厭氧反應四個階段

一般來說，廢水中復雜機物物料比較多，通過厭氧分解分四個階段加以降解：
    （1）水解階段：高分子機物由于其大分子體積，不能直接通過厭氧菌的細胞壁，需要在微生物體外通過胞外酶加以分解成小分子。廢水中特例的機物質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，蛋白質被分解成短肽和氨基酸。分解后的這些小分子能夠通過細胞壁進入到細胞的體內進行下一步的分解。
    （2）酸化階段：上述的小分子機物進入到細胞體內轉化成更為簡單的化合物并被分配到細胞外，這一階段的主要產物為揮發性脂肪酸（VFA），同時還部分的醇類、乳酸、二氧化碳、氫、氨、硫化氫等產物產生。
    （3）產乙酸階段：在此階段，上一步的產物進一步被轉化成乙酸、碳酸、氫以及新的細胞物質。
    （4）產甲烷階段：在這一階段，乙酸、氫、碳酸、甲酸和甲醇都被轉化成甲烷、二氧化碳和新的細胞物質。這一階段也是整個厭氧過程很重要的階段和整個厭氧反應過程的限速階段。
    型IC厭氧反應器一范圍，再上述四個階段中，人認為二個階段和三個階段可以分為一個階段，在這兩個階段的反應是在同一類細菌體類完成的。前三個階段的反應速度很快，如果用莫諾方程來模擬前三個階段的反應速率的話，Ks（半速率常數）可以在50mg/l以下，μ可以達到5KgCOD/KgMLSS.d。而四個反應階段通常很慢，同時也是很重要的反應過程，在前面幾個階段中，廢水的中污染物質只是形態上發生變化，COD幾乎沒什么去除，只是在四個階段中污染物質變成甲烷等體，使廢水中COD大幅度下降。同時在四個階段產生大量的堿度這與前三個階段產生的機酸相平衡，維持廢水中的PH穩定，反應的連續進行。
水解反應
    水解可定義為復雜的非溶解性的聚合物被轉化成簡單的溶解性單體和二聚體的過程。水解反應針對不同的廢水類型差別很大，這要取決于胞外酶能否效的接觸到底物。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素、大分子纖維素就很難水解。
水解速度的可由以下動力學方程加以描述：
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（d－1）；
T——停留時間（d）。
    一般來說，影響Kh的因素很多，很難確定一個定的方程來求解Kh，但我們可以根據一些定條件的Kh，反推導出水解反應器的容積和非常好的反應條件。在實際工程實施中，條件的話，應針對要處理的廢水作一些Kh的測試工作。通過對外一些報道的研究，提出在低溫下水解對脂肪和蛋白質的降解速率非常慢，這個時候，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，而且在一個反應器中你很難嚴格的把厭氧反應的幾個階段區分開來，一旦停留時間過長，對工程的性就不太。如果就單的水解反應針對生活污水來說，COD可以控制到0.1的去除效果就可以了。
    把這些參數和給定的條件代入到水解動力學方程中，可以得到停留水解停留時間：T=13.44h
     這對于水解和后續階段處于一個反應器中厭氧處理單元來說是一個很短的時間，在實際工程中也完可以實現。如果條件的地方我們可以適當提高廢水的反應溫度，這樣反應時間還會大大縮短。而且一般對于城市污水來說，長的水管網和廢水中本生的生物多樣性，所以當廢水流到廢水處理場時，這個過程也在很大程度上完成，到目前為止還沒看到關于水解作為生活污水厭氧反應的限速報道。
發酵酸化反應
    發酵可以被定義為機化合物既作為電子受體也作為電子供體的生物降解過程，在此過程中機物被轉化成以揮發性脂肪酸為主的末端產物。
    酸化過程是由大量的、多種多樣的發酵細菌來完成的，在這些細菌中大部分是專性厭氧菌，只1%是兼性厭氧菌，但正是這1%的兼性菌在反應器受到氧的沖擊時，能迅速消耗掉這些氧，保持廢水低的氧化還原電位，同時也保護了產甲烷菌的條件。
    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。對于一個穩態的反應器來說，乙酸、二氧化碳、氫則是酸化反應的主要產物。這些都是產甲烷階段所需要的底物。
在這個階段產生兩種重要的厭氧反應是否正常的底物就是揮發性脂肪酸（VFA）和氨氮。VFA過高會使廢水的PH下降，逐漸影響到產甲烷菌的正常進行，使產量減小，同時整個反應的自然堿度也會較少，平衡PH的能力減弱，整個反應會形成惡性循環，使得整個反應器終失敗。氨氮它起到一個平衡的，一方面，它能夠中和一部分VFA，使廢水PH具更大的緩沖能力，同時又給生物體合成自生生長需要的營養物質，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的分解帶來的，特例的生活污水中含20-50mg/l左右的氨氮，這個范圍是厭氧微生物非常理想的范圍。
    另外一個重要指標就是廢水中氫的濃度，以含碳17的脂肪酸降解為例：
    CH3(CH2)15COO-+14H2O—> 7CH3COO-+CH3CH2COO-+7H++14H2
    脂肪酸的降解都會產生大量的氫，如果要使上述反應得以正常進行，必須在下一反應中消耗掉足夠的氫，來維持這一反應的平衡。如果廢水的氫指標過高，表明廢水的產甲烷反應已經受到嚴重抑制，需要進行修復，一般來說氫濃度升高是伴隨PH指標降低的，所以不難監測到廢水中氫的變化情況，但廢水本身一定的緩沖能力，所以完通過PH下降來判斷氫濃度的變化一定的滯后性，所以通過監測廢水中氫濃度的變化是對整個反應器反應狀態一個快捷的表現形式。
產乙酸反應
    發酵階段的產物揮發性脂肪酸VFA在產乙酸階段進一步降解成乙酸，其常用反應式如以下幾種：

