一、厭氧的四階段理論

1、水解階段

水解過程是指復(fù)雜的固體有機物在水解酶的作用下被轉(zhuǎn)化為簡單的溶解性單體或二聚體。微生物無法直接代謝碳水化合物（如淀粉、木質(zhì)纖維素等）、蛋白和脂肪等生物大分子，必須先降解為可溶性聚合物或者單體化合物才能被酸化菌群利用。淀粉在淀粉酶作用下被水解成麥芽糖、葡萄糖和糊精。纖維素是由糖苦鍵結(jié)合成纖維二糖再聚合而成的，在多種纖維素酶的協(xié)同作用下水解成糖。由于自然狀態(tài)下的纖維素一般都與木質(zhì)素結(jié)合成高度聚合狀態(tài)，以抵抗微生物的分解，所以纖維素降解是沼氣發(fā)酵限速步驟之一。蛋白質(zhì)是植物合成的一種重要產(chǎn)物，它在蛋白酶作用下肽鍵斷裂生成二肽和多肽，再生成各種氨基酸。脂肪首先在脂肪水解酶的作用下水解為長鏈脂肪酸及甘油，甘油在甘油激酶催化下生成憐酸甘油，繼而被氧化為憐酸二輕丙酮，再經(jīng)異構(gòu)化生成磷酸甘油酸，經(jīng)糖酵解途徑轉(zhuǎn)化為丙酮酸，最終進入糖酵解途徑實現(xiàn)*氧化及利用。

2、酸化階段

產(chǎn)酸發(fā)酵過程是指將溶解性單體或二聚體形式的有機物轉(zhuǎn)化為以短鏈脂肪酸或醇為主的末端產(chǎn)物。這些水解成的單體會進一步被微生物降解成揮發(fā)性脂肪酸、乳酸、醇、氨等酸化產(chǎn)物和氫、二氧化碳，并分泌到細(xì)胞外。產(chǎn)酸菌是一類快速生長的細(xì)菌，它們傾向于生產(chǎn)乙酸，這樣能獲取最高的能量以維持自身生長。末端產(chǎn)物組成取決于灰氧降解條件、底物種類和參與生化反應(yīng)的微生物種類同時氨基酸的降解首先通過氧化還原氮反應(yīng)實現(xiàn)脫氨基作用，生成有機酸、氫氣及二氧化碳。

3、產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸階段

該階段主要是將水解產(chǎn)酸階段產(chǎn)生的兩個碳以上的有機酸或醇類等物質(zhì)，轉(zhuǎn)化為乙酸、和等可為甲烷菌直接利用的小分子物質(zhì)的過程。標(biāo)準(zhǔn)情況下，有機酸的產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸過程不能自發(fā)進行，氫氣會抑制此步反應(yīng)的進行，降低系統(tǒng)的氫分壓有利于產(chǎn)物產(chǎn)生。如果氫分壓超過大氣壓，有機酸濃度增大，甲烷產(chǎn)量受到抑制。避免氫氣在此階段的積累尤其重要。在厭氧過程中，氫分壓的降低必須依靠氫營養(yǎng)菌來完成。

4、甲烷化階段

產(chǎn)甲烷階段是由嚴(yán)格專性厭氧的產(chǎn)甲烷細(xì)菌將乙酸、一碳化合物和H2、CO2等轉(zhuǎn)化為CH4和CO2的過程。大約的甲烷來自于乙酸的分解，是由乙酸歧化菌通過代謝乙酸鹽的甲基基團生成，剩下的28%由CO2和H2合成。產(chǎn)甲烷細(xì)菌的代謝速率一般較慢，對于溶解性有機物厭氧消化過程，產(chǎn)甲烷階段是整個厭氧消化工藝的限速。

