1、第二章 厌氧生物处理的微生物学与生物化学原理废水与污泥的厌氧生物处理第一节 简介1776年，Valta发现沼泽中可产生可燃气体，并提出这种气体的产生与有机质的分解有关。1806年，Herry发现这种可燃气体为甲烷。1868年，Bechamp首次从微生物学角度阐述了甲烷的形成机理。1875年，Popoff较系统研究了由各种底物发酵产甲烷的过程。1906年，Sohngen培养出八叠球菌和杆状细菌的共生物。Schnellen在此基础上，分离出甲烷八叠球菌属(Methanosarcina barkeri)和甲烷杆菌属(Methanobacterium formicicum)的纯种并命名。实现了微生物学
2、在厌氧发酵原理上的又一突破。第一节 简介1967年，Bryant发现乙醇转化为甲烷的过程并非如人们认为的由一种微生物完成，而是由两个共生菌一起完成的。其中一种微生物把乙醇转化为乙酸和氢气，而另一种微生物利用氢气把二氧化碳转化为甲烷。这个发现揭示：能够被产甲烷微生物所利用的底物种类是有限的，这些底物主要是乙酸、氢气、碳酸氢盐、甲醛和甲醇。第一节 简介近年来，人们证实产甲烷微生物在亲缘关系上既不属于真核生物，也不属于原核生物，人们把它们划归于古细菌。对于废水厌氧处理来说，最令人感兴趣的是产甲烷细菌具有从底物转化为甲烷的过程中获取能量的能力。就这一点来说，它们也是非常独特的。也有一些其它细菌可以产生
3、甲烷，但它们不能由甲烷产生过程中获取能量。第一节 简介厌氧消化（Anaerobic Digestion）过程存在于某些自然生态系统中，例如：沼泽、湖泊和海洋的沉积物、瘤胃动物的胃液等。在非自然的生态系统中，人们利用这种厌氧消化过程，防止大量有机物在环境中的有害积累，同时，回收厌氧消化过程中产生的甲烷作为能源再利用。例如：废水厌氧处理系统、堆肥和污泥消化系统等，第二节 有机物厌氧消化机理v在无氧条件下，污水中所含的碳水化合物、脂肪、蛋白质等复杂有机物在厌氧分解的后期都转化成短链脂肪酸等物质。此时，如果条件合适，另一类细菌将开始繁殖活动，继续厌氧氧化，最终形成甲烷。有机物厌氧消化是一个极其复杂的过
4、程，多年来，厌氧消化被概括为两阶段过程，即酸性发酵阶段和碱性发酵阶段。两阶段厌氧消化过程示意图两阶段厌氧消化过程示意图细菌细胞细菌细胞其它产物其它产物CH4+CO2细菌细胞细菌细胞挥发性脂肪酸挥发性脂肪酸H2+CO2不溶性有机物不溶性有机物溶解性有机物溶解性有机物细胞外酶产酸细菌产甲烷细菌酸性发酵阶段：在不同的厌氧微生物种群作用下，将蛋白质、脂肪、碳水化合物水解并厌氧分解成脂肪酸及其它产物，并合成新细胞。碱性发酵阶段：在具有生理独特性的专性厌氧菌产甲烷菌的作用下，将第一阶段的最终代谢产物转化成甲烷和二氧化碳。第二节 有机物厌氧消化机理v事实上，第一阶段的最终产物不仅仅是酸，发酵所产生的气也并不
