厌氧消化理论研究进展

1、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卜生长于污水、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冇两阶段理论、三阶段理论和四种群理论三种见解（胡纪 萃等，2003）o（1）两阶段理论该理论是由 thumm, reichie（1914）和 imhoff （1916）捉出，

2、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，复杂的冇机物（如糖类、脂类和蛋白质等）在产酸菌（厌氧和兼 性厌氧菌）的作用卜被分解成为低分了的中间产物，主耍是一些低分了有机酸（如 乙酸、丙酸、丁酸等）和醇类（如乙醇），并冇氮、c02, nh广、&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，乂称为产酸阶段。在第二阶段，产甲烷菌（专性灰氧菌）将第一阶段产生的屮间产物继

3、续分解成 cil、co?等。由于有机酸在第二阶段的不断被转化为ciu co?等，同时系统中有 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肌和c02,而ch（的能量含量很高， 所以冇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?和1120, 1120是一般反应的最终产物，含能低，在反应的过程中门身 将释放人量的能量，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，儿十年来一直占统治地位，在国内外厌氧消化的专 著和教科书屮一直被广泛应用。（2）三

4、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，三个阶段冇不同的菌群。该理论认 为产甲烷菌不能利用除乙酸、ii2/co2和甲醇等以外的有机酸和醇类，长链脂肪酸 和醇类必须经过产氮产乙酸菌转化为乙酸、出和co?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屮占有的核心地位，较好地解 决了两阶段的矛盾。第一阶段，水解和发酵。在这一阶段屮复杂冇

5、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。笫二阶段，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屮间产物，如脂肪酸（丙酸、丁酸） 和醇类（乙醇）等水溶性小分了转化为乙酸、112和c02o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 过程约冇70%甲烷来自乙酸的分解，

6、少量来源丁也和的合成。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z为 “液化”。发酵菌和产氧产乙酸菌依次将水解产物转化为冇机酸，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）0三阶段理论如图12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1【2和c（）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13所示（胡纪萃, 2003）o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，有机酸和醇类在笫ii类菌（产氢产乙酸菌）作用下转化为乙酸、 h2/co2、卬醇、卬酸等。