UNIT 2 厌氧发酵和氧化
厌氧的基本原理及影响其效果的因素
厌氧生化法的基本原理及影响其效果的因素一、厌氧生化法的基本原理废水厌氧生物处理是在无分子氧条件下通过厌氧微生物（包括兼氧微生物）的作用，将废水中的各种复杂有机物分解转化成甲烷和二氧化碳等物质的过程，也称为厌氧消化。
厌氧生物处理是一个复杂的微生物化学过程，依靠三大主要类群的细菌，即水解产酸细菌、产氢产乙酸细菌和产甲烷细菌的联合作用完成。
因而粗略地将厌氧消化过程分为三个连续的阶段，即水解酸化阶段、产氢产乙酸阶段和产甲烷阶段，如下图所示：24% 28%CH4 52% 72%乙酸第一阶段为水解酸化阶段。
复杂的大分子、不溶性有机物先在细胞外酶的作用下水解为小分子、溶解性有机物，然后渗入细胞体内，分解产生挥发性有机酸、醇类、醛类等。
这个阶段主要产生较高级脂肪酸。
含氮有机物分解产生的NH3除了提供合成细胞物质的氮源外，在水中部分电离，形成NH4HCO3，具有缓冲消化液PH值的作用。
第二阶段为产氢产乙酸阶段。
在产氢产乙酸细菌的作用下，第一阶段产生的各种有机酸被分解转化成乙酸和H2，在降解奇数碳素有机酸时还形成CO2。
第三阶段为产甲烷阶段。
产甲烷细菌将乙酸、乙酸盐、CO2和H2等转化成甲烷。
虽然厌氧消化过程可分为以上三个阶段，但是在厌氧反应器中，三个阶段是同时进行的，并保持某种程度的动态平衡。
这种动态平衡一旦被PH值、温度、有机负荷等外加因素所破坏，则首先将使产甲烷阶段受到抑制，其结果会导致低级脂肪酸的积存和厌氧进程的异常变化，甚至会导致整个厌氧消化过程停滞。
二、影响厌氧处理效果的因素水解产酸细菌和产氢产乙酸细菌，可统称为不产甲烷菌，它包括厌氧细菌和兼性细菌，尤以兼性细菌居多。
与产甲烷菌相比，不产甲烷菌对PH值、温度、厌氧条件等外界环境因素的变化具有较强的适应性，且其增殖速度快。
而产甲烷菌是一群非常特殊的、严格厌氧的细菌，它们对环境条件的要求比不产甲烷菌更严格，而且其繁殖的世代期更长。
因此，产甲烷细菌是决定厌氧消化效率和成败的主要微生物，产甲烷阶段是厌氧过程速率的限制步骤。
初二科学下册第2节氧气和氧化(第3课时)课件浙教版
……
探究
课题：探究燃烧的条件
提出问题：燃烧需要哪些条件？ 提出假设：可能需要可以燃烧的物质（可燃物）
可能需要助燃物（氧气）的参与 可能要达到一定的温度 …… 实验验证： 如何利用所给器材进行对假设的检验？
二、燃烧的条件：
①可燃物 ②温度要达到着火点 ③有充足的氧气与可燃物
1诀：逃生预演，临危不乱。 2诀：熟悉环境，暗记出口。 3诀：通道出口，畅通无阻。 4诀：扑灭小火，惠及他人。 5诀：明辨方向，迅速撤离。 6诀：不入险地，不贪财物。 7诀：简易防护，蒙鼻匍匐。 8诀：善用通道，莫入电梯。
9诀：缓降逃生，滑绳自救。 10诀：避难场所，固守待援。 11诀：缓晃轻抛，寻求援助。
来灭火,水在灭火中的主要作用（ B ）
A、水能分解出不能助燃的物质
B、降低温度到可燃物的着火点以下
C、降低可燃物的着火点
D、使空气中的氧气和二氧化碳分离
2、点燃下列混合气体时,可能发生爆炸的是（A ）
A、CH4和O2 C、N2和O2
B、CO和CO2 D、CH4和CO
→
课堂练习
