厌氧微生物学与污水处理

厌氧微生物学与污水处理2012年12月厌氧微生物学与污水处理1、厌氧微生物学2、废水厌氧生物处理的生物化学原理3、影响厌氧生物处理的环境因素4、厌氧生物处理的废水特征5、生物脱氮除磷6、厌氧生物处理工艺7、生物制氢8、硫酸盐还原菌厌氧生物处理废水9、废水厌氧生物处理中的共基质代谢和种间协同代谢作用10、难降解有机物的厌氧生物降解11、厌氧生物处理的研究和分析方法1、厌氧微生物学1.1厌氧消化原理1967年，布赖恩特(Bryant)报告认为消化经历四个阶段：先是水解阶段，固态有机物被细菌的胞外酶所水解；第二个阶段是酸化；在第三阶段乙酸化阶段。进入甲烷化阶段之前，代谢中间液态产物都要乙酸化，称乙酸化阶段；第四阶段是甲烷化阶段。厌氧生物处理过程又称厌氧消化，是在厌氧条件下由多种微生物的共同作用，使有机物分解生成ＣＨ4和ＣＯ2的过程。整个过程可以分为三个阶段：第一阶段是复杂有机物在发酵细菌(产酸细菌)作用下进行水解和发酵。例如，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，如丙酸、丁酸、乳酸等；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。第二阶段称为产氢，产乙酸阶段,是由一类专门的细菌，称为产氢产乙酸细菌，将丙酸、丁酸等脂肪酸和乙醇等转化为乙酸,Ｈ2和ＣＯ2。第三阶段称为产甲烷阶段，由产甲烷细菌利用乙酸和Ｈ2,ＣＯ2产生ＣＨ4。细菌分为不产甲烷菌和产甲烷菌不产甲烷菌包括三类：发酵细菌、产氢产乙酸细菌和同型产乙酸细菌1.2不产甲烷菌及其作用1.2.1发酵细菌发酵细菌是一个非常复杂的混合细菌群，主要属于专性厌氧细菌，包括梭菌属、丁酸弧菌属和真细菌属等。该类细菌可以在厌氧条件下将多种复杂有机物水解为可溶性物质，并将可溶性有机物发酵，主要生成乙酸、丙酸、丁酸、H2和CO2，所以也有人称其为水解发酵细菌和产氢产酸菌。1.2.1.1发酵细菌种类、数量和营养发酵细菌是复杂的混合菌群、主要包括纤维素分解菌、半纤维素分解菌、淀粉分解菌、脂肪分解菌、蛋白质分解菌等。1976年曾报道了18个属的51种。到目前为止，已研究过的就有几百种，在中温消化过程中，有梭状芽孢杆菌属、拟杆菌属、丁酸弧菌属、真细菌属、双歧杆菌属和螺旋体等属的细菌；在高温厌氧消化器中，有梭菌属和无芽孢的革兰氏阴性杆菌。在中温发酵的水污泥中，每毫升中发酵细菌的数量为108－109个，而以每克挥发性固体计算含1010－1011个。发酵细菌利用基质中存在的碳水化合物作为生长的能源物质，有些利用基质代谢的中间产物，如乳酸盐、甘油或碳水化合物的水解产物。有些发酵细菌利用化合物作为能源表现出多样性，如溶纤维丁酸弧菌和栖瘤拟杆菌常发酵糖苷、多糖类和其他许多糖类。少数发酵细菌利用氨基酸、多肽作为生长的主要能源。有些发酵细菌利用化合物具有专一性，如嗜淀粉拟杆菌，仅利用淀粉和淀粉的水解产物、糊精、麦芽糖。1.2.1.2发酵细菌的功能和生存环境发酵细菌在厌氧消化中起着特别重要的作用。（1）将大分子不溶性有机物水解成小分子的水溶性有机物，水解作用是在水解酶的催化作用下完成的。水解酶是一种胞外酶，因此水解过程是在细菌表面或周围介质中完成的。发酵细菌群中仅有一部分细菌种属具有合成水解酶的功能，而水解产物却一般可被其他的发酵细菌群所吸收利用。(细菌之间的协同作用)（2）发酵细菌将水解产物吸收进细胞体内，经细胞内复杂的酶系统的催化转化，将一部分供能源使用的有机物转化为代谢产物，渗入细胞外的水溶液里，成为参与下一阶段生化反应细菌群吸收利用的基质（主要是有机酸、醇、酮等）。（细胞外→细胞内→细胞外）发酵基质的种类对主要发酵细菌的种群有十分明显的影响。在富含蛋白质的厌氧消化液（如处理奶酪厂废水的消化池）里，存在着蜡状芽孢杆菌、环状芽孢杆菌、球状芽孢杆菌、枯草芽孢杆菌、变异微球菌、大肠杆菌、副大肠杆菌以及假单胞菌属的一些种。