污泥的厌氧消化微生物学原理

在厌氧消化过程中，参与反应的细菌分为两大类：一类是产氢产乙酸菌、水解酸化菌和同型产乙酸菌等非产甲烷菌；另一类是产甲烷菌。由于微生物种群之间的生态平衡关系是支配厌氧消化过程的本质规律，所以在本节中着重介绍厌氧消化过程微生物的种类、特性及其相互代谢关系。

（1）厌氧消化过程微生物种类

1）非产甲烷菌

① 水解发酵菌（产酸细菌）。主要的发酵产酸细菌包括梭菌属、拟杆菌属、丁酸弧菌属、双歧杆菌属等。其主要功能是水解和酸化作用。水解——在胞外酶的作用下，将不溶性大分子有机物水解成可溶性有机物；酸化——将可溶性大分子有机物转化为乙酸、丙酸、丁酸、戊酸等有机酸及醇类等。水解发酵细菌的水解过程较缓慢，并受SRT、pH值、有机物种类等多种因素的影响，但产酸反应的速率较快。发酵产酸细菌可以按功能分为蛋白质分解菌、半纤维素分解菌、淀粉分解菌、纤维素分解菌、脂肪分解菌等。

② 产氢产乙酸菌。该类细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、CO2和H2，为产甲烷阶段提供合适的基质，在厌氧系统中常常与产甲烷细菌处于共生互营关系。主要的产氢产乙酸反应有：

只有在乙酸浓度和系统中氢分压很低时上述反应才能顺利进行，因此，产氢产乙酸反应的顺利进行，常常需要后续产甲烷反应能及时将其主要的两种产物乙酸和H2消耗掉。主要的产氢产乙酸细菌多数是专性厌氧菌和兼性厌氧菌，包括互营杆菌属、互营单胞菌属、梭菌属、暗杆菌属等。

③ 同型产乙酸菌。在“三阶段理论”的影响下，人们将注意力集中在产氢产乙酸菌与产甲烷菌等的互营作用上，并将其归入产甲烷相进行研究，却忽略了产酸菌、产氢产乙酸菌与同型乙酸菌之间的相互作用。值得一提的是，同型产乙酸菌在厌氧产酸过程中，具有特殊作用，它可以将二氧化碳和氢气转化为乙酸，在氢分压高时，它的作用增强；在氢分压低时，它的作用减弱，起到了一个平衡器的作用。但在一般厌氧消化器中，同型产乙酸菌所产的乙酸不到4%。尽管人们对自然生态系统中同型产乙酸菌对碳循环的重要贡献有较深入的认识，但却没能在人工厌氧产酸系统中充分发挥同型产乙酸菌的作用。

2）产甲烷菌（Methanogens）　

产甲烷菌是产甲烷阶段的主要细菌，属于严格的厌氧菌，主要代谢产物是甲烷。主要可分为两大类：乙酸营养型产甲烷菌和H2营养型产甲烷菌。

产甲烷细菌的主要功能是将产氢产乙酸菌的产物——乙酸和H2/CO2转化为CH4和CO2，使厌氧消化过程得以顺利进行。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（Methanosarcina）和产甲烷丝状菌（Methanothrix），但这两种产甲烷细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。

典型的产甲烷反应有：

根据产甲烷菌的形态和生理生态特征，可将其进行分类，如图所示。

迄今为止，可分离鉴定的产甲烷菌达到70余种，分属于3个目，7个科，19个属。产甲烷菌有各种不同的形态，我们常见的产甲烷菌有产甲烷杆菌、产甲烷球菌、产甲烷螺旋菌、产甲烷八叠球菌四类。下表列示了几种主要产甲烷菌种属及其分解的底物。
摘自: www.ws46.com