煤是一种常用的燃料，家庭用煤经 过了从“煤球“到”蜂窝煤“的变化，以 前人们把煤粉加工成略大于乒乓球的 球体，后来人们把煤粉加工成圆柱体 ，并在圆柱体内打上一些孔（如右图 ）。请你分析一下这种变化的优 点是：＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿ ＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿。
下列说法：①食物腐烂、铁生锈都是缓慢氧化； ②燃烧是可燃物与氧气发生的剧烈的氧化反应； ③急速的燃烧一定会发生爆炸； ④自燃是缓慢氧化所引起的； ⑤白磷在空气中和在氧气中的着火点不同； ⑥燃烧、自燃、缓慢氧化的共同点都是氧化反应并都有 热量产生。其中正确的是（ C） A、①②③ B、③④⑤ C、①②④⑥ D、②③⑤
厌氧发酵原理PPT课件
其他影响因素
有毒物质
有毒物质如重金属、硫化物、氨氮等 对厌氧微生物的生长和代谢具有抑制 作用，需要控制有毒物质的浓度在适 宜范围内。
氧化还原电位
氧化还原电位是影响厌氧发酵的重要 因素之一，它关系到厌氧微生物的电 子传递和能量代谢。适宜的氧化还原 电位范围一般在-100~-300mV之间。
有机负荷 = （进入反应器的有机物质量 / 反应器中污泥质 量）×（反应器体积 / 反应器内污泥体积）
低有机负荷
低有机负荷条件下，厌氧微生物的生长和代谢速率较低，发酵 产气效率较低。此时需要延长发酵时间或增加反应器体积来提
高产气效率。
高有机负荷
高有机负荷条件下，厌氧微生物的生长和代谢速率较快，发酵 产气效率较高。但是高有机负荷条件下容易产生泡沫和浮渣等
06
厌氧发酵的未来发展与挑战
厌氧发酵技术的发展趋势
高效厌氧反应器
随着技术的进步，高效厌氧反应器的设计和应用将更加广泛，以提高厌氧发酵的效率和 稳定性。
新型厌氧微生物的发现与应用
随着微生物学研究的深入，更多新型厌氧微生物将被发现并应用于厌氧发酵领域，以拓 展厌氧发酵的应用范围。
生物信息学技术的应用
厌氧发酵的应用领域
能源生产
厌氧发酵是生物能源生产的重要 方式，如生物燃气、生物燃料等。
废物处理
厌氧发酵可用于处理城市固体废物、 农业废弃物等，实现废物资源化利 用。
有机废水处理
厌氧发酵也可用于有机废水处理， 降低污染负荷，同时产生能源。
厌氧发酵的优缺点
优点
厌氧发酵能够将有机废弃物转化 为有价值的能源和资源，减少环 境污染，同时为可再生能源生产 提供途径。
固体废物处理与处置(厌氧发酵)ppt课件
(4)有毒物质
①重金属离子对甲烷发酵的抑制－使酶发生变性或者 沉淀。与酶结合产生变性；与氢氧化物使酶沉淀。
②阴离子的毒害：主要是S2- ，来源：无机硫酸盐还 原；蛋白质分解释放出S2-。
③氨的毒害： [NH4+]>150mg/L ，发酵受抑制。
物质浓度
碱金属和碱土金属Ca2+ ， Mg2+ ，Na+ ，K+ 重金属Cu2+ ，Ni2+ ，Zn2+ ， Hg2+ ，Fe2+ H+和OH ―
n 原料的收集和预处理； n 接种物的选择和富集； n 沼气发酵装置形状选择； n 启动和日常运行管理； n 副产品沼渣和沼液的处置等技术措施。
1、传统沼气发酵工艺类型
(1)根据发酵温度分类 高温发酵：产气率高，但CH4比例低且不稳定； 中温发酵：产气率较高，能量回收较理想，应用普遍。太阳
能保温。
④甲烷化阶段：乙酸和H2 被甲烷细菌(乙酸分解甲
烷细菌和H2氧化甲烷细 菌)利用生成甲烷。