5、都是从第二阶段产生的。随着对厌氧消化微生物研究的不断深入，厌氧消化过程中不产甲烷细菌和产甲烷细菌之间的相互关系更加明确。1979年，伯力特（Bryant）等人根据厌氧微生物不同的生理类别和作用，提出了厌氧消化三阶段理论，成为目前较为公认的理论模式。三阶段厌氧消化过程示意图三阶段厌氧消化过程示意图H2+CO2乙酸乙酸H2S+CO2CH4+CO2复杂有机物复杂有机物脂肪酸脂肪酸(C(C2 2)产氢产乙酸产甲烷水解、发酵产甲烷硫酸盐还原硫酸盐还原第一阶段：在水解与发酵细菌作用下，使碳水化合物、蛋白质及脂肪经水解与发酵转化为单糖、氨基酸、脂肪酸、甘油、二氧化碳和氢等。硫酸盐还原三阶段厌氧消化过程示意图
6、三阶段厌氧消化过程示意图H2+CO2乙酸乙酸H2S+CO2CH4+CO2复杂有机物复杂有机物脂肪酸脂肪酸(C(C2 2)产氢产乙酸产甲烷水解、发酵产甲烷硫酸盐还原硫酸盐还原第二阶段：在产氢产乙酸菌的作用下，把第一阶段产物转化为氢、二氧化碳和乙酸。硫酸盐还原三阶段厌氧消化过程示意图三阶段厌氧消化过程示意图H2+CO2乙酸乙酸H2S+CO2CH4+CO2复杂有机物复杂有机物脂肪酸脂肪酸(C(C2 2)产氢产乙酸产甲烷水解、发酵产甲烷硫酸盐还原硫酸盐还原第三阶段：通过两组生理机能不同的产甲烷细菌的作用，将上阶段产物转化为甲烷。一组（乙酸歧化菌）将乙酸脱羧产生甲烷，即：2CH3COOH 2CH4+2C
7、O2另一组（嗜氢甲烷菌）将氢和二氧化碳转化成甲烷，即：4H2+CO2 CH4+2H2O硫酸盐还原三阶段厌氧消化过程示意图三阶段厌氧消化过程示意图H2+CO2乙酸乙酸H2S+CO2CH4+CO2复杂有机物复杂有机物脂肪酸脂肪酸(C(C2 2)产氢产乙酸产甲烷水解、发酵产甲烷硫酸盐还原硫酸盐还原硫酸盐还原在以上阶段里，还包含以下过程：a.水解阶段有蛋白质水解、碳水化合物水解和脂类水解过程。b.发酵酸化阶段包含氨基酸、糖类、较高级脂肪酸与醇类的厌氧氧化过程。c.产乙酸阶段包含从中间产物形成乙酸、氢气和由氢气、二氧化碳形成乙酸过程。d.甲烷化阶段包含由乙酸形成甲烷和从氢气和二氧化碳形成甲烷过程。除以上
8、这些过程以外，当废水含有硫酸盐时，还会有硫酸盐还原过程。第二节 有机物厌氧消化机理v此外，W.W.Eckenfelder 等学者，把有机物厌氧发酵生产沼气的过程（例如，城市污水处理厂的污泥消化过程）分成四个阶段。从生产实践的经验来看，对于一些悬浮物含量较高的复杂有机废水或污泥，“四阶段”的划分似乎更确切些。对于指导生产控制更有效，更容易理解。四阶段四阶段厌氧消厌氧消化过程化过程示意图示意图氨氮、碳酸盐氨氮、碳酸盐其它产物其它产物CH4+CO2乙酸、乙酸、H2不溶性有机物不溶性有机物溶解性有机物溶解性有机物水解阶段酸化阶段甲烷化阶段低分子脂肪酸低分子脂肪酸酸性衰退阶段一、水解阶段：在水解细菌胞外
