在無氧條件下進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。凡是有水和有機物存在的地方，只要供氧條件不好并且有機物含量較多，都會發(fā)生厭氧發(fā)酵現(xiàn)象，使有機物經(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菌。真菌（絲狀真菌和酵母）和部分原生動物雖也能存活，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物逐級降解的細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)酵細菌、（2）產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸細菌和（3）甲烷細菌。此外，還存在著一種利用厭氧過程中產(chǎn)生的H2和CO2等無機基質(zhì)橫向轉(zhuǎn)化為乙酸的細菌，稱為同型產(chǎn)乙酸細菌。
厭氧生物處理過程可分為三個階段。在第一階段（通常稱為水解發(fā)酵階段），參與菌群為發(fā)酵細菌。廢水中不溶性的大分子有機物（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)酵細菌和產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸細菌。首先，第一階段產(chǎn)生的水解產(chǎn)物被發(fā)酵細菌攝入細胞內(nèi)，經(jīng)過一系列生化反應(yīng)后，將代謝產(chǎn)物排出細胞外。由于發(fā)酵細菌種群不一，代謝途徑各異，故代謝產(chǎn)物也各不相同。其中無機的CO2及H2和有機的三甲一乙（甲酸、甲醇、甲胺和乙酸）可直接被產(chǎn)甲烷細菌吸收利用，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、乳酸等有機酸，以及乙醇、丙酮等有機物質(zhì)）必須進一步經(jīng)過第二類菌群產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸細菌轉(zhuǎn)化為氫和乙酸后，方能被產(chǎn)甲烷細菌吸收利用，并轉(zhuǎn)化為甲烷和二氧化碳。因此，在第二階段實際上前后發(fā)生分別有發(fā)酵細菌和產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸細菌參與的兩次產(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），參與菌群為甲烷細菌。甲烷細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菌，除以上三個種群外，還有一個同型產(chǎn)乙酸細菌種群，這類細菌可將中間代謝產(chǎn)物的H2和CO2（甲烷細菌能直接利用的一組基質(zhì)）轉(zhuǎn)化為乙酸（甲烷細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立的有機物縱向降解階段。
① — 發(fā)酵性細菌；② — 產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸細菌；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)有機物在厭氧生物處理過程中所要求達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)雜的有機物經(jīng)過水解和發(fā)酵，轉(zhuǎn)化為簡單的有機物，為后續(xù)的好氧生物處理準備易于氧化分解的有機基質(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）個別情況下會略有升高，如將難化學(xué)氧化物轉(zhuǎn)化為易化學(xué)氧化物時。
由于基質(zhì)的多樣性和復(fù)雜性，致使參與厭氧消化的細菌種群比較復(fù)雜，有機和無機基質(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厭氧降解過程，全部經(jīng)歷厭氧生物處理的三個階段，以氣態(tài)的甲烷和二氧化碳為最終降解產(chǎn)物。甲烷發(fā)酵具有以下兩個特點：（1）有機物一旦轉(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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