水中有机物的降解过程探究

在水中缺乏溶解氧的情况下，有机污染物仍可在兼性厌氧菌和专性厌氧菌的作用下氧化分解和转化，最终达到无机化。此时氧化所需的氧，不是来自水中的溶解氧O2，而是有机物分子中的结合氧。专性厌氧微生物，是在完全缺乏溶解氧O2的水中生存繁衍的微生物，如甲烷菌，它们不能在有溶解氧的水中生存。兼氧性微生物，则是一种好氧、厌氧下都能生存繁衍的微生物，如水解菌群和产酸菌群，它们主要将高分子有机物分解为低分子有机物，再供专性厌氧菌转化为甲烷(CH4)、二氧化碳等无机物。厌氧降解转化过程可发生在有机污染严重的河段、水体和湖泊的下层和底部，并被广泛应用于厌氧污水处理工程中。自然条件下这种反应往往不完全，兼性厌氧菌分解产生的H2S、NH3，会使水体变黑发臭，应采取措施尽量避免。

一般将水体有机物厌氧分解可分为两个大的阶段，如图7-5所示。第一阶段，兼性厌氧菌将大分子有机物质，如糖、淀粉、木质素、脂肪、蛋白质等分解为较小的短链有机物 (如有机酸、醇类)和无机物NH3、CO2、H2S等，该阶段的产物大部分呈酸性，故常称之为产酸发酵阶段。第二阶段，专性厌氧菌，主要是甲烷菌，将第一阶段的产物转化为甲烷(CH4)、二氧化碳、氨等气体，故称产气阶段。由于整个厌氧转化过程中释放的能量很少，大分子有机物转化为小分子无机物时，尚保持大量的生物能，故甲烷气本身具有很高的能量，当在空气中燃烧氧化时会放出大量的热能，甲烷气一般可产热量3万kJ/m3。第二阶段是在微碱性的情况下完成，故也称碱性发酵阶段。两个阶段的分解转化必须彼此协调，若第一阶段的产物不能在第二阶段连续转化为CH4、CO2、NH3等，则会发生酸性积累，妨碍甲烷菌的活性，导致第二阶段工作被破坏，使有机物无法转化为无机性的最终产物；再就是不同的有机物厌氧降解中生成的最终产物也有所不同，如蛋白质降解的最终产物中除与碳水化合物降解产生的CH4、CO2相同的两种元素外，还有NH3、H2S等存在。

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图7-5　有机污水厌氧降解转化过程两段模式示意图

20世纪60年代未，布赖恩特 (Bryant，1967)认为厌氧降解的二段模式过于简单，经实验研究，提出了有机物厌氧降解的四阶段理论：①水解阶段，高分子有机物通过水解酶作用转化为可溶性低分子有机物，如纤维素、淀粉等碳水化合物水解成糖类，蛋白质水解成氨基酸等；②产酸阶段，通过不同的发酵菌，将可溶性有机物转化为有机酸、醇类、醛类等，同时也形成氨、二氧化碳、氢等；③产乙酸阶段，乙酸菌将有机酸、醇、醛转化为乙酸；④产甲烷阶段，在甲烷菌作用下，乙酸、氢、二氧化碳转化为甲烷。

有机物的厌氧降解要比好氧降解复杂，需要的时间也长得多，对温度、p H值等环境条件的要求也比较严格，但在分解中由于不需要游离氧和阳光，可在密闭的厌氧系统中进行，因此，这一原理正在被广泛应用于高浓度有机废水的处理中，不仅能耗少，而且可以获得可观的能源。