帮你区分理解：什么是好氧、厌氧、兼氧污水处理技术？

环保面前，没有旁观者

好氧处理技术出水水质较好，主要应用于处理中低浓度废水或者作为厌氧处理的后续处理，但能耗高。

厌氧处理技术适用于处理高浓度有机废水，逐步成为环境保护、资源利用的核心方法，但是，反应速度较慢，反应器容积较大。

兼氧处理技术可发挥厌氧去除有机物绝对量高、好氧对有机物去除率高的各自优点，提高总体有机物处理效率。兼氧处理技术的发展趋势大致有：兼氧微生物降解有机物的机理、兼氧微生物的分离与培养、提高兼氧微生物处理污染物效能研究、兼氧微生物与其他微生物的相互关系。

在利用兼氧方面，水解酸化工艺居于重要地位，是一个典型工艺，多年来得到广泛应用，为我国的污水处理事业做出了重要贡献。

近年来，兼氧处理技术因能克服好氧处理连续曝气能耗高、厌氧处理条件苛刻等缺点而越来越受到人们的重视。例如，釆用兼氧+好氧生物技术处理屠宰废水效果良好，同时具有污泥量少、投资省、运转费用低、适用范围广的特点。兼氧微生物可将废水中的大分子有机物分解为易生化的小分子有机物,改善废水的可生化性, 为后续好氧处理创造条件, 提高了生化处理的整体效果。目前，对好氧微生物、专性厌氧微生物的研究已比较深入，但对兼氧微生物的研究较薄弱。本文比较此三种技术的原理，梳理技术开发的思路，以期为未来的污水处理技术研发提供借鉴，进一步加强兼氧生物处理技术的研究，提高污水处理效能。

1 好氧处理技术

污水的好氧处理过程见图 1。有机物被微生物摄食之后，通过代谢活动，有机物一方面被分解、稳定，并提供微生物生命活动所需的能量；另一方面被转化、合成为新的原生质（或称细胞质）的组成部分，即微生物自身繁殖生长，这就是污水生物处理中的活性污泥或生物膜的增长部分。

图 1 污水好氧生物处理过程示意图

好氧处理系统中的微生物主要是细菌（以好氧性异养菌为主）和原生动物，此外尚有酵母菌、丝状霉菌、单胞藻类、轮虫、线虫等。细菌占微生物总数的90%，数量约为10⁸~10⁹个/mL，它们是去除水中有机污染物的主力军。最常出现的优势种群是：产碱杆菌属、芽孢杆菌属、黄杆菌属、假单孢菌属、动胶菌属，其次尚有无色杆菌、诺卡氏菌、蛭弧菌、硝化细菌、大肠埃希氏菌等，都是化能异养菌，多数为革兰氏阴性菌，可有效分解废水中的有机污染物。

好氧处理出水水质较好，主要应用于中低浓度废水的处理或者用于厌氧处理的后续处理。但好氧处理要消耗大量的能源，发达国家用于废水处理的能耗已占到全国总电耗的1%左右。厌氧处理技术可较好地弥补这一缺点。

2 厌氧处理技术

追溯厌氧处理技术的起源，甚至要比好氧处理的历史更长。第一篇有记载的报道发表在1881年12月法国《宇宙》杂志，描述了从1860年开始的由法国的Mouras将简易沉淀池改进而来的“Mouras自动净化器”的密闭式反应器。污水的厌氧生物处理全过程见图 2。

依据微生物生理类群的代谢差异，可把厌氧分解的全过程分为三个阶段。如图 2所示：

第一阶段为水解发酵阶段（也称酸化），在此阶段通过兼性水解发酵细菌（产酸菌）的代谢活动，将复杂有机物——碳水化合物、蛋白质和脂类等发酵成为有机酸、醇类、CO2、H2、NH3、H2S等。

第二阶段为产氢产乙酸阶段，通过专性厌氧的产氢产乙酸细菌的生理活动，将第一阶段细菌的代谢产物——丙酸及其他脂肪酸、醇类和某些芳香族酸转化为乙酸、CO2和H2。

第三阶段为产甲烷阶段，由产甲烷菌利用第一和第二阶段产生的乙酸、CO2和H2为主要基质（还有甲酸、甲醇及甲胺）最终转化为CH4+CO2。污水厌氧生物处理过程见图 3。

