程也不同：
一方面：結(jié)構(gòu)簡單、小分子、可溶性物質(zhì)，直接進(jìn)入細(xì)胞壁；結(jié)構(gòu)復(fù)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(jī)物，再進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)。
另一方面：有機(jī)物的化學(xué)結(jié)構(gòu)不同，其降解過程也會(huì)不同，如：糖類；脂類；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(nèi)，隨著溫度的升高，生化反應(yīng)的速率加快，增殖速率也加快；細(xì)胞的組成物如蛋白質(zhì)、核酸等對(duì)溫度很敏感，溫度突升或降并超過一定限度時(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 營養(yǎng)物質(zhì)：細(xì)胞組成中，C、H、O、N約占90~97%；其余3~10%為無機(jī)元素，主要的是P；生活污水一般不需再投加營養(yǎng)物質(zhì)；而某些工業(yè)廢水則需要，一般對(duì)于好氧生物處理工藝，應(yīng)按BOD : N : P = 100 : 5 : 1 投加N和P；其它無機(jī)營養(yǎng)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(jī)負(fù)荷率：污水中的有機(jī)物本來是微生物的食物，但太多時(shí)，也會(huì)不利于微生物；
⑦ 氧化還原電位：好氧細(xì)菌：+300 ~ 400 mV， 至少要求大于+100 mV；厭氧細(xì)菌：要求小于+100 mV，對(duì)于嚴(yán)格厭氧細(xì)菌，則<-100 mV，甚至<-300 mV。
第二節(jié) 廢水厭氧生物處理原理
廢水厭氧生物處理在早期又被稱為厭氧消化、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(jī)物分解并產(chǎn)生CH4和CO2的過程。
一、厭氧生物處理中的基本生物過程——階段性理論
1、兩階段理論：
20世紀(jì)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、CO2和H2等；主要參與反應(yīng)的微生物統(tǒng)稱為發(fā)酵細(xì)菌或產(chǎn)酸細(xì)菌；這些微生物的特點(diǎn)是：1）生長速率快，2）對(duì)環(huán)境條件的適應(yīng)性（溫度、pH等）強(qiáng)。
第二階段：產(chǎn)甲烷階段，又稱堿性發(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(zhuǎn)化為CH4和CO2；主要參與反應(yīng)的微生物被統(tǒng)稱為產(chǎn)甲烷菌（Methane producing bacteria）；產(chǎn)甲烷細(xì)菌的主要特點(diǎn)是：1）生長速率慢，世代時(shí)間長；2）對(duì)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(duì)厭氧微生物學(xué)的深入研究后，發(fā)現(xiàn)將厭氧消化過程簡單地劃分為上述兩個(gè)過程，不能真實(shí)反映厭氧反應(yīng)過程的本質(zhì)；
厭氧微生物學(xué)的研究表明，產(chǎn)甲烷菌是一類十分特別的古細(xì)菌（Archea），除了在分類學(xué)和其特殊的學(xué)報(bào)結(jié)構(gòu)外，其最主要的特點(diǎn)是：產(chǎn)甲烷細(xì)菌只能利用一些簡單有機(jī)物作為基質(zhì)，其中主要是一些簡單的一碳物質(zhì)如甲酸、甲醇、甲基胺類以及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；
上世紀(jì)70年代，Bryant發(fā)現(xiàn)原來認(rèn)為是一種被稱為“奧氏產(chǎn)甲烷菌”的細(xì)菌，實(shí)際上是由兩種細(xì)菌共同組成的，一種細(xì)菌首先把乙醇氧化為乙酸和H2（一種產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸細(xì)菌），另一種細(xì)菌則利用H2和CO2產(chǎn)生CH4（一種真正意義上的產(chǎn)甲烷細(xì)菌——嗜氫產(chǎn)甲烷細(xì)菌）；因而，Bryant提出了厭氧消化過程的“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(zhuǎn)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(rèn)為，在厭氧生物處理過程中約有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）：