(四)、影响发酵的环境条件
(1)温度因素：随着温度升高有机物分解速度加快，产气量增大。 温度变化范围为(±1.5~2.0)℃。
①低温发酵：低于20℃ ，产气量低，受气候影响大，不加料情 况下35d。
②中温发酵： 37℃ ，产气量约1~1.3m3/(m3 ·d)；发酵时间20d ， 卫生化低。
n 浮沉式气罩由水封池和气罩两部 分组成。当沼气压力大于气罩重 量时，气罩便沿水池内壁的导向 轨道上升，直至平衡为止。当用 气时，罩内气压下降，气罩也随 之下沉。
n 特点： 将发酵间与贮气间分开， 具有压力低、发酵好、产气多等 优点。 顶浮罩式沼气贮气池造价 比较低，但气压不够稳定。侧浮 罩式沼气贮气池气压稳定，比较 适合发酵工艺的要求，但对材料 要求比较高，造价昂贵。
《厌氧生物处理》PPT课件 (2)讲解学习
铁呼吸
氧化还原电位
O2 H 2O NO3－ NO2－ N2 SO2-4 S2－ (HS－ 、H2S) S0 S2－
CO2、HCO3－ CH3COOCO2 、 HCO3－、 CH4
Fe3+ Fe2+
4、 厌氧生物处理原理 4.2 厌氧处理过程及微生物：
美国微生物学会采用Eh来厌氧和好氧过程: （1980年）：
CH3-COO-、 HCOO-、 CH3OH、 CH3-NH2-、 (CH3)2NH、(CH3)3-N、CO、 CO2、
(4)产甲烷菌的特殊酶系统：
CH3COOH
CO2
CH3OH
甲基辅酶 M 甲基还原酶（F420)
CH4
（5）氧化还原电位Eh： < -330 mv
（6）营养物质 氮源：利用氨态氮 生长因子：10种水溶性微生物 微量元素：Ni、Co、Fe
微生物氧化：
C5H7O2N + 5O2 → 5CO2- + 2H2O + NH3
113
160
O2/微生物 ＝ 160 / 113 = 1.42 （kg BODu /kg 微生物）
VCH4 ＝0.35（Q·Sr — 1.42ΔX）×10-3 (m3/d SPT)
甲烷氧化：
CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O
好氧： － 50～＋300mv 兼性厌氧：－420～＋300mv 专性厌氧：－420～－150mv
4.2 厌氧处理过程及微生物： 厌氧生物处理过程：
上世纪三十年代人们的认识：两阶段
4.2 厌氧处理过程及微生物： 厌氧生物处理过程：
上世纪七十年代人们的认识：三阶段
4.2 厌氧处理过程及微生物： 厌氧微生物：
《厌氧发酵原理》课件
04
CATALOGUE
厌氧发酵的工艺流程
预处理阶段
原料选择与处理
选择适合的有机废弃物作为原料，并进行破碎、筛分、混合等预处理，以提高原料的均 匀性和可生化性。
调节pH值
将原料的pH值调节至适宜的厌氧发酵范围，通常为6.5-8.0，以促进厌氧菌的生长和代 谢。
厌氧消化阶段
水解酸化
在厌氧条件下，有机物被厌氧菌分解为小分 子有机酸和醇类物质，同时产生氢气和二氧 化碳。
01
与水处理技术结合
将厌氧发酵与水处理技术相结合 ，实现废水的高效处理和资源化 利用。
02
与生物质转化技术 结合
将厌氧发酵与生物质转化技术相 结合，实现生物质的能源化利用 和高效转化。
03
与基因工程技术结 合
通过基因工程技术对微生物进行 改造和优化，提高厌氧发酵过程 的效率和稳定性。