①发酵性细菌；②产氢产乙酸细菌；③同型产乙酸菌；④利用和的产甲烷菌；⑤分解乙酸的产甲烷菌

图 2 污水的厌氧生物处理全过程

图 3 污水厌氧生物处理过程示意图

参与厌氧生物处理的微生物主要是细菌，可分为非产甲烷细菌（产酸细菌）与产甲烷细菌两大类。非产甲烷细菌主要由专性厌氧菌和兼性厌氧菌组成，大约有18个属，50多种。其中前者主要有梭状芽孢杆菌属（Clostridium）、拟杆菌属（Bacteroides）、双歧杆菌属（Bifidobacterium）、棒杆菌属和放线菌属等。后者主要有变形菌属（Proteus）、假单胞菌属、芽孢杆菌属、链球菌属（Streptococcus）、黄杆菌属、产假杆菌属、产气杆菌属等。

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常见的产甲烷细菌主要有四类：甲烷杆菌属（Methanobacterium）、甲烷球菌属（Methanococcus）、甲烷八叠球菌属（Methanosarcina）、甲烷螺旋菌属（Methanospirillum）。

厌氧处理技术越来越被看做环境保护、资源利用的核心方法，与其他合适的方法相结合，它为发展中国家提供了可持续的适用污水处理系统。但是，厌氧生物处理反应速度较慢，故反应时间长，反应器容积较大。人们一直在探索其他处理技术。

几种工艺的交叉处往往是研究热点，新技术常产生于几种旧工艺的交界处。在自然界，实际还存在一类兼性厌氧微生物（兼氧微生物），它们可在很低的溶解氧条件下生活，经分离，多数以丝状菌为主。可考虑利用兼氧微生物的过渡作用将好氧和厌氧微生物共同放在在同一处理装置中，发挥各自特长，协同处理较高浓度的有机废水（COD在1000~3000 mg/L左右），

3 兼氧处理技术

兼氧微生物在厌氧过程中发挥着巨大作用，其分离筛选方法简单，较易实现规模化生产和应用。因此，利用兼性微生物来强化厌氧处理过程，具有很好的前景。它有以下优点：

1）开辟处理中高浓度有机废水的新方法。一般情况下，好氧法只能处理COD<1000 cod="">10000 mg/L的有机废水，其技术、经济指标更为合理，而兼氧法正好填补这一空缺。

2）由于好氧、兼氧和厌氧微生物共存于一个反应装置中，通过兼氧微生物的桥梁作用，将氧化、氨化、亚硝化、硝化、反硝化等反应在装置中同时进行，提高了氧的利用效率，降低了能耗。

3）可发挥厌氧去除有机物绝对量高、好氧对有机物去除率高的各自优点，而且，由于在兼氧阶段的水解酸化作用，使一些难降解的有机物和微生物尸体等初步分解，相对分子质量降低，可生化性提高，因此，总体有机物处理效率提高。

3.1 吸附-生物降解（AB）工艺

AB工艺与传统活性污泥工艺相比，在处理效率、运行稳定性、工程投资和运行费用等方面具有明显优点，是一种有前途的生物处理技术。

AB法去除有机物的机理比较复杂。城市污水实质上是污染物和微生物群体的共存体，在AB工艺的A段中充分利用原污水中存在的生物动力学潜力。这些微生物具有自发絮凝性，当它们进入A段曝气池后，在A段内原有菌胶团的诱导促进下很快絮凝在一起，絮凝物结构与菌胶团类似。絮凝的同时絮凝物与原有的菌胶团结合在一起，成为A段污泥的组成部分，并具有较强的吸附能力和极好的沉降性能。A段中的悬浮絮凝体对水中悬浮物、胶体颗粒、游离细菌及溶解性物质进行网捕、吸收，使相当多的污染物被裹在悬浮絮凝体中而去除。水中的悬浮固体作为“絮核”，提高了絮凝效果。这是A级去除有机物的主要机理。有机物的绝大部分是以吸附、吸收的形式被去除的，占总去除量的90%左右，而氧化作用只占很小的比例，约占10%左右。

