一般來說,廢水中復(fù)雜有機(jī)物物料比較多,通過厭氧分解分四個(gè)階段加以降 　　（1）水解階段：高分子有機(jī)物由于其大分子體積,不能直接通過厭氧菌的細(xì)胞壁,需要在微生物體外通過胞外酶加以分解成小分子.廢水中典型的有機(jī)物質(zhì)比如纖維素被纖維素酶分解成纖維二糖和葡萄糖,淀粉被分解成麥芽糖和葡萄糖,蛋白質(zhì)被分解成短肽和氨基酸.分解后的這些小分子能夠通過細(xì)胞壁進(jìn)入到細(xì)胞的體內(nèi)進(jìn)行下一步的分解. 　　（2）酸化階段：上述的小分子有機(jī)物進(jìn)入到細(xì)胞體內(nèi)轉(zhuǎn)化成更為簡單的化合物并被分配到細(xì)胞外,這一階段的主要產(chǎn)物為揮發(fā)性脂肪酸（VFA）,同時(shí)還有部分的醇類、乳酸、二氧化碳、氫氣、氨、硫化氫等產(chǎn)物產(chǎn)生. 　　（3）產(chǎn)乙酸階段：在此階段,上一步的產(chǎn)物進(jìn)一步被轉(zhuǎn)化成乙酸、碳酸、氫氣以及新的細(xì)胞物質(zhì). 　?。?）產(chǎn)甲烷階段：在這一階段,乙酸、氫氣、碳酸、甲酸和甲醇都被轉(zhuǎn)化成甲烷、二氧化碳和新的細(xì)胞物質(zhì).這一階段也是整個(gè)厭氧過程最為重要的階段和整個(gè)厭氧反應(yīng)過程的限速階段. 　　再上述四個(gè)階段中,有人認(rèn)為第二個(gè)階段和第三個(gè)階段可以分為一個(gè)階段,在這兩個(gè)階段的反應(yīng)是在同一類細(xì)菌體類完成的.前三個(gè)階段的反應(yīng)速度很快,如果用莫諾方程來模擬前三個(gè)階段的反應(yīng)速率的話,Ks（半速率常數(shù)）可以在50mg/l以下,μ可以達(dá)到5KgCOD/KgMLSS.d.而第四個(gè)反應(yīng)階段通常很慢,同時(shí)也是最為重要的反應(yīng)過程,在前面幾個(gè)階段中,廢水的中污染物質(zhì)只是形態(tài)上發(fā)生變化,COD幾乎沒有什么去除,只是在第四個(gè)階段中污染物質(zhì)變成甲烷等氣體,使廢水中COD大幅度下降.同時(shí)在第四個(gè)階段產(chǎn)生大量的堿度這與前三個(gè)階段產(chǎn)生的有機(jī)酸相平衡,維持廢水中的PH穩(wěn)定,保證反應(yīng)的連續(xù)進(jìn)行. 　　三 水解反應(yīng) 　　水解可定義為復(fù)雜的非溶解性的聚合物被轉(zhuǎn)化成簡單的溶解性單體和二聚體的過程.水解反應(yīng)針對不同的廢水類型差別很大,這要取決于胞外酶能否有效的接觸到底物.因此,大的顆粒比小顆粒底物要難降解很多,比如造紙廢水、印染廢水和制藥廢水的木質(zhì)素、大分子纖維素就很難水解. 　　水解速度的可由以下動力學(xué)方程加以描述： 　　ρ=ρo/(1+Kh.T) 　　ρ ——可降解的非溶解性底物濃度（g/l）； 　　ρo———非溶解性底物的初始濃度（g/l）； 　　Kh——水解常數(shù)（d－1）； 　　T——停留時(shí)間（d）. 　　一般來說,影響Kh的因素很多,很難確定一個(gè)特定的方程來求解Kh,但我們可以根據(jù)一些特定條件的Kh,反推導(dǎo)出水解反應(yīng)器的容積和最佳反應(yīng)條件.在實(shí)際工程實(shí)施中,有條件的話,最好針對要處理的廢水作一些Kh的測試工作.通過對國內(nèi)外一些報(bào)道的研究,提出在低溫下水解對脂肪和蛋白質(zhì)的降解速率非常慢,這個(gè)時(shí)候,可以不考慮厭氧處理方式.對于生活污水來說,在溫度15的情況下,Kh=0.2左右.但在水解階段我們不需要過多的COD去除效果,而且在一個(gè)反應(yīng)器中你很難嚴(yán)格的把厭氧反應(yīng)的幾個(gè)階段區(qū)分開來,一旦停留時(shí)間過長,對工程的經(jīng)濟(jì)性就不太實(shí)用.如果就單獨(dú)的水解反應(yīng)針對生活污水來說,COD可以控制到0.1的去除效果就可以了. 　　