在無氧條件下進(jìn)行的生物處理稱為厭氧生物處理。厭氧生物處理（或稱厭氧發(fā)酵）是一種普遍存在于自然界的微生物過程。凡是有水和有機(jī)物存在的地方，只要供氧條件不好并且有機(jī)物含量較多，都會(huì)發(fā)生厭氧發(fā)酵現(xiàn)象，使有機(jī)物經(jīng)厭氧分解而產(chǎn)生CH4、CO2和H2S等氣體。厭氧生物處理是一種多菌群多層次的厭氧發(fā)酵過程，菌類種群繁多，相互關(guān)系復(fù)雜，其中數(shù)量最多且作用最大的微生物是細(xì)菌。真菌（絲狀真菌和酵母）和部分原生動(dòng)物雖也能存活，但數(shù)量不多，難以發(fā)揮重要作用。
厭氧生物處理過程中參與有機(jī)物逐級(jí)降解的細(xì)菌以專性厭氧菌和兼氧菌為主，主要有三大類群，依次為（1）發(fā)酵細(xì)菌、（2）產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸細(xì)菌和（3）甲烷細(xì)菌。此外，還存在著一種利用厭氧過程中產(chǎn)生的H2和CO2等無機(jī)基質(zhì)橫向轉(zhuǎn)化為乙酸的細(xì)菌，稱為同型產(chǎn)乙酸細(xì)菌。
厭氧生物處理過程可分為三個(gè)階段。在第一階段（通常稱為水解發(fā)酵階段），參與菌群為發(fā)酵細(xì)菌。廢水中不溶性的大分子有機(jī)物（如蛋白質(zhì)、纖維素、淀粉和脂肪等）經(jīng)水解酶的作用，在溶液中分解為水溶性的小分子有機(jī)物（如氨基酸、脂肪酸、葡萄糖和甘油等）。原先顆粒狀的各種可見物“消失”了，變成了均質(zhì)的溶液。
在第二階段（通常稱為產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸階段），參與菌群為發(fā)酵細(xì)菌和產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸細(xì)菌。首先，第一階段產(chǎn)生的水解產(chǎn)物被發(fā)酵細(xì)菌攝入細(xì)胞內(nèi)，經(jīng)過一系列生化反應(yīng)后，將代謝產(chǎn)物排出細(xì)胞外。由于發(fā)酵細(xì)菌種群不一，代謝途徑各異，故代謝產(chǎn)物也各不相同。其中無機(jī)的CO2及H2和有機(jī)的三甲一乙（甲酸、甲醇、甲胺和乙酸）可直接被產(chǎn)甲烷細(xì)菌吸收利用，轉(zhuǎn)化為甲烷和二氧化碳。而其他眾多的代謝產(chǎn)物（如丙酸、丁酸、戊酸、己酸、乳酸等有機(jī)酸，以及乙醇、丙酮等有機(jī)物質(zhì)）必須進(jìn)一步經(jīng)過第二類菌群產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸細(xì)菌轉(zhuǎn)化為氫和乙酸后，方能被產(chǎn)甲烷細(xì)菌吸收利用，并轉(zhuǎn)化為甲烷和二氧化碳。因此，在第二階段實(shí)際上前后發(fā)生分別有發(fā)酵細(xì)菌和產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸細(xì)菌參與的兩次產(chǎn)酸過程，使溶液酸度增加，pH值下降。
在第三階段（通常稱為產(chǎn)甲烷階段），參與菌群為甲烷細(xì)菌。甲烷細(xì)菌直接利用第二階段產(chǎn)生的CO2、H2、甲酸、甲醇、甲胺和乙酸，將其轉(zhuǎn)化為CH4和CO2等氣態(tài)產(chǎn)物的形式逸出，從而除去了廢水賴以構(gòu)成COD和BOD的主要元素“有機(jī)碳”。厭氧生物處理的全過程如圖1所示。
參與厭氧生物處理的細(xì)菌，除以上三個(gè)種群外，還有一個(gè)同型產(chǎn)乙酸細(xì)菌種群，這類細(xì)菌可將中間代謝產(chǎn)物的H2和CO2（甲烷細(xì)菌能直接利用的一組基質(zhì)）轉(zhuǎn)化為乙酸（甲烷細(xì)菌能直接利用的另一種基質(zhì)）。由于它是中間產(chǎn)物的橫向轉(zhuǎn)換，因而沒有將它算作獨(dú)立的有機(jī)物縱向降解階段。
① — 發(fā)酵性細(xì)菌；② — 產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸細(xì)菌；③ — 同型產(chǎn)乙酸菌；
④ — 利用H2和CO2的產(chǎn)甲烷菌；⑤ — 分解乙酸的產(chǎn)甲烷菌；
圖1 厭氧生物處理全過程示意
根據(jù)有機(jī)物在厭氧生物處理過程中所要求達(dá)到的分解程度的不同，可將厭氧生物處理工藝分為兩種大的類型，即水解酸化處理和甲烷化處理。水解酸化處理是一種不完全或不徹底的有機(jī)物厭氧降解過程，僅經(jīng)歷上述厭氧生物處理的第一階段和第二階段，最終發(fā)酵產(chǎn)物是主要是水溶性的有機(jī)酸及少量的醇和酮等。
水解酸化的目的僅在于使復(fù)雜的有機(jī)物經(jīng)過水解和發(fā)酵，轉(zhuǎn)化為簡單的有機(jī)物，為后續(xù)的好氧生物處理準(zhǔn)備易于氧化分解的有機(jī)基質(zhì)。因而，它僅是一種生物預(yù)處理工序，或者是厭氧—好氧聯(lián)合生化處理系統(tǒng)中的前期處理工序。
水解酸化過程中廢水的COD或BOD值的變化可能有三種情況：（1）降低了，但最大不超過20～30%；（2）基本上為降低，如葡萄糖轉(zhuǎn)化為丙酸、乙酸和甲酸的發(fā)酵；（3）個(gè)別情況下會(huì)略有升高，如將難化學(xué)氧化物轉(zhuǎn)化為易化學(xué)氧化物時(shí)。
由于基質(zhì)的多樣性和復(fù)雜性，致使參與厭氧消化的細(xì)菌種群比較復(fù)雜，有機(jī)和無機(jī)基質(zhì)的轉(zhuǎn)化關(guān)系也較為多樣化，除了上述主要厭氧細(xì)菌種群及其參與的降解過程外，還包括硫酸鹽還原菌（SRB）和硝酸鹽還原菌（NRB）對還原性有機(jī)物的氧化作用，生產(chǎn)HCO3-、乙醇、H2S和NH3；以及SRB和NRB對乙醇的氧化作用，生產(chǎn)HCO3-等。
甲烷化處理是一種完全的或徹底的有機(jī)厭氧降解過程，全部經(jīng)歷厭氧生物處理的三個(gè)階段，以氣態(tài)的甲烷和二氧化碳為最終降解產(chǎn)物。甲烷發(fā)酵具有以下兩個(gè)特點(diǎn)：（1）有機(jī)物一旦轉(zhuǎn)化為氣態(tài)產(chǎn)物后，廢水中構(gòu)成COD和BOD的化學(xué)物質(zhì)（主要為有機(jī)碳）即以CH4和CO2的形式逸出。因此，它是一種降低COD和BOD的方法。（2）由于有機(jī)物的最終轉(zhuǎn)化產(chǎn)物中含有大量高熱值的CH4氣體，因此它也是一種能產(chǎn)能或回收生物能的處理方法。
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