兼氧微生物在A段发挥了重要作用。Bӧhnke在Krefeld污水处理厂进行了试验，A段兼氧运行时，A段出水BOD/COD比值有所上升，这表明A段中一些好氧菌难于降解的物质，变得易于被兼氧微生物降解，这可能是在兼氧运行条件下细菌须寻找其它的质子受体，通过这一效应使难降解的大分子物质变为易降解的小分子化合物。

3.2 水解酸化工艺

水解酸化是我国科研工作者自主创新的技术，多年来得到广泛应用，为我国的污水处理事业做出了重要贡献用。在利用兼氧微生物方面，水解酸化工艺居于重要地位，是一个典型工艺。污水中的污染物按分散体系划分为悬浮状、超胶体、胶体和溶解性四种不同形态。图 4给出了水解酸化法对四种不同物理状态的有机污染物（以COD为例）迁移转化途径。

图 4 四种不同物理状态的有机污染物（以COD为例）的迁移转化途径

水解酸化反应器中两大类微生物（水解、产酸菌）将进水中颗粒物质和胶体物质迅速截留和吸附，这是一个物理过程的快速反应，一般只要几秒钟到几十秒即可完成。截留下来的物质吸附在水解酸化污泥的表面，被缓慢分解代谢，其在系统内的污泥停留时间要大于水力停留时间。在大量水解酸化细菌的作用下将大分子、难于生物降解物质转化为易于生物降解的小分子物质后，重新释放到液体中。在较高的水力负荷下随水流出系统。由于水解和产酸菌世代期较短，往往以分钟和小时计，因此，降解过程迅速。在这一过程中，溶解性BOD、COD的去除率虽然表面上只有10%左右，但是由于颗粒有机物发生水解，增加了系统中溶解性有机物的浓度，因此，溶解性BOD、COD去除率远远大于10%。可以看出，水解酸化反应器集沉淀、吸附、网捕和生物絮凝等物理化学过程，与水解、酸化和甲烷化过程等生物降解功能于一体。

水解酸化处理系统与厌氧处理系统、A²/O和AB工艺A段的优势菌群均有较大差别。在厌氧处理系统中，由于严格控制在厌氧条件下，系统中的优势菌群为专性厌氧菌，完成水解酸化的微生物主要为厌氧微生物。水解酸化工艺控制在兼性条件下，系统中的微生物也是厌氧微生物，但以兼性微生物为主，完成水解酸化过程的微生物相应地主要为厌氧（兼氧）菌。在A²/O和AB工艺A段的的优势均是以好氧菌为主，仅部分兼性菌参加反应，发生部分水解。

水解酸化可提高污水的可生化性，为后续好氧处理创造条件。Wang K.等开发了升流式水解污泥床（HUSB）反应器。出水中含超过9个碳原子（C9）的化合物，特别是芳香族化合物，大多数未检出。出水中的化合物一般包含2-6个碳原子（C 2-C 6），这表明更复杂，有时难溶化合物经水解工艺后更容易生物降解。经水解酸化反应后，有机物的种类并没有减少，相反增加了许多酸性小分子的化合物，是水解、酸化反映的中间产物，容易被微生物降解，提高了BOD₅与COD的比值，污水可生化性有所提高，提高了生化处理的整体效果。

水解酸化工艺为我国的水污染控制做出了积极贡献。全国各地有关部门及行业累计建设了上百座水解-好氧工艺的污水处理厂，如北京市密云县城污水处理厂（4.5万m³/d），河南安阳市豆腐营污水处理厂（1.0万m³/d）、新疆昌吉市污水处理厂（1.5万m³/d）等。另外，国内同行还开发了水解与其他工艺相结合的工艺，用来处理印染、啤酒、屠宰、纺织、化工、焦化、造纸等行业的工业污水。

4 结 论

好氧处理出水水质较好，但要消耗大量能源。厌氧处理技术可回收能源，但反应速度较慢。兼氧处理技术可望发挥重要作用，吸附-生物降解与水解酸化是两种成功运用兼氧微生物的工艺。兼氧微生物降解有机物的机理、兼氧微生物的分离与培养、提高兼氧微生物处理污染物效能研究、兼氧微生物与其他微生物的相互关系。

作者来自北京市环境保护科学研究院、清华大学、北京工业大学。

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