二、水解(酸化)池與厭氧反應(yīng)器的區(qū)別

從原理上講，水解(酸化)是厭氧消化過程的第一、二兩個階段但水解(酸化)工藝和厭氧消化追求的目標(biāo)不同，因此是截然不同的處理方法。

水解(酸化)系統(tǒng)中的的目的主要是將原水中的非溶解態(tài)有機物轉(zhuǎn)變?yōu)槿芙鈶B(tài)有機物，特別是工業(yè)廢水處理，主要是將其中難生物降解物質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)橐咨锝到馕镔|(zhì)，提高廢水的可生化性，以利于后續(xù)的好氧生物處理?？紤]到后續(xù)好氧處理的能耗問題，水解(酸化)主要用于低濃度難降解廢水的預(yù)處理。在混合厭氧消化系統(tǒng)中，水解酸化是和整個消化過程有機地結(jié)臺在一起，共處于一個反應(yīng)器中，水解、酸化的目的是為混合厭氧消化過程中的甲烷化階段提供基質(zhì)。而兩相厭氧消化中的產(chǎn)酸段(產(chǎn)酸相)是將混合厭氧消化中的產(chǎn)酸段和產(chǎn)甲烷段分開，以便形成各自的最佳環(huán)境，同時，產(chǎn)酸相對所產(chǎn)生的酸的形態(tài)也有要求(主要為乙酸)。此外，廢水中如含有高濃度的硝咳鹽、亞硝酸鹽、硫酸盆、亞硫酸鹽時，這些物質(zhì)及其轉(zhuǎn)化產(chǎn)物不僅對甲烷苗有毒，而且影響沼氣的質(zhì)量，也在產(chǎn)酸相中予以去除。因此，盡管水解(酸化)一好氧處理工藝中的水解(酸化)段、兩相法厭氧發(fā)酵工藝中的產(chǎn)酸相和混合厭氧消化工藝中的產(chǎn)酸過程均產(chǎn)生有機酸，但由于三者的處理目的不同，各自的運行環(huán)境和條件存在著明顯的差異，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

(1)Eh不同

在混合厭氧消化系統(tǒng)中，由于完成水解、酸化的微生物和產(chǎn)甲烷微生物共處于同一反應(yīng)器中，整個反應(yīng)器的氧化還原電位Eh的控制必須首先滿足對Eh要求嚴(yán)格的甲烷菌，一般為一300mV以下，因此。系統(tǒng)中的水解(酸化)微生物也是在這一電位值下工作的。而兩相厭氧消化系統(tǒng)中，產(chǎn)酸相的氧化還原電位一般控制在一100mV一一300mV之間。據(jù)研究，水解(酸化)一好氧處理工藝中的水解(酸化)段為——典型的兼性過程，只要置Eh控制在＋50mv以下，該過程即可順利進行。

(2)pH值不同

在混合厭氧消化系統(tǒng)中，消化液的pH值控制在甲烷菌生氏的最佳pH范圍，一般為6．8—7．2。而在兩相厭氧消化系統(tǒng)中，產(chǎn)酸相的pH值一般控制在6．o一6．5之間，pH降低時，盡管產(chǎn)酸的速率增大，但形成的有機酸形態(tài)將發(fā)生變化，丙酸的相對含量增大，而丙酸對后續(xù)的甲烷相中的產(chǎn)甲烷菌會產(chǎn)生強烈的抑制作用。對于水解(酸化)一好氧處理系統(tǒng)來說，由于后續(xù)處理為好氧氧化，不存在丙酸的抑制問題，因此，控制的pH范圍也較寬，從而可獲得較高的水解(酸化)速率，一般pH維持在5．5—6．5之間。

(3)溫度不同

三種工藝對溫度的控制也不同，通?；旌蠀捬跸到y(tǒng)以及兩相厭氧消化系統(tǒng)的溫度均嚴(yán)格控制，要么中溫消化(30一35oC)，要么高溫消化(50一55oC)。而水解(酸化)一好氧處理工藝中的水解(酸化)段對工作溫度無特殊要求，通常在常溫下運行，也可獲得較為滿意的水解(酸化)效果。

三、影響水解(酸化)過程的主要因素

1)基質(zhì)的種類和形態(tài)

基質(zhì)的種類和形態(tài)對水解(酸化)過程的速率有著重要影響。就多糖、蛋白質(zhì)和脂肪三類物質(zhì)來說，在相同的操作條件下，水解速率依次減小。同類有機物，分子量越大，水解越困難，相應(yīng)池水解速率就越小。比如，就糖類物質(zhì)來說，二聚糖比三聚糖容易水解；低聚糖比高聚糖容易水解。就分子結(jié)構(gòu)來說，直鏈比支鏈易于水解；支鏈比環(huán)狀易于水解；單環(huán)化合物比雜環(huán)或多環(huán)化合物易于水解。