厌氧消化过程中产甲烷菌的生长情况直接关系到甲烷的产量，其能分解的物质均是由大分子有机物分解生成的小分子中间产物，本身并没有直接分解大分子有机物的能力。

产甲烷菌是通过细胞分裂进行繁殖。下面两种物质可以大大促进这一细胞分裂作用，有助于产甲烷菌的繁殖，但是，这二者之间又存在着相互排斥的作用。

① 滤泡激素（follicular hormone，follikehoron）：公马或妊娠的母马尿中得到的激素。

② 细菌酶（bacteriozym）：从酶细胞中得到的植物性提取物。

无论哪一种产甲烷菌的生存时间都不少于几个星期，因此，一个新建或者一度停用的消化池，会需要很长的启动时间。但是，通过良好的消化污泥进行定期接种，也可在短时间内最大限度地发挥细菌的作用。

产甲烷菌由于具有某种性质的生物排他性，因此，在产甲烷菌大量繁殖的地方，其他微生物的种类和数量就受到抑制。

细菌的生长和繁殖，通常是依靠同化作用和异化作用这两种不同的代谢活动来维持的。与其他植物一样，细菌对养分的吸收与代谢产物的排出，是通过细胞膜的渗透作用进行的。一般来讲，细菌体内的代谢产物浓度高于周围液体的浓度时，由于渗透压的作用，细菌将从周围吸收水分。但是，细胞膜弹性产生的渗透压与反渗透压达到平衡时，细菌便膨大而处于正常状态。但是，随着代谢产物的增加，细菌体内的浓度低于周围液体的浓度时，渗透压则起反作用，从细菌体内夺走水分，导致原生质（protoplasm）萎缩，即使周围还有水，细菌的生命也将就此终止，为促进消化过程而进行的搅拌就是要避免产生这种情况。只要存在养分并具备必要的生活条件，细菌就能不断地进行吸收养分与代谢作用。

对于产甲烷菌来讲，最重要的养料是碳和氮，但其他有机物和无机物对其生存也有影响。有机的有效物质是酶和维生素。酶大致可以分为以下几种。

① 氧化还原酶类　

氧化还原酶类大致可以分为脱氢酶和氧化酶两种。脱氢酶可以活化底物上的氢，并使它转移到另一种物质上，使底物因脱氢而氧化，不同的底物将由不同的脱氢酶进行脱氢作用。氧化酶能将分子氧（空气中的氧）活化，从而作为氢的受体而形成水或催化底物脱氢，并氧化生成过氧化氢。

② 转移酶类　

转移酶类能催化一种化合物分子的基团转移到另一种化合物分子上。

③ 水解酶类　

水解酶类能催化大分子有机物的水解作用及其逆反应。

④ 裂解酶类　

裂解酶类能催化有机物碳链的断裂，产生碳链较短的产物。

⑤ 异构酶类　

异构酶类能催化同分异构化合物之间的相互转化，即分子内部基团的重新排列。

⑥ 合成酶类　

合成酶类能催化有三磷酸腺苷参加的合成反应，这类酶关系着很多重要生命物质的合成。

在无机的有效物质中，在数量上比较主要的是磷酸（P2O5）和钾（灰分）（K2O）。此外，铁、钠、镁、铜、硫、钼、钴、锡、钯等痕量元素对产甲烷菌的生长也有影响。少量的硫化氢有助于细菌繁殖，但浓度一高就成为有害物质。

另外，必须创造一个弱碱环境，最佳pH值应保持在7.0～7.5，有机酸浓度应在2000～3000mg/L以下。这一容许浓度将根据氨和其他阳离子存在的情况稍有变动。有机酸浓度是通过迪克洛（Duclaux）法以乙酸的含量测定的，其值与pH值无关。有机酸浓度如果在2000～3000mg/L以上，产甲烷菌的活动能力将逐渐减弱，消化速度也慢了。可通过停止供给生污泥、降低污泥含固率、投入消石灰等方法予以解决；但是，如果适应产甲烷菌生活的条件不能恢复，污泥就将开始酸性发酵。当有机酸浓度在5000mg/L以上，这些处理措施几乎无效。另一方面，最佳碱度的上限，换算成CaCO3为2000mg/L左右。