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程的“四菌群學(xué)說”：
實(shí)際上，是在上述三階段理論的基礎(chǔ)上，增加了一類細(xì)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(xì)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。
總體來說，“三階段理論”、“四階段理論”是目前公認(rèn)的對(duì)厭氧生物處理過程較全面和較準(zhǔn)確的描述。
4、 多階段理論
但是，當(dāng)利用厭氧生物處理工藝處理含有復(fù)雜有機(jī)物的時(shí)候，在厭氧反應(yīng)器中發(fā)生的反應(yīng)會(huì)遠(yuǎn)比上述“三階段理論”、“四階段理論”中所描述的反應(yīng)過程復(fù)雜，可以參見“厭氧復(fù)雜體系示意圖”。
二、厭氧消化過程中的主要微生物
主要介紹其中的發(fā)酵細(xì)菌（產(chǎn)酸細(xì)菌）、產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌、產(chǎn)甲烷菌等。
1、發(fā)酵細(xì)菌（產(chǎn)酸細(xì)菌）：
發(fā)酵產(chǎn)酸細(xì)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(jī)物水解成可溶性有機(jī)物；② 酸化——將可溶性大分子有機(jī)物轉(zhuǎn)化為脂肪酸、醇類等；
主要的發(fā)酵產(chǎn)酸細(xì)菌：梭菌屬、擬桿菌屬、丁酸弧菌屬、雙岐桿菌屬等；水解過程較緩慢，并受多種因素影響（pH、SRT、有機(jī)物種類等），有時(shí)回成為厭氧反應(yīng)的限速步驟；產(chǎn)酸反應(yīng)的速率較快；大多數(shù)是厭氧菌，也有大量是兼性厭氧菌；可以按功能來分：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(xì)菌的主要功能是將各種高級(jí)脂肪酸和醇類氧化分解為乙酸和H2；為產(chǎn)甲烷細(xì)菌提供合適的基質(zhì)，在厭氧系統(tǒng)中常常與產(chǎn)甲烷細(xì)菌處于共生互營關(guān)系。
主要的產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸反應(yīng)有：乙醇 丙酸 丁酸
注意：上述反應(yīng)只有在乙酸濃度很低、系統(tǒng)中氫分壓也很低時(shí)才能順利進(jìn)行，因此產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸反應(yīng)的順利進(jìn)行，常常需要后續(xù)產(chǎn)甲烷反應(yīng)能及時(shí)將其主要的兩種產(chǎn)物乙酸和H2消耗掉。
主要的產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸細(xì)菌多為：互營單胞菌屬、互營桿菌屬、梭菌屬、暗桿菌屬等；多數(shù)是嚴(yán)格厭氧菌或兼性厭氧菌。
3、產(chǎn)甲烷菌
20世紀(jì)60年代Hungate開創(chuàng)了嚴(yán)格厭氧微生物培養(yǎng)技術(shù)之后，對(duì)產(chǎn)甲烷細(xì)菌的研究才得以廣泛進(jìn)行；
產(chǎn)甲烷細(xì)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(zhuǎn)化為CH4和CO2，使厭氧消化過程得以順利進(jìn)行；主要可分為兩大類：乙酸營養(yǎng)型和H2營養(yǎng)型產(chǎn)甲烷菌，或稱為嗜乙酸產(chǎn)甲烷細(xì)菌和嗜氫產(chǎn)甲烷細(xì)菌；一般來說，在自然界中乙酸營養(yǎng)型產(chǎn)甲烷菌的種類較少，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(xì)菌在厭氧反應(yīng)器中居多，特別是后者，因?yàn)樵趨捬醴磻?yīng)器中乙酸是主要的產(chǎn)甲烷基質(zhì)，一般來說有70%左右的甲烷是來自乙酸的氧化分解；
