水解阶段是非溶性的大分子化合物被转化为简单的小分子化合物或单体的过程。大分子有机化合物相对分子质量都比较大,不能被微生物直接吸收利用。这些大分子的有机化合物首先在被转化为小分子化合物,这些小分子化合物就很容易被微生物利用。通常水解反应过程可用下式表示。
R-X + H2O—>R-OH + X-+H+
式中:R-有机物分子的碳链主体 X-分子中的极性基团 二、发酵阶段
在发酵过程中,发酵微生物首先将小分子化合物转化为简单的物质,分泌到细胞外。因此，这一过程也称为酸化阶段。这一阶段的最终产物主要有挥发性脂肪酸（VFA）、二氧化碳、氧气、氨、硫化氢等气体物质。同时,厌氧发酵过程中，微生物也会合成新细胞进行自身的增殖,所以系统会产生剩余污泥。一般的底物在进行酸化反应时,部分氨基酸的分解是通过所谓的史提克兰德反应进行的,该反应需要两种氨基酸的参与,或者说它需要和其他分子同时进行反应,其中一个氨基酸分子进行氧化脱氮,同时产生H+使另外一种氨基酸的两个分子还原,两个过程都有脱氧基的作用。以丙氨酸和甘氨酸的降解为例来说明它们就需要这种偶联反应。
CH3CHNH2C00H+2H20—>CH3COOH+CO2+NH3+4H+
2CH2NH2COOH+4H+—>2CH3COOH+2NH4
即为:
CH3CHNH2COOH+2CH2NH2COOH+2H2O—>3CH3COOH+3NH4+CO2
这里丙氨酸作为电子的供体,甘氨酸作为电子的受体。而丙氨酸和甘氨酸都是有机物,却一个作为电子供体,另一个作为电子受体。这一特点说明,酸化反应过程是一个不稳定并且没有进行到底的过程。
三、产乙酸阶段
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发酵阶段的最终产物在产乙酸菌的作用下被进一步转化为CH3COOH、H2、碳酸和新的细胞物质。这些微生物能把各种VFA降解为乙酸和氢气。其反应如下
[16]
:
CH3CH2OH+H2O—>CH3COOH+2H2 CH3CH2COOH+2H20—>CH3COOH+3H2+C02 CH3CH2COOH+2H2O—>2CH3COOH+2H2
四、产甲烷阶段
在这一阶段过程中,产甲烷微生物将CH3COOH、H2、碳酸、甲酸和甲醇等转
化为甲烷、二氧化碳和新的细胞物质。有些细菌能够直接利用乙酸产生甲烷,在一般的厌氧反应器中,由乙酸分解产生的甲烷和由氢气分解产生的甲烷的比例为7:3。
利用乙酸:
CH3COOH4—>CH4+CO2
利用 H2 和 C02 : H2+C02—>CH4+H20
上述4个阶段还包含以下过程:(a)蛋白质、碳水化合物的和脂类发生变化是在水解阶段发生的;(b)氨基酸和糖类的氧化、高级脂肪酸和醇类的氧化发生在厌氧发酵阶段;(C)产乙酸阶段包含从中间产物中形成CH3COOH和H2,由H2和C02形成CH3COOH; (d)产甲烷阶段包括由CH3COOH形成甲烷和从H2和C02形成甲烷。
2.2厌氧发酵过程的特点
2.2.1厌氧生物处理技术的优点
(1)厌氧生物处理能够减少环境污染。能够大幅度降低废水中的COD、BOD的含量,减少水体富营养化；厌氧消化可以杀灭病原菌、微生物虫卵；减少蚊绳的繁殖效率,避免了疾病的传播。
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(2)厌氧生物处理产生的污泥量较少、剩余污泥脱水性能好、浓缩时可以不使用脱水剂等优点,因此,厌氧生物处理工艺受到广泛应用。
(3)厌氧处理工艺可产生无污染的能源沼气作为燃料使用;沼气燃烧后的产物是水,因此对环境无污染。
