厌氧生物处理：主要特征应用微生物学原理与技术

厌氧生物处理能耗大大降低，而且还可以回收生物能（沼气），污泥产量很低，厌氧微生物的增殖速率比好氧微生物低得多，产酸菌的产率为0.15 ～0.34 kgVSS/kgCOD，产甲烷菌的产率为0.03 kgVSS/kgCOD 左右，而好氧微生物的产率为0.25 ～0.6 kgVSS/COD。 厌氧微生物有可能对好氧微生物不能降解的一些有机物进行降解或部分降解，反应过程较为复杂。 厌氧消化，是由多种不同性质、不同功能的微生物，协同工作的一个连续的微生物过程，对温度、pH值等环境因素较敏感。 但一般来说，存在处理出水水质较差，需进一步利用好氧法进行处理；气味较大；对氨氮的去除效果不好等缺点。 厌氧生物处理技术是我国水污染控制的重要手段。我国高浓度有机工业废水排放量巨大，这些废水浓度高，多含有大量的碳水化合物、脂肪、蛋白质、纤维素等有机物。 当前我国的水体污染物主要是有机污染物以及营养元素氮、磷的污染，而目前能源昂贵、土地价格剧增、剩余污泥的处理费用也越来越高。 厌氧工艺的突出优点是:能将有机污染物转变成沼气并加以利用；运行能耗低；有机负荷高，占地面积少；污泥产量少，剩余污泥处理费用低等。 厌氧工艺的综合效益表现在环境、能源、生态3 个方面。

1)非产甲烷菌

有机物消化过程中，参与厌氧生物处理的主要微生物是细菌，可分为非产甲烷菌（产酸细菌）与产甲烷菌两大类。 大分子有机物首先由产酸细菌将其转化为小分子量的有机酸、醇等物质。 产甲烷菌再将这些物质进一步转变为CO2 和CH4。 近年研究证明，产甲烷菌只能从一碳化合物（如CO2、HCOOH、CH3OH）和乙酸与H2 产生甲烷。 二碳以上的醇和三碳以上的酸首先必须在与产甲烷菌共生在一起的非甲烷菌作用下转变为一碳化合物、乙酸或H2，才能被产甲烷菌利用。

在厌氧消化过程中的产酸阶段，参与有机物降解的微生物为厌氧产酸菌，主要由专性厌氧菌组成，大约有18 个属50 种。 其中专性厌氧菌主要有梭状芽孢杆菌属、拟杆菌属、双歧杆菌属、棒杆菌属、乳菌属、枝杆菌属和放线菌属等。 兼性厌氧菌主要有变形菌属、假单胞菌属、芽孢杆菌属、链球菌、黄杆菌属、产碱杆菌属、埃希菌属、产气杆菌属、微球菌属和伪滴虫属等，而大肠菌群极少。 克罗泽等指出，在产酸细菌中，专性厌氧菌的活菌数有108 ～109 个。

以上这些细菌虽然大量存在于消化池中，但被消化的有机废物不同，优势种群也有区别。这主要是因为各类细菌的酶系统及其他生物学性质不一样，故所能利用的有机物不同而造成的。 一些研究资料表明，在富含纤维素的消化池内，可以分离出蜡状芽孢杆菌、巨大芽孢杆菌、粪产碱杆菌、普通变形菌、铜绿假单胞菌、食爬虫假单胞菌、核黄素假单胞菌以及溶纤维丁酸弧菌、栖瘤胃拟杆菌等。 在富含淀粉物质的消化池内，可以分离出变易微球菌、脲微球菌、亮白微球菌、巨大芽孢杆菌、蜡状芽孢杆菌以及假单胞菌属的某些种。 在富含蛋白质的消化池内，可以分离出蜡状芽孢杆菌、环状芽孢杆菌、球形芽孢杆菌、枯草芽孢杆菌、变异微球菌、大肠杆菌和假单胞菌属的一些种。 在富含肉类罐头废物的消化池内，可以分离出脱氮假单胞菌、印度沙雷菌、克雷伯菌及其他细菌。 在硫化物浓度较高的消化池内，专性厌氧的脱硫弧菌属可能上升为主要类群，而在充塞了生活污废物和养鸡场废物的消化池内，兼性厌氧的大肠杆菌和链球菌占绝对优势，有时可达种群的50%。

从同一消化池内分离出来的细菌，其作用各不相同。 产酸细菌在有机物质厌氧分解过程中的主要作用是将大分子有机物转变为乙酸、丙酸、丁酸、乳酸、琥珀酸和甲醇、乙醇等小分子中间产物以及CO2、H2、H2S、NH3 等无机物。

