人们有目的地利用厌氧生物处理法已有近百年的历史。由于传统的厌氧法存在水力停留时间长、有机负荷率低等缺点，在过去很长一段时间里，没有得到广泛采用。它仅限于处理污水厂的污泥、粪便等。在废水处理方面，几乎都是采用好氧生物处理。近二十多年来，世界上的能源问题突出，而随着生物学、生物化学等学科的发展和工程实践经验的积累，不断开发出新的厌氧处理工艺和构筑物，克服了传统工艺的缺点，使得这一处理技术的理论和实践都有了很大进步，使它在处理高浓度有机废水方面取得了良好的效果和经济效益。

第一节  厌氧生物处理的基本原理

传统上，污泥在脱水作最后处置前进行厌氧处理，称污泥消化(详见第二十章)，“消化”也常作为厌氧处理的简称。早期的厌氧处理研究都针对污泥消化。

污泥的厌氧处理面对的是固态有机物，所以称为消化。对批量污泥静置考察，可以见到污泥的消化过程明显分为两个阶段。固态有机物先是液化，称液化阶段；接着降解产物气化，称气化阶段；整个过程历时半年以上。第一阶段最显著的特征是液态污泥的pH值迅速下降，不到10d，降到最低值(即使在室温下，露在空气中的食物几天内就变馊发酸)，所以，称酸化阶段更为合适。污泥中的固态有机物主要是天然高分子化合物，如淀粉、纤维素、油脂、蛋白质等，在无氧环境中降解时，转化为有机酸、醇、醛、水分子等液态产物和CO₂、H₂、NH₃、H₂S等气体分子，气体大多溶解在泥液中。转化产物中有机酸是主体，在一个月左右，达到最高值。低pH值有抑制细菌生长的作用，NH₃的溶解产物NH₄OH有中和作用，经过长时间的酸化阶段，pH值回升后，进入气化阶段。气体类似沼泽散发的气体，可称消化气，主体是CH₄，因此气化阶段常称甲烷化阶段，与酸化阶段相应。CO₂也相当多，还有微量H₂S。参与消化的细菌，酸化阶段的统称产酸或酸化细菌，几乎包括所有的兼性细菌；甲烷化阶段的统称甲烷细菌，已经证实的已有80多种。

1967年，Bryant报告认为消化经历四个阶段：先是水解阶段，固态有机物被细菌的胞外酶所水解；第二阶段是酸化；在进入甲烷化阶段之前，代谢中间液态产物都要乙酸化，称乙酸化阶段；第四阶段是甲烷化阶段。然而甲烷化效率很高的甲烷八叠球菌能够代谢甲醇，乙酸和CO₂为甲烷。

    以上的过程可以用图15—1表示。

在工程技术上，研究甲烷细菌的通性是重要的，这将有助于打破厌氧生物处理过程分阶段的现象，从而最大限度地缩短处理过程的历时。经验和研究表明，pH值和温度是影响甲烷细菌生长的两个重要环境因素。pH值应在6.8～7.2之间。在35℃~38℃和52℃~55℃各有一个最适温度。

污水和泥液中的碱度有缓冲作用，如果有足够的碱度中和有机酸，其pH值有可能维持在6.8之上，酸化和甲烷化两大类细菌就有可能共存，从而消除分阶段现象。此外，消化池池液的充分混合对调整pH值也是必要的。

从液温看，消化可在中温(35℃～38℃)进行(称中温消化)，也可在高温(52℃~55℃)进行(称高温消化)。但后者需要的热量比前者要高很多。

近年，打破了好氧处理和厌氧处理绝然分立的传统观念，开发了好氧技术和厌氧技术联合运用的方法，大大推进了生物处理技术的研究和应用。

Bryant在分离培养奥氏杆菌的研究中，发现长期来被称为Methanobacterium Omelianskii的奥氏杆菌实际上是由两株生理功能不同的细菌组成，一株为M．S．，另一株为M．OH。奥氏杆菌并不象人们以前认为的能简单地直接利用产酸阶段的产物乙醇，而必须先在M．S．的作用下使乙醇氧化为乙酸放出H₂，然后M．OH．利用产生的H₂还原CO₂产生甲烷。

Bryant的研究明确和突出了产乙酸细菌和产甲烷细菌之间严格的共生关系。如果奥氏杆菌M．OH．受到抑制，则H₂就会积累，反过来会使M．S．亦受到抑制。同样，如M．S．受到抑制，则不会产生乙酸和还原CO₂所需的H₂。McCarty的研究表明，复杂有机物的绝大部分(72％的COD)是经过乙酸生成甲烷的。研究这种共生关系对于厌氧工艺的改进有实际意义。因此有人提出，考虑到这种共生关系，反应器中的剪切力要注意控制，不能在系统内进行连续的剧烈搅拌。前联邦德国一个果胶厂废水厌氧处理装置的运行实践也证实，当采用低速循环泵代替高速泵进行搅拌时，处理效果就会提高。

研究还表明，脱硫弧菌(硫酸还原细菌)也具有与产乙酸细菌相类似的作用，能将乳酸、丙酮酸和乙醇转化为H₂、CO₂和乙酸。但在含硫无机物(SO₄^2-、SO₃^2-)存在时，它将优先还原SO₄^2-和SO₃^2-，产生H₂S，形成与甲烷细菌对基质的竞争。因此，当厌氧处理系统中SO₄^2-、SO₃^2-浓度过高时，产甲烷过程就会受到抑制。消化气中CO₂成份提高，并含有较多的H₂S。H₂S对甲烷细菌的毒害作用更进一步影响整个系统的正常工作。

甲烷细菌是专性厌氧的。目前已从纯培养中分离出数十种甲烷细菌。它们在形态上有明显的差别，但在细胞壁的结构方面有许多相似之处。值得提出的是甲烷八叠球菌，它的效率高，能利用甲醇、乙酸和CO₂作为基质。

与产酸菌相比，甲烷细菌对温度、pH值、有毒物质等更为敏感。甲烷细菌对温度的变化很敏感，因此要保持温度的恒定。通常采用的厌氧处理的温度一般选择在中温(35～38℃)或高温(52～55℃)。甲烷细菌要求的pH值严格控制在6.8—7.2。

基质的组成也直接影响厌氧处理的效率和微生物的增长，但与好氧法相比，对废水中N、P的含量要求低。有资料报导，只要达到COD：N：P：800：5：1即足够。

厌氧法为什么有机负荷率低，需要的停留时间长?这是由有机物厌氧分解的反应所决定的。与好氧法相比，厌氧法的降解较不彻底，放出热量少，反应速度低(与好氧法相比，在相同时，要相差一个数量级)。要克服这些缺点，最主要的方法应是增加参加反应的微生物数量(浓度)和提高反应时的温度。但要提高反应温度，就要消耗能量(而水的比热又很大)。因此，厌氧生物处理法目前还主要用于污泥的消化、高浓度有机废水和温度较高的有机工业废水的处理。