厭氧轉化過程的相分離理論
廢水中有機污染物的厭氧生物轉化過程實際是在一定條件下通過一系列復雜的生化反應完成的。廢水中的有機物經大量起不同功能的微生物種群的共同作用，由底物轉化為中間產物再進一步轉化為沼氣、水和氨等終產物。其中各種群微生物的代謝過程相互影響、彼此制約，形成一個類似于宏觀生態的復雜的微生態系統，各類微生物間通過營養底物的代謝產物形成共生或共營關系。因而，為使處于此微生態系統中的各類微生物正常生長繁殖、使其中物質的轉化和能量的流動高效暢通而獲得穩定高效的處理效果，必須根據厭氧反應過程的機理，對厭氧反應器工藝進行合理設計。
從生物化學和微生物學的角度，厭氧生物處理過程中有機物(尤其是復雜有機物——在廢水中以懸浮物或膠體形態存在的高分子有機物)的降解途徑可分為水解、發酵產酸、產乙酸產氫和產甲烷四個階段(如下圖)。
水解酸化階段利用微生物的胞外酶對不能通過細胞膜為微生物直接利用的大分子有機物分解為小分子的過程，這些小分子的水解產物能夠溶于水并透過細胞膜而為微生物利用，例如淀粉通過淀粉酶的作用而被水解為麥芽糖和葡萄糖，蛋白質被蛋白酶水解為短肽和氨基酸，纖維素被纖維素酶水解為纖維二糖和葡萄糖等。發酵產酸階段則在發酵菌(酸化菌)的作用下降上述水解產物轉化為更簡單的化合物并分泌到細胞外，其主要產物有揮發性脂肪酸(VFA)、春類、乳酸、二氧化碳、氫、氨、硫化氫等。同時，酸化菌亦利用部分基質以合成新的細胞物質(因而未酸化廢水進行厭氧處理時將產生較多的剩余污泥)。上述發酵產物將在產乙酸階段進一步被轉化為乙酸、氫、碳酸及新的細胞物質，這些產物最后通過產甲烷作用而被最終轉化為沼氣等終產物和新的細胞物質。
根據所處理廢水中所含污染物類型的不同，上述厭氧分解的階段有所不同，但總是一個環環相扣的連續的微生物反應過程，不同微生物僅能利用某些特定的底物、具有不同的生長繁殖速度并需要不同的環境條件。其中產酸菌(包括酸化和產乙酸菌)種類較多，代謝能力強，繁殖速度快，世代期最短僅需十幾分鐘，它們對環境條件的適應性亦較強(如可在pH為5~8的環境中發揮作用)，可利用的底物種類較多;產甲烷菌的種類則較少，可利用的底物較有限，繁殖速率慢，世代期最長可達4~6天，而且對環境條件如溫度、pH(最適pH為6.8~7.2)及有毒物質的影響十分敏感。由于這兩大類微生物對環境條件的要求存在很大的差異(如下表)，因而在一個具有單一空間的反應器中要維持它們在數量、對基質的利用速度等方面的協調平衡，即保證微生態系統的長期正常有效運行是很困難的，經常發生的問題是由于產酸速度與產甲烷速度的不平衡而導致酸的積累，并從而使反應器的pH降低至超出產甲烷菌的適宜范圍而抑制其功能的發揮，使反應器的處理能力和效果大大降低，甚至導致整個工藝處理過程的失敗。兩相或多級厭氧處理的概念正是針對此問題而提出的。通過將一個反應器隔成一定數量的空間或采用一定數量串聯的反應器，使廢水依次流經各空間或反應器而創造利于分別培養發酵產酸菌和產甲烷菌的環境條件，從而提高處理效能和運行穩定性。
表 產酸菌和產甲烷菌的特性
參數發酵產酸菌產甲烷菌
種類
生長速率
對 pH 的敏感性
氧化還原電位 Eh
對溫度的敏感性
對毒物的敏感性
對 H 2 的敏感性
特殊輔酶多
快
不太敏感，最優 pH5.5~7.0
一般低于 -150mV ~200mV
最佳溫度 20~35 ℃
一般性敏感
敏感
沒有特殊輔酶相對較少
慢
敏感，最優 pH6.8~7.2
一般低于 -350mV~-560mV
中溫 30~38 ℃，高溫 50~55 ℃
敏感
不太敏感
含有特殊輔酶
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