废水处理微生物学：厌氧生物处理及构筑物中的微生物

7.6.2.1　废水的厌氧生物处理

世界各国尤其是第三世界国家，已日益感到为了解决环境问题所需付出大量能耗的沉重负担。厌氧生物处理法是一种既节能又产能的废水处理工艺，近几十年来得到有力、迅速的发展，新开发的现代废水厌氧生物处理反应器不仅是高效能的，并可在常温下进行，不仅可以处理污泥和高浓度的有机废水，而且可以处理中低浓度的有机废水，在世界范围内得到了广泛的应用。

厌氧生物处理（或称厌气生物处理）是在无氧的条件下，借厌氧微生物（包括兼性微生物），主要是厌氧菌（包括兼性菌）的作用来进行的。

图7.26　简单地说明了有机物的厌氧分解过程。从图中可以看出，当有机物进行厌氧分解时，有机废水或污泥的分解一般是分阶段进行的，早期将厌氧分解分为酸性发酵阶段和碱性阶段或产甲烷阶段两个阶段。在第一阶段，复杂的有机物，如糖类、脂类、蛋白质等在产酸菌（厌氧菌和兼性厌氧菌）的作用下被分解为低分子的中间产物，主要是一些低分子有机酸和醇类，如乙酸、丙酸、丁酸、乙醇等，并有H2、CO2、NH4+和H2S等产生。因为该阶段中有大量的脂肪酸产生，使发酵液的pH值降低，因此该阶段被称为酸性发酵阶段或产酸阶段。在第二阶段，专性厌氧菌——产甲烷菌将第一阶段产生的中间产物继续分解为CH4、CO2和H2O等。在这一阶段，第一阶段产生的有机酸不断地被转化分解，生成最终产物CH4和CO2等，同时反应系统中有NH+4的存在，使发酵液的pH值不断升高。所以，此阶段称为碱性发酵阶段或产甲烷阶段。

图7.26　有机物的厌氧分解

图7.27　厌氧消化三阶段学说示意

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认识不断深化，厌氧消化理论得到不断进展。1979年，M.P.Bryant根据对产甲烷菌和产氢产乙酸菌的研究结果认识到：产甲烷菌不能利用除乙酸、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、氢气、二氧化碳等后才能被产甲烷菌利用，并由此提出三阶段理论。三阶段理论如图7.27所示。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的作用下，首先分解为简单的有机物，如纤维素经水解转化为较简单的糖类、蛋白质转化为较为简单的氨基酸、脂类转化脂肪酸和甘油等。继而这些简单的有机物在产酸菌的作用下，经过厌氧发酵和氧化转化为乙酸、丙酸、丁酸等脂肪酸和醇类等。参与这个阶段的水解发酵菌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都转化为乙酸和H2，并有CO2产生。第三阶段为产甲烷阶段，在该阶段产甲烷菌把第一阶段和第二阶段产生的乙酸等转化为CH4。

厌氧消化所产生的气体中，CH4约占50%～75%，CO2约占20%～30%，其余的是NH3、H2S、H2等气体。这种气体的发热量高，是一种很好的燃料。

应当指出，对于不溶性有机物，先要通过胞外酶的作用，成为溶解性有机物后，才能被细菌吸收。而胞外酶的水解作用是比较缓慢的，因此固体物质在进行厌氧处理之前应尽量使其粉碎或打成小块。

发酵性细菌有兼性的，也有厌氧的，在自然界中数量较多，而产甲烷菌则是严格的厌氧菌，具有很强的专一性。

产甲烷细菌对于温度和酸碱度的反应都相当敏感。微小的温度变化（几度）或环境中的pH值稍超过适宜的范围时，就会在很大程度上影响有机物的分解。

一般的产甲烷菌都是中温的，最适宜的温度范围是25～40℃，高温性产甲烷菌适宜的温度范围是50～60℃。在废水厌氧分解处理构筑物内，如果要保持较高的温度，则需增加燃料费用，且高温细菌对温度的变化更为敏感，故经常采用30～35℃的发酵温度，但完成发酵所需的时间较短，杀菌效果也较好。

产甲烷菌生长时最适宜pH值的范围约是6.8～7.2。如pH值高于8或低于6，其生长繁殖将受到较大影响。产酸菌对酸碱度不及产甲烷菌敏感，其适宜pH值的范围也较广，一般在4.5～8.0之间。所以在用厌氧法处理废水时，由于有机物的酸性发酵和碱性发酵在同一构筑物内进行，故为了维持产生的酸和形成的甲烷之间的平衡，避免产生过多的有机酸，经常保持处理构筑物内的pH值范围在6.5～7.5（最好在6.8～7.2）。在实际运转时，有机酸的控制更为重要，因当酸量积累至足以降低pH值时，厌氧处理的效果已经显著下降，甚至停止产气。有机酸本身不毒害产甲烷菌，而pH值的下降则会抑制产甲烷菌的生长。

