分析厌氧发酵的三阶段理论和两阶段理论的异同点

【产甲烷阶段是污泥厌氧消化的控制阶段】污泥厌氧消化是一个多阶段的复杂过程，完成整个消化过程，需要经过三个阶段，即水解、酸化阶段，乙酸化阶段，甲烷化阶段。各阶段之间既相互联系又相互影响，各个阶段都有各自特色微生物群体。在厌氧消化池中3个阶段同时存在，甲烷发酵阶段的速率最慢，因此甲烷发酵阶段是厌氧消化反应的控制因素，而产甲烷阶段被称为污泥厌氧消化的控制阶段。【三阶段简介】1、水解酸化阶段一般水解过程发生在污泥厌氧消化初始阶段，污泥中的非水溶性高分子有机物，如碳水化合物、蛋白质、脂肪、纤维素等在微生物水解酶的作用下水解成溶解性的物质。水解后的物质在兼性菌和厌氧菌的作用下，转化成短链脂肪酸，如乙酸、丙酸、丁酸等，还有乙醇、二氧化碳。2、乙酸化阶段在该阶段主要是乙酸菌将水解酸化产物，有机物、乙醇等转变为乙酸。该过程中乙酸菌和甲烷菌是共生的。3、甲烷化阶段甲烷化阶段发生在污泥厌氧消化后期，在这一过程中，甲烷菌将乙酸（CH3COOH）和H2、CO2分别转化为甲烷， 如下：2CH3COOH→2CH4↑+ 2CO2↑4H2+CO2→CH4+ 2H2O在整个厌氧消化过程中，由乙酸产生的甲烷约占总量的2/3，由CO2和H2转化的甲烷约占总量的1/3。

生物处理的基本原理目前被人们广泛接受的是三阶段理论。此理

论将复杂的厌氧生化过程大致可以分为三个阶段，即：水解、发一

酵阶段；产氢产乙酸阶段；产甲烷阶段。相应的，将厌氧发酵微

生物分为发酵细菌群、产氢产乙酸菌群和产甲烷菌群三个主要的

细菌群。三个阶段过程是相互独立但又相互联系的。

第一阶段为水解发酵阶段。在该阶段，复杂的有机物在厌氧

菌胞外酶晦作用下，首先被分解成简单的有机物，如纤维素经水

解转化成较简单的糖类；蛋白质转化成较简单的氨基酸；脂类转

化成脂肪酸和甘油等。继而这些简单的有机物在产酸菌的作用下

经过

等。

厌氧发酵和氧化转化成乙酸、丙酸、丁酸等脂肪酸和醇类

参与这个阶段的水解发酵蘸主要是厌氧菌和兼性厌氧菌。

第二阶段为产氢产乙酸阶段。在该阶段，产氢产乙酸菌把除

乙酸、甲酸、甲醇以外的第一阶段产生的中间产物，如丙酸、丁

酸等脂肪酸和醇类等转化成乙酸和氢，并有C02产生。

第三阶段为产甲烷阶段。在该阶段中，产甲烷菌把第一阶段

和第二阶段产生的乙酸、H2和C02等转化为甲烷。

三阶段理论认为产甲烷菌不能利用除乙酸、H2／c02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、Hz和C02等后，才能被甲烷菌利用。

几乎与三阶段理论提出的同时，有科学家提出了四菌群学

说。该理论认为复杂有机物的厌氧硝化过程有四种厌氧微生物菌

群参与，即增加了同型(耗氢)产乙酸菌群，该菌群的代谢特点

是能将H2／C02合成为乙酸。

三阶段理论和四菌群理论有机物降解的过程如图72所示。

有机物

11发酵性细菌

脂肪碱、醇类等

乙酸

CH4

圈72厌氧反应的三阶段理论和四类菌群理论

说明：1．I、Ⅱ、Ⅲ为三阶段理论，I、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ为四类群理论I

2．所产生的细胞物质未表示在图中

厌氧处理中最慢步骤的特点表现为限制速度步骤之前基质的

积累。如果这种基质的形式为非酸类有机物，如乙醇，则对整个

微生物群体无不良影响。- 。

微生物群体中反应最慢的成员常常是丙酸或乙酸利用菌，所

以丙酸和乙酸的积累会抵消系统中的碳酸氢盐碱度，这样的运行

故障有可能使系统的pH值降低，进而对整个微生物群体产生不

利的影响。同时低pH值恰好会对构成这一问题的利用丙酸和乙

酸的微生物抑制最大。

从产甲烷的串联反应可以类推出结论：只有每一顺序的微生

物利用有机中间产物的速度和这些中间产物产生的速度相同，厌

氧过程才能很好地进行下去。

CH3COONa+NaOH=CaO △=CH4(g)+Na2CO3

这也是实验室制备甲烷的化学方程式

产甲烷古菌是一群迄今为止所知的最严格厌氧的、能形成甲烷的化能自养或化能异样的古菌群。

一、概述

产甲烷古菌属于严格厌氧的、能形成甲烷的化能自养或化能异样的古菌群，它的DNA很小，分子质量仅为大肠杆菌DNA的1/3，但其物理特性与其他原核生物的相似。

二、生理特征

其化学组成上含有假胞壁质，与细菌的胞壁质在化学结构上有区别，产甲烷古菌的外膜可分为5种类型:(1)固定结构层+细胞质膜(2)亚甲基软骨素层+s层+细胞质膜(3)固定结构层+假胞质壁+细胞质膜(4)鞘+S层+细胞质膜(5)假胞质壁+细胞质膜.

