厌氧生物处理的基本原理1在线视频

同学们好！

前面我们已经介绍了废水的好氧生物处理的基本原理以及废水的可生化性

今天我们开始来学习厌氧生物处理的基本原理

一共有四个内容

第一，我们来介绍厌氧生物处理的基本生物过程

第二，我们介绍的是厌氧过程中主要的微生物

第三，是介绍厌氧过程中的影响因素

第四，是（厌氧）废水生物处理的主要特征

厌氧生物处理在早期被称为厌氧消化，或者厌氧发酵

它是指在厌氧条件下，由多种细菌，这些细菌多半是厌氧菌，也有兼性细菌

在它们的作用下，将有机物转化生成为甲烷和二氧化碳的过程

因此，我们可以知道，厌氧消化过程的产物是一种气体

这种气体通常称为沼气，其主要成分是甲烷和二氧化碳

那我们来看厌氧消化过程的基本生物过程

它的基本过程呢，有一个最简单的特点，就是它的阶段性

我们可以看到它分成两阶段理论、三阶段理论甚至四阶段理论

首先来看所谓的两阶段理论

我们认为，有机物在厌氧条件下，首先会产酸，然后会产气

第一个过程，我们有的时候会称为酸性发酵阶段或者是产酸阶段

第二个阶段称为碱性发酵阶段或者说是产气阶段

在第一个阶段，它的主要的细菌是发酵细菌或者是产酸细菌

它主要的功能是将有机物水解和酸化

它的产物主要是一些脂肪酸、醇类、二氧化碳和氢气

这些产酸细菌的特点是生长快，而且对于环境条件不是非常的敏感

它的适应性很强

第二个阶段，是产甲烷阶段，有的时候也称为碱性发酵阶段

主要是指利用产甲烷细菌将前一阶段的中间产物最终转变为甲烷和二氧化碳

这一部分的细菌统称为产甲烷细菌

它的特点是生长非常缓慢，跟普通的细菌相比它生长的倍增时间会长到几天

第二个是它对环境条件，像温度、pH值以及一些毒性物质非常的敏感

两阶段虽然是很形象、很直接的描述了这个厌氧的消化过程

但实际上，两阶段是存在一些问题

特别是，有一个国外的学者Bryant发现

产甲烷细菌其实是只能利用一些简单的有机物

像甲酸、乙酸、甲醇、甲基胺类这样的一些物质来产生甲烷

它不能利用除乙酸以外的两碳以上的脂肪酸

也不能利用除甲醇以外的其他的醇类直接作为它的底物

Bryant也发现了原来一种被称为是"奥式产甲烷菌"的一种细菌

实际上是由两种细菌组成的

其中一种细菌，首先把乙醇氧化为乙酸和氢气

另一种细菌利用氢和空气中的二氧化碳来产生甲烷

因此Bryant提出了所谓的"三阶段理论"

