介紹厭氧預處理對曝氣耗氧量的削減作用和機理
厭氧穩定是由一類非貯磷菌屬的兼性厭氧菌發酵反應的結果，是一種脫氫氧化行為。厭氧穩定削減的曝氣耗氧量可達20%～30%。厭氧穩定對含糖比大，有機物濃度高的污水較為合適。從削減曝氣耗氧量的角度出發，厭氧穩定應是一個有利于產生并釋放H2和CO2的過程，這個過程應促進NAD的再氧化并避免降解產物的還原。
為控制水污染的日益加劇，目前國內正大舉興建城鎮污水處理廠。這是一項保證國民經濟可持續發展的戰略舉措，但也是一項只見投入，不見直接產出的公益行為。其不僅需要投入大筆的基建資金，而且還要付出可觀的運轉費用。一些地方大力籌資建成了污水處理廠，但卻因難以承擔運轉費用而不能充分發揮環境效益。因此，降低能耗，節約運轉費用對發展城鎮污水處理事業具有舉足輕重的作用。
在常規城鎮污水處理中，曝氣供氧的能耗最大，約占全廠總能耗的50%。因此，降低曝氣耗氧量是節約運轉費用的首要環節。降低曝氣耗氧量的途徑有兩條：第一，前置預處理設施，削減進入曝氣區的耗氧量；第二，優選運行條件和擴散裝置，提高氧利用率。本文將就前者作進一步的探討。
1厭氧預處理對曝氣耗氧量的削減作用
在A/O、A2/O系統中，厭氧區可去除水中大部分有機物。過去，一直將這種現象主要歸因于貯磷菌的吸收和貯存PHB的作用。因PHB是過渡產物，在好氧區將作為碳源而被氧化。故這一過程并不削減后續的曝氣耗氧量。然而，近年來的理論和實踐都證明，厭氧區不僅具有吸收和貯存基質的功能，而且還產生脫氫氧化作用，并可大幅度削減繼后的曝氣耗氧量。
1.1早先的發現和實踐的證明
早在1983年，Lan等就發現在曝氣區前設置一個厭氧區，可降低曝氣區50%的耗氧量。繼后，Randall等(1984～1987年)多次證實了這一發現，并將這一現象命名為“厭氧穩定”。Bordacs等(1988年)在曝氣區前加了一只厭氧選擇器，平均降低了30%的曝氣耗氧量。其降低幅度與F/M(BOD/MLVSS)有關：當F/M為0.2時，降低36%，當F/M為0.8時，降低20%。王凱軍等(1988年)將初沉池改成厭氧池，厭氧反應1.67～2.5 h后，曝氣耗氧量降低約50%。McClintock等[3](1993年)應用A2/O 工藝與常規活性污泥法進行對比研究，前者厭氧、缺氧反應各1h，在同等的除氮效果下，A2/O 工藝所需的曝氣時間由3.2h縮短至1.7h，曝氣耗氧量降低近1/2。
1.2氧平衡計算的結果
所謂厭氧穩定是指在厭氧過程中，有機物完全氧化或還原成氣態尾產物釋放，既不是轉化為菌體隨污泥排出，也不是轉化為潛在的耗氧物在系統內外繼續耗氧，是一種脫氫氧化行為。在A/O、A2/O系統中，除厭氧穩定作用而外，還存在兩項可削減曝氣耗氧量的因素，即：反硝化和排泥。為排除這兩項因素的干擾，Randall等應用物料氧平衡法對三項研究成果進行了評估。在氧平衡計算時，用氧當量表示有機物，統一進行量化。從全系統去除的COD氧當量中，扣除反硝化增補的和排泥損失的氧當量，則可計算出厭氧穩定的氧當量，及由此而削減的曝氣耗氧量。第一項研究應用A/O工藝，厭氧反應1.7h，曝氣3.9h。通過投藥法抑制硝化作用的發生，免除反硝化增氧的干擾？鄢拍鄮ё叩难醍斄，測算出厭氧穩定削減的曝氣耗氧量占23%～48%。第二項研究應用A2/O工藝，厭氧、缺氧、好氧反應的時間分別為1.3h、2.1h、6.9h，扣除反硝化增補的和排泥損失的氧當量，得出厭氧穩定削減的曝氣耗氧量為23%～27%。第三項研究Ａ2/O工藝與普通活性污泥法的平行對比試驗，A2/O系統的厭氧、缺氧、好氧反應時間分別為2h、2h、4h，普通活性污泥法的曝氣時間為8h。結果為：厭氧穩定削減了8%～27%的曝氣耗氧量，A2/O工藝比普通活性污泥法降低23.2%～37.3%曝氣耗氧量。