好氧法处理有机物所需的时间一般比用厌氧法的短，且基本上无臭气，但需要有氧的供应和比较复杂的处理设备，并且当废水中有机物浓度太高时，一般不可能供应好氧分解所需的充足的氧气。用厌氧法处理废水，所产生的CH4气体，因热能高可以利用；但由于H2S气体的产生，导致臭气大；还有由于存在硫化铁等黑色物质使处理后的废水颜色深，并且出水中所含有机物也较多，如果要使有机物完全稳定，需时间比较长，当废水量大时，所需设备的容量也将很大。因此，处理废水时一般采用好氧法，处理污泥时则用厌氧法。如处理高浓度的有机废水（如屠宰场废水、发酵工业废水、羊毛洗涤废水等），则往往先采用厌氧生物处理，将有机污染物质降至一定浓度后，再采用好氧法处理至达到污水排放标准。厌氧处理还有可能使难以好氧生物降解的有机物转化为较易好氧分解的物质。

7.6.2.2　参与厌氧生物处理的微生物

厌氧生物处理过程是一个连续的微生物过程，参与厌氧消化的微生物类群总体上可分为两大类，既包括发酵细菌群、产氢产乙酸菌群以及同型产乙酸菌群在内的不产甲烷微生物和产甲烷微生物。

1.不产甲烷微生物（又称产酸微生物）

包括厌氧菌和兼性厌氧菌，其种类很多，具体种类及数量随发酵原料和发酵工艺而定。此外，还有真菌和原生动物等。细菌除了厌氧菌和兼性厌氧菌之外，在厌氧设备中还存在一定数量的好氧细菌。好氧菌在厌氧发酵过程中的作用，目前还研究得不够。

（1）发酵细菌群。发酵细菌种类很多，如梭菌属、枝杆菌属、乳杆菌属等。它们主要参与复杂有机物的水解，并通过丁酸发酵、丙酸发酵、混合液发酵、乳酸发酵和乙醇发酵等将水解产物转化为乙酸、丙酸、丁酸、戊酸、乳酸等挥发性有机酸及乙醇、CO2、H2等。

（2）产氢产乙酸菌群。大多为发酵细菌，也有专性产氢产乙酸菌。这类细菌有脱硫弧菌、沃尔非互营单胞菌、沃林互营杆菌等。它们可将发酵细菌产生的挥发性酸和醇转化为乙酸、H2/CO2等。

（3）同型产乙酸细菌群。种类也较多，如乙酸梭菌、甲酸乙酸化梭菌、乌氏梭菌、伍迪乙酸梭菌等。它们可将或通过还原过程转化为乙酸。(www.xing528.com)

此外，在厌氧发酵中能经常见到原生动物，但数量不多。

2.产甲烷细菌

产甲烷细菌具有特殊的产能代谢功能，可利用H2还原CO2合成CH4，亦可利用含碳有机化合物作为底物。产甲烷细菌与甲烷氧化细菌的区别在于：产甲烷细菌利用有机或无机物作为底物，在厌氧条件下转化形成甲烷；而甲烷氧化细菌则以甲烷为碳源和能源，将甲烷氧化分解成CO2和H2O。在沼气发酵中，产甲烷细菌是沼气发酵微生物的核心，其他发酵细菌为产甲烷细菌提供底物。产甲烷细菌也是自然界碳素物质循环中，厌氧生物链的最后一组成员，在自然界碳素循环的动态平衡中具有重要的作用。

（1）产甲烷细菌的生理特征。

1）产甲烷细菌是严格专性厌氧菌。产甲烷细菌都是生活在没有氧气的厌氧环境中，对氧气非常敏感，遇到氧气后会立即受到抑制，不能生长繁殖，最终导致死亡。

2）产甲烷细菌对环境影响非常敏感。产甲烷细菌对生态因子的要求非常苛刻，例如，对温度、pH值、氧化还原电位及有毒物质等均很敏感，适应范围非常有限。

3）产甲烷细菌生长特别缓慢。产甲烷细菌在自然界中生长特别缓慢，即使在人工培养条件下，也要经过18d甚至几十天才能长出菌落。

4）产甲烷细菌分离培养比较困难。由于产甲烷细菌是严格的厌氧菌，受技术手段的限制，培养分离产甲烷细菌很困难。目前，全世界报道的产甲烷细菌约有40多种。

（2）产甲烷细菌的营养特征。不同的产甲烷细菌生长过程中所需要的碳源是不一样的。研究学者Smith指出，在纯种培养条件下，几乎所有的产甲烷细菌都能利用H2和CO2生成甲烷。在厌氧生物处理中，绝大多数产甲烷细菌都能利用甲醇、甲胺、乙酸，因此，在厌氧生物处理反应设备中最为常见。产甲烷细菌不能直接利用除乙酸外的二碳以上的有机物质。