9、酶的作用下，将非溶解性的聚合物转化为简单的溶解性单体或二聚体。水解过程通常较缓慢，有机质颗粒越大，浓度越高，水解过程需时越长。乙酸、乙酸、H2+CO2四阶段四阶段厌氧消厌氧消化过程化过程示意图示意图氨氮、碳酸盐氨氮、碳酸盐其它产物其它产物CH4+CO2乙酸、乙酸、H2不溶性有机物不溶性有机物溶解性有机物溶解性有机物水解阶段酸化阶段甲烷化阶段低分子脂肪酸低分子脂肪酸酸性衰退阶段二、酸化阶段：在产酸细菌的作用下，将碳水化合物分解为低分子量的脂肪酸（主要是乙酸、丁酸和丙酸）。产酸过程进行的很快，料液中脂肪酸大量积累，pH值迅速下降，料液具有腐烂的气味。乙酸、乙酸、H2+CO2四阶段四阶段厌氧消厌氧消
10、化过程化过程示意图示意图氨氮、碳酸盐氨氮、碳酸盐其它产物其它产物CH4+CO2乙酸、乙酸、H2+CO2不溶性有机物不溶性有机物溶解性有机物溶解性有机物水解阶段酸化阶段甲烷化阶段低分子脂肪酸低分子脂肪酸酸性衰退阶段三、酸性衰退阶段：在此阶段，酸化阶段产物进一步转化为氢、二氧化碳和乙酸等。同时，由于产氨细菌的活动，料液中氨氮浓度增高，氧化还原电位降低，pH上升，为产甲烷菌的活动创造了适宜条件。此阶段的副产物还有硫化氢、粪臭素等。四阶段四阶段厌氧消厌氧消化过程化过程示意图示意图氨氮、碳酸盐氨氮、碳酸盐其它产物其它产物CH4+CO2乙酸、乙酸、H2不溶性有机物不溶性有机物溶解性有机物溶解性有机物水解阶
11、段酸化阶段甲烷化阶段低分子脂肪酸低分子脂肪酸酸性衰退阶段乙酸、乙酸、H2+CO2四、甲烷化阶段：通过两组生理机能不同的产甲烷细菌的作用，将上阶段产物转化为甲烷。一组（乙酸歧化菌）将乙酸脱羧产生甲烷，即：2CH3COOH 2CH4+2CO2另一组（嗜氢甲烷菌）将氢和二氧化碳转化成甲烷，即：4H2+CO2 CH4+2H2O第三节 厌氧消化的微生物学基础v厌氧消化是一个非常复杂的生物学过程，厌氧微生物是指能够在无氧条件下分解有机物的微生物，是一个统称。在一个厌氧消化设备内，有各种微生物存在，形成一个与环境条件、营养条件相对应的微生物群体。这些微生物通过其生命活动完成有机物厌氧代谢的复杂过程。根据功能
12、，厌氧微生物可分为不产甲烷微生物（或称厌氧有机物分解菌，发酵细菌）和产甲烷微生物两大类。第三节 厌氧消化的微生物学基础v不产甲烷微生物：v不产甲烷微生物系指将复杂有机物转化为简单的小分子化合物的一系列微生物，也就是产甲烷阶段以前所有降解有机物或产酸的微生物。这些微生物包括厌氧菌和兼性厌氧菌，还发现有少量好氧菌。v不产甲烷阶段的微生物包括细菌、真菌和原生动物三大类。v不产甲烷阶段细菌的种类很多，数量很大，但具水解活性的细菌只占微生物群落的很小部分。其中专性厌氧菌数量最多，比兼性厌氧菌和好氧菌多100200倍。第三节 厌氧消化的微生物学基础v不产甲烷细菌：v发酵细菌v产氢菌v同型乙酸菌v硫酸盐还原
13、菌v其它特殊细菌1.纤维素分解菌：将纤维素分解成小分子化合物。纤维素分解是厌氧消化的第一步，也是重要的一步。2.半纤维素分解菌：分解原料中的半纤维素，生成木糖、阿拉伯糖、甘露醇和半乳糖。3.淀粉分解菌：将淀粉水解为葡萄糖等。或将淀粉分解成丙酮、丁醇、丁酸、乙酸和氢。4.蛋白质分解菌：将蛋白质分解成氨基酸，然后进一步分解成有机酸、硫醇、氨和硫化氢。5.脂肪分解菌：将脂肪分解成脂肪酸，然后进一步分解成甲烷和二氧化碳。第三节 厌氧消化的微生物学基础v不产甲烷细菌：v发酵细菌v产氢菌v同型乙酸菌v硫酸盐还原菌v其它特殊细菌产氢菌，或称为产氢产乙酸菌，是不产甲烷微生物中一群极为重要的菌种。产酸细菌分解或
