厌氧生物处理的基本生物过程

厌氧生物处理的基本生物过程

1、两阶段理论：

不溶性有机物 水解胞外酶 可溶性有机物 胞内酶产酸菌 酸性发酵阶段 细菌细 胞 脂肪酸、醇类、 H2、CO2 其它产物 内源呼 吸产物 细菌细胞 胞内酶产甲烷菌 CO2、CH4 碱性发酵阶段 图1厌氧反应的两阶段理论图示 20世纪30~60年代，被普遍接受的是“两阶段理论”

第一阶段：发酵阶段，又称产酸阶段或酸性发酵阶段；主要功能是水解和酸化，主要产物是脂肪酸、醇类、CO2和H2等；主要参与反应的微生物统称为发酵细菌或产酸细菌；这些微生物的特点是：1）生长速率快，2）对环境条件的适应性（温度、pH等）强。

第二阶段：产甲烷阶段，又称碱性发酵阶段；是指产甲烷菌利用前一阶段的产物，并将其转化为CH4

和CO2；主要参与反应的微生物被统称为产甲烷菌（Methane producing bacteria）；产甲烷细菌的主要特点是：1）生长速率慢，世代时间长；2）对环境条件（温度、pH、抑制物等）非常敏感，要求苛刻。 2、三阶段理论

对厌氧微生物学的深入研究后，发现将厌氧消化过程简单地划分为上述两个过程，不能真实反映厌氧反应过程的本质；

厌氧微生物学的研究表明，产甲烷菌是一类十分特别的古细菌（Archea），除了在分类学和其特殊的学报结构外，其最主要的特点是：产甲烷细菌只能利用一些简单有机物作为基质，其中主要是一些简单的一碳物质如甲酸、甲醇、甲基胺类以及H2/CO2等，两碳物质中只有乙酸，而不能利用其它含两碳或以上的脂肪酸和甲醇以外的醇类；

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上世纪70年代，Bryant发现原来认为是一种被称为“奥氏产甲烷菌”的细菌，实际上是由两种细菌共同组成的，一种细菌首先把乙醇氧化为乙酸和H2（一种产氢产乙酸细菌），另一种细菌则利用H2和CO2产生CH4（一种真正意义上的产甲烷细菌——嗜氢产甲烷细菌）；因而，Bryant提出了厌氧消化过程的“三阶段理论”：

有机I 发酵性细脂肪酸、醇类 II 乙酸 产氢产乙酸H2+CO2 同型产乙酸菌 IV III 产甲烷菌 CH4 说明：1）I、II、III为三阶段理论，I、II、III、 IV为四类群理论； 2）所产生的细胞物质未表示在图中 图2厌氧反应的三阶段理论和四类群理论 水解、发酵阶段：

产氢产乙酸阶段：产氢产乙酸菌，将丙酸、丁酸等脂肪酸和乙醇等转化为乙酸、H2/CO2； 产甲烷阶段：产甲烷菌利用乙酸和H2、CO2产生CH4；

一般认为，在厌氧生物处理过程中约有70%的CH4产自乙酸的分解，其余的则产自H2和CO2。 3、四阶段理论（四菌群学说）：

几乎与Bryant提出“三阶段理论”的同时，又有人提出了厌氧消化过程的“四菌群学说”：

实际上，是在上述三阶段理论的基础上，增加了一类细菌——同型产乙酸菌，其主要功能是可以将产氢产乙酸细菌产生的H2/CO2合成为乙酸。但研究表明，实际上这一部分由H2/CO2合成而来的乙酸的量较少，只占厌氧体系中总乙酸量的5%左右。

总体来说，“三阶段理论”、“四阶段理论”是目前公认的对厌氧生物处理过程较全面和较准确的描述。 4、多阶段理论

但是，当利用厌氧生物处理工艺处理含有复杂有机物的时候，在厌氧反应器中发生的反应会远比上述“三阶段理论”、“四阶段理论”中所描述的反应过程复杂，可以参见“厌氧复杂体系示意图”。

IWA-ADM1号模型：将厌氧消化过程分为五类19个子过程：

? 初步分解：

1) 复杂颗粒化合物被初步分解为颗粒状碳水化合物、蛋白质、脂类；

? 水解：

2) 碳水化合物被水解为单糖； 3) 蛋白质被水解为氨基酸；

4) 脂类被水解为长链脂肪酸和单糖；

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? 产酸产氢作用：

5) 单糖被降解为戊酸、丁酸、丙酸、乙酸和氢； 6) 氨基酸被降解为戊酸、丁酸、丙酸、乙酸和氢； 7) 长链脂肪酸(LCFA)被转化为乙酸和氢； 8) 戊酸被降解为丙酸、乙酸和氢； 9) 丁酸被降解为乙酸和氢； 10) 丙酸被降解为乙酸和氢；

? 产甲烷作用

11) 乙酸被乙酸营养型的产甲烷菌消耗；

12) 氢被氢营养型产甲烷菌消耗；

? 细菌的衰亡 13) 单糖降解微生物的衰亡； 14) 氨基酸降解微生物的衰亡；

15) 长链脂肪酸降解微生物的衰亡； 16) 戊酸和丁酸降解微生物的衰亡； 17) 丙酸盐降解微生物的衰亡； 18) 乙酸营养型产甲烷菌的衰亡； 19) 氢营养型产甲烷菌的衰亡。

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