在含有纤维素的厌氧消化液中，如处理植物残体以及食草动物粪便的消化液中，存在蜡状芽孢杆菌、巨大芽孢杆菌、产粪产碱杆菌、普通变形菌、铜绿色假单胞菌、溶纤维丁酸弧菌、栖瘤胃拟杆菌等。在富含淀粉的厌氧消化液（如处理淀粉废液、酒精发酵残渣等的消化池）中，存在着变异微球菌、尿素微球菌、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。在硫酸盐含量高的消化液（如处理硫酸盐制浆黑液的厌氧消化池）里，存在着大量属于专性厌氧菌的脱硫弧菌属细菌。在处理生活垃圾和鸡场废弃物的消化池里，属于兼性厌氧菌的大肠杆菌和链球菌将会大量出现。发酵细菌的世代期短，数分钟到数十分钟即可繁殖一代，另外，发酵细菌大多数为异养型细菌群，对环境条件适应性特别强。1.2.1.3发酵细菌的生化反应在厌氧消化过程中，发酵细菌最主要的基质是蛋白质、淀粉、脂肪和纤维素。这些有机物首先在水解酶作用下分解为水溶性的简单化合物，其中包括单糖、高级脂肪酸、甘油以及氨基酸等。这些水解产物再经发酵细菌的胞内代谢，除产生CO2、NH3、H2、H2S等无机物外，主要转化为一系列有机酸和醇类物质而排泄到环境中去。在这些代谢产物中，最多的是乙酸、丙酸、乙醇、丁酸和乳酸等，其次是丙酮、丙醇、丁醇、异丙醇、戊酸、琥珀酸等。一般来说，发酵细菌利用有机物时，首先在胞内将其转化成丙酮酸，然后根据发酵细菌的种类和控制环境条件（如pH值、H2分压、温度等）而形成不同的代谢产物。基质浓度大的时候，一般都能加快生化反应的速率，基质组成不同时，有时会影响物质的流向，形成不同的代谢产物。代谢产物的积累一般情况下会阻碍生化反应的顺利进行，特别是发酵产物中有H2产生（如丁酸发酵）而又出现积累时。所以，保持发酵性细菌与后续的产氢产乙酸细菌和产甲烷菌的平衡和协同代谢是至关重要的。1.2.2产氢产乙酸细菌1.2.2.1产氢产乙酸细菌的发现及其重要意义1916年，俄国学者奥梅梁斯基（V.L.Omeliansky）分离出第一株不产生孢子、能发酵乙醇产生甲烷的细菌，称之为奥氏甲烷杆菌。1940年巴克（Barker）发现这种细菌具有芽孢，又改名为奥氏甲烷芽孢杆菌。布赖恩特等人于1967年发表的论文指出，所谓奥氏甲烷细菌实为两种细菌的互营联合体：一种为能发酵乙醇产生乙酸和H2、能运动、革兰氏阴性的厌氧细菌，称之为S菌株；另一种为能利用H2产生甲烷、不能运动、革兰染色不定的厌氧杆菌，称之为M.O.H菌株，亦能利用H2产生甲烷的细菌。它们进行的生化反应如下：2CH3CH2OH＋2H2O→2CH3COOH＋4H2（S菌株）4H2＋HCO3-＋H＋→CH4＋3H2O（M.O.H菌株）在上面的共营生化反应里，S菌株分解乙酸产生H2，为M.O.H菌株提供基质；而M.O.H菌株利用H2降低了环境中H2分压，为S菌株继续代谢乙醇提供了必要的热力学条件。研究资料表明，当H2分压大于4.9×10-4Pa时，S菌株的代谢即受到抑制。产氢产乙酸细菌的发现具有非常重要的意义。（1）在厌氧消化过程中，第一阶段的发酵产物可供产甲烷菌吸收利用的甲酸、甲醇、甲胺类外，还有许多其他重要的有机代谢产物，如三碳以及三碳以上的直链脂肪酸、二碳以及二碳以上的醇、酮和芳香族有机酸等。根据实际测定和理论分析，这些有机物至少占发酵基质的50％以上（以COD计）。它们最终转化成甲烷，这表明还存在着一大批功能和S菌株相似的能为产甲烷菌提供基质的产氢产乙酸细菌群，也就是说，在有机物的厌氧转化链条上，出现了一个新的环节或是阶段，从而为厌氧消化三阶段理论奠定了基础。（2）以证实奥氏甲烷芽孢杆菌非纯种为突破口，随后又从热力学上进一步断定，以前命名的几种产甲烷菌，如能将丁酸和乙酸等偶碳脂肪酸氧化成乙酸和甲烷，以及能将戊酸等奇碳脂肪酸氧化成乙酸、丙酸和甲烷的弱氧化甲烷杆菌，能将丙酸氧化成乙酸、CO2和甲烷的丙酸甲烷杆菌均非纯种。（3）否定了原以为可作为产甲烷菌基质的许多有机物（如丙醇、乙醇、正戊醇、异丙醇、丙酸、丁酸、异丁酸、戊酸和己酸等），而将产甲烷菌可直接吸收利用的基质范围缩小到仅包括三甲一乙［甲酸、甲醇、甲胺类（一甲胺、二甲胺、三甲胺）、乙酸］的简单有机物和以H2/CO2组和的简单无机物等为数不多的几种化学物质。