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2.厌氧消化的原理

厌氧消化是指在厌氧(无氧)条件下,利用厌氧微生物将复杂的大分子有机物转化成甲烷、二氧化碳、无机营养物质和腐殖质等简单化合物的生物化学过程。在厌氧消化过程中,多种不同微生物的代谢过程相互影响、干扰,形成了非常复杂的生化过程。

20世纪70年代以来,大量学者和研究人员对厌氧消化过程中的微生物及其代谢过程进行了深入研究,并取得了很大的进步。经研究探索，厌氧消化复杂有机物的厌氧消化过程可以分为两段理论、三段理论以及四段理论。接下来我们将分别介绍各理论。

1).两段理论：

该理论是由Thumm.Reichie(1914)和Imhoff(1916)提出，经Buswell.NeaVe完善而成的，它将有机物厌氧消化过程分为水解酸化(酸性发酵)阶段和产甲烷(碱性发酵)两个阶段，相应起作用的微生物分别为产酸细菌和产甲烷细菌。?

在第一阶段，复杂的有机物(如糖类、脂类和蛋白质等)在产酸菌(厌氧和兼性厌氧菌)的作用下被分解成为低分子的中间产物以及生成能量，这些中间产物主要是一些低分子有机酸(如乙酸、丙酸、丁酸等)和醇类(如乙醇)，并有氢、CO2,?NH4＋、H2S等气体。在这一阶段里，由于有机酸的大量积累，使发酵液的pH值降低，pH值可下降至6，甚至可达5以下。所以此阶段被称为酸性发酵阶段，又称为产酸阶段。

在第二阶段，产甲烷菌(专性厌氧菌)将第一阶段产生的中间产物继续分解成CH4、CO2等。由于有机酸在第二阶段的不断被转化为CH4、CO2等，同时系统中有NH4＋存在，使发酵液的pH值迅速升高达到7～8，所以此阶段被称为碱性发酵阶段，又称为产甲烷阶段。

厌氧消化的两阶段理论，几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中一直被广泛应用。

图7.2.1二阶段理论示意图

2).三段理论：

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，三个阶段有不同的菌群。该理论认为产甲烷菌不能直接利用除乙酸、H2/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氢产乙酸菌转化为乙酸、H2和CO2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中占有的核心地位，较好地解决了两阶段的矛盾。

第一阶段，水解和发酵。在这一阶段中复杂有机物（如多糖、淀粉、纤维素、烃类等）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。?

第二阶段，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中间产物，如脂肪酸(丙酸、丁酸)和醇类(乙醇)等水溶性小分子转化为乙酸、H2和CO2。?

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)。厌氧消化过程约有70%甲烷来自乙酸的分解，少量来源于H2和CO2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，称之为“液化”。发酵菌和产氢产乙酸菌依次将水解产物转化为有机酸，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。

图7.2.2三阶段理论示意图

3).四段理论：

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H2和CO2(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7.3所示。

图7.2.3四阶段理论示意图

由图7.2.3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，有机酸和醇类在第II类菌(产氢产乙酸菌)作用下转化为乙酸、H2/CO2、甲醇、甲酸等。第III类菌(同型产乙酸菌)将少部分H2和CO2转化为乙酸。最后，第IV类菌(产甲烷菌)把乙酸、H2/CO2、甲醇、甲酸等分解为最终的产物—CH4和CO2。在有硫酸盐存在的条件下，硫酸盐还原菌也将参与厌氧消化过程。