2厭氧穩定削減曝氣耗氧量的機理
厭氧預處理可削減曝氣耗氧量的發現已得到國內外大量科研成果和生產實踐的證明。但對其機理卻眾說紛紜，認識不一。占優勢的說法是，貯磷菌細胞內貯存過量的PHB，未經氧化而以污泥形態排出系統；也有人將其歸因于厭氧還原產生CH4和H2S的釋放。近年來的研究證明，這兩種說法均科學依據不足。
2.1貯磷菌貯存過量的PHB流失的可能性這方面存在兩種觀點：第一，認為貯磷菌貯存PHB是厭氧反應的主導作用；第二，認為污泥中含有過量的PHB。在厭氧條件下，吸收并貯存PHB的主要是一類小型陰性短桿菌(Acinetobacter)也稱除磷菌。這類菌在厭氧條件下僅能利用醇、酸等低分子有機物合成PHB，而不能直接利用糖類等復雜物。其對乙酸的親合性特別強，只要水中有乙酸存在，無論在厭氧、缺氧或好氧條件下，也不管污泥處于循環周期的何種狀態，貯磷菌就要釋放磷而吸收乙酸。此外，必須指出，貯磷菌也是一類活性差、增殖慢、競爭力弱的菌屬，其對環境條件有一定的要求和選擇性，在A/O、A2/O系統中，將與其他菌種發生競存和篩選作用。
近年來的研究表明，在厭氧條件下，除貯磷菌而外，還存在另一類能吸收并貯存有機物的非貯磷菌。兩類菌既可共存又有競爭。Jakub等曾做了這樣一個試驗，在葡萄糖和乙酸各50%的基質中，接種非貯磷菌。從0天～23天內，A/O系統的貯磷菌接近于零，但隨著時間的推移，貯磷菌逐漸增加，而非貯磷菌相應減少，至131天后，兩類菌數量相近。在整個試驗過程中，不管兩類菌種的比例如何演變，厭氧區出水的可溶性COD均很低，且變幅甚小。結果表明，非貯磷菌同樣具有吸收并貯存乙酸等有機物的能力。然而，非貯磷菌以何種形態吸收并貯存有機物，是PHB、PHA、糖類，還是其他物質，目前所知甚少。
基于上述，在厭氧區貯磷菌和非貯磷菌均能吸收并貯存大量有機物。為深究這些貯存物的演變和最終產物，一些學者進行了探索。劉延華等在以乙酸為基質的試驗中測出：厭氧終端污泥的PHB高達200mg/L，而在好氧結束時，降至20 mg/L；在以葡萄糖為基質時，污泥的PHB始終處于40 mg/L的低水平，變幅甚小。Randall等對三項研究排泥的氧當量測定值為：第二、第三項研究排泥的氧當量為1.42 mg/(mg MLVSS)；第四項研究中，A2/O工藝排泥的氧當量為1.34mg/(mg MLVSS)，普通活性污泥為1.30mg/(mg MLVSS)。這些測定值與標準值1.42mg/(mg MLVSS)相等或接近。據此推測，排泥中的PHB等細胞貯存物數量甚微，不足以對曝氣耗氧量產生重大的影響。
2.2產生CH4、H2S所起的作用
在厭氧條件下，必然有甲烷菌存在并產生CH4。但一般的A/O、A2/O系統均在常溫下運行，且MCRT較短(10天～20天)。這種環境條件不利于甲烷菌的增殖和代謝活動。雖然甲烷化能消耗一部分有機物，但不可能產生大幅度削減曝氣耗氧量的結果。Wable(1992年)曾對一A2/O系統的尾氣進行監測，未檢出CH4，但該系統仍發生厭氧穩定作用。此外，在Randall等的第二、第四項研究中，雖發現一些還原硫化物，但數量甚微，這一過程消耗的有機物在氧平衡計算中所占比例甚小。
2.3厭氧穩定的機理
