在厭氧處理過(guò)程中,，廢水中的有機(jī)物經(jīng)大量微生物的共同作用，被最終轉(zhuǎn)化為甲烷,、二氧化碳,、水、硫化氫和氨等,。在此過(guò)程中,，不同微生物的代謝過(guò)程相互影響，相互制約,，形成了復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng),。對(duì)高分子有機(jī)物的厭氧過(guò)程的敘述，有助于我們了解這一過(guò)程的基本內(nèi)容,。

高分子有機(jī)物的厭氧降解過(guò)程可以被分為四個(gè)階段:水解階段,、發(fā)酵(或酸化)階段,、產(chǎn)乙酸階段和產(chǎn)甲烷階段。

(1)水解階段

水解可定義為復(fù)雜的非溶解性的聚合物被轉(zhuǎn)化為簡(jiǎn)單的溶解性單體或二聚體的過(guò)程,。

高分子有機(jī)物因相對(duì)分子量巨大,，不能透過(guò)細(xì)胞膜，因此不可能為細(xì)菌直接利用,。它們?cè)诘谝浑A段被細(xì)菌胞外酶分解為小分子,。例如，纖維素被纖維素酶水解為纖維二糖與葡萄糖,，淀粉被淀粉酶分解為麥芽糖和葡萄糖,，蛋白質(zhì)被蛋白質(zhì)酶水解為短肽與氨基酸等。這些小分子的水解產(chǎn)物能夠溶解于水并透過(guò)細(xì)胞膜為細(xì)菌所利用,。水解過(guò)程通常較緩慢,，因此被認(rèn)為是含高分子有機(jī)物或懸浮物廢液厭氧降解的限速階段。多種因素如溫度,、有機(jī)物的組成,、水解產(chǎn)物的濃度等可能影響水解的速度與水解的程度。水解速度的可由以下動(dòng)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)

(2)發(fā)酵(或酸化)階段

發(fā)酵可定義為有機(jī)物化合物既作為電子受體也是電子供體的生物降解過(guò)程,，在此過(guò)程中溶解性有機(jī)物被轉(zhuǎn)化為以揮發(fā)性脂肪酸為主的末端產(chǎn)物,，因此這一過(guò)程也稱(chēng)為酸化。

在這一階段,，上述小分子的化合物發(fā)酵細(xì)菌(即酸化菌)的細(xì)胞內(nèi)轉(zhuǎn)化為更為簡(jiǎn)單的化合物并分泌到細(xì)胞外,。發(fā)酵細(xì)菌絕大多數(shù)是嚴(yán)格厭氧菌，但通常有約1%的兼性厭氧菌存在于厭氧環(huán)境中,，這些兼性厭氧菌能夠起到保護(hù)像甲烷菌這樣的嚴(yán)格厭氧菌免受氧的損害與抑制,。這一階段的主要產(chǎn)物有揮發(fā)性脂肪酸、醇類(lèi),、乳酸,、二氧化碳、氫氣,、氨,、硫化氫等，產(chǎn)物的組成取決于厭氧降解的條件,、底物種類(lèi)和參與酸化的微生物種群,。與此同時(shí)，酸化菌也利用部分物質(zhì)合成新的細(xì)胞物質(zhì),，因此,，未酸化廢水厭氧處理時(shí)產(chǎn)生更多的剩余污泥。

在厭氧降解過(guò)程中,，酸化細(xì)菌對(duì)酸的耐受力必須加以考慮,。酸化過(guò)程pH下降到4時(shí)能可以進(jìn)行,。但是產(chǎn)甲烷過(guò)程pH值的范圍在6.5~7.5之間，因此pH值的下降將會(huì)減少甲烷的生成和氫的消耗,，并進(jìn)一步引起酸化末端產(chǎn)物組成的改變,。

(3)產(chǎn)乙酸階段

在產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌的作用下，上一階段的產(chǎn)物被進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為乙酸,、氫氣,、碳酸以及新的細(xì)胞物質(zhì)。

其某些反應(yīng)式如下:

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

(4)甲烷階段

這一階段,，乙酸,、氫氣、碳酸,、甲酸和甲醇被轉(zhuǎn)化為甲烷,、二氧化碳和新的細(xì)胞物質(zhì),。

甲烷細(xì)菌將乙酸,、乙酸鹽、二氧化碳和氫氣等轉(zhuǎn)化為甲烷的過(guò)程有兩種生理上不同的產(chǎn)甲烷菌完成,，一組把氫和二氧化碳轉(zhuǎn)化成甲烷,，另一組從乙酸或乙酸鹽脫羧產(chǎn)生甲烷，前者約占總量的1/3,，后者約占2/3,。

最主要的產(chǎn)甲烷過(guò)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(guò)程中，主要的中間產(chǎn)物是甲基輔酶M(CH3-S-CH2-SO3-),。

需要指出的是:一些書(shū)把厭氧消化過(guò)程分為三個(gè)階段,，把第一、第二階段合成為一個(gè)階段,，稱(chēng)為水解酸化階段,。在這里我們則認(rèn)為分為四個(gè)階段能更清楚反應(yīng)厭氧消化過(guò)程。

上述四個(gè)階段的反應(yīng)速度依廢水的性質(zhì)而異,，在含纖維素,、半纖維素、果膠和脂類(lèi)等污染物為主的廢水中,，水解易成為速度限制步驟;簡(jiǎn)單的糖類(lèi),、淀粉、氨基酸和一般蛋白質(zhì)均能被微生物迅速分解,，對(duì)含這類(lèi)有機(jī)物的廢水,，產(chǎn)甲烷易成為限速階段。雖然厭氧消化過(guò)程可分為以上四個(gè)過(guò)程,，但是在厭氧反應(yīng)器中,，四個(gè)階段是同時(shí)進(jìn)行的,，并保持某種程度的動(dòng)態(tài)平衡。該平衡一旦被pH值,、溫度,、有機(jī)負(fù)荷等外加因素所破壞，則首先將使產(chǎn)甲烷階段受到抑制,，其結(jié)果會(huì)導(dǎo)致低級(jí)脂肪酸的積存和厭氧進(jìn)程的異常變化,，甚至導(dǎo)致整個(gè)消化過(guò)程停滯。