厌氧转化过程的相分离理论
废水中有机污染物的厌氧生物转化过程实际是在一定条件下通过一系列复杂的生化反应完成的。废水中的有机物经大量起不同功能的微生物种群的共同作用，由底物转化为中间产物再进一步转化为沼气、水和氨等终产物。其中各种群微生物的代谢过程相互影响、彼此制约，形成一个类似于宏观生态的复杂的微生态系统，各类微生物间通过营养底物的代谢产物形成共生或共营关系。因而，为使处于此微生态系统中的各类微生物正常生长繁殖、使其中物质的转化和能量的流动高效畅通而获得稳定高效的处理效果，必须根据厌氧反应过程的机理，对厌氧反应器工艺进行合理设计。
从生物化学和微生物学的角度，厌氧生物处理过程中有机物(尤其是复杂有机物——在废水中以悬浮物或胶体形态存在的高分子有机物)的降解途径可分为水解、发酵产酸、产乙酸产氢和产甲烷四个阶段(如下图)。
水解酸化阶段利用微生物的胞外酶对不能通过细胞膜为微生物直接利用的大分子有机物分解为小分子的过程，这些小分子的水解产物能够溶于水并透过细胞膜而为微生物利用，例如淀粉通过淀粉酶的作用而被水解为麦芽糖和葡萄糖，蛋白质被蛋白酶水解为短肽和氨基酸，纤维素被纤维素酶水解为纤维二糖和葡萄糖等。发酵产酸阶段则在发酵菌(酸化菌)的作用下降上述水解产物转化为更简单的化合物并分泌到细胞外，其主要产物有挥发性脂肪酸(VFA)、春类、乳酸、二氧化碳、氢、氨、硫化氢等。同时，酸化菌亦利用部分基质以合成新的细胞物质(因而未酸化废水进行厌氧处理时将产生较多的剩余污泥)。上述发酵产物将在产乙酸阶段进一步被转化为乙酸、氢、碳酸及新的细胞物质，这些产物最后通过产甲烷作用而被最终转化为沼气等终产物和新的细胞物质。
根据所处理废水中所含污染物类型的不同，上述厌氧分解的阶段有所不同，但总是一个环环相扣的连续的微生物反应过程，不同微生物仅能利用某些特定的底物、具有不同的生长繁殖速度并需要不同的环境条件。其中产酸菌(包括酸化和产乙酸菌)种类较多，代谢能力强，繁殖速度快，世代期最短仅需十几分钟，它们对环境条件的适应性亦较强(如可在pH为5~8的环境中发挥作用)，可利用的底物种类较多;产甲烷菌的种类则较少，可利用的底物较有限，繁殖速率慢，世代期最长可达4~6天，而且对环境条件如温度、pH(最适pH为6.8~7.2)及有毒物质的影响十分敏感。由于这两大类微生物对环境条件的要求存在很大的差异(如下表)，因而在一个具有单一空间的反应器中要维持它们在数量、对基质的利用速度等方面的协调平衡，即保证微生态系统的长期正常有效运行是很困难的，经常发生的问题是由于产酸速度与产甲烷速度的不平衡而导致酸的积累，并从而使反应器的pH降低至超出产甲烷菌的适宜范围而抑制其功能的发挥，使反应器的处理能力和效果大大降低，甚至导致整个工艺处理过程的失败。两相或多级厌氧处理的概念正是针对此问题而提出的。通过将一个反应器隔成一定数量的空间或采用一定数量串联的反应器，使废水依次流经各空间或反应器而创造利于分别培养发酵产酸菌和产甲烷菌的环境条件，从而提高处理效能和运行稳定性。
表 产酸菌和产甲烷菌的特性
参数发酵产酸菌产甲烷菌
种类
生长速率
对 pH 的敏感性
氧化还原电位 Eh
对温度的敏感性
对毒物的敏感性
对 H 2 的敏感性
特殊辅酶多
快
不太敏感，最优 pH5.5~7.0
一般低于 -150mV ~200mV
最佳温度 20~35 ℃
一般性敏感
敏感
没有特殊辅酶相对较少
慢
敏感，最优 pH6.8~7.2
一般低于 -350mV~-560mV
中温 30~38 ℃，高温 50~55 ℃
敏感
不太敏感
含有特殊辅酶
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