14、利用有机酸而生成乙酸和氢，为产甲烷细菌提供基质。第三节 厌氧消化的微生物学基础v不产甲烷细菌：v发酵细菌v产氢菌v同型乙酸菌v硫酸盐还原菌v其它特殊细菌同型乙酸菌可将一碳化合物（如H2/CO2 或甲酸等）或多碳化合物代谢为乙酸。因此，它们在厌氧消化过程中的存在，加大了乙酸做为形成甲烷的直接前体的意义。由于代谢过程不产生氢，可使系统维持较低的氢分压。第三节 厌氧消化的微生物学基础v不产甲烷细菌：v发酵细菌v产氢菌v同型乙酸菌v硫酸盐还原菌v其它特殊细菌硫酸盐还原菌能够把脂肪酸、乙醇和硫酸盐（亚硫酸盐）转化为乙酸和硫化氢，从而提供甲烷菌所需的还原性条件、硫化氢和一部分乙酸。硫化氢可为甲烷菌提供生物
15、合成所需的碳源，并可维持介质的还原性质，使氧化还原电位维持在300mV以下。但是，当污水中含硫酸盐较多时，硫酸盐还原菌可能对甲烷菌产生抑制作用并与甲烷菌争夺底物。因此，对硫酸盐还原菌的控制是采用厌氧处理含硫酸盐污水时要认真对待的问题。第三节 厌氧消化的微生物学基础v不产甲烷细菌：v发酵细菌v产氢菌v同型乙酸菌v硫酸盐还原菌v其它特殊细菌乳酸菌：可利用乳酸生成乙酸和丙酸，某些菌还能产生较高级的酸，也能发酵其它底物。厌氧光合成细菌：已经成功分离并试图应用于污水处理。厌氧消化过程各大类细菌的位置厌氧消化过程各大类细菌的位置H2+CO2乙酸乙酸H2S+CO2CH4+CO2有机物有机物脂肪酸、有机酸、醇
16、脂肪酸、有机酸、醇产氢产乙酸菌产甲烷菌发酵细菌产甲烷菌硫酸盐还原菌硫酸盐还原菌硫酸盐还原菌同型乙酸菌第三节 厌氧消化的微生物学基础v产甲烷细菌：v甲烷菌的形态v甲烷菌的分类v甲烷菌的培养v甲烷菌的繁殖v甲烷菌的能量代谢各种甲烷菌在形态上是不同的，常见的有以下四种：1.甲烷杆菌：杆状细胞通常弯曲，连成链或长丝状。2.甲烷球菌：球形细胞从正圆形到椭圆形，排列成对或成链。3.八叠球菌：繁殖成有规则的、大小一致的细胞，这些细胞堆积在一起。4.甲烷螺旋菌：细胞呈有规则的弯曲杆状，最后形成螺旋丝状。第三节 厌氧消化的微生物学基础v产甲烷细菌：v甲烷菌的形态v甲烷菌的分类v甲烷菌的培养v甲烷菌的繁殖v甲烷菌
17、的能量代谢各种甲烷菌在形态上差别很大，但在生理学上却十分相似，都是严格的厌氧菌，主要代谢产物都是甲烷。到目前为止，已报道并得到公认的甲烷菌有14种19个菌株，分属三目四科七属。甲烷菌的主要特性：1.最适宜温度：温度对于各种菌产甲烷活性有显著的影响，大部分甲烷菌为中温菌，最适宜温度3540。2.最适宜pH：介质pH对各种菌产甲烷活性的影响也很显著，每种甲烷菌都有一个最佳pH值，一般都在6.39.0的范围内。第三节 厌氧消化的微生物学基础v产甲烷细菌：v甲烷菌的形态v甲烷菌的分类v甲烷菌的培养v甲烷菌的繁殖v甲烷菌的能量代谢所有甲烷菌都是从形成甲烷的过程中获得生长所需的能量而合成新细胞。甲烷菌的营