(4)厌氧生物处理可以把难被微生物吸收的有机氮转化成氨或确酸盐,从而提高营养成分的利用率。
(5)厌氧生物处理后的沼澄、沼液施用到土壤中可以改良土壤、增加农作物的产量。
(6)高浓度的有机废水也可以用厌氧生物技术来处理。且不需要大量水稀释。 (7)厌氧生物处理可以节省费用。 2.2.2厌氧生物处理技术的缺点
(1)厌氧生物处理启动周期较长。厌氧微生物的世代期长,微生物增长速率低,污泥增长缓慢,一般厌氧启动期需要几个月甚至更长的时间。如果增加接种污泥量来达到快速启动,就会增加经济投入。
(2)管理较复杂。由于微生物种类、性质各不相同,对运行管理较为严格。
(3)厌氧生物处理后的废水不能达到排放标准。厌氧生物处理对氮和 等营养元素的去除率不高,厌氧消化只是把含氧和磷的有机物转化为氧氮和磷酸盐,微生物合成新细胞用到的氮和磷也较少,因此,厌氧消化系统除水中氮和磷的含量一般达不到排放标准。氮和磷等营养物质排入水体可引起湖泊发生富营养化,由于该法的利用存在局限性,当被处理的废水对氮和 的含量要求较高时,就应当采用厌氧和好氧相结合的处理工艺。
(4)厌氧生物技术在处理废水时可能会造成二次污染。由于废水中硫酸盐的存在,在厌氧条件下硫酸盐被氧化而放出H2S等恶臭气体。
(5)厌氧微生物对有毒物质非常敏感,因此,要严格控制有毒物质进入厌氧消化系统中。
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2.3厌氧微生物降解动力学原理
微生物降解动力学是指目标化合物的微生物降解速率。厌氧消化过程中的动力学主要有两个方面的内容:即厌氧微生物生长动力学和有机物降解动力学。莫诺德(Monod)动力学方程可表示为:
dCKmaxCX ?dtKS?C式中,
dC为基质利用速率[mg/(L.d)];Kmax为最大比基质利用速率dt[gCOD/(gVSS-d) ]; C为生长限制基质浓度(与生物体接触的浓度,mg/L); X为生物浓度(mg/L); Ks为半饱和浓度(mg/L).
溶解性基质的生物转化速率可由莫诺德方程表示。 则有
U=rk
莫诺德方程可表示为
k?Kmax?
KS??因为Umax?rKmax，而u=rk,上式也可以写作
Umax?
KS??u?式中,p为基质浓度;Kmax为最大比基质利用率:umax为最大比细胞增长率;
Ks为基质亲合力常数或饱和常数,它等于当u?1Kmax时的基质浓度。 2 在厌氧处理的产甲烷阶段,产甲烷菌将COD转化为CH4和细胞物质。假定产生的细胞物质占被转化的COD的产率为rn,则转化为CH4的COD的产率为1-rn 。
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在酸化阶段,基质被转化为细胞物质和挥发性脂肪酸,假定细胞产率为rm,则转化为VFA的分值为1-rm。
在稳定的生物处理系统中,有机物质的氧化分解;新细胞的合成;老细胞的衰亡是同时进行的。将以上过程综合起来,就得到下面方程:
dXdS?Y(?)?bX dtdt式中
dX—微生物净增长速率,mg微生物/ (L2d); dt?dS—基质降解速率,mg基质/ (L2d); dtY—新细胞增长常数,即产率,mg微生物/ mg基质; b—细菌自身氧化分解率,也称衰减系数,d-1 ; X—微生物浓度,mg微生物/ L; 将上式两边各除以X,得
dX?dS????dtdt??b u??Y?XX??????dX式中：dt是微生物的比增长速度u;
X?dXdt是单位微生物在单位时间内降解基质的量； X2.4厌氧处理微生物生态学
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