厌氧消化理论研究进展

厌氧消化理论研究进展

厌氧消化是一种利用无氧或缺氧环境下生长于污水、污泥和垃圾中的厌氧微物群(接种物)的作用，在厌氧条件下使有机物如碳水化合物、脂肪、蛋白质等消化底物)经水解液化、气化而分解成稳定物质(甲烷和二氧化碳等)，病菌、寄生虫卵被杀灭，达到减量化、无害化和资源化的复杂生物化学序列反应过程。1.2.2.1 厌氧消化的阶段理论

厌氧消化过程是一个非常复杂的，由多种微生物共同作用的生化过程。对厌氧消化的生化过程一般有两阶段理论、三阶段理论和四种群理论三种见解(胡纪萃等，2003)。

（1）两阶段理论

该理论是由Thumm, Reichie(1914)和Imhoff(1916)提出，经Buswell,NeaVe 完善而成的，它将有机物厌氧消化过程分为酸性发酵和碱性性发酵两个阶段。二阶段理论如图1.1所示。

图1.1 二阶段理论示意图

Fig.1.1 Two-stage theory

在第一阶段，复杂的有机物(如糖类、脂类和蛋白质等)在产酸菌(厌氧和兼

性厌氧菌)的作用下被分解成为低分子的中间产物，主要是一些低分子有机酸(如

乙酸、丙酸、丁酸等)和醇类(如乙醇)，并有氢、CO

2, NH

4

＋、H

2

S等气体产生。由

于该阶段有大量的脂肪酸产生，使发酵液的pH值降低，所以此阶段被称为酸性发酵阶段，又称为产酸阶段。

在第二阶段，产甲烷菌(专性厌氧菌)将第一阶段产生的中间产物继续分解成

CH

4、CO

2

等。由于有机酸在第二阶段的不断被转化为CH

4

、CO

2

等，同时系统中有

NH

4

＋存在，使发酵液的pH值升高，所以此阶段被称为碱性发酵阶段，又称为产甲烷阶段。

因为有机物厌氧消化的最终产物主要是CH

4和CO

2

，而CH

4

的能量含量很高，

所以有机物厌氧消化过程释放的能量比较少，这与好氧反应不同，好氧反应的主

要产物是CO

2和H

2

0，H

2

0是一般反应的最终产物，含能低，在反应的过程中自身

将释放大量的能量，所以好氧反应的温度较高，而厌氧反应，若要维持较高的温度，将从外界输入热量。

厌氧消化的两阶段理论，几十年来一直占统治地位，在国内外厌氧消化的专著和教科书中一直被广泛应用。

（2）三阶段理论

随着厌氧微生物学研究的不断进展，人们对厌氧消化的生物学过程和生化过程的认识不断深化，厌氧消化理论得到不断发展。1979年，M.P.Bryant(布赖恩)根据对产甲烷菌和产氢产乙酸菌的研究结果，在两阶段理论的基础上，提出了三阶段理论。该理论将厌氧发酵分成三个阶段，三个阶段有不同的菌群。该理论认

为产甲烷菌不能利用除乙酸、H

2/CO

2

和甲醇等以外的有机酸和醇类，长链脂肪酸

和醇类必须经过产氢产乙酸菌转化为乙酸、H

2和CO

2

等后，才能被产甲烷菌利用。

三阶段理论突出地表明氢的产生和利用在发酵过程中占有的核心地位，较好地解决了两阶段的矛盾。

第一阶段，水解和发酵。在这一阶段中复杂有机物在微生物(发酵菌)作用下进行水解和发酵。多糖先水解为单糖，再通过酵解途径进一步发酵成乙醇和脂肪酸等。蛋白质则先水解为氨基酸，再经脱氨基作用产生脂肪酸和氨。脂类转化为脂肪酸和甘油，再转化为脂肪酸和醇类。

第二阶段，产氢、产乙酸(即酸化阶段)。在产氢产乙酸菌的作用下，把除甲

酸、乙酸、甲胺、甲醇以外的第一阶段产生的中间产物，如脂肪酸(丙酸、丁酸)

和醇类(乙醇)等水溶性小分子转化为乙酸、H

2和CO

2

。

第三阶段，产甲烷阶段。甲烷菌把甲酸、乙酸、甲胺、甲醇和(H

2+CO

2

)等基

质通过不同的路径转化为甲烷，其中最主要的基质为乙酸和(H

2+CO

2

)。厌氧消化

过程约有70%甲烷来自乙酸的分解，少量来源于H

2和CO

2

的合成。

从发酵原料的物性变化来看，水解的结果使悬浮的固态有机物溶解，称之为“液化”。发酵菌和产氢产乙酸菌依次将水解产物转化为有机酸，使溶液显酸性，称之为“酸化”。甲烷菌将乙酸等转化为甲烷和二氧化碳等气体，称之为“气化”。

三阶段理论是目前厌氧消化理论研究相对透彻，相对得到公认的一种理论(陈坚, 1999)。三阶段理论如图1.2所示。

图1.2 三阶段理论示意图

Fig.1.2 Three-stage theory

（3）四种群理论

1979年，J.GZeikus在第一届国际厌氧消化会议上提出了四种群说理论(四阶段理论)。该理论认为参与厌氧消化菌，除水解发酵菌、产氢产乙酸菌、产甲

烷菌外，还有一个同型产乙酸菌种群。这类菌可将中间代谢物的H

2和CO

2

(甲烷

菌能直接利用的一组基质)转化成乙酸(甲烷菌能直接利用的另一组基质)。厌氧发酵过程分为四个阶段，各类群菌的有效代谢均相互密切连贯，达到一定的平衡，不能单独分开，是相互制约和促进的过程。四种群说理论如图1.3所示(胡纪萃, 2003)。

图1.3 四种群理论

Fig.1.3 Four-population theory

由图1.2，1.3可知，复杂有机物在第I类菌(水解发酵菌)作用下被转化为有机酸和醇类，有机酸和醇类在第II类菌(产氢产乙酸菌)作用下转化为乙酸、

H 2/CO

2

、甲醇、甲酸等。第III类菌(同型产乙酸菌)将少部分H

2

和CO

2

转化为乙

酸。最后，第IV类菌(产甲烷菌)把乙酸、H

2/CO

2

、甲醇、甲酸等分解为最终的产

物——CH

4和CO

2

。在有硫酸盐存在的条件下，硫酸盐还原菌也将参与厌氧消化过

程。