18、养条件比较简单，大多数都能在以二氧化碳、氨、硫化物作为主要碳、氮和硫来源的培养基上生长。1.碳营养源：各种甲烷菌利用不同的底物作为碳源，除乙酸、氢和二氧化碳外，八叠球菌还能利用甲醇、乙胺和乙酸盐等作为底物。2.氮营养源：氨氮是所有产甲烷菌的主要氮源。在培养基中加氨基酸，可缩短世代时间，增加细胞产量。3.硫营养源：硫化物是甲烷菌所需硫的主要来源，但有少数菌种能利用半胱氨酸作为硫源。第三节 厌氧消化的微生物学基础v产甲烷细菌：v甲烷菌的形态v甲烷菌的分类v甲烷菌的培养v甲烷菌的繁殖v甲烷菌的能量代谢一般甲烷菌繁殖倍增时间都比较长，长者达46天。由于甲烷菌繁殖速度慢，故污水厌氧处理设备启动时间较长，
19、有时甚至需要一年的时间才能完成培养、驯化过程。为了较快启动，常需从外部投加大量的接种污泥。第三节 厌氧消化的微生物学基础v产甲烷细菌：v甲烷菌的形态v甲烷菌的分类v甲烷菌的培养v甲烷菌的繁殖v甲烷菌的能量代谢甲烷菌的分解代谢为产能反应，其生命活动和增殖所需的能量来自代谢过程中释放出的能。与污水好氧生物处理相比，厌氧消化只产生很少的能量，且仅有很少的能量用于合成新细胞，因此，厌氧微生物增殖缓慢，产生的剩余污泥量很少。第三节 厌氧消化的微生物学基础v厌氧微生物种群的相互关系：v厌氧与好氧微生物种群的主要区别v厌氧微生物种群的相互关系v不产甲烷菌与甲烷菌之间的依赖关系v甲烷菌在厌氧消化过程中的生物调
20、节作用v产酸菌与甲烷菌之间的对抗关系v产氢产乙酸菌与甲烷菌的共生关系在污水好氧生物处理中，根据微生物群体的概念，往往把好氧生物污泥对有机物的代谢归纳为分解与合成两方面。而在厌氧生物处理中，除了把有机物的代谢归纳为分解与合成之外，更重要的是把有机物的代谢按生物化学过程的顺序分为水解、酸化和甲烷化三个过程，每个过程都对应着生理特性差别很大的菌群。在研究厌氧生物处理时，不仅要了解这三个菌群的特点及功能，而且应对厌氧处理生态系统中三大类微生物的相互作用有较透彻的了解。第三节 厌氧消化的微生物学基础v厌氧微生物种群的相互关系：v厌氧与好氧微生物种群的主要区别v厌氧微生物种群的相互关系v不产甲烷菌与甲烷菌
21、之间的依赖关系v甲烷菌在厌氧消化过程中的生物调节作用v产酸菌与甲烷菌之间的对抗关系v产氢产乙酸菌与甲烷菌的共生关系在污水厌氧处理生态系统中，水解、酸化和甲烷化三大类厌氧微生物的关系包括相互协同和相互制约两个方面。厌1.不产甲烷菌与甲烷菌之间的关系2.甲烷菌之间的关系3.不产甲烷菌之间的关系的关系第三节 厌氧消化的微生物学基础v厌氧微生物种群的相互关系：v厌氧与好氧微生物种群的主要区别v厌氧微生物种群的相互关系v不产甲烷菌与甲烷菌之间的依赖关系v甲烷菌在厌氧消化过程中的生物调节作用v产酸菌与甲烷菌之间的对抗关系v产氢产乙酸菌与甲烷菌的共生关系在污水厌氧处理生态系统处于正常工作状态时，不产甲烷菌和
