厌氧生物处理的基本原理

根据厌氧四阶段来解释

（1）第一阶段:水解、发酵阶段（发酵性细菌）

由厌氧或兼性厌氧发酵性细菌起主要作用。主要功能有两种：（1）水解-在胞外酶的作用下将不溶性有机物水解成可溶性有机物；（2）酸化-将可溶性大分子有机物转化成脂肪酸、醇类等。

这些细菌的水解过程较缓慢，并受多种因素（pH、SRT、有机物种类等）影响，有时会成为厌氧反应的限速步骤。

(2)第二阶段:产氢产乙酸阶段阶段（产氢产乙酸菌）

厌氧或兼性厌氧产氢产乙酸细菌在厌氧消化中的生理功能是将第一阶段的发酵产物如高级脂肪酸和醇类等氧化分解成乙酸、 H2和CO2 ，为产甲烷菌提供合适的基质。

主要的反应过程如下：

CH3CH2COOH +2H2O→CH3COOH+CO2+3H2

CH3CH2OH+H2O→CH3COOH+2H2

(3)第三阶段:耗氢产乙酸阶段阶段（同型产乙酸菌）

同型产乙酸菌，它们既能利用H2、CO2生成乙酸，也能代谢糖类生成乙酸。

2CO2+4H2→CH3COOH+2H2O

C6H12O6→3CH3COOH

（4）第四阶段:产甲烷阶段（耗乙酸产甲烷菌、耗氢产甲烷菌）

由严格厌氧的产甲烷菌群来完成，其主要功能是将产乙酸菌的产物乙酸、甲醇、甲胺、H2/CO2等转化为CH4和CO2 。

生成CH4的主要反应如下：

CH3COOH→CH4+CO2

CH3COONH4+H2O→CH4+NH4HCO3

4H2+CO2→CH4+2H2O

4HCOOH→CH4+3CO2+2H2O

4CH3OH→3CH4+CO2+2H2O

在此过程中，可降解的有机物逐渐被厌氧菌群分解利用，产生沼气，有机氮被分解形成氨氮，有机分解形成磷酸盐，导致厌氧消化液的高氨氮高磷特性。

主要介绍其中的发酵细菌（产酸细菌）、产氢产乙酸菌、产甲烷菌等。

1、发酵细菌（产酸细菌）：

发酵产酸细菌的主要功能有两种：①  水解——在胞外酶的作用下，将不溶性有机物水解成可溶性有机物；②  酸化——将可溶性大分子有机物转化为脂肪酸、醇类等；主要的发酵产酸细菌：梭菌属、拟杆菌属、丁酸弧菌属、双岐杆菌属等；水解过程较缓慢，并受多种因素影响（pH、SRT、有机物种类等），有时回成为厌氧反应的限速步骤；产酸反应的速率较快；大多数是厌氧菌，也有大量是兼性厌氧菌；可以按功能来分：纤维素分解菌、半纤维素分解菌、淀粉分解菌、蛋白质分解菌、脂肪分解菌等。

2、产氢产乙酸菌：

产氢产乙酸细菌的主要功能是将各种高级脂肪酸和醇类氧化分解为乙酸和H2；为产甲烷细菌提供合适的基质，在厌氧系统中常常与产甲烷细菌处于共生互营关系。

主要的产氢产乙酸反应有：

注意：上述反应只有在乙酸浓度很低、系统中氢分压也很低时才能顺利进行，因此产氢产乙酸反应的顺利进行，常常需要后续产甲烷反应能及时将其主要的两种产物乙酸和H2消耗掉。

主要的产氢产乙酸细菌多为：互营单胞菌属、互营杆菌属、梭菌属、暗杆菌属等；多数是严格厌氧菌或兼性厌氧菌。

3、产甲烷菌

20世纪60年代Hungate开创了严格厌氧微生物培养技术之后，对产甲烷细菌的研究才得以广泛进行；产甲烷细菌的主要功能是将产氢产乙酸菌的产物——乙酸和H2/CO2转化为CH4和CO2，使厌氧消化过程得以顺利进行；主要可分为两大类：乙酸营养型和H2营养型产甲烷菌，或称为嗜乙酸产甲烷细菌和嗜氢产甲烷细菌；一般来说，在自然界中乙酸营养型产甲烷菌的种类较少，只有Methanosarcina（产甲烷八叠球菌）和Methanothrix（产甲烷丝状菌），但这两种产甲烷细菌在厌氧反应器中居多，特别是后者，因为在厌氧反应器中乙酸是主要的产甲烷基质，一般来说有70%左右的甲烷是来自乙酸的氧化分解。

(1)水解阶段：高分子有机物由于其大分子体积，不能直接通过厌氧菌的细胞壁，需要在微生物体外通过胞外酶加以分解成小分子。废水中典型的有机物质比如纤维素被纤维素酶分解成纤维二糖和葡萄糖，淀粉被分解成麦芽糖和葡萄糖，蛋白质被分解成短肽和氨基酸。分解后的这些小分子能够通过细胞壁进入到细胞的体内进行下一步的分解。

(2)酸化阶段：上述的小分子有机物进入到细胞体内转化成更为简单的化合物并被分配到细胞外，这一阶段的主要产物为挥发性脂肪酸(VFA)，同时还有部分的醇类、乳酸、二氧化碳、氢气、氨、硫化氢等产物产生。

(3)产乙酸阶段：在此阶段，上一步的产物进一步被转化成乙酸、碳酸、氢气以及新的细胞物质。

(4)产甲烷阶段：在这一阶段，乙酸、氢气、碳酸、甲酸和甲醇都被转化成甲烷、二氧化碳和新的细胞物质。这一阶段也是整个厌氧过程为重要的阶段和整个厌氧反应过程的限速阶段。

