UNIT 2 厌氧发酵和氧化

厌氧生化法的基本原理及影响其效果的因素一、厌氧生化法的基本原理废水厌氧生物处理是在无分子氧条件下通过厌氧微生物（包括兼氧微生物）的作用，将废水中的各种复杂有机物分解转化成甲烷和二氧化碳等物质的过程，也称为厌氧消化。

厌氧生物处理是一个复杂的微生物化学过程，依靠三大主要类群的细菌，即水解产酸细菌、产氢产乙酸细菌和产甲烷细菌的联合作用完成。

因而粗略地将厌氧消化过程分为三个连续的阶段，即水解酸化阶段、产氢产乙酸阶段和产甲烷阶段，如下图所示：24% 28%CH4 52% 72%乙酸第一阶段为水解酸化阶段。

复杂的大分子、不溶性有机物先在细胞外酶的作用下水解为小分子、溶解性有机物，然后渗入细胞体内，分解产生挥发性有机酸、醇类、醛类等。

这个阶段主要产生较高级脂肪酸。

含氮有机物分解产生的NH3除了提供合成细胞物质的氮源外，在水中部分电离，形成NH4HCO3，具有缓冲消化液PH值的作用。

第二阶段为产氢产乙酸阶段。

在产氢产乙酸细菌的作用下，第一阶段产生的各种有机酸被分解转化成乙酸和H2，在降解奇数碳素有机酸时还形成CO2。

第三阶段为产甲烷阶段。

产甲烷细菌将乙酸、乙酸盐、CO2和H2等转化成甲烷。

虽然厌氧消化过程可分为以上三个阶段，但是在厌氧反应器中，三个阶段是同时进行的，并保持某种程度的动态平衡。

这种动态平衡一旦被PH值、温度、有机负荷等外加因素所破坏，则首先将使产甲烷阶段受到抑制，其结果会导致低级脂肪酸的积存和厌氧进程的异常变化，甚至会导致整个厌氧消化过程停滞。

