厭氧消化理論研究進(jìn)展

1、厭氧消化理論研究進(jìn)展厭氧消化是一種利用無(wú)氧或缺氧環(huán)境卜生長(zhǎng)于污水、污泥和垃圾中的厭氧微 物群（接種物）的作用，在厭氧條件下使有機(jī)物如碳水化合物、脂肪、蛋白質(zhì)等消 化底物）經(jīng)水解液化、氣化而分解成穩(wěn)定物質(zhì)（甲烷和二氧化碳等），病菌、寄生 蟲卵被殺滅，達(dá)到減量化、無(wú)害化和資源化的復(fù)雜生物化學(xué)序列反應(yīng)過(guò)程。 1.2.2. 1厭氧消化的階段理論厭氧消化過(guò)程是一個(gè)非常復(fù)雜的，由多種微生物共同作用的生化過(guò)程。對(duì)厭 氧消化的生化過(guò)程一般冇兩階段理論、三階段理論和四種群理論三種見(jiàn)解（胡紀(jì) 萃等，2003）o（1）兩階段理論該理論是由 thumm, reichie（1914）和 imhoff （1916）捉出，

2、經(jīng) buswell, neave 完善而成的，它將有機(jī)物厭氧消化過(guò)程分為酸性發(fā)酵和堿性性發(fā)酵兩個(gè)階段。二 階段理論如圖1. 1所示。圖1. 1二階段理論示意圖fig 1.1 two-stage theory在第一階段，復(fù)雜的冇機(jī)物（如糖類、脂類和蛋白質(zhì)等）在產(chǎn)酸菌（厭氧和兼 性厭氧菌）的作用卜被分解成為低分了的中間產(chǎn)物，主耍是一些低分了有機(jī)酸（如 乙酸、丙酸、丁酸等）和醇類（如乙醇），并冇氮、c02, nh廣、&s等氣體產(chǎn)生。由 于該階段有大量的脂肪酸產(chǎn)生，使發(fā)酵液的ph值降低，所以此階段被稱為酸性 發(fā)酵階段，乂稱為產(chǎn)酸階段。在第二階段，產(chǎn)甲烷菌（專性灰氧菌）將第一階段產(chǎn)生的屮間產(chǎn)物繼

3、續(xù)分解成 cil、co?等。由于有機(jī)酸在第二階段的不斷被轉(zhuǎn)化為ciu co?等，同時(shí)系統(tǒng)中有 存在，使發(fā)酵液的ph值升高，所以此階段被稱為堿性發(fā)酵階段，又稱為產(chǎn)甲 烷階段。因?yàn)橛袡C(jī)物厭氧消化的最終產(chǎn)物主要是肌和c02,而ch（的能量含量很高， 所以冇機(jī)物厭氧消化過(guò)程釋放的能量比較少，這與好氧反應(yīng)不同，好氧反應(yīng)的主 要產(chǎn)物是co?和1120, 1120是一般反應(yīng)的最終產(chǎn)物，含能低，在反應(yīng)的過(guò)程中門身 將釋放人量的能量，所以好氧反應(yīng)的溫度較高，而厭氧反應(yīng)，若要維持較高的溫 度，將從外界輸入熱量。厭氧消化的兩階段理論，兒十年來(lái)一直占統(tǒng)治地位，在國(guó)內(nèi)外厭氧消化的專 著和教科書屮一直被廣泛應(yīng)用。（2）三

4、階段理論隨著厭氧微生物學(xué)研究的不斷進(jìn)展，人們對(duì)厭氧消化的生物學(xué)過(guò)程和生化過(guò) 程的認(rèn)識(shí)不斷深化，厭氧消化理論得到不斷發(fā)展。1979年，m. p. bryant （布賴恩） 根據(jù)對(duì)產(chǎn)甲烷菌和產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌的研究結(jié)果，在兩階段理論的基礎(chǔ)上，提出了三 階段理論。該理論將厭氧發(fā)酵分成三個(gè)階段，三個(gè)階段冇不同的菌群。該理論認(rèn) 為產(chǎn)甲烷菌不能利用除乙酸、ii2/co2和甲醇等以外的有機(jī)酸和醇類，長(zhǎng)鏈脂肪酸 和醇類必須經(jīng)過(guò)產(chǎn)氮產(chǎn)乙酸菌轉(zhuǎn)化為乙酸、出和co?等后，才能被產(chǎn)甲烷菌利用。 三階段理論突出地表明氫的產(chǎn)生和利用在發(fā)酵過(guò)程屮占有的核心地位，較好地解 決了兩階段的矛盾。第一階段，水解和發(fā)酵。在這一階段屮復(fù)雜冇

