污泥处理的厌氧消化阶段理论

厌氧消化过程是一个非常复杂的生物处理过程，其中涉及的微生物种群颇多，因此厌氧消化过程可分为若干阶段，国际上比较流行的厌氧消化阶段理论可分为两阶段、三阶段和四阶段理论。

（1）两阶段理论

厌氧消化是一种在厌氧条件下的生物处理技术，有机物在厌氧消化中得到分解并产生CH4和CO2。“两阶段理论”流行于20世纪30～60年代，认为厌氧消化过程可分为产酸阶段和产甲烷阶段。在产酸阶段，有机物在产酸细菌的作用下，分解成脂肪酸及其他产物，并合成新细胞；在产甲烷阶段，脂肪酸在专性厌氧菌——产甲烷菌的作用下转化为CH4和CO2。但是，酸性发酵阶段的最终产物事实上不仅仅是酸，且发酵产生的气体也并不都是从甲烷发酵阶段产生的，因此，两阶段过程相对恰当的提法为非产甲烷阶段和产甲烷阶段。

1）非产甲烷阶段　

在非产甲烷阶段，污泥中含有的淀粉、纤维素、烃类和多糖等大分子有机物在兼性厌氧菌胞外酶的作用下进行水解和液化，然后再进入细胞体内，在胞内酶的作用下转化为挥发性有机酸（甲酸、乙酸、丙酸、丁酸）和硫化物。在该阶段主要参与反应的微生物统称发酵细菌或产酸细菌，其具有生长速率快，对温度、pH值等环境条件适应性强等主要特点。在这一阶段，污染物会发生以下变化：

① 由于有机物酸化的作用而导致pH值降低；

② 在酸化过程中，发生有机物的脱氢反应，会有H2产生；

③ 由于在水解酸化过程主要是有机物形态的变化，因此BOD和COD变化不明显；

④ 在兼性厌氧菌分解有机物的过程中，产生的能量几乎全部被消耗作为有机物发酵所需的能源，仅有少部分合成新细胞，细胞没有增殖。一般产酸菌能够很好地适应温度、pH值的快速变化。

2）产甲烷阶段　

在产甲烷阶段，第一阶段产生的甲酸、乙酸、甲胺、甲醇等小分子有机物在经过产甲烷菌的作用下转化为CH4，厌氧消化体系的pH值上升至7.0～7.5，因此，又称为碱性发酵阶段。该阶段主要参与反应的微生物是产甲烷菌（Methaneproducingbacteria），其具有生长速率慢，世代时间长，对温度、pH值、绝对厌氧、抑制物等环境条件极为敏感等主要特点。这一阶段具有以下特征：

① 由于第一阶段产生的中间产物和代谢产物均被产甲烷菌利用而分解成二氧化碳、甲烷和氨，导致pH值上升；

② 由于构成BOD或COD的有机物多以CO2和H2的形式逸出，所以BOD和COD明显降低；

③ 产甲烷细菌把甲酸、乙酸、甲胺、甲醇等基质转化为甲烷，其中最主要的基质为乙酸。产甲烷菌对环境条件要求较高且繁殖速度慢，因此产气阶段是厌氧消化的限速关键。

（2）三阶段理论

随着对厌氧消化微生物不断深入的研究，厌氧消化过程中产甲烷细菌和不产甲烷细菌之间的相互关系更加明确。1979年，根据微生物种群的生理分类特点，伯力特等提出了厌氧消化三阶段理论。

第一阶段，在水解与发酵细菌作用下，蛋白质、碳水化合物与脂肪等有机物经水解和发酵转化为单糖、脂肪酸、氨基酸、甘油、二氧化碳和氢等。第二阶段，在产氢产乙酸菌的作用下，第一阶段的水解产物转化成氢、二氧化碳和乙酸。