二、影响厌氧处理效果的因素水解产酸细菌和产氢产乙酸细菌，可统称为不产甲烷菌，它包括厌氧细菌和兼性细菌，尤以兼性细菌居多。

与产甲烷菌相比，不产甲烷菌对PH值、温度、厌氧条件等外界环境因素的变化具有较强的适应性，且其增殖速度快。

而产甲烷菌是一群非常特殊的、严格厌氧的细菌，它们对环境条件的要求比不产甲烷菌更严格，而且其繁殖的世代期更长。

因此，产甲烷细菌是决定厌氧消化效率和成败的主要微生物，产甲烷阶段是厌氧过程速率的限制步骤。

厌氧发酵和氧化厌氧发酵和氧化过程主要被用来污泥处理（图2.1）和高强度有机污染物。

然而，稀释污水的应用也已被证明，并且越来越普遍。

由于低生物量产量和在形成甲烷过程中能量可以由有机物基质的生物转化恢复，使得厌氧发酵进程占有优势。

尽管很多的发酵进程在中温（30到35℃）进行，任然有越来越的人对单独高温发酵或预中温发酵感兴趣。

后者被定义为两相厌氧消化（TPAD），它被典型设定为先是污泥停留时间3到7天，温度50到60℃的高温相，最后是7到15天的中温相。

高温厌氧发酵消化进程被用来杀死病原菌以生产能够无线重复利用的A级生物固体。

在处理高强度工业污水时，由于在节约能量，增加营养物和反应器容量方面的原因，厌氧发酵展现出比好氧进程更高效的选择性。

由于出水水质不如好氧处理，厌氧处理通常作为污水进入市政收集系统前的预处理步骤，或者在好氧进程前面。

过程描述污水厌氧氧化涉及三个基础步骤：（i）水解，（ii）发酵（也被称为产酸），（iii）产甲烷。

三个步骤以图表的形式在图表2.2中阐述。

特殊应用的流程图起点取决于被处理污水的性质。

水解对于大多数发酵过程的第一步中，特殊物质被转化为可溶性化合物，然后被进一步水解为被细菌用来完成发酵的简单单体物质，这叫做水解。

对于一些工业污水。

发酵可能是厌氧过程的第一步。

发酵第二步是发酵（也叫产酸）。

在发酵过程中，氨基酸，糖类和脂肪酸被降解，如图2.2.有机基质同时充当电子供体和受体。

发酵的主要产物是醋酸盐，氢，二氧化碳，丙酸盐和丁酸盐。

丙酸盐和丁酸盐进一步发酵同样产生氢，二氧化碳和醋酸盐。

因此，发酵的最终产物（醋酸盐，氢，二氧化碳）是甲烷形成（产甲烷）的前提。

自由能的改变与丙酸盐和丁酸盐的转化有关，要求系统中氢在低浓度（H2<10-4atm）,否则反应无法进行。

产甲烷第三步，产甲烷，由一组统称为产甲烷菌的生物。

甲烷的产生包含两组产甲烷生物。

一组称为分解乙酸的产甲烷菌，能把醋酸盐分解为甲烷和二氧化碳。

厌氧生物处理的三阶段四阶段理论厌氧生物处理的三阶段四阶段理论厌氧生物处理的基本原理:厌氧生物处理（Anaerobic Process）是在厌氧条件下,形成了厌氧微生物所需要的营养条件和环境条件,通过厌氧菌和兼性菌代谢作用，对有机物进行生化降解的过程。

厌氧处理基本生物过程:厌氧生物处理在早期被称为厌氧消化或厌氧发酵，指的是在厌氧条件下，在多种微生物（厌氧微生物、兼性微生物）的作用下，将有机物转化为甲烷和二氧化碳的过程。

由此可见，厌氧处理过程中产生的是一种气体，主要成分是甲烷和二氧化碳，也就是我们常说的沼气。

厌氧生物处理的基本生物过程有一个很明显的特点，就是其具有阶段性，根据不同的依据，可以分为两阶段、三阶段甚至四阶段。

两阶段理论:该理论认为有机物在厌氧条件下首先进行酸性发酵阶段（产酸阶段），然后进行碱性发酵阶段（产气阶段）。

产酸阶段的主要微生物为发酵细菌或产酸细菌，这些微生物生长快，适应性很强，对环境条件不是非常敏感。

会将有机物进行水解和酸化，产生脂肪酸、醇类、二氧化碳和氢气。

产气阶段的主要微生物为产甲烷细菌，其生长非常缓慢，生长倍增时间会达到几天，而且对于环境条件的变化非常敏感。

会将产酸阶段产生的中间产物转化为甲烷和二氧化碳。

两阶段理论，虽然形象且直接的描述了厌氧生物处理的过程，但是有学者发现，产甲烷细菌只能利用一些简单的有机物（比如甲酸、乙酸、甲醇、甲基胺类等）来产生甲烷，并不能利用两个碳以上的脂肪酸（乙酸除外）和醇类（甲醇除外）直接作为它的底物（参与生化反应的物质称为底物）。

还有一种“奥式产甲烷菌”，其实是由两种细菌组合而成，其中一种细菌将乙醇氧化为乙酸和氢气，另一种细菌则利用氢气和环境中的二氧化碳来产生甲烷。

、所以说，两阶段理论是存在一定局限性的，因此1979年，Bryant又提出了“三阶段理论”。

三阶段理论:该理论认为，除了产酸细菌和产甲烷细菌之外，还存在第三种细菌，称为产氢产乙酸细菌，三阶段的过程如下图所示：厌氧生物处理三阶段理论过程图.分为水解、发酵阶段（Ⅰ），产氢产乙酸阶段（Ⅱ）和产甲烷阶段（Ⅲ）。