在生物分类学上，产甲烷菌（Methanogens）属于古细菌（Archaebacteria），大小、外观上与普通细菌（Eubacteria）相似，但实际上，其细胞成分特殊，特别是细胞壁的结构较特殊。产甲烷菌在自然界的分布，一般可以认为是栖息于一些极端环境（如地热泉水、深海火山口、沉积物等）中，但实际上其分布极为广泛，如污泥、瘤胃、昆虫肠道、湿树木、厌氧反应器等。产甲烷菌是严格的厌氧细菌，氧和氧化剂对其有很强的毒害作用，要求氧化还原电位在-400～-150mV。产甲烷菌的增殖速率很慢，繁殖世代时间长，可达4～6d。产甲烷菌的生存温度为0～80℃，低温、中温、高温细菌的最佳温度分别为15℃、30℃、55℃左右。与兼性厌氧菌比较，产甲烷菌更为敏感。但是，如果给产甲烷菌创造了最佳生活条件，就会得到良好的消化污泥。

（2）厌氧消化过程中微生物的代谢关系

厌氧消化是一个多菌群共同代谢的过程，各类菌群之间的代谢作用相辅相成。在整个厌氧代谢过程中，产甲烷菌并不是孤立进行的，它周围众多的菌群先于产甲烷菌代谢，以此提供产甲烷菌正常代谢的条件。从物质代谢转化的角度来看，首先，有机物的大分子水解，把纤维素、半纤维素、果胶、淀粉、脂类和蛋白质等物质，经水解发酵生成水溶性糖、醇、酸等分子较小的化合物；然后，微生物进一步把较小分子的化合物降解形成产甲烷菌可直接利用的底物，主要是乙酸盐、H2和CO2等；最后，产甲烷菌才能利用极简单的小分子化合物代谢产生CH4和CO2。有机物质在经过厌氧生物转化为甲烷的过程中，涉及一系列微生物菌群代谢，它们的底物和特性完全不同。整个转化过程可以描述为许多种不同微生物类群的直接和间接的共生联合关系。确定的9个步骤分别由专门的菌群调节代谢，这9个步骤分别为：a.有机聚合物水解成有机单体，如糖、有机酸和氨基酸等；b.有机单体转化成氢、重碳酸盐、乙酸、丙酸和丁酸以及其他有机产物如乙醇、乳酸等；c.产氢产乙酸菌对还原性有机物具有氧化作用，能生成氢气、重碳酸盐和乙酸；d.同型乙酸菌对重碳酸盐的产乙酸呼吸作用；e.硝酸盐还原菌（NRB）和硫酸盐还原菌（SRB）对还原性有机物的氧化作用生成重碳酸盐硼乙酸；f.NRB和SRB对乙酸的氧化作用，生成重碳酸盐；g.NRB和SRB对氢气的氧化作用；h.裂解乙酸的甲烷发酵；i.重碳酸盐的产甲烷呼吸作用。

在厌氧消化过程中，微生物的相互作用实质上是各类微生物在代谢上的相互影响。每一种微生物都有其自身的代谢途径，它们可以在特定的环境中单独行使其代谢功能。因此，研究它们的代谢条件和代谢途径是非常有用的。但在厌氧消化反应器这样一个杂居的环境中，各类型的微生物生活在一起，各自进行自身特有的代谢，并形成各自的代谢产物，彼此之间的相互作用，使它们能正常进行生命活动，然而它们所形成的代谢产物可能引起如下后果：a.产物累积引起的反馈抑制效应；b.代谢产物被其他菌群利用，促进其生长；c.抑制其他菌群；d.造成有利或不利于其他菌群的生态环境。

这些问题在厌氧消化反应器中都有可能出现，而在厌氧消化正常运行或运行失败时，代谢产物的种类及其浓度都有很大的差别，代谢产物引发的问题和后果也完全不同。在正常的厌氧消化过程中，各种微生物代谢过程发生相互偶联，产物得到协调，整个消化过程达到平衡。相反，任何一个代谢过程的失调都有可能引发整个过程的破坏，使厌氧消化过程失衡。因此，研究厌氧消化微生物的相互关联性是一个重要且复杂的内容。

