摘要：由于社會的厭氧研究發展、人口的生物增加，水資源短缺的處理矛盾日益顯現出來，廢水排放逐年增加，機理每年處理廢水的厭氧研究費用也在飛速上漲，一直以來人們認為厭氧微生物處理低濃度的生物廢水不能很好的實現，本文通過對厭氧處理廢水的處理基本生物化學過程和動力學兩個角度作出分析，并提出了在低濃度廢水中的機理莫諾方程形式，提出在動力學和生物化學兩個方面都是厭氧研究可以很好的實現厭氧處理低濃度廢水的，只是生物在工程實施工程中沒有做到生物反應其他的一些條件，本文還根據反應動力學和生物化學原理對厭氧處理低濃度廢水中試和實際工程中的處理設計和啟動給出一些建議。

關鍵詞：厭氧生物處理 低濃度廢水 反應 四個階段 莫諾方程 反應速率 啟動

一、機理概述

厭氧生物處理技術在水處理行業中一直都受到環保工作者們的厭氧研究青睞，由于其具有良好的生物去除效果，更高的處理反應速率和對毒性物質更好的適應，更重要的是由于其相對好氧生物處理廢水來說不需要為氧的傳遞提供大量的能耗，使得厭氧生物處理在水處理行業中應用十分廣泛。

但由于總體反應式基于莫諾方程的厭氧處理受到低濃度廢水Ks的限制，所以厭氧在處理低濃度廢水方面沒有太大的空間，可最近的一些報道和試驗表明，厭氧如果提供合適的外部條件，在處理低濃度廢水方面仍然有非常高的處理效果。

我們可以根據厭氧反應的原理加以動力學方程推導出厭氧生物處理低濃度廢水尤其在處理生活污水方面的合適條件。

二、厭氧反應四個階段

一般來說，廢水中復雜有機物物料比較多，通過厭氧分解分四個階段加以降解：（1）水解階段：高分子有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。廢水中典型的有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：上述的小分子有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），同時還有部分的醇類、乳酸、二氧化碳、氫氣、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、氫氣以及新的細胞物質。

（4）產甲烷階段：在這一階段，乙酸、氫氣、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最為重要的階段和整個厭氧反應過程的限速階段。

再上述四個階段中，有人認為第二個階段和第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，式：

中的Ks（半速率常數）可以在50mg/l以下，μ可以達到5KgCOD/KgMLSS.d。而第四個反應階段通常很慢，同時也是最為重要的反應過程，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幾乎沒有什么去除，只是在第四個階段中污染物質變成甲烷等氣體，使廢水中COD大幅度下降。同時在第四個階段產生大量的堿度這與前三個階段產生的有機酸相平衡，維持廢水中的PH穩定，保證反應的連續進行。

三 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有效的接觸到底物。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=ρ_o/(1+K_h.T)

ρ ——可降解的非溶解性底物濃度（g/l）；

ρ_o———非溶解性底物的初始濃度（g/l）；

K_h——水解常數（d^－1）；

T——停留時間（d）。

一般來說，影響K_h的因素很多，很難確定一個特定的方程來求解K_h，但我們可以根據一些特定條件的K_h，反推導出水解反應器的容積和最佳反應條件。在實際工程實施中，有條件的話，最好針對要處理的廢水作一些K_h的測試工作。通過對國內外一些報道的研究，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，K_h＝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，對工程的經濟性就不太實用。如果就單獨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，在實際工程中也完全可以實現。如果有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，長的排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，到目前為止還沒有看到關于水解作為生活污水厭氧反應的限速報道。

四 發酵酸化反應

發酵可以被定義為有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，在此過程中有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，只有1％是兼性厭氧菌，但正是這1％的兼性菌在反應器受到氧氣的沖擊時，能迅速消耗掉這些氧氣，保持廢水低的氧化還原電位，同時也保護了產甲烷菌的運行條件。

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、氫氣則是酸化反應的最主要產物。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，使產氣量減小，同時整個反應的自然堿度也會較少，系統平衡PH的能力減弱，整個反應會形成惡性循環，使得整個反應器最終失敗。氨氮它起到一個平衡的作用，一方面，它能夠中和一部分VFA，使廢水PH具有更大的緩沖能力，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，典型的生活污水中含有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氣的濃度，以含碳17的脂肪酸降解為例：

CH₃(CH₂)₁₅COO^-+14H₂O—> 7CH₃COO^-+CH₃CH₂COO^-+7H⁺+14

脂肪酸的降解都會產生大量的氫氣，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氣，來維持這一反應的平衡。如果廢水的氫氣指標過高，表明廢水的產甲烷反應已經受到嚴重抑制，需要進行修復，一般來說氫氣濃度升高是伴隨PH指標降低的，所以不難監測到廢水中氫氣的變化情況，但廢水本身有一定的緩沖能力，所以完全通過PH下降來判斷氫氣濃度的變化有一定的滯后性，所以通過監測廢水中氫氣濃度的變化是對整個反應器反應狀態一個最快捷的表現形式。