厌氧发酵和无氧发酵解释说明以及概述1. 引言1.1 概述厌氧发酵和无氧发酵是一类生物发酵过程，都属于微生物代谢的一种形式。

在这两种发酵过程中，微生物在缺氧条件下利用有机底物进行能量的产生和新陈代谢产物的生成。

尽管它们有相似之处，但仍存在一些重要的差异。

1.2 文章结构本文将首先对厌氧发酵和无氧发酵进行详细的定义和原理解释。

然后，我们将介绍进行这两种发酵所需的条件，并讨论它们在不同应用领域中的具体应用情况。

接下来，我们将比较和区分厌氧发酵和无氧发酵，在反应类型、微生物参与以及应用场景方面进行详细对比。

最后，我们将对整个文章做出总结，并提出未来研究方向的建议。

1.3 目的本文旨在全面探讨厌氧发酵和无氧发酵这两种微生物代谢形式，并深入剖析它们之间的区别和相似之处。

通过本文的阐述，读者可以更好地理解这两种发酵过程以及它们在不同领域中的应用。

此外，本文也将为未来相关研究提供一些参考和指导。

2. 厌氧发酵:2.1 定义与原理:厌氧发酵是一种在无氧条件下进行的生物反应过程，通过微生物菌群代谢产生能量和有机化合物。

这个过程中，微生物在缺氧的环境下将有机废料或底物转化为产气、液体和固体产物。

厌氧发酵过程可以分为多个阶段，每个阶段都由特定的微生物参与。

厌氧发酵主要依赖于一类叫做厌氧菌的微生物，在缺氧条件下通过酸性发酵或其他代谢途径来产生能量。

这些微生物通常是革兰氏阴性菌或革兰氏阳性菌，在缺少外源电子受体（如氧）的情况下，它们利用有机底物中的电子供体进行内部代谢。

2.2 进行条件:厌氧发酵需要满足以下几个条件：- 缺乏外源电子受体（例如，没有氧）- 适宜的温度和pH范围- 适当的营养物质和底物供给- 微生物菌种及其代谢适应环境条件2.3 应用领域:厌氧发酵在多个领域具有广泛的应用，包括以下几个方面：- 生物能源生产: 利用厌氧菌进行底物转化，从而产生可再生能源，如生物甲烷、乙酸等。

- 垃圾处理与污水处理: 厌氧发酵在有机废料处理和污水处理过程中发挥重要作用，能够将有机底物转化为肥料或者产气。

氧化-发酵试验
1、原理：又称Hugh-Leifson(HL)试验。

细菌在分解葡萄糖的过程中，必须以分
子氧作为电子受体的，称为氧化型。

这里细菌通常是专性需氧菌，在无氧环境中不能分解葡萄糖。

细菌在分解葡萄糖的过程中，可以进行无氧降解的，成为发酵型，此类细菌无论在有氧还是无氧环境中都能分解葡萄糖，通常为兼性厌氧菌。

不分解葡萄糖的细菌，称为产碱型。

利用此实验可以区分细菌的代谢类型。

2、培养基：Hugh-Leifson培养基。

3、方法：挑取少许纯种细菌，同时穿刺接种两只培养基，其中一支在接种后，
滴加高度不少于1cm的无菌液体石蜡于培养基上，进行封盖，以隔绝空气。

于35℃培养48h以上，观察结果。

4、结果判定：加入溴甲酚紫作为指示剂（5.8-6.8）来判断结果颜色。

培养基变
黄表示细菌分解葡萄糖而产酸，颜色不变不分解葡萄糖。

若两支培养基均变黄为发酵型（F）；均不变为产碱型（O-F阴性）；仅不加液体石蜡的培养基管内变黄为氧化型（O）。

发酵型氧化型产碱型
5、用途：用于细菌种属间的鉴别。

肠杆菌科的细菌为发酵型，非发酵菌通常为
氧化型或产碱型。

此外微球菌属可以氧化葡萄糖，而葡萄球菌属则能发酵葡萄糖。

第二章《《第2节 氧气和氧化》学案联想情景导入鱼儿能在水中生存、燃料能够燃烧、人和动物能够呼吸、很久不用的铝锅表面会形成白色斑点、塑料和橡胶制品使用时问长了会发生老化等。

你知道这些现象是怎样产生的吗? 人在呼吸时要消耗氧气．产生二氧化碳，同时还释放出大量的能量，这又是怎么回事呢? 煤、石油、天然气等燃料能在空气中燃烧；而火药在燃烧的过程中总是伴随着爆炸；对着燃着的蜡烛用力吹气．蜡烛会熄灭，而用扇子往正在燃烧的炉子里扇风却越扇越旺，这是什么原因昵?酒精灯使用完毕后，我们可以用灯帽将其盖灭，室内着火，我们可以用水将其扑灭，而森林着火，我们往往砍伐森林。