由于大多数产酸细菌属于异养型兼性厌氧细菌群，故对pH 值、有机酸、温度、氧气等环境条件的适应性较强。 与产酸细菌同时存在于消化池内的产甲烷菌对上述环境条件的要求则很苛刻。 一般情况下满足了产甲烷菌的要求，产酸细菌的正常生长是没有什么问题的。 与产甲烷菌相比，产酸细菌世代短，数十分钟到数小时即可繁殖一代；与好氧菌相比，大多数产酸细菌缺乏细胞色素，或细胞色素不完全。 在专性厌氧菌中，还没有发现具有这种物质的细菌。

非产甲烷菌（产酸细菌）按在厌氧消化机制三阶段中的作用，可分为发酵细菌群、产氢产乙酸菌以及同型乙酸菌。

（1）发酵细菌群

参与厌氧消化第一阶段的微生物，包括细菌、原生动物和真菌，统称水解与发酵细菌，大多数为专性厌氧菌，也有不少兼性厌氧菌。 根据其代谢功能可分为以下几类:

①纤维素分解菌。 参与对纤维素的分解，纤维素的分解是厌氧消化的重要一步，对消化速度起制约作用。 这类细菌利用纤维素并将其转化为CO2、H2、乙醇和乙酸。(www.xing528.com)

②碳水化合物分解菌。 这类细菌的作用是将碳水化合物水解成葡萄糖。 以具有内生孢子的杆状菌占优势，丙酮丁醇梭菌能分解碳水化合物产生丙酮、乙醇、乙酸和氢，栖瘤胃拟杆菌具有水解淀粉的能力等。

③蛋白质分解菌。 这类细菌的作用是水解蛋白质形成氨基酸，进一步分解成为硫醇、氨和硫化氢。 有梭菌属和拟杆菌属，以梭菌占优势，非蛋白质的含氮化合物，如嘌呤、嘧啶等物质也能被其分解。

④脂肪分解菌。 这类细菌的功能是将脂肪分解成简易脂肪酸。 以弧菌占优势。

（2）产氢产乙酸菌以及同型乙酸菌

参与厌氧消化第二阶段的微生物是一群极为重要的菌种。 国内外一些学者已从消化污泥中分离出产氢产乙酸菌的菌株，其中有专性厌氧菌和兼性厌氧菌。 它们能够在厌氧条件下，将丙酮酸及其他脂肪酸转化为乙酸。 而同型产乙酸菌能将甲酸、甲醇转化为乙酸。 由于同型产乙酸菌的存在，可促进乙酸形成甲烷的进程。

2)产甲烷菌

产甲烷菌是一类严格厌氧的原核微生物，是有机物甲烷化作用中食物链的最后一组成员，其独特的厌氧代谢机制使其在自然界物质循环中起重要作用。 一方面，产甲烷菌是产生温室气体的主要因素，2005 年全球甲烷的排放量每年大约是660 万吨二氧化碳当量，其中74%由产甲烷菌代谢产生；另一方面，产甲烷菌在有机质的厌氧生物处理工业应用中发挥关键作用，如沼气发酵、煤层气开发等。 因此，对产甲烷菌的研究具有重要的理论和实践意义。 随着厌氧培养技术和微生物分子生态技术的发展，更多的实验室能对产甲烷菌进行多角度的研究。 这些研究揭示出产甲烷菌分类地位的多样性，展示出不同生境下产甲烷菌的生态及生理特性的差异性，同时也为产甲烷菌的实际工业应用指明了方向。

产甲烷菌是一类能够将无机或有机化合物厌氧发酵转化成甲烷和CO2 的古细菌，它们生活在各种自然环境下，甚至在一些极端环境中。 产甲烷菌是厌氧发酵过程的最后一个成员，甲烷的生物合成是自然界碳素循环的关键链条。 由于产甲烷菌在有机废弃物处理、沼气发酵、动物瘤胃有机物分解利用等过程中的重要作用，同时甲烷是导致全球变暖的第二大温室气体，因此产甲烷菌和甲烷产生机制的研究备受关注。 特别是近几年对产甲烷菌基因组的研究，使人们从全基因组和进化的角度，对甲烷生物合成机制及甲烷菌的生活习性、形态结构等方面，获得更深刻的理解。 20 世纪60 年代，Hungate 开创了严格厌氧微生物培养技术之后，对产甲烷细菌的研究得以广泛进行。

产甲烷菌的主要功能，是将乙酸、甲酸和一碳化合物（甲醇、甲酸）转化为CH4 和CO2，使厌氧消化过程得以顺利进行，主要可分为两大类:乙酸营养型和H2 营养型产甲烷菌，或称为嗜乙酸产甲烷细菌和嗜氢产甲烷细菌。 一般来说，在自然界中乙酸营养型产甲烷菌的种类较少，只有产甲烷八叠球菌和产甲烷丝状菌，但这两种产甲烷菌在厌氧反应器中居多，特别是后者，因为在厌氧反应器中乙酸是主要的产甲烷基质，一般来说有70%左右的甲烷是来自乙酸的氧化分解。