2)水解液的pH值

水解液的pH值主要影響水解的速率、水解(酸化)的產(chǎn)物以及污泥的形態(tài)和結(jié)構(gòu)。大量研究結(jié)果表明，水解(酸化)微生物對pH值變化的適應(yīng)性較強，水解過程可在pH值寬達3.5—10.0的范圍內(nèi)順利進行，但最佳的pH值為5．5—6．5。pH朝酸性方向或堿性方向移動時，水解速率都將減小。水解液pH值同時還影響水解產(chǎn)物的種類和含量。

3)水力停留時間

水力停留時間是水解反應(yīng)器運行控制的重要參數(shù)之一。它對反應(yīng)器的影響，隨著反應(yīng)器的功能不同而不同。對于單純以水解為目的的反應(yīng)器，水力停留時間越長，被水解物質(zhì)與水解微生物接觸時間也就越長，相應(yīng)地水解效率也就越高。一般為3-4小時。

4)溫度

水解反應(yīng)是一典型的生物反向，因此．溫度變化對水解反應(yīng)的影響符合一般的生物反應(yīng)規(guī)律，即在一定的范圍內(nèi)，溫度越高，水解反應(yīng)的速率越大。但研究表明，當(dāng)溫度在10一20 oC之間變化時，水解反應(yīng)速率變化不大，由此說明，水解微生物對低溫變化的適應(yīng)較強。

5)粒徑

粒徑是影響顆粒狀有機物水解(酸化)速率的重要因素之—粒徑越大，單位重量有機物的比表面積越?。馑俾室簿驮叫　Ｓ捎陬w粒態(tài)有機物的粒徑對水解速宰相效率影響較大，因此，一些研究者建議，對含顆粒態(tài)有機物濃度較高的廢水或污泥，在進入水解反應(yīng)器前可利用泵或研磨機破碎，以減小污染物的粒徑，從而加快水解反應(yīng)的進行。

四、影響厭氧消化的主要因素

1）溫度

在厭氧消化過程中，溫度的范圍是很寬泛的，從低溫到高溫都存在。例如北極下水道中發(fā)現(xiàn)有極低溫度下存活的甲烷菌。通常我們依據(jù)微生物活性把溫度范圍分為三類：一類是嗜寒的，溫度范圍從10℃~20℃；—類是嗜溫的，溫度范圍從20℃~45℃：，通常使用37℃；一類是嗜熱的，溫度范圍從50~65℃，通常是55℃。

2）碳氮比

碳氮比的關(guān)系是指有機原料中總碳和總氮的比例。厭氧消化過程中碳氮比是有最適范圍的，一般是從20:1到30:1，既不能太高也不能太低，否則都會對厭氧發(fā)酵過程產(chǎn)生影響。不合適的碳氮比會造成大量的氨態(tài)氮的釋放或是揮發(fā)性脂肪酸的過度累積，而氨態(tài)氮和摔發(fā)性脂脅酸郁是厭氧消化中重要的中間產(chǎn)物，不合適的濃度都會抑制甲烷發(fā)酵過程。

3）酸堿度

pH值是反映水相體系中酸濃度的重耍指標(biāo)之一。厭氧發(fā)酵菌尤其是產(chǎn)甲烷菌對反應(yīng)體系中的酸濃度是極為敏感的。較低pH值條件下，甲烷菌的生長就會受到抑制。許多研究者己經(jīng)研究厭氧消化中不同階段的最佳pH值。甲烷菌的最佳pH值是7.20左右。

4）有機負(fù)荷量

有機負(fù)荷是指消化反應(yīng)器單位容積單位時間內(nèi)所承受的揮發(fā)性有機物量，它是消化反應(yīng)器設(shè)計和運行的重要參數(shù)。有機負(fù)荷的高低與處理物料的性質(zhì)、消化溫度、所采用的工藝等有關(guān)。研究表明，對于處理蔬菜、水果、廚余等易降解的有機垃圾，有機負(fù)荷一般為1～6.8kg VS/(m3·d)。