制造隔离带，这是什么原理呢?其实，以上这些都与氧气的性质有关。

重点知识详解一、氧气的性质 1．氧气的物理性质：通常情况下，氧气是一种无色、无味的气体，密度比空气大。

不易溶解于水。

氧气的观察(a)和闻气体的方法(b)2．氧气的化学性质。

(1)铁丝在氧气中燃烧：铁丝在纯氧中燃烧，尉烈燃烧、火星四射，放出大量的热。

生成一种黑色固体。

铁+氧气四氧化三铁Fe+O 2Fe 3O 4(2)硫磺在氧气中的燃烧：硫在空气中燃烧发出微弱的淡蓝色火焰，在纯氧中燃烧发出明亮的蓝紫色火焰，反应后生成一种具有刺激性气味的二氧化硫气体，并放出热量。

硫+氧气二氧化硫 S+O 2SO 2 点燃 点燃 点燃点燃(3)木炭在氧气中的燃烧：木炭在氧气中燃烧更旺，发出白光，放出热量，生成一种使澄清石灰水变浑浊的气体。

碳+氧气二氧化碳C+O 2 CO 2(4)红磷在氧气中的燃烧：红磷在氧气中燃烧发出自光，冒出白烟，放出热量。

磷+氧气五氧化二磷P+O 2P 2O 5 结论：氧气的化学性质比较活泼，许多物质能在氧气中燃烧(助燃性)。

3．氧化物：由两种元素组成，其中一种元素是氧元素的化合物叫做氧化物。

二、呼吸作用与氧化人体细胞内的有机物与氧气反应。

最终产生二氧化碳、水或其他产物，同时把有机物中的能量释放出来，供生命活动的需要。

8.1 厌氧生化反应的化学计量1：复杂的可生化降解的颗粒物质经非生物或生物途径破解和水解成单糖、长链挥发酸（LCFA）和氨基酸。

这些是最基本的生化大分子，以这些物质为底物，经多重产酸反应，主要生成乙酸和氢气。

2：乙酸和氢气经不同途径代谢为甲烷，这也是COD的主要去除途径。

这些生化反应的结果是产生非常少的新生物质（new biomass），理想条件下，每一步产生的可溶性物质不会积累，而是转变成甲烷和二氧化碳。

8.1.1 颗粒物质和大分子有机物的溶解厌氧消化被用来处理包含固体和可溶物质的废水，在污水处理中最广泛的应用是初沉池污泥和A/O工艺污泥的稳定，含固体少的高浓度废水，例如食品和化工废水也可以用厌氧消化处理。

在存在颗粒有机物的情况下，颗粒或高分子有机物的溶解是生化处理的前提，尽管A/O工艺中颗粒有机物的溶解被认为是一步水解，但是，在厌氧消化中，分两步进行，即破解和水解。

破解之后是水解，即生化物质降解为各自的单体：碳水化合物和核酸变为单糖，蛋白质变为氨基酸，脂类转变为LCFA。

细菌产生的胞外水解酶要么存在于液相，要么直接与颗粒接触。

因为水解是将有机物从一种形态转变为另一种形态（例如，颗粒态碳水化合物转变为单糖），1mol颗粒中的单体转变为对应的1mol水溶性单体，但是，细胞中的脂类是复杂高分子，脂类水解产生的少部分碳水化合物应予考虑。

8.1.2 发酵和厌氧氧化反应发酵和厌氧氧化反应的化学计量是复杂的，不同反应的发生存在共存关系（A反应的进行建立在B反应将A反应的末端产物去除掉）。

这里，我们只讨论与厌氧消化最相关的关键反应，我们主要关注氨基酸、单糖和LCFA的降解过程。

单糖酸化最常见的稳定发酵产物是乙酸、丙酸和丁酸盐，考虑六碳糖，典型的发酵反应方程式见8.1-8.3。

有时候，例如低pH值发酵，发酵产物中常出现乙醇，尤其是两阶段消化反应（发酵-产甲烷）。

六碳糖发酵产物常见的还有乳糖，但在绝大部分厌氧消化反应器中不太稳定，乳酸的降解方程式紧随葡萄糖发酵方程式。