典型的產(chǎn)甲烷反應(yīng)：
根據(jù)產(chǎn)甲烷菌的形態(tài)和生理生態(tài)特征，可將其分類如下：
——最新的分類（Bergy’s細(xì)菌手冊(cè)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。
在生物分類學(xué)上，產(chǎn)甲烷菌（Methanogens）屬于古細(xì)菌（Archaebacteria），大小、外觀上與普通細(xì)菌（Eubacteria）相似，但實(shí)際上，其細(xì)胞成分特殊，特別是細(xì)胞壁的結(jié)構(gòu)較特殊；在自然界的分布，一般可以認(rèn)為是棲息于一些極端環(huán)境中（如地?zé)崛⑸詈；鹕娇凇⒊练e物等），但實(shí)際上其分布極為廣泛，如污泥、瘤胃、昆蟲腸道、濕樹木、厭氧反應(yīng)器等；產(chǎn)甲烷菌都是嚴(yán)格厭氧細(xì)菌，要求氧化還原電位在-150~-400mv，氧和氧化劑對(duì)其有很強(qiáng)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，可達(dá)4~6天，因此，一般情況下產(chǎn)甲烷反應(yīng)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(yīng)是厭氧消化過程的控制階段，因此，一般來說，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(xiàng)因素；主要影響因素有：溫度、pH值、氧化還原電位、營養(yǎng)物質(zhì)、F/M比、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；厭氧細(xì)菌可分為嗜熱菌（或高溫菌）、嗜溫菌（中溫菌）；相應(yīng)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(yīng)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(dāng)處理含有病原菌和寄生蟲卵的廢水或污泥時(shí)，高溫消化可取得較好的衛(wèi)生效果，消化后污泥的脫水性能也較好；隨著新型厭氧反應(yīng)器的開發(fā)研究和應(yīng)用，溫度對(duì)厭氧消化的影響不再非常重要（新型反應(yīng)器內(nèi)的生物量很大），因此可以在常溫條件下（20~25°C）進(jìn)行，以節(jié)省能量和運(yùn)行費(fèi)用。
2、pH值和堿度：
pH值是厭氧消化過程中的最重要的影響因素；重要原因：產(chǎn)甲烷菌對(duì)pH值的變化非常敏感，一般認(rèn)為，其最適pH值范圍為6.8~7.2，在<6.5或>8.2時(shí)，產(chǎn)甲烷菌會(huì)受到嚴(yán)重抑制，而進(jìn)一步導(dǎo)致整個(gè)厭氧消化過程的惡化；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(jī)物濃度、有機(jī)物種類等）、生化反應(yīng)、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；一般來說：系統(tǒng)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(tǒng)的pH值回升。
堿度曾一度在厭氧消化中被認(rèn)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，則需要很長的時(shí)間才能恢復(fù)。
3、氧化還原電位：
嚴(yán)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)境正常生長和活動(dòng)；產(chǎn)甲烷菌的最適氧化還原電位為-150~ -400mv，在培養(yǎng)產(chǎn)甲烷菌的初期，氧化還原電位不能高于-330mv；
4、營養(yǎng)要求：
厭氧微生物對(duì)N、P等營養(yǎng)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(shù)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；②微量元素Ni、Co、Mo、Fe等；③有機(jī)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(jī)物負(fù)荷較好氧生物處理更高，一般可達(dá)5~10kgCOD/m3.d，甚至可達(dá)50~80 kgCOD/m3.d；無傳氧的限制；可以積聚更高的生物量。