如前所述，厭氧穩定既不能歸因于細胞貯存過量的PHB等有機物的流失，也不是由于產生CH4和H2S的釋放。其實這是由廣泛存在，但被忽視的糖類發酵反應所引起。提起發酵反應，一般認為僅是將復雜的、大分子有機物降解為簡單的、小分子有機物，發酵過程產生的氫以降解物或氧化物為受體，不排出系統。因此，發酵產物的COD與原基質相等，不導致削減COD的效果。這種認識只看到了發酵反應的一個側面，而忽視了更為重要的方面。發酵反應是由多種微生物參與、反應途徑多種多樣的復雜過程。其中既有脫氫氧化作用，又有加氫還原作用。發酵產物既可能是甲、乙、丙、丁、乳酸，也可能是醇類。發酵途徑和產物隨著環境條件和優勢菌種的變化而變化。近年來的研究證明，在A/O、A2/O系統中，有許多兼性厭氧菌能在降解糖類時釋放出H2和CO2，從而削減了系統的COD總量。按經典的EM代謝途徑，1 mol C6H12O6首先無氧酵解為2 mol的CH3COCOOH。在厭氧條件下，CH3COCOOH既可能加氫產生丙、丁、乳酸和醇類，也可能脫氫產生乙酸。CH3COCOOH脫氫發酵的途徑多種多樣，目前已知的主要有兩條：
(1) 1 mol的CH3COCOOH 分裂成各1mol的CH3COOH和HCOOH。HCOOH 在脫氫酶的作用下氧化成H2和CO2。其反應式為：
CH3COCOOH+H2O? CH3COOH+HCOOH(1)
HCOOH? H2+CO2(2)
參與這一反應過程的微生物主要有：Escherichia， Enterobacter， Proteus 菌屬，及Aeromonas， Beneckea， Photobacterium菌屬的一部分。
(2) CH3COCOOH 直接降解為CH3COOH和H2、CO2。其反應式為：
CH3COCOOH+H2O? CH3COOH+H2+CO2(3)
參與這一反應過程的微生物屬于產芽孢菌，如：Clostridium， Bacillus等。這類微生物也能使丙、丁、乳酸和醇類脫氫氧化。
糖類脫氫發酵的總反應式為：
C6H12O6+2H2O? 2CH3COOH+4H2+2CO2(4)
從(4)式可算出，1 mol C6H12O6降解為CH3COOH，需氧量降低33%，如扣除排泥帶走的氧當量，則削減的耗氧量約50%。這條發酵途徑的結果與實踐中厭氧穩定削減的曝氣耗氧量相近。
3影響厭氧穩定的因素
影響厭氧穩定的因素主要有：原水含糖比、原水有機物濃度、MCRT、F/M、MLVSS等。
3.1原水含糖比
發酵反應的對象是糖類等復雜的有機物，原水含糖比對厭氧穩定的影響最大。Randall等在其第二項研究中，曾以乙酸取代葡萄糖為基質，結果引起厭氧穩定效果的急劇下降。在MCRT為3天時，削減的曝氣耗氧量接近于零。
3.2原水有機物濃度
Randall等[1]在研究中發現，原水有機物濃度也對厭氧穩定效果產生重大的影響。應用相對較稀的腐化池出水作試驗，當原水COD＜190 mg/L時，厭氧穩定效果接近于零。但隨著原水COD的提高而直線上升。
3.3MCRT、F/M、MLVSS
這是三項互相關聯的影響因素。Randall等[1]在第四項研究中，將MCRT由5天提高到15天時，厭氧穩定削減的曝氣耗量由8%～18%上升至12%～27%，升幅達50%。而與此相應的是：MLVSS由1000mg/L上升至2000mg/L，F/M由0.2kgCOD/kg MLVSS降低至0.1mgCOD /kg MLVSS。結果提示，過低的MCRT將導致MLVSS下降、F/M上升，從而削弱厭氧穩定效果。
4結束語
厭氧穩定是由一類非貯磷菌屬的兼性厭氧菌發酵反應的結果，是一種脫氫氧化行為。厭氧穩定削減的曝氣耗氧量可達20%～30%。厭氧穩定對含糖比大，有機物濃度高的污水較為合適。從削減曝氣耗氧量的角度出發，厭氧穩定應是一個有利于產生并釋放H2和CO2的過程，這個過程應促進NAD的再氧化并避免降解產物的還原。然而，迄今為止，有關厭氧穩定的理論知識仍相當貧乏，實踐經驗更是不足。如何優化篩選參與厭氧穩定的微生物，如何優化厭氧穩定的運行條件，如何將厭氧穩定與除氮、磷作用有機結合等一系列課題，都有待今后研究和探討。
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