一般将产甲烷细菌分为三个种群：氧化氢产甲烷菌、氧化氢利用乙酸产甲烷菌和非氧化氢利用乙酸产甲烷菌。尽管这一分类并不严格，但在厌氧反应器中，以上种群分别能出现在不同的生活环境中，构成优势种，对实际工程的运行具有重要意义。

所有的产甲烷细菌都能利用NH4+，有的产甲烷菌需酪蛋白的胰消化物，它可刺激产甲烷细菌生长，因此，分离产甲烷细菌时，培养基中要加入胰酶解酪蛋白。产甲烷细菌在生活中需要某些维生素，尤其是B族维生素。酵母汁B族维生素能刺激产甲烷细菌的生长。另外，瘤胃液也能刺激产甲烷细菌的生长，它可提供辅酶M等多种生长因子。产甲烷细菌在生活中还需要某些微量元素，如镍（Ni）＜0.1μmol/L，钴（Co）＜0.01μmol/L，钼（Mo）＜0.01μmol/L等。

（3）产甲烷细菌的种类及形态特征。产甲烷细菌是一个很特殊的微生物类群，属于古细菌，与其他细菌相比，种类较少，但它们在形态上仍有明显的差异，常见的有杆状、丝状、球状、螺旋状和八叠球状等（见图7.28）。

图7.28　产甲烷细菌的形态

1—巴氏产甲烷八叠球菌；2—反刍产甲烷短杆菌；3—亨氏产甲烷螺菌；4—嗜树木产甲烷短杆菌A2菌株

产甲烷细菌均不形成芽孢，革兰染色不定，有的具有鞭毛。球形菌呈圆形或椭圆形，直径一般为0.3～5.0μm，有的成对或成链状排列。杆菌为短杆状，两端钝圆。八叠球菌革兰染色呈阳性，这种细菌在沼气池中大量存在。

常见的产甲烷细菌主要有：①甲烷杆菌属，如反刍甲烷杆菌、甲酸甲烷杆菌、热自氧甲烷杆菌、索氏甲烷杆菌、运动甲烷杆菌等；②甲烷八叠球菌属，如巴氏甲烷八叠球菌等；③甲烷球菌属，如万尼甲烷球菌属等；④甲烷螺旋菌属，如洪氏甲烷螺旋菌等。

7.6.2.3　厌氧处理的各种处理构筑物

厌氧处理有多种不同的过程，虽然各种过程的处理构筑物中的微生物种群在总体上是相同的，但由于运行条件的不同，各类微生物在数量上会有所不同。处理构筑物如不是完全混合式的，构筑物中的微生物在垂直方向上的生态分布也会不同。

目前应用得最普遍的厌氧处理构筑物是“消化池”。消化池从运行温度上一般分为中温消化（30～35℃）和高温消化（55℃）两种；消化池可以是单级的，也有两级的（第一级设置搅拌装置，第二级不设搅拌装置）；还有一种两阶段厌氧消化池（也称两相厌氧消化池），第一阶段是酸性阶段，第二阶段是产甲烷阶段。

近年来新型厌氧处理构筑物（反应器）不断出现，如具有污泥回流的厌氧生物滤池、接触消化池、厌氧流化床和升流式厌氧污泥层（UASB）反应器等。在这些新型反应器中从微生物角度值得特别说明的是UASB反应器，运行良好的UASB反应器中的污泥是“颗粒污泥”，这种颗粒污泥有较好的产甲烷活性和良好的沉降性能。它是一种团粒结构，由许多种类的细菌组成。这些细菌之间存在互营共生关系，大部分细菌是专性厌氧细菌，只有小部分发酵细菌是兼性厌氧菌。各类细菌在颗粒污泥中的分布是有规律的，分布在颗粒内层的主要是乙酸营养型产甲烷细菌及产氢产乙酸细菌，外层则主要是发酵细菌和氢营养型产甲烷细菌。