產(chǎn)酸階段的反應(yīng)速率遠(yuǎn)高于產(chǎn)甲烷階段，因此必須十分謹(jǐn)慎地選擇有機(jī)負(fù)荷；
高的有機(jī)容積負(fù)荷的前提是高的生物量，而相應(yīng)較低的污泥負(fù)荷；
高的有機(jī)容積負(fù)荷可以縮短HRT，減少反應(yīng)器容積。
6、有毒物質(zhì)：
——常見的抑制性物質(zhì)有：硫化物、氨氮、重金屬、氰化物及某些有機(jī)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程中被還原成硫化物；可溶的硫化物達(dá)到一定濃度時(shí)，會(huì)對(duì)厭氧消化過程主要是產(chǎn)甲烷過程產(chǎn)生抑制作用；投加某些金屬如Fe可以去除S2-，或從系統(tǒng)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；但濃度過高，則會(huì)對(duì)厭氧消化過程產(chǎn)生毒害作用；抑制濃度為50~200mg/l，但馴化后，適應(yīng)能力會(huì)得到加強(qiáng)。
③重金屬：——使厭氧細(xì)菌的酶系統(tǒng)受到破壞。
④氰化物：
⑤有毒有機(jī)物：
四、厭氧生物處理的主要特征
1、厭氧生物處理過程的主要優(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(duì)好氧微生物不能降解的一些有機(jī)物進(jìn)行降解或部分降解；
④ 反應(yīng)過程較為復(fù)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(xù)的微生物過程；
2、厭氧生物處理過程的主要缺點(diǎn)：
① 對(duì)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(duì)氨氮的去除效果不好；等等
第三節(jié) 廢水生物脫氮原理
一、廢水生物脫氮的基本過程
①氨化（Ammonificaton）：廢水中的含氮有機(jī)物，在生物處理過程中被好氧或厭氧異養(yǎng)型微生物氧化分解為氨氮的過程；
②硝化（Nitrification）：廢水中的氨氮在好氧自養(yǎng)型微生物（統(tǒng)稱為硝化菌）的作用下被轉(zhuǎn)化為NO2- 和NO3-的過程；
③反硝化（Denitrification）：廢水中的NO2- 和/或NO3-在缺氧條件下在反硝化菌（異養(yǎng)型細(xì)菌）的作用下被還原為N2的過程。
二、硝化反應(yīng)（Nitrification）
1、硝化反應(yīng)的基本原理
硝化反應(yīng)分為兩步進(jìn)行：① ；② 。
是由兩組自養(yǎng)型硝化菌分兩步完成的：① 亞硝酸鹽細(xì)菌（或稱為氨氧化細(xì)菌）（Nitrosomonas）；② 硝酸鹽細(xì)菌（或稱為亞硝酸鹽氧化細(xì)菌）（Nitrobacter）；
到目前為止，還未發(fā)現(xiàn)有任何一種細(xì)菌可以直接將氨氮通過一步氧化到硝酸鹽。
這兩種硝化細(xì)菌的特點(diǎn)：① 都是革蘭氏染色陰性、不生芽孢的短桿菌和球菌；② 強(qiáng)烈好氧，不能在酸性條件下生長；③ 無需有機(jī)物，以氧化無機(jī)含氮化合物獲得能量，以無機(jī)C（CO2或HCO3-）為碳源；④ 化能自養(yǎng)型；⑤ 生長緩慢，世代時(shí)間長。
2、硝化反應(yīng)過程及反應(yīng)方程式
① 亞硝化反應(yīng)：
如果加上細(xì)胞合成，則：
亞硝酸鹽細(xì)菌的產(chǎn)率是：0.146g/g NH4+-N（113/55/14）；
氧化1mg NH4+-N為NO2--N，需氧3.16mg（76′32/55/14）；
氧化1mg NH4+-N為NO2--N，需消耗7.08mg堿度（以CaCO3計(jì)）（109′50/55/14）
② 硝化反應(yīng)：
如果加上細(xì)胞合成，則：
硝酸鹽細(xì)菌的產(chǎn)率是：0.02g/gNO2---N(113/400/14)
氧化1mg NO2--N為NO3—N，需氧1.11mg(195*32/400/14)
幾乎不消耗堿度
③總的硝化反應(yīng)：
如加上細(xì)胞合成，則：
總的細(xì)菌產(chǎn)率是：0.02g/gNO2--N(113/400/14)；
氧化1mg 為 ，需氧4.27mg(1.86*32/14)；
