厌氧生物处理的三个阶段

厌氧生物处理是一种高效的污水处理技术，它通过一系列复杂的生物化学过程，将污水中的有机物质转化为甲烷和二氧化碳，同时实现能源回收和污染物减量。这一过程通常分为三个阶段：水解酸化阶段、产氢产乙酸阶段和产甲烷阶段，每个阶段都有其独特的微生物群落和代谢途径，共同构成了厌氧消化的完整链条。以下是这三个阶段的具体介绍。

一、水解酸化阶段。污水中复杂的大分子、不溶性的有机物在细胞外酶的作用下水解为小分子、溶解性有机物，然后渗入细胞体内，水解产生挥发性有机酸、醇类及醛类等。

1.水解作用：在这一阶段，污水中含有的大分子有机物，如蛋白质、脂肪、碳水化合物等，在厌氧微生物分泌的细胞外酶（如蛋白酶、脂肪酶、纤维素酶等）的作用下，被分解成小分子有机物。这些小分子有机物包括脂肪酸、氨基酸、单糖等，它们是溶解性的，更容易被微生物利用。

2.酸化作用：水解产生的小分子有机物在微生物的作用下进一步转化为挥发性有机酸（如乙酸、丙酸、丁酸等）、醇类和醛类等。这些产物是厌氧消化过程中重要的中间产物，对于后续的产甲烷阶段至关重要。

3.微生物群落：水解酸化阶段的微生物主要包括水解酸化细菌，它们能够适应厌氧环境，并在没有氧气的条件下生存和繁殖。

4.环境条件：水解酸化阶段通常在中性至微碱性pH条件下进行，pH值一般控制在6.5至7.5之间，这个范围有利于水解酸化细菌的生长。

5.作用：水解酸化阶段不仅提高了污水中有机物的生物降解性，而且为后续的产甲烷阶段提供了底物，从而实现有机物的彻底分解和能源的回收。

二、产氢产乙酸阶段。厌氧生物处理中的产氢产乙酸阶段是厌氧消化过程的第二个阶段，紧随水解酸化阶段之后。在这一阶段，产氢产酸菌（也称为产氢细菌）发挥着关键作用，将上一阶段产生的各种有机酸进一步转化为乙酸、氢气（H?）和二氧化碳（CO?）。以下是该阶段的主要特点和过程：

1.微生物作用：产氢产乙酸阶段的微生物主要是产氢细菌，它们通过发酵作用将复杂的有机酸转化为简单的化合物。这些细菌通常属于杆菌属、梭菌属等。

2.化学反应：在这一阶段，复杂的有机酸（如丁酸、丙酸、戊酸等）通过以下几种途径转化为乙酸：

丁酸转化为乙酸和氢气：C?H?O? → 2CH?COOH + H?

丙酸转化为乙酸和氢气：C?H?O? → CH?COOH + H? + CO?

其他长链脂肪酸也通过类似的途径转化为乙酸和氢气。

3.产氢过程：在转化过程中，产氢细菌通过氧化有机酸中的氢原子，释放出氢气。这个过程是放能反应，产生的能量用于微生物的生长和代谢。

4.环境条件：产氢产乙酸阶段通常在较为严格的厌氧条件下进行，即环境中的氧气含量非常低。pH值通常保持在6.0至6.5之间，这个范围有利于产氢细菌的生长。

5.作用：这一阶段不仅进一步降解了有机物，降低了污水中的有机酸浓度，而且产生的氢气可以作为能源物质，具有一定的经济价值。

6.后续阶段：产氢产乙酸阶段产生的乙酸是产甲烷阶段的重要底物。在产甲烷阶段，乙酸被甲烷菌进一步转化为甲烷（CH?）和二氧化碳。

三、产甲烷阶段。产甲烷菌将乙酸、氢及二氧化碳转化为甲烷。厌氧生物处理中的产甲烷阶段是厌氧消化过程的最后阶段，也是整个过程中最关键的步骤之一。在这一阶段，产甲烷菌（也称为甲烷菌或甲烷古菌）将前两个阶段产生的乙酸、氢气（H?）和二氧化碳（CO?）转化为甲烷（CH?）。以下是产甲烷阶段的主要特点和过程：

1.微生物作用：产甲烷阶段的主要微生物是甲烷菌，它们是一类特殊的古菌，能够在严格的无氧环境中生存。常见的甲烷菌包括甲烷杆菌、甲烷八叠球菌和甲烷丝状菌等。

2.化学反应：产甲烷菌通过以下几种途径将乙酸、氢和二氧化碳转化为甲烷：

乙酸发酵：CH?COOH → CH? + CO?

氢利用：CO? + 4H? → CH? + 2H?O

甲酸利用：HCOOH → CH? + CO? 这些反应都是放能反应，产生的能量用于甲烷菌的生长和代谢。

3.环境条件：产甲烷阶段对环境条件要求较为严格，需要保持严格的无氧状态，pH值通常在6.6至7.4之间，这个范围有利于甲烷菌的生长和代谢。

4.作用

有机物降解：产甲烷菌将复杂的有机物最终转化为甲烷，实现了有机物的彻底降解。

能源回收：产生的甲烷是一种清洁能源，可以收集并用于发电或供暖，具有很高的经济价值。

减少温室气体排放：通过收集甲烷，可以减少甲烷直接排放到大气中，降低温室效应。

5.生物化学过程：产甲烷过程涉及多种生物化学途径，包括乙酸盐/氢利用途径、二氧化碳还原途径、甲酸利用途径等。

6.影响因素：产甲烷阶段的效率受多种因素影响，包括温度、pH值、营养物浓度、有毒物质的存在等。通常，中温（30-40°C）是最适合甲烷菌生长的温度范围。

经过水解酸化、产氢产乙酸和产甲烷这三个阶段的协同作用，厌氧生物处理不仅有效地降解了污水中的有机污染物，还实现了资源的高效利用和能源的回收。