把這些參數(shù)和給定的條件代入到水解動力學(xué)方程中,可以得到停留水解停留時(shí)間： 　　T=13.44h 　　這對于水解和后續(xù)階段處于一個(gè)反應(yīng)器中厭氧處理單元來說是一個(gè)很短的時(shí)間,在實(shí)際工程中也完全可以實(shí)現(xiàn).如果有條件的地方我們可以適當(dāng)提高廢水的反應(yīng)溫度,這樣反應(yīng)時(shí)間還會大大縮短.而且一般對于城市污水來說,長的排水管網(wǎng)和廢水中本生的生物多樣性,所以當(dāng)廢水流到廢水處理場時(shí),這個(gè)過程也在很大程度上完成,到目前為止還沒有看到關(guān)于水解作為生活污水厭氧反應(yīng)的限速報(bào)道. 　　四 發(fā)酵酸化反應(yīng) 　　發(fā)酵可以被定義為有機(jī)化合物既作為電子受體也作為電子供體的生物降解過程,在此過程中有機(jī)物被轉(zhuǎn)化成以揮發(fā)性脂肪酸為主的末端產(chǎn)物. 　　酸化過程是由大量的、多種多樣的發(fā)酵細(xì)菌來完成的,在這些細(xì)菌中大部分是專性厭氧菌,只有1%是兼性厭氧菌,但正是這1%的兼性菌在反應(yīng)器受到氧氣的沖擊時(shí),能迅速消耗掉這些氧氣,保持廢水低的氧化還原電位,同時(shí)也保護(hù)了產(chǎn)甲烷菌的運(yùn)行條件. 　　酸化過程的底物取決于厭氧降解的條件、底物種類和參與酸化的微生物種群.對于一個(gè)穩(wěn)態(tài)的反應(yīng)器來說,乙酸、二氧化碳、氫氣則是酸化反應(yīng)的最主要產(chǎn)物.這些都是產(chǎn)甲烷階段所需要的底物. 　　在這個(gè)階段產(chǎn)生兩種重要的厭氧反應(yīng)是否正常的底物就是揮發(fā)性脂肪酸（VFA）和氨氮.VFA過高會使廢水的PH下降,逐漸影響到產(chǎn)甲烷菌的正常進(jìn)行,使產(chǎn)氣量減小,同時(shí)整個(gè)反應(yīng)的自然堿度也會較少,系統(tǒng)平衡PH的能力減弱,整個(gè)反應(yīng)會形成惡性循環(huán),使得整個(gè)反應(yīng)器最終失敗.氨氮它起到一個(gè)平衡的作用,一方面,它能夠中和一部分VFA,使廢水PH具有更大的緩沖能力,同時(shí)又給生物體合成自生生長需要的營養(yǎng)物質(zhì),但過高的氨氮會給微生物帶來毒性,廢水中的氨氮主要是由于蛋白質(zhì)的分解帶來的,典型的生活污水中含有20-50mg/l左右的氨氮,這個(gè)范圍是厭氧微生物非常理想的范圍. 　　另外一個(gè)重要指標(biāo)就是廢水中氫氣的濃度,以含碳17的脂肪酸降解為例： 　　CH3(CH2)15COO-+14H2O—> 7CH3COO-+CH3CH2COO-+7H++14 　　脂肪酸的降解都會產(chǎn)生大量的氫氣,如果要使上述反應(yīng)得以正常進(jìn)行,必須在下一反應(yīng)中消耗掉足夠的氫氣,來維持這一反應(yīng)的平衡.如果廢水的氫氣指標(biāo)過高,表明廢水的產(chǎn)甲烷反應(yīng)已經(jīng)受到嚴(yán)重抑制,需要進(jìn)行修復(fù),一般來說氫氣濃度升高是伴隨PH指標(biāo)降低的,所以不難監(jiān)測到廢水中氫氣的變化情況,但廢水本身有一定的緩沖能力,所以完全通過PH下降來判斷氫氣濃度的變化有一定的滯后性,所以通過監(jiān)測廢水中氫氣濃度的變化是對整個(gè)反應(yīng)器反應(yīng)狀態(tài)一個(gè)最快捷的表現(xiàn)形式. 　　