氧化1 mg 為 ，需消耗堿度7.07mg(以CaCO3計(jì))；
污水中必須有足夠的堿度，否則硝化反應(yīng)會(huì)導(dǎo)致pH值下降，使反應(yīng)速率減緩或停滯；
如果不考慮合成，則：氧化1 mg NH4+-N為NO3--N，需氧4.57mg，其中亞硝化反應(yīng)3.43mg，硝化反應(yīng)1.14mg，需消耗堿度7.14mg(以CaCO3計(jì))
3、硝化反應(yīng)所需要的環(huán)境條件
兩種硝化菌對(duì)環(huán)境的變化都很敏感，要求較苛刻，主要如下：
① 好氧條件(DO不小于1mg/l)，并能保持一定的堿度以維持穩(wěn)定的pH值(適宜的pH為8.0~8.4)；
② 進(jìn)水中的有機(jī)物的濃度不宜過高，一般要求BOD5在15~20mg/l以下；
③ 硝化反應(yīng)的適宜溫度是20~30°C，15°C以下時(shí)，硝化反應(yīng)的速率下降，小于5°C時(shí)，完全停止；
④ 硝化菌在反應(yīng)器內(nèi)的停留時(shí)間即污泥齡，必須大于其最小的世代時(shí)間(一般為3~10天)；
⑤ 高濃度的氨氮、亞硝酸鹽或硝酸鹽、有機(jī)物以及重金屬離子等都對(duì)硝化反應(yīng)有抑制作用。
三、反硝化反應(yīng)（Denitrification）
1、反硝化反應(yīng)及反硝化細(xì)菌
反硝化反應(yīng)是指硝酸鹽或亞硝酸鹽在反硝化菌的作用下，被還原為氣態(tài)氮（N2）的過程；
反硝化菌屬異養(yǎng)型兼性厭氧菌，并不是一類專門的細(xì)菌，它們大量存在于土壤和污水處理系統(tǒng)中，如變形桿菌、假單胞菌等，土壤微生物中有50%是這一類具有還原硝酸鹽能力的細(xì)菌；
反硝化菌能在缺氧條件下，以 或 為電子受體，以有機(jī)物為電子供體，而將氮還原；
在反硝化菌的代謝活動(dòng)下， 或 中的N可以有兩種轉(zhuǎn)化途徑：① 同化反硝化，即最終產(chǎn)物是有機(jī)氮化合物，是菌體的組成部分；② 異化反硝化，即最終產(chǎn)物是氮?dú)猓∟2）或笑氣（N2O）。
2、反硝化反應(yīng)的影響因素
① 碳源：一是原廢水中的有機(jī)物，當(dāng)廢水的BOD5/TKN大于3~5時(shí)，可認(rèn)為碳源充足；二是外加碳源，多采用甲醇；
② pH值：適宜的pH值是6.5~7.5，pH值高于8或低于6，反硝化速率將大大下降；
③ 溶解氧：反硝化菌適于在缺氧條件下發(fā)生反硝化反應(yīng)，但另一方面，其某些酶系統(tǒng)只有在有氧條件下才能合成，所以反硝化反應(yīng)宜于在缺氧、好氧交替的條件下進(jìn)行，溶解氧應(yīng)控制在0.5mg/l以下；
④ 溫度：最適宜溫度為20~40°C，低于15°C其反應(yīng)速率將大為降低。
4、生物脫氮反應(yīng)過程中各項(xiàng)生化反應(yīng)特征
生化反應(yīng)類型 去除有機(jī)物 硝化 反硝化
亞硝化 硝化
微生物 好氧菌及兼性菌 Nitrosomonas自養(yǎng)型菌 Nitrobacter自養(yǎng)型菌 兼性菌異養(yǎng)型菌
能源 有機(jī)物 化能 化能 有機(jī)物
氧源(電子受體) O2 O2 O2 NO2- 、NO3-
溶解氧 1~2mg/l以上 2mg/l以上 2mg/l以上 0~0.5mg/l
堿度 無變化 氧化1mgNH4+--N需要7.14mg/l堿度 無變化 還原1mgNO3---N或NO2---N生成3.57mg堿度
耗氧 分解1mg有機(jī)物（BOD5）需氧2mg 氧化1mgNH4+--N需氧3.43mg 氧化1mg NO2---N需氧1.14mg 分解1mg有機(jī)物(COD)需NO2---N 0.58mg，NO3---N0.35mg所提供的化合態(tài)氧
最適pH值 6~8 7~8.5 6~7.5 6~8
最適水溫 15~25°C 30°C 30°C 34~37°C
增殖速度(d-1) 1.2~3.5 0.21~1.08 0.28~1.44 好氧分解的1/2~1/2.5
分解速度 70~870mgBOD/gMLSS.h 7mgNH4+--N/gMLSS.h 2~8mg NO3---N /gMLSS.h
四、新型生物脫氮途徑與工藝
1、短程生物脫氮工藝
2、SHARON工藝
3、ANAMMOX工藝
4、SHARON－ANAMMOX組合工藝
5、OLAND工藝
6、CANON工藝
7、同時(shí)硝化反硝化（SND）工藝
第四節(jié) 廢水生物除磷原理
一、磷在廢水中的存在形式
