厌氧 - 好氧组合工艺处理化工有机废水的参数优化及微生物群落特征研究

引言

化工行业在生产过程中产生的有机废水含有大量苯系物、酚类、酯类等难降解有机物，若未经有效处理直接排放，会对水环境造成严重污染。随着环保要求日益严格，化工有机废水的达标处理成为行业可持续发展的关键问题。厌氧 - 好氧组合工艺通过厌氧阶段降解复杂有机物、好氧阶段深度去除污染物，实现了 “高效降解 - 深度净化” 的协同作用，在高浓度有机废水处理中表现出显著优势。目前该工艺在实际应用中存在参数设置不合理、微生物活性低等问题，影响处理效率稳定性。本文通过实验优化厌氧 - 好氧组合工艺关键参数，分析不同阶段微生物群落特征，揭示工艺参数与微生物群落结构的关联机制，旨在提升化工有机废水处理效率，为该工艺的工程应用提供科学参考。

一、厌氧 - 好氧组合工艺参数优化研究

（一）厌氧阶段关键参数优化

厌氧阶段作为工艺的预处理核心，其参数设置直接影响有机物降解效率。实验以某化工园区有机废水为处理对象（初始 COD 浓度 8000-12000mg/L ），重点优化水力停留时间（HRT）、pH 值和有机负荷三个关键参数。结果表明，当厌氧 HRT 为 48h 时，COD 去除率可达 65%-70% ，过短的 HRT 会导致有机物降解不充分，过长则增加处理成本；厌氧系统最佳 pH 控制在 6.8-7.2，此范围内产甲烷菌活性最高，酸性或碱性过强均会抑制微生物代谢；有机负荷控制在3.5-4.5kgCOD/(m³⋅d) 时，系统运行稳定，超负荷易导致挥发性脂肪酸积累，破坏厌氧环境。通过正交实验确定厌氧阶段最优参数组合：HRT=48h、 pH=7.0 、有机负荷 =4.0kgCOD/(m³⋅d) ，此时厌氧出水 COD 降至 2500-3000mg/L ，为后续好氧处理奠定基础。在此基础上，进一步考察温度对厌氧阶段的影响，发现适宜温度维持在 30-35^∘ C 时，微生物代谢活性最佳，有利于提升有机物降解速率。同时，通过引入颗粒污泥技术，增强厌氧系统的稳定性和抗冲击负荷能力，使得厌氧处理效果更为显著。

（二）好氧阶段关键参数优化

好氧阶段主要负责去除厌氧出水残留的有机物及氨氮等污染物，重点优化溶解氧（DO）浓度、污泥龄（SRT）和曝气方式。实验结果显示，DO 浓度对好氧处理效果影响显著，当 DO 控制在 2-3mg/L 时，活性污泥微生物代谢旺盛，COD 去除率可达 85% 以上；DO 过高会增加能耗并抑制好氧菌活性，过低则导致缺氧环境，影响降解效率。好氧系统最佳污泥龄为 15-20d，此时污泥沉降性能良好，微生物群落结构稳定；污泥龄过短会导致硝化菌流失，过长则易引发污泥膨胀。采用间歇曝气方式可减少能耗 30% ，同时避免局部缺氧问题。综合优化后好氧阶段最优参数为： D0=2.5mg/L 、SRT=18d、间歇曝气（曝气 2h 停1h），此时最终出水 COD 可降至 100mg/L 以下，达到国家排放标准。

二、微生物群落结构及功能特征分析

（一）厌氧阶段微生物群落特征

采用高通量测序技术对厌氧反应器活性污泥进行分析，结果显示微生物群落主要由厌氧菌和兼性厌氧菌组成，优势菌门包括拟杆菌门（Bacteroidetes）、厚壁菌门（Firmicutes）和古菌域（Euryarchaeota），相对丰度分别为 32.5% 、28.3% 和 15.7%_⋅ 。优势菌种包括产甲烷丝菌（Methanothrix）、梭菌（Clostridium）和脱硫弧菌（Desulfovibrio），其中产甲烷丝菌负责将乙酸转化为甲烷，梭菌可降解复杂有机物为小分子脂肪酸，脱硫弧菌参与硫酸盐还原过程。在最优参数条件下，厌氧微生物群落多样性指数（Shannon 指数）为 3.82，较未优化前提升 18.6% ，表明参数优化改善了微生物生存环境，提高了群落丰富度和均匀度，为高效降解有机物提供了生物基础。

（二）好氧阶段微生物群落特征

好氧反应器活性污泥中微生物群落以好氧菌为主，优势菌门为Proteobacteria（ 42.6% ）、Actinobacteria（ 21.3% ） 和 Bacteroidetes（ 18.5% ）。 优势功能菌包括硝化细菌（Nitrospira）、假单胞菌（Pseudomonas）和芽孢杆菌（Bacillus），硝化细菌可将氨氮转化为硝酸盐，假单胞菌能降解芳香族化合物，芽孢杆菌具有较强的有机物分解能力。好氧阶段微生物群落多样性指数（Shannon 指数）为 4.15，高于厌氧阶段，表明好氧环境更适合多种微生物生存。在优化后的溶解氧和污泥龄条件下，功能菌丰度显著提高，其中硝化细菌相对丰度从 8.7% 提升至 15.2% ，增强了系统的脱氮能力，体现了参数优化对微生物功能的调控作用。

三、工艺应用成效与展望

（一）工艺处理效果验证

在最优参数条件下进行连续运行实验，结果显示厌氧 - 好氧组合工艺对化工有机废水的 COD 去除率稳定在 92%-95% ，BOD5 去除率达 94% ，氨氮去除率达 88% ，出水各项指标均满足《化工行业水污染物排放标准》（GB 13456-2012）要求。与单一厌氧工艺相比，COD 去除率提升 25% ；与单一好氧工艺相比，能耗降低 30% ，体现了组合工艺的协同优势。工艺运行过程中污泥沉降性能良好，SVI 值稳定在 100-150mL/g ，未出现污泥膨胀现象，表明微生物群落结构稳定，工艺抗冲击负荷能力较强。

（二）研究展望

未来研究可从三方面深入：一是开发智能化参数调控系统，实现实时监测和动态调整，提高工艺稳定性；二是通过生物强化技术接种高效降解菌，提升对难降解有机物的降解效率；三是结合代谢组学分析微生物代谢路径，揭示污染物降解的分子机制。厌氧 - 好氧组合工艺在化工有机废水处理中具有广阔应用前景，通过持续优化和技术创新，可进一步降低处理成本，提升环境效益。

结论

厌氧 - 好氧组合工艺通过参数优化可实现化工有机废水的高效处理，最优工艺参数为：厌氧阶段 HRT=48h、pH=7.0、有机负荷 =4.0kgCOD/(m³⋅d) ；好氧阶段 DO=2.5mg/L、SRT=18d、间歇曝气。优化后系统 COD 去除率达 92% 以上，出水水质达标。微生物群落分析表明，厌氧阶段拟杆菌门、厚壁菌门和产甲烷古菌及好氧阶段 Proteobacteria、Actinobacteria 为优势菌群，功能菌协同作用保障了污染物的高效降解。该研究为化工有机废水的低成本、高效率处理提供了技术支撑和理论参考。

参考文献

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[3] 张树军，李小明，曾光明。高浓度有机废水厌氧 - 好氧处理技术研究进展 [J]. 环境工程学报，2022, 16 (5): 1423-1435.