1.2.2.2种间氢转移和互营联合产氢产乙酸细菌为产甲烷菌提供乙酸和H2，促进产甲烷菌的生长。产甲烷菌由于能利用H2而降低生长环境中的H2分压，有利于产氢产乙酸菌的生长。在厌氧消化过程中，这种在不同生理类群菌种之间H2的产生和利用H2的偶联现象称为种间氢转移。产氢产乙酸细菌只有在耗氢微生物共生的情况下，才能将长链脂肪酸降解为乙酸和H2，并获得能量而生长，这种产氢微生物与耗氢微生物间的共生现象称为互营联合。产甲烷菌纯培养的研究表明，发酵性细菌分解发酵复杂有机物时所产生的除甲酸、乙酸及甲醇以外的有机酸和醇类，均不能被产甲烷菌所利用。所以，在自然界除S菌株外，一定还存在着其他种类的产氢产乙酸细菌，将长链脂肪酸氧化为乙酸和H2。这种互营联合菌种之间所形成的种间氢转移不仅在厌氧生境中普遍存在，而且对于使厌氧生境具有生化活性十分重要，是推动厌氧生境中物质循环尤其是碳素转化的生物力。1.2.2.3产氢产乙酸细菌的分类（1）降解丁酸盐的产氢产乙酸细菌降解丁酸的细菌一直没有被分离成纯培养，迈克尔(Michael)和Bryant等采用加入耗氢菌的富集分离方法分离纯化获得了产氢产乙酸细菌和产甲烷菌的双菌培养物。Michael（1979）首次报道了氧化丁酸盐的双菌培养物，用脱硫弧菌G11菌株作为用氢菌与产氢产乙酸细菌共同培养，以硫酸盐作为最终电子受体而分离的，命名为沃尔夫互营单胞菌（Syntrophomonaswolfei)(Michael和Bryant,1981)沃尔夫互营单胞菌是革兰染色阴性，无芽孢杆菌，菌体（0.5～1.0)μm×（2.0～7.0)μm，稍弯，端部稍尖，单生或成对，有时也呈短链，在细胞凹陷侧有2～8根鞭毛，缓慢运动。对青霉素敏感。（2）降解丙酸盐的产氢产乙酸细菌丙酸在厌氧条件下更难发生氧化反应，硫酸盐还原菌与丙酸的氧化有关，脱硫球形菌属（Desulfolubous)中的一种细菌能在有硫酸盐的情况下降解丙酸(Michael和Bryant,1980).1980年，Boone和布赖恩特（Bryant）发现了一种在丙酸为底物的富集培养物中，并要求脱硫弧菌参与进行种间氢转移才能生长的细菌，他们将其命名为沃林互营杆菌(Syntrophobacterwolinii)。沃林氏互营杆菌是一株革兰染色阴性，无芽孢杆菌，单生、成对、短链或长链，有时为不规则的丝状，只有在硫酸盐的情况下，与利用H2的硫酸盐还原菌共养生长，只氧化丙酸，不氧化乙酸、丁酸、己酸。在无硫酸盐条件下，沃林互营杆菌、亨氏甲烷螺菌、脱硫弧菌三菌培养物的陪增时间（161h)约等于含有硫酸盐的双菌培养物（87h）的2倍。产氢产乙酸菌的主要功能是将各种高级脂肪酸和醇类氧化分解为乙酸和H2。涉及到的主要反应有：乙醇：CH3CH2OH+H2O→CH3COOH+2H2丙酸：CH3CH2COOH+2H2O→CH3COOH+3H2+CO2丁酸：CH3CH2CH2COOH+2H2O→2CH3COOH+2H2上述各个反应只有在系统中的乙酸浓度、和氢分压均很低时才能顺利进行。主要的产氢产乙酸菌分属互营单胞菌属、互营杆菌属、梭菌属、暗杆菌属等；多数是严格厌氧菌或兼性厌氧菌。1.2.3同型产乙酸细菌1.2.3.1同型产乙酸细菌的代表菌种同型产乙酸细菌是混合营养型厌氧细菌，既能利用有机基质产生乙酸，也能利用H2和CO2产生乙酸，因为同型产乙酸细菌可以利用H2而降低H2分压，所以对产H2的发酵性细菌有利；同时对利用乙酸的产甲烷菌也有利。近20年来已分离到包括4个属的10多种同型产乙酸细菌，可以利用己糖、戊糖、多元醇、糖醛酸循环中各种酸、丝氨酸、谷氨酸、3－羧基丁酮、乳酸、乙醇等形成乙酸。它们一般不利用二糖或更复杂的碳水化合物。除少数种类外，它们能生长于H2/CO2上。1.2.3.2同型产乙酸细菌在厌氧消化器中的作用。在厌氧消化器中，同型产乙酸细菌的确切作用还不十分清楚，有人认为同型产乙