厌氧发酵在可持续发展中的地位与作用
厌氧发酵可以用于生产生物质能源，如沼气。
有机废弃物处理
厌氧发酵可以用于处理有机废弃物，如畜禽粪便、城市垃圾等。
污水处理
厌氧发酵可以用于污水处理，如污泥处理和废水处理等。
02
CATALOGUE
厌氧发酵原理
厌氧发酵的微生物学原理
1
厌氧发酵是由厌氧微生物在缺氧或无氧环境下进 行的一种生物代谢过程。
2
厌氧微生物主要包括产甲烷菌、硫酸盐还原菌、 梭菌等，它们通过厌氧呼吸获取能量，将有机物 转化为甲烷和二氧化碳。
资源化利用
01
厌氧发酵可以将有机废弃物转化为生物气体（如沼气）和有机
肥料，实现废弃物的资源化利用。
减少温室气体排放
02
厌氧发酵可以减少有机废弃物在填埋或露天堆放过程中产生的
UNIT 2 厌氧发酵和氧化
厌氧发酵和氧化厌氧发酵和氧化过程主要被用来污泥处理（图2.1）和高强度有机污染物。
然而，稀释污水的应用也已被证明，并且越来越普遍。
由于低生物量产量和在形成甲烷过程中能量可以由有机物基质的生物转化恢复，使得厌氧发酵进程占有优势。
尽管很多的发酵进程在中温（30到35℃）进行，任然有越来越的人对单独高温发酵或预中温发酵感兴趣。
后者被定义为两相厌氧消化（TPAD），它被典型设定为先是污泥停留时间3到7天，温度50到60℃的高温相，最后是7到15天的中温相。
高温厌氧发酵消化进程被用来杀死病原菌以生产能够无线重复利用的A级生物固体。
在处理高强度工业污水时，由于在节约能量，增加营养物和反应器容量方面的原因，厌氧发酵展现出比好氧进程更高效的选择性。
由于出水水质不如好氧处理，厌氧处理通常作为污水进入市政收集系统前的预处理步骤，或者在好氧进程前面。
过程描述污水厌氧氧化涉及三个基础步骤：（i）水解，（ii）发酵（也被称为产酸），（iii）产甲烷。
三个步骤以图表的形式在图表2.2中阐述。
特殊应用的流程图起点取决于被处理污水的性质。
水解对于大多数发酵过程的第一步中，特殊物质被转化为可溶性化合物，然后被进一步水解为被细菌用来完成发酵的简单单体物质，这叫做水解。
对于一些工业污水。
发酵可能是厌氧过程的第一步。
发酵第二步是发酵（也叫产酸）。
在发酵过程中，氨基酸，糖类和脂肪酸被降解，如图2.2.有机基质同时充当电子供体和受体。
发酵的主要产物是醋酸盐，氢，二氧化碳，丙酸盐和丁酸盐。
丙酸盐和丁酸盐进一步发酵同样产生氢，二氧化碳和醋酸盐。
因此，发酵的最终产物（醋酸盐，氢，二氧化碳）是甲烷形成（产甲烷）的前提。
自由能的改变与丙酸盐和丁酸盐的转化有关，要求系统中氢在低浓度（H2<10-4atm）,否则反应无法进行。
产甲烷第三步，产甲烷，由一组统称为产甲烷菌的生物。
甲烷的产生包含两组产甲烷生物。
一组称为分解乙酸的产甲烷菌，能把醋酸盐分解为甲烷和二氧化碳。
厌氧生物处理的三阶段四阶段理论
厌氧生物处理的三阶段四阶段理论厌氧生物处理的三阶段四阶段理论厌氧生物处理的基本原理:厌氧生物处理（Anaerobic Process）是在厌氧条件下,形成了厌氧微生物所需要的营养条件和环境条件,通过厌氧菌和兼性菌代谢作用，对有机物进行生化降解的过程。
厌氧处理基本生物过程:厌氧生物处理在早期被称为厌氧消化或厌氧发酵，指的是在厌氧条件下，在多种微生物（厌氧微生物、兼性微生物）的作用下，将有机物转化为甲烷和二氧化碳的过程。
由此可见，厌氧处