第三阶段，在产甲烷菌的作用下，氢和二氧化碳转化为甲烷或对乙酸脱羧产生甲烷。产甲烷阶段产生的能量绝大部分用于维持细菌生存，只有少量用于合成新细菌，因此细胞的增殖很少。在厌氧消化的过程中，由乙酸转化形成的CH4约占总量的2/3，由CO2还原形成的CH4约占总量的1/3。

由上可知，在厌氧消化中产氢产乙酸细菌具有极为重要的作用，它在水解与发酵细菌及产甲烷细菌之间的共生关系中，起到了联系作用，通过不断地提供大量的H2，作为产甲烷细菌的能源和还原CO2生成CH4的电子供体。

总之，厌氧消化过程中产生CH4、CO2与NH3等的计量化学反应方程式为：

当d=0时，为不含氮有机物的厌氧反应通式，即伯兹韦尔（Buswell）和莫拉（Mueller）通式：

（3）四阶段理论

“四阶段理论”与“三阶段理论”几乎同一时间出现，在该理论中参与厌氧消化过程的微生物可以分为五大类：水解酸化细菌（第一阶段）、产氢产乙酸菌（第二阶段）、同型产乙酸菌（第三阶段）、耗氢产甲烷菌（第四阶段）、耗乙酸产甲烷菌（第四阶段）。

1—水解酸化细菌；2—产氢产乙酸菌；3—同型产乙酸菌；4—耗氢产甲烷菌；5—耗乙酸产甲烷菌

在“三阶段理论”的基础上，“四阶段理论”增加了同型产乙酸菌，可将产氢产乙酸细菌产生的H2和CO2合成乙酸。

总体来讲，“三阶段理论”和“四阶段理论”是目前公认的对厌氧消化机理较为全面的描述。

根据厌氧消化的特征，通常可以将厌氧消化分为部分厌氧消化和完全厌氧消化。如果产甲烷菌仅利用了第一阶段水解酸化产生的乙酸、甲酸、甲醇和甲胺等小分子有机物，则称为不完全厌氧消化或部分厌氧消化；如果产氢产乙酸菌继续将不能被产甲烷菌直接利用的乳酸、丙酸、丁酸、乙醇等有机物转化为氢气和乙酸，进而被产甲烷菌利用，则称为完全厌氧消化。

碳水化合物、蛋白质和脂肪这三大类有机基质厌氧消化过程分述如下。

1）碳水化合物的厌氧分解　

所谓碳水化合物，是指淀粉、纤维素、葡萄糖等糖类，其分子式一般为Cm（H2O）n。在生活污水的污泥中，碳水化合物约占20%。在消化过程第一阶段，在胞外酶的作用下，碳水化合物（多糖）首先水解成单糖并渗入细胞，在胞内酶的作用下，进一步转化为乙醇等醇类和乙酸等酸类。第一阶段产生的醇类和酸类物质在第二阶段被分解成甲烷和二氧化碳。1g可分解的碳水化合物的产气约为790mL，其组成为50%CO2和50%CH4。

2）蛋白质的厌氧分解　

在消化过程第一阶段，具有解朊酶（proteolytic）的菌能分泌出使蛋白质水解的酶，将蛋白质的大分子分解成简单的组分，形成各种氨基酸、二氧化碳、尿素、氨、硫化氢、硫醇等。尿素则在尿素酶的作用下迅速地全部分解成二氧化碳和氨。在第二阶段，氨基酸进一步分解成甲烷、二氧化碳和氨。1g蛋白质的平均产气量约为704mL，其成分为29%CO2和71%CH4。

在1963年，MeCarty和Jeris曾用原子示踪法研究了污泥消化过程中CH4的形成，其形成的百分率如图所示。

3）脂肪的厌氧分解　

在脂肪分解的第一阶段，在解脂菌或脂酶的作用下，脂肪水解成为脂肪酸和甘油。随后在酸化细菌的作用下，进一步转化为醇类和酸类。在第二阶段二者进而分解成CO2和CH4。1g脂肪的平均产气量为1250mL，其主要成分为22%CO2和68%CH4。