三阶段理论认为，在这个发酵产酸细菌和产甲烷细菌之间

实际上还存在第三种细菌，称之为产氢产乙酸细菌

它的任务主要是把前一阶段产生的脂肪酸和其他的醇类

变成乙酸和氢气和二氧化碳

后面呢，产甲烷细菌再利用乙酸和氢气和二氧化碳产生甲烷和二氧化碳

因此，从这儿我们可以看出，整个厌氧过程，分成三个主要的阶段

第一个阶段是发酵型细菌

它负责把复杂的有机物转变成为脂肪酸和醇类

产氢产乙酸细菌利用脂肪酸和醇类进一步产生乙酸和氢气和二氧化碳

产甲烷细菌再次利用乙酸和氢气产生甲烷和二氧化碳

因此从这里面也看出，产甲烷细菌主要有两大类

一大类是以乙酸作为基质的嗜乙酸产甲烷细菌

另一类是以氢和二氧化碳作为基质的嗜氢型产甲烷细菌

因此我们可以看到，三阶段理论可以分成水解、发酵阶段

产氢产乙酸阶段和产甲烷阶段

一般认为，在厌氧的生物处理过程中间有70%的甲烷是来自于乙酸的分解

而其余的呢，是来自于氢气和二氧化碳的反应

几乎就在同时，另外一个国外的专家Zeikus发现

除了这三大类的厌氧细菌以外，其实还有一个过程

同型产乙酸细菌能够把氢和二氧化碳变成乙酸

因此他提出了一种四类群理论

我们从这个图上可以看出，他实际上是在三阶段理论的基础上增加了一个过程

利用氢和二氧化碳，产生乙酸

但是研究也表明，这一部分由同型产乙酸细菌转变的乙酸的量是比较少的

只占了全部乙酸的5%

因此的话，我们可以说，在一定程度上这一部分所贡献的乙酸能量是可以忽略不计

到目前为止，我们认为三阶段和四阶段理论是非常全面的对厌氧生物处理过程进行了描述

因此我们可以看出在厌氧消化过程中间，主要的微生物有4大类

第一类是发酵细菌，或者称为产酸细菌

第二类是产氢产乙酸细菌。第三类是同型产乙酸细菌。第四类是产甲烷细菌

我们分别可以看一下，对发酵细菌来说它的主要功能是水解和产酸

主要是针对复杂有机物或者是颗粒状的有机物

首先是在一些水解细菌的作用下或者是在水解酶的作用下

将它们变成可溶性的液化的有机物

然后再利用酸化细菌把它们变成脂肪酸和一些醇类

这些细菌主要有梭菌属、拟杆菌属、丁酸弧菌属、双岐杆菌属

他们的特点是，水解过程比较缓慢

特别是对于一些纤维素或者甚至是木质素这样一些有机物

而且这样一个过程还会受多种因素的影响

第二，是产酸反应的速率是相对较快的

大多数的细菌都是厌氧细菌，也有大量的是兼性细菌

按照功能来分的话可以分为纤维素分解菌、半纤维素分解菌

淀粉分解菌、蛋白质分解菌、脂肪分解菌

第二大类细菌是，产氢产乙酸细菌

这一类细菌的主要功能是，将高级的脂肪酸或者是长链的脂肪酸

以及分子量比较大的醇类氧化分解为乙酸和氢气

主要的反应是这样的三个，一个是从乙醇开始变成乙酸和氢气

第二个是从丙酸开始，第三个是从丁酸开始

大家都注意这三个反应的右面，它的产物的右边面都有氢和乙酸

通常情况下只有当乙酸浓度非常低

当氢气的分压非常低的情况下这个反应才能够迅速地进行

前面已经讲过，乙酸和氢正好是后续产甲烷细菌的基质

所以产氢产乙酸细菌正常的过程必须依靠跟产甲烷细菌的密切合作

通过产甲烷细菌将它的产物，乙酸和氢气，迅速地消耗掉

才有可能推动产氢产乙酸过程的进行

主要的一些细菌从分类上来看

属于互营单胞菌属、互营杆菌属、梭菌属、暗杆菌属

这些细菌，多数都是严格的厌氧菌或者有一部分是兼性厌氧菌

第三大类就是产甲烷菌，产甲烷菌是一种严格的厌氧细菌

在上个世纪60年代以前，我们对它的了解是非常少的

但是在上个世纪60年代Hungate发明了严格厌氧微生物的培养技术以后

我们对它的认识、对它的了解就逐渐的丰富起来

它主要的功能是将产氢产乙酸细菌的产物乙酸和氢气，转变为甲烷和二氧化碳

使整个厌氧消化过程能够顺利的进行

一般来说，我们可以简单地把它分为两类

一类是乙酸营养型产甲烷细菌，一类是氢气营养型产甲烷细菌

乙酸营养型产甲烷细菌的种类在自然界是相对较少

一般来说，只有两大类。一类呢是称为甲烷八叠球菌

一类呢是称为甲烷丝状菌，也有人把它称为甲烷髦毛菌

但是在厌氧反应器中，大概有70%的甲烷是来自于乙酸的氧化和分解

而另外的30%是来自于氢营养型产甲烷细菌

我们这就可以看到甲烷八叠球菌和甲烷丝状菌的显微照片

典型的产甲烷反应有这样的8个

首先，是乙酸裂解为甲烷和二氧化碳

其次，是氢加二氧化碳变成甲烷和水

剩下的其他的一些是甲酸、一氧化碳、甲醇、甲胺、三甲基硫以及甲醇

根据产甲烷菌的生理和形态特征，可以将甲烷菌分成三个目

产甲烷杆菌目、球菌目和微菌目

分别又分成不同的科和不同的属以及不同的种

在厌氧反应中最常见的是八叠球菌属和产甲烷丝菌属，另外还有杆菌属

我们在这可以看到不同形态的产甲烷菌

像这里给出的是产甲烷杆菌，还有产甲烷球菌以及产甲烷丝菌

在我们自己培养的反应器中间，也能看到很明显的产甲烷丝菌和产甲烷八叠球菌

产甲烷细菌的特性，从分类学上来看，产甲烷细菌属于古细菌

它在大小和外观上跟普通的细菌，也就是我们说的真细菌相似

实际上，它的细胞的成分特别，在它细胞壁的结构上非常的特殊

它在自然界的分布也不同于一般的细菌

它一般分布在一些极端环境中间

像地热温泉、深海的火山口以及深海的沉积物中间

当然在我们平常的一些环境中也分布有很多

像在污泥中间、在反刍动物的瘤胃、在昆虫的肠道以及一些湿的树木中间

产甲烷细菌都是严格的厌氧细菌

它要求氧化还原电位在-150mV到-400mV之间

氧和一些氧化剂对它都有一些很强的毒害作用

产甲烷菌增殖的速度非常的慢，它的倍增时间一般是3-5天

一般情况下产甲烷的反应都是厌氧消化的限速步骤