通常磷是以磷酸鹽（ 、 、 ）、聚磷酸鹽和有機(jī)磷等的形式存在于廢水中；細(xì)菌一般是從外部環(huán)境攝取一定量的磷來滿足其生理需要；有一類特殊的細(xì)菌——磷細(xì)菌，可以過量地、超出其生理需要地從外部攝取磷，并以聚合磷酸鹽的形式貯存在細(xì)胞體內(nèi)，如果從系統(tǒng)中排出這種高磷污泥，則能達(dá)到除磷的效果。
二、生物除磷的基本過程
1、除磷菌的過量攝取磷
好氧條件下，除磷菌利用廢水中的BOD5或體內(nèi)貯存的聚b-羥基丁酸的氧化分解所釋放的能量來攝取廢水中的磷，一部分磷被用來合成ATP，另外絕大部分的磷則被合成為聚磷酸鹽而貯存在細(xì)胞體內(nèi)。
2、除磷菌的磷釋放
在厭氧條件下，除磷菌能分解體內(nèi)的聚磷酸鹽而產(chǎn)生ATP，并利用ATP將廢水中的有機(jī)物攝入細(xì)胞內(nèi)，以聚b-羥基丁酸等有機(jī)顆粒的形式貯存于細(xì)胞內(nèi)，同時(shí)還將分解聚磷酸鹽所產(chǎn)生的磷酸排出體外。
3、富磷污泥的排放
在好氧條件下所攝取的磷比在厭氧條件下所釋放的磷多，廢水生物除磷工藝是利用除磷菌的這一過程，將多余剩余污泥排出系統(tǒng)而達(dá)到除磷的目的。
三、生物除磷過程的影響因素
1、溶解氧：
在除磷菌釋放磷的厭氧反應(yīng)器內(nèi)，應(yīng)保持絕對(duì)的厭氧條件，即使是NO3-等一類的化合態(tài)氧也不允許存在；在除磷菌吸收磷的好氧反應(yīng)器內(nèi)，則應(yīng)保持充足的溶解氧。
2、污泥齡：
生物除磷主要是通過排除剩余污泥而去除磷的，因此剩余污泥的多少對(duì)脫磷效果有很大影響，一般污泥短的系統(tǒng)產(chǎn)生的剩余污泥多，可以取得較好的除磷效果；有報(bào)道稱：污泥齡為30d，除磷率為40%；污泥齡為17d，除磷率為50%；而污泥齡為5d時(shí)，除磷率高達(dá)87%。
3、溫度：
在5~30°C的范圍內(nèi)，都可以取得較好的除磷效果；
4、pH值：
除磷過程的適宜的pH值為6~8。
5、BOD5負(fù)荷：
一般認(rèn)為，較高的BOD負(fù)荷可取得較好的除磷效果，進(jìn)行生物除磷的低限是BOD/TP = 20；有機(jī)基質(zhì)的不同也會(huì)對(duì)除磷有影響，一般小分子易降解的有機(jī)物誘導(dǎo)磷的釋放的能力更強(qiáng)；磷的釋放越充分，磷的攝取量也越大。
6、硝酸鹽氮和亞硝酸鹽氮
硝酸鹽的濃度應(yīng)小于2mg/l；當(dāng)COD/TKN > 10，硝酸鹽對(duì)生物除磷的影響就減弱了。
7、氧化還原電位：
好氧區(qū)的ORP應(yīng)維持在+40~50mV之間；缺氧區(qū)的最佳ORP為-160~± 5mV之間。
第五節(jié) 廢水可生化性原理及其判別
一、廢水可生化性的定義
生物降解性能是指在微生物的作用下，使某一物質(zhì)改變?cè)瓉淼幕瘜W(xué)和物理性質(zhì)，在結(jié)構(gòu)上引起的變化程度。
二、廢水可生化性的分類
可分為三類：
① 初級(jí)生物降解——指有機(jī)物原來的化學(xué)結(jié)構(gòu)發(fā)生了部分變化，改變了分子的完整性；
② 環(huán)境可接受的生物降解——指有機(jī)物失去了對(duì)環(huán)境有害的特性；
③ 完全降解——在好氧條件下，有機(jī)物被完全無機(jī)化；在厭氧條件下，有機(jī)物被完全轉(zhuǎn)化為CH4、CO2等。
有機(jī)物生物降解性能的分類：
① 易生物降解——易于被微生物作為碳源和能源物質(zhì)而被利用；
② 可生物降解——能夠逐步被微生物所利用；
③ 難生物降解——降解速率很慢或根本不降解。
三、鑒定和評(píng)價(jià)廢水中有機(jī)污染物的好氧生物降解性的方法：
1、水質(zhì)指標(biāo)法：采用BOD5/COD作為有機(jī)物評(píng)價(jià)指標(biāo)。
2、瓦呼儀法：根據(jù)有機(jī)物的生化呼吸線與內(nèi)源呼吸線的比較來判斷有機(jī)物的生物降解性能。測試時(shí)，接種物可采用活性污泥，接種量為1~3 gSS/l；
四、影響有機(jī)物生物降解性能的因素：
1、與化學(xué)物質(zhì)的種類性質(zhì)有關(guān)的因素（化學(xué)組成、理化性質(zhì)、濃度、與它種基質(zhì)的共存）；
2、與微生物的種類、性質(zhì)有關(guān)的因素（微生物的來源、數(shù)量、種屬間的關(guān)系）；
3、與有機(jī)物、微生物所處的環(huán)境有關(guān)的因素（pH值、DO、溫度、營養(yǎng)物等）
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