产甲烷古菌和其他古菌群的细胞膜化学组成与其他生物细胞膜明显不同。古菌膜脂的主要成分为植烷醇基甘油醚，而其他生物质膜的主要成分是软脂酸甘油酯。

三、分类

按其形态和可利用的底物，可将其分为3个亚群:

1、杆状、柳叶状、球状，可利用氢气作为还原剂使二氧化碳、甲酸、甲醇等一碳化合物产生甲烷，细胞壁含有假胞壁酸。

2、球杆状、杆状、螺旋状、盘状，可利用氢气作为还原剂使二氧化碳、甲酸、甲醇等一碳化合物产生甲烷，细胞壁不含有假胞壁酸，细胞可被去污剂裂解。

3、假八叠状、球状、鞘杆状，能够生长于三甲胺或乙酸盐并产生甲烷的亚群。

乙酸，也叫醋酸、冰醋酸，化学式CH3COOH，是一种有机一元酸，为食醋主要成分。纯的无水乙酸（冰醋酸）是无色的吸湿性固体，凝固点为16.6℃（62℉），凝固后为无色晶体，其水溶液中弱酸性且腐蚀性强，蒸汽对眼和鼻有刺激性作用。

物理性质：乙酸在常温下是一种有强烈刺激性酸味的无色液体.乙酸的熔点为16.6℃（289.6 K）.沸点117.9℃（391.2 K）.相对密度1.05,闪点39℃,爆炸极限4%～17%（体积）.纯的乙酸在低于熔点时会冻结成冰状晶体,所以无水乙酸又称为冰醋酸.乙酸易溶于水和乙醇,其水溶液呈弱酸性.乙酸盐也易溶于水.

化学性质：

酸性：

羧酸中,例如乙酸,的羧基氢原子能够部分电离变为氢离子（质子）而释放出来,导致羧酸的酸性.乙酸在水溶液中是一元弱酸,酸度系数为4.8,pKa=4.75（25℃）,浓度为1mol/L的醋酸溶液（类似于家用醋的浓度）的pH为2.4,也就是说仅有0.4%的醋酸分子是解离的.乙酸的酸性促使它还可以与碳酸钠、氢氧化铜、苯酚钠等物质反应.

2CH3COOH + Na2CO3 =2CH3COONa + CO2 ↑+ H2O

2CH3COOH + Cu(OH)2=Cu（CH3COO）2 + 2H2O

CH3COOH + C6H5ONa =C6H5OH (苯酚）+ CH3COONa

二聚物：

乙酸的晶体结构显示,分子间通过氢键结合为二聚体（亦称二缔结物）,二聚体也存在于120℃的蒸汽状态.二聚体有较高的稳定性,现在已经通过冰点降低测定分子量法以及X光衍射证明了分子量较小的羧酸如甲酸、乙酸在固态及液态,甚至气态以二聚体形式存在.当乙酸与水溶和的时候,二聚体间的氢键会很快的断裂.其它的羧酸也有类似的二聚现象.（两端连接H）

溶剂：

液态乙酸是一个亲水（极性）质子化溶剂,与乙醇和水类似.因为介电常数为6.2,它不仅能溶解极性化合物,比如无机盐和糖,也能够溶解非极性化合物,比如油类或一些元素的分子,比如硫和碘.它也能与许多极性或非极性溶剂混合,比如水,氯仿,己烷.乙酸的溶解性和可混合性使其成为了化工中广泛运用的化学品.

化学反应：

对于许多金属,乙酸是有腐蚀性的,例如铁、镁和锌,反应生成氢气和金属乙酸盐.因为铝在空气中表面会形成氧化铝保护层,所以铝制容器能用来运输乙酸.金属的乙酸盐也可以用乙酸和相应的碱性物质反应,比如最著名的例子：小苏打与醋的反应.除了醋酸铬（II）,几乎所有的醋酸盐能溶于水.

Mg（s）+ 2 CH3COOH（aq）→ (CH3COO)2Mg(aq) + H2（g）

NaHCO3（s）+ CH3COOH(aq) →CH3COONa(aq) + CO2(g) + H2O（l）

乙酸能发生普通羧酸的典型化学反应,特别注意的是,可以还原生成乙醇,通过亲核取代机理生成乙酰氯,也可以双分子脱水生成酸酐.同样,乙酸也可以成酯或氨基化合物.如乙酸可以与乙醇在浓硫酸存在并加热的条件下生成乙酸乙酯(本反应为可逆反应,反应类型属于取代反应中的酯化反应).

CH3COOH + CH3CH2OH CH3COOCH2CH3 + H2O

440℃的高温下,乙酸分解生成甲烷和二氧化碳或乙烯酮和水.

鉴别：

乙酸可以通过其气味进行鉴别.若加入氯化铁,生成产物为深红色并且会在酸化后消失,通过此颜色反应也能鉴别乙酸.乙酸与三氧化砷反应生成氧化二甲砷,通过产物的恶臭可以鉴别乙酸.

发酵（或酸化）阶段：发酵可定义为有机物化合物既作为电子受体也是电子供体的生物降解过程，在此过程中溶解性有机物被转化为以挥发性脂肪酸为主的末端产物，因此这一过程也称为酸化。

产甲烷阶段是污泥厌氧消化的控制阶段：污泥厌氧消化是一个多阶段的复杂过程，完成整个消化过程，需要经过三个阶段，即水解、酸化阶段，乙酸化阶段，甲烷化阶段。 各阶段之间既相互联系又相互影响，各个阶段都有各自特色微生物群体。