厌氧技术发展过程大致经历了三个阶段：

阶段(1860-1899年)：简单的沉淀与厌氧发酵合池并行的初期发展阶段。这个发展阶段中，污水沉淀和污泥发酵集中在一个腐化池(俗称化粪池)中进行，泥水没有进行分离。

第二阶段(1899-1906年)：污水沉淀与厌氧发酵分层进行的发展阶段。

第三阶段(1906-2001年)：独立式营建的发展阶段。这个发展阶段中，沉淀池中的厌氧发酵室分离出来，建成独立工作的厌氧消化反应器。

蛋白质分子在细菌分泌的蛋白质水解酶的作用下，在肽键处断裂，生成多肽和二肽。多肽和二肽在肽酶的作用下水解，生成各种氨基酸。二肽和氨基酸可被细菌吸收，氨基酸在体内脱氨基酶的作用下，经脱氨基作用生成氨。不同种细菌在不同的条件下所进行的脱氨基作用的方式（氧化脱氨基、水解脱氨基、还原脱氨基）及代谢产物也不同。可借此鉴别细菌。如有些细菌能使色氨酸氧化脱氨基，生成吲哚、C02和H20.细菌还可以用脱羧酶使氨基酸脱羧，生成胺类（如组胺）和C02。

2.糖类的分解：

细菌分泌胞外酶，将菌体外的多糖分解成单糖（葡萄糖）后再吸收。各种细菌将多糖分解为单糖，进而转化为丙酮酸，这一过程是一致的。丙酮酸的利用，需氧菌和厌氧菌则不相同。需氧菌将丙酮酸经三羧酸循环彻底分解成CO2和水。厌氧菌则发酵丙酮酸，产生各种酸类（如甲酸、乙酸、丙酸、丁酸、乳酸、琥珀酸等）、醛类（如乙醛）、醇类（如乙醇、乙酸甲基甲醇、异丙醇、丁醇等）、酮类（如丙酮）。不同细菌具有不同的酶，对糖类的分解能力和代谢产物也不同，借此可以鉴别细菌。

3.细菌对其他物质的分解：

细菌除能分解糖和蛋白质外，对一些有机物和无机物也可分解利用。各种细菌产生的酶不同，其代谢的基质不同，代谢的产物也不一样，故可用于鉴别细菌医学|教育网搜集整理。

（1）对其他有机物的分解：如变形杆菌具有尿素酶，可以水解尿素，产生氨。乙型副伤寒沙门菌和变形杆菌都具有脱硫氢基作用，使含硫氨基酸（胱氨酸）分解成氨和H2S.

（2）对其他无机物的分解：产气肠杆菌分解柠檬酸盐生成碳酸盐，并分解培养基中的铵盐生成氨。细菌还原硝酸盐为亚硝酸盐，氨和氮气的作用，称为硝酸盐还原作用。

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、H2和CO2。

第三阶段，产甲烷阶段。甲烷菌把甲酸、乙酸、甲胺、甲醇和(H2+CO2)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(H2+CO2)。厌氧消化过程约有70%甲烷来自乙酸的分解，少量来源于H2和CO2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”。

2、有氧发酵：醋酸发酵、谷氨酸发酵

无氧发酵：酒精发酵、乳酸发酵

3、酵母菌是兼性厌氧菌型微生物真菌

酵母菌的生殖方式：出芽生殖(主要) 、分裂生殖、孢子生殖

4、在有氧条件下，酵母菌进行有氧呼吸，大量繁殖。C6H12O6+6O2→6CO2+6H2O

5、在无氧条件下，酵母菌能进行酒精发酵。C6H12O6→2C2H5OH+2CO2

6、20℃左右最适宜酵母菌繁殖，酒精发酵时一般将温度控制在18℃-25℃

7、在葡萄酒自然发酵的过程中,起主要作用的是附着在葡萄皮表面的野生型酵母菌。

在发酵过程中,随着酒精浓度的提高,红葡萄皮的色素也进入发酵液,使葡萄酒呈现深红色。

在缺氧呈酸性的发酵液中，酵母菌可以生长繁殖，而绝大多数其他微生物都因无法适应这一环境而受到制约。

8、醋酸菌是单细胞细菌(原核生物),代谢类型是异养需氧型,生殖方式为二分裂。

9、当氧气、糖源都充足时，醋酸菌将葡萄汁中的糖分解成醋酸当缺少糖源时，醋酸菌将乙醇变为乙醛，再将乙醛变为醋酸。2C2H5OH+4O2→CH3COOH+6H2O

10、控制发酵条件的作用：

①醋酸菌对氧气的含量特别敏感，当进行深层发酵时，即使只是短时间中断通入氧气，也会引起醋酸菌死亡。

②醋酸菌最适生长温度为30～35℃，控制好发酵温度，使发酵时间缩短，又减少杂菌污染的机会。

③有两条途径生成醋酸：直接氧化和以酒精为底物的氧化。

11、实验流程：挑选葡萄→冲洗→榨汁→酒精发酵→果酒(→醋酸发酵→果醋)

12、酒精检验：果汁发酵后是否有酒精产生，可以用重铬酸钾来检验。在酸性条件下，重铬酸钾与酒精反应呈现灰绿色。先在试管中加入发酵液2mL，再滴入物质的量浓度为3mol/L的H2SO43滴，振荡混匀，最后滴加常温下饱和的重铬酸钾溶液3滴，振荡试管，观察颜色。

13、充气口是在醋酸发酵时连接充气泵进行充气用的排气口是在酒精发酵时用来排出二氧化碳的出料口是用来取样的。