（3）甲烷发酵过程微生物的代谢关联性

对厌氧消化过程中发酵液和气体成分进行分析，特别是将一些功能菌的代谢产物进行分析，就不难发现微生物之间的代谢关系。

1）水解酸化菌与产甲烷菌之间的相互关系　

下图所示为某反应器内污泥厌氧消化过程中挥发酸和日沼气产量的关系。在厌氧消化开始后的初期阶段，反应器内大量产酸，挥发酸的浓度最高可达4000mg/L，此时反应器内以水解酸化过程为主，此后，反应过程逐渐过渡到产甲烷阶段。反应器内水解酸化阶段和产甲烷阶段是两个无法在绝对意义上分开的过程，这主要是由产酸过程和产甲烷过程没有达到代谢平衡所致。由于产酸菌的繁殖速率较高，在厌氧消化开始初期就大量繁殖，产生较大量的挥发酸，而产甲烷菌的繁殖速率较慢，因此，水解酸化细菌代谢产生的挥发酸不能及时地被产甲烷菌利用，故此阶段主要表现为挥发酸的积累。当产甲烷菌数量增加、微生物区系相对完善后，挥发酸很快被消耗，产甲烷则成为主要特征。由于在挥发酸增强的同时，产甲烷菌的数量不断增加，沼气产量也随之增加，此时水解酸化阶段和产甲烷阶段构成一个连续的过程。因此可以采用增加接种物的办法缩短这两个阶段之间的时间差，使产甲烷阶段提前。研究人员曾在污泥厌氧消化试验中，在反应器内接种容积量35%的厌氧消化液作为启动微生物，此时反应器在第2日即可正常产气，第4日即可达到产气高峰，而接种反应器容积量15%的厌氧消化液时，产气高峰出现在第9日，这说明增加接种物的用量可以较好地保证反应器的正常启动，也说明水解酸化阶段和产甲烷阶段是可以人为调控的。

2）水解酸化菌之间相互关系　

在污泥厌氧消化过程中，运行正常的消化罐内挥发酸的乙酸浓度最高，为200～1500mg/L；丙酸浓度较低，为300～1000mg/L；丁酸浓度最低，在100mg/L以下，有时其浓度低于检测线。这几种挥发酸中乙酸的浓度波动是最明显的。当乙酸浓度降到比丙酸低的时候，特别是乙酸浓度低于200mg/L时，丙酸、丁酸的浓度均有明显的下降。在中温发酵过程中，挥发酸的变化趋势也较为近似。上述这些结果表明，在厌氧消化过程中，产酸菌主要以产乙酸菌为主，产丙酸菌次之，产丁酸菌最少。丙酸、丁酸不能被产甲烷菌直接利用，它们在被进一步降解为乙酸后才能转化为甲烷。因此，丙酸和丁酸浓度的下降显然说明了与产乙酸菌的密切关系，这充分说明它们之间有相互依赖的关系和种群消长关系，这种关系无论在常温还是中温消化过程中都比较稳定。

3）产氢和产甲烷菌的相互关系　

自20世纪80年代奥氏甲烷杆菌被分离后，产氢菌和产甲烷菌之间的共生关系才为人所知。此后，这一关系又为其他许多学者所证实。在餐厨垃圾与污泥的混合消化过程中也发现这一现象［2］。在污泥的厌氧消化过程中，当产甲烷过程进行正常（甲烷浓度60%～70%）时，向反应器中加入反应器容积20%的餐厨垃圾，当pH值降低至6.0时，氢气浓度出现明显上升，当pH值降低至5.0时，氢气浓度达到最大，浓度峰值为50%～55%。氢气浓度在达到峰值后出现下降的现象，此时pH值也随之上升，甲烷浓度也逐步上升。由此可看出，产氢微生物和产甲烷菌两者间有明显的共生关系，沼气中氢气浓度的上升和下降反映了厌氧消化过程中产氢菌和产甲烷菌在代谢上的相互偶联。当反应器的环境更有利于产氢菌繁殖时，产甲烷菌的活性则不断下降，此时氢气浓度最高时可达60%。