5、機(jī)物在微生物（發(fā)酵菌）作用下 進(jìn)行水解和發(fā)酵。多糖先水解為單糖，再通過(guò)酵解途徑進(jìn)一步發(fā)酵成乙醇和脂肪 酸等。蛋白質(zhì)則先水解為氨基酸，再經(jīng)脫氨基作用產(chǎn)生脂肪酸和氨。脂類轉(zhuǎn)化為 脂肪酸和甘油，再轉(zhuǎn)化為脂肪酸和醇類。笫二階段，產(chǎn)氫、產(chǎn)乙酸（即酸化階段）。在產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌的作用下，把除甲 酸、乙酸、甲胺、甲醇以外的第一階段產(chǎn)生的屮間產(chǎn)物，如脂肪酸（丙酸、丁酸） 和醇類（乙醇）等水溶性小分了轉(zhuǎn)化為乙酸、112和c02o第三階段，產(chǎn)甲烷階段。甲烷菌把甲酸、乙酸、甲胺、甲醇和（h2+co2）等基 質(zhì)通過(guò)不同的路徑轉(zhuǎn)化為甲烷，其中最主要的基質(zhì)為乙酸和（h2+co2）。厭氧消化 過(guò)程約冇70%甲烷來(lái)自乙酸的分解，

6、少量來(lái)源丁也和的合成。從發(fā)酵原料的物性變化來(lái)看，水解的結(jié)果使懸浮的固態(tài)有機(jī)物溶解，稱z為 “液化”。發(fā)酵菌和產(chǎn)氧產(chǎn)乙酸菌依次將水解產(chǎn)物轉(zhuǎn)化為冇機(jī)酸，使溶液顯酸性, 稱之為“酸化”。甲烷菌將乙酸等轉(zhuǎn)化為甲烷和二氧化碳等氣體，稱之為“氣化”。三階段理論是目前厭氧消化理論研究相對(duì)透徹，相對(duì)得到公認(rèn)的一種理論 （陳堅(jiān),1999）0三階段理論如圖12所示。圖1.2三階段理論示意圖fig.1.2 three-stage theory（3）四種群理論1979年，j.gzeikus在第一屆國(guó)際厭氧消化會(huì)議上提出了四種群說(shuō)理論（四階段理論）。該理論認(rèn)為參與厭氧消化菌，除水解發(fā)酵菌、產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌、產(chǎn)甲 烷菌外，還有一個(gè)同型產(chǎn)乙酸菌種群。這類菌可將中間代謝物的1【2和c（）2（甲烷 菌能直接利用的一組基質(zhì)）轉(zhuǎn)化成乙酸（甲烷菌能直接利用的另一組基質(zhì)）。厭氧 發(fā)酵過(guò)程分為四個(gè)階段，各類群菌的有效代謝均相互密切連貫，達(dá)到一定的平衡, 不能單獨(dú)分開(kāi)，是相互制約和促進(jìn)的過(guò)程。四種群說(shuō)理論如圖13所示（胡紀(jì)萃, 2003）o圖1. 3四種群理論fig. 1.3 four-population theory由圖1.2, 1.3可知，復(fù)雜有機(jī)物在第i類菌（水解發(fā)酵菌）作用下被轉(zhuǎn)化為 有機(jī)酸和醇類，有機(jī)酸和醇類在笫ii類菌（產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌）作用下轉(zhuǎn)化為乙酸、 h2/co2、卬醇、卬酸等。