22、甲烷菌的总代谢能力达到了平衡，处理设备内的有机物组成和浓度既适合不产甲烷菌的生长，也适合甲烷菌的生长，两大类细菌的生命活动呈现出相互依赖的协调关系。第三节 厌氧消化的微生物学基础v厌氧微生物种群的相互关系：v厌氧与好氧微生物种群的主要区别v厌氧微生物种群的相互关系v不产甲烷菌与甲烷菌之间的依赖关系v甲烷菌在厌氧消化过程中的生物调节作用v产酸菌与甲烷菌之间的对抗关系v产氢产乙酸菌与甲烷菌的共生关系在污水厌氧消化过程中，甲烷菌是消化过程稳定性和活性的生物调节者。甲烷菌所表现出的最有意义的三种调节机能：1.质子调节：甲烷菌代谢乙酸的质子调节作用，可除去系统内的有毒代谢产物，确保营养类型菌种生长所需的
23、最佳pH范围。2.电子调节：甲烷菌代谢氢的电子调节作用，从热力学上为产氢产乙酸菌的代谢创造了最适条件，并增加了水解菌对基质的利用。3.营养调节：某些甲烷菌合成或排泄有机生长因子，可刺激异养型营养类菌种的生长。第三节 厌氧消化的微生物学基础v厌氧微生物种群的相互关系：v厌氧与好氧微生物种群的主要区别v厌氧微生物种群的相互关系v不产甲烷菌与甲烷菌之间的依赖关系v甲烷菌在厌氧消化过程中的生物调节作用v产酸菌与甲烷菌之间的对抗关系v产氢产乙酸菌与甲烷菌的共生关系当厌氧污水处理设备超负荷运行时，介质中的有机物浓度提高，刺激产酸菌的快速繁殖。由于产酸菌繁殖速度大大高于甲烷菌，使介质中有机酸大量积累，pH下
24、降，抑制甲烷菌的生长，处理效果下降。严重时，甲烷菌完全受到抑制，污水厌氧生物处理过程失败，这就是产酸菌与甲烷菌之间的对抗关系。一般来说，在厌氧消化过程中，由于产氨菌的活动，介质的酸碱度能够达到自然平衡。为了不使产酸菌群发展到对甲烷菌产生抑制的程度，在实际操作时应特别重视介质pH和有机物负荷的控制。第三节 厌氧消化的微生物学基础v厌氧微生物种群的相互关系：v厌氧与好氧微生物种群的主要区别v厌氧微生物种群的相互关系v不产甲烷菌与甲烷菌之间的依赖关系v甲烷菌在厌氧消化过程中的生物调节作用v产酸菌与甲烷菌之间的对抗关系v产氢产乙酸菌与甲烷菌的共生关系产氢产乙酸菌不断提供大量的氢，作为甲烷菌的能源和将二氧化碳还原为甲烷的电子供体，产氢产乙酸菌与甲烷菌具有共生关系，这一点可由产氢产乙酸菌只有在与甲烷菌共同培养时才能生长而得到证明。当消化系统中氢的浓度高时，将会抑制产氢产乙酸菌的生命活动，因此，必须将其与甲烷菌共同培养，才能使其代谢反应在热力学上易于进行。人有了知识，就会具备各种分析能力，明辨是非的能力。所以我们要勤恳读书，广泛阅读，古人说“书中自有黄金屋。”通过阅读科技书籍，我们能丰富知识，培养逻辑思维能力；通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平，培养文学情趣；通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己的知识面。有许多书籍还能培养我们的道德情操，给我们巨大的精神力量，鼓舞我们前进。