五 產(chǎn)乙酸反應(yīng) 　　發(fā)酵階段的產(chǎn)物揮發(fā)性脂肪酸VFA在產(chǎn)乙酸階段進(jìn)一步降解成乙酸,其常用反應(yīng)式如以下幾種： 　　CH3CHOHCOO-+2H2O —> CH3COO-+HCO3-+H++2H2 ΔG’0=-4.2KJ/MOL 　　CH3CH2OH+H2O－> CH3COO-+H++2H2O ΔG’0=9.6KJ/MOL 　　CH3CH2CH2COO-+2H2O－> 2CH3COO-+H++2H2 ΔG’0=48.1KJ/MOL 　　CH3CH2COO-+3H2O－> CH3COO-+HCO3-+H++3H2 ΔG’0=76.1KJ/MOL 　　4CH3OH+2CO2－> 3CH3COO-+2H2O ΔG’0=-2.9KJ/MOL 　　2HCO3-+4H2+H+－>CH3COO-+4H2O ΔG’0=-70.3KJ/MOL 　　從上面的反應(yīng)方程式可以看出,乙醇、丁酸和丙酸不會被降解,但由于后續(xù)反應(yīng)中氫的消耗,使得反應(yīng)能夠向右進(jìn)行,在一階段,氫的平衡顯得更加重要,同時(shí)后續(xù)的產(chǎn)甲烷過程為這一階段的轉(zhuǎn)化提供能量.實(shí)際上這一階段和前面的發(fā)酵階段都是由同一類細(xì)菌完成,都在細(xì)菌體內(nèi)進(jìn)行,并且產(chǎn)物排放到水體中,界限并沒有十分清楚,在設(shè)計(jì)反應(yīng)器時(shí),沒有足夠的理由把他們分開. 　　六 產(chǎn)甲烷反應(yīng) 　　在厭氧反應(yīng)中,大約有70%左右的甲烷由乙酸歧化菌產(chǎn)生,這也是這幾個(gè)階段中遵循莫諾方程反應(yīng)的階段. 　　另一類產(chǎn)生甲烷的微生物是由氫氣和二氧化碳形成的.在正常條件下,他們大約占30%左右.其中約有一般的嗜氫細(xì)菌也能利用甲酸產(chǎn)生甲烷.最主要的產(chǎn)甲烷過程反應(yīng)有： 　　CH3COO-+H2O－>CH4+HCO3- ΔG’0=-31.0KJ/MOL 　　HCO3-+H++4H2－>CH4+3H2O ΔG’0=-135.6KJ/MOL 　　4CH3OH－>3CH4+CO2+2H2O ΔG’0=-312KJ/MOL 　　4HCOO-+2H+－>CH4+CO2+2HCO3- ΔG’0=-32.9KJ/MOL 　　在甲烷的形成過程中,主要的中間產(chǎn)物是甲基輔酶M（CH3-S-CH2-SO3-）.這個(gè)過程可用以下圖示所標(biāo)： 　　
在甲基輔酶M還原成甲烷的過程中,需要作用非常重要的甲基還原酶,其中含有重要的金屬離子Ni+.這對生活污水來說是比較缺乏微量金屬離子,所以在生活污水的厭氧生物處理過程中補(bǔ)充一定的微量金屬離子是非常必要的. 　　七 低濃度廢水反應(yīng)速率的選擇 　　以生活污水為例,一般來說影響廢水厭氧反應(yīng)速率的因素有很多,包括反應(yīng)溫度、廢水的毒性、原水基質(zhì)濃度、原水的PH值、傳質(zhì)效率、營養(yǎng)物質(zhì)的平衡、微量元素的催化作用等等.對于生活污水來說,影響比較大的因素有反應(yīng)溫度、原水的基質(zhì)濃度、傳質(zhì)效率以及微量元素的催化.因?yàn)樯钗鬯臓I養(yǎng)比和PH值被公認(rèn)為非常適合生物的生長的.在前面的敘述中,已經(jīng)提及了厭氧反應(yīng)的前三個(gè)階段對于生活污水來說,很快就可以完成,尤其水解階段,不存在傳質(zhì)的限制,同時(shí)通常長距離的管網(wǎng)也給水解提供了足夠的時(shí)間.因此我們提出的厭氧處理低濃度廢水設(shè)計(jì)思想中,主要考慮產(chǎn)甲烷過程作為限速步驟. 　　由于產(chǎn)甲烷階段遵循莫諾方程,整個(gè)速率的確定以莫諾方程為基礎(chǔ).在上式中,很難把總體反應(yīng)的Ks值估算出來,因?yàn)樗艿降挠绊懸蛩睾芏?對于不同類型的廢水差別很大.對于生活污水來說可以根據(jù)不同的單個(gè)因素影響列成很多分式莫諾方程,最后各式相乘再加上修正系數(shù),這個(gè)方程可以得出比較接近的Ks值,作為厭氧處理生活污水時(shí)的參考設(shè)計(jì)數(shù)據(jù). 　　具體思想如下： 　　1、假定條件：a、厭氧處理該污水過程中主要受溫度、傳質(zhì)速率、基質(zhì)濃度以及微量元素的影響；b、微量元素可以通過外界條件的干預(yù)給予補(bǔ)充；c、反應(yīng)器為一體化反應(yīng)器；d、產(chǎn)甲烷單元反應(yīng)也近似遵循莫諾方程.