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

     從上面的反應方程式可以看出，乙醇、丁酸和丙酸不會被降解，但由于后續反應中氫的消耗，使得反應能夠向右進行，在一階段，氫的平衡顯得更加重要，同時后續的產甲烷過程為這一階段的轉化提供能量。實際上這一階段和前面的發酵階段都是由同一類細菌完成，都在細菌體內進行，并且產物放到水體中，界限并沒十分清楚，在設計反應器時，沒足夠的理由把他們分開。
產甲烷反應
    在厭氧反應中，大約70%左右的甲烷由乙酸歧化菌產生，這也是這幾個階段中遵循莫諾方程反應的階段。
    另一類產生甲烷的微生物是由氫和二氧化碳形成的。在正常條件下，他們大約占30%左右。其中約一般的嗜氫細菌也能利用甲酸產生甲烷。主要的產甲烷過程反應：

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，主要的中間產物是甲基輔酶M（CH3-S-CH2-SO3-）。這個過程可用以下圖示所標：
    在甲基輔酶M還原成甲烷的過程中，需要非常重要的甲基還原酶，其中含重要的金屬離子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充一定的微量金屬離子是非常必要的。
低濃度廢水反應速率的選擇
    以生活污水為例，一般來說影響廢水厭氧反應速率的因素很多，包括反應溫度、廢水的毒性、原水基質濃度、原水的PH值、傳質效率、營養物質的平衡、微量元素的催化等等。對于生活污水來說，影響比較大的因素反應溫度、原水的基質濃度、傳質效率以及微量元素的催化。因為生活污水的營養比和PH值被*為非常適合生物的生長的。在前面的敘述中，已經提及了厭氧反應的前三個階段對于生活污水來說，很快就可以完成，尤其水解階段，不存在傳質的限制，同時通常長距離的管網也給水解提供了足夠的時間。因此我們提出的厭氧處理低濃度廢水設計思想中，主要考慮產甲烷過程作為限速步驟。
    型IC厭氧反應器一范圍，由于產甲烷階段遵循莫諾方程，整個速率的確定以莫諾方程為基礎。在上式中，很難把總體反應的Ks值估算出來，因為它受到的影響因素很多，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不同的單個因素影響列成很多分式莫諾方程，后各式相乘再加上修正系數，這個方程可以得出比較接近的Ks值，作為厭氧處理生活污水時的參考設計數據。
中試與工程應注意的問題
    1、在反應器的形式上考慮推流式的活塞反應器；
    2、為了減少低濃度時，基質傳質速率（包括液相中的機物向菌膠團或顆粒污泥傳質以及細胞壁外向細胞壁內傳質）對整個反應速率的影響，在反應器底部投加一定數量的活性炭作為載體是非常必要的，但考慮到沼和布水的影響，投加數量不宜過多，初步考慮為40g/L顆粒狀活性炭；
    3、建議在反應器的上部設置、水、固三相分離；
    4、設置一套完善的出水回流，并可以調節回流量，用儀表顯示并控制；
    5、出水設置MLSS濃度計加以監測，隨時了解反應器的污泥情況；
   6、在反應器的底部、中部、部設置堿度監測，隨時監測反應器內的生物反應條件；
    7、設置一套啟動用的營養物質和微量元素添加是十分必要的；
    8、設置溫度傳感器，了解原水水溫的變化對反應器的沖擊影響；
    9、進水設置流量傳感器和機物在線監測儀器，并通過程序加以顯示到控制室中，隨時計算進水污泥負荷以及上升流速；
    10、必要的預處理措施，比如除渣處理措施；
    11、在北方的廢水處理，反應器建議修建在室內或采取嚴密的保溫措施；
    12、其他必要的輔助，如消除泥水界面泥渣層的噴淋。

    通過對厭氧微生物處理污水的機理研究得出，厭氧在常溫狀態下處理城市污水是可能的，我們在實際中由于種種非生物本身反應的原因而錯過了利用厭氧處理城市污水的機會，并且在外已經了成功的厭氧處理城市污水的情況，出水COD<40mg/l。完能滿足機物放規準，如果加上簡短脫硝曝工藝（在去除了BOD后，只需要1.5H的時間就可以進行NH3-N到NO-N的轉化），就是一個非常適合情的低濃度廢水處理工藝，但在設計中，應詳細認真的作出設計前的調查和設計后的啟動工作。

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