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在无氧条件下,兼性菌和厌氧细菌能够将复杂大分子有机物分解为CH4、CO2、无机营养物质和腐殖质等简单化合物,其过程分为四个阶段。
图1 厌氧消化四阶段理论示意图
第一阶段:水解和发酵性细菌群将复杂有机物(如纤维素、淀粉等)水解为单糖,再酵解为丙酮酸;将蛋白质水解为氨基酸,脱氨基成有机酸和氨;脂质水解为各种低级脂肪酸和醇。
第二阶段:产氢和产乙酸细菌群把第一阶段的产物进一步分解为乙酸和H2。
第三阶段:同型产乙酸细菌将H2和CO2转化为乙酸。
第四阶段:专性厌氧产甲烷菌群将H2和CO2或CO合成CH4;将乙酸脱羧生成CH4和CO2,或利用甲酸、甲醇、及甲基胺裂解为CH4。
图2 电镜下的甲烷丝菌
上述阶段的反应速度依废水性质而异,对含纤维素、半纤维素、果胶和脂类等污染物为主的废水,水解阶段为限速步骤;简单的糖类、淀粉、氨基酸和一般的蛋白质均能被微生物迅速分解,对含这类有机物为主的废水,产甲烷阶段通常成为限速步骤。
在厌氧反应器中,以上四个阶段同时进行并保持某种程度的动态平衡,这种平衡一旦被pH值、温度、有机负荷等外加因素破坏,会首先使产甲烷阶段受到抑制,最终导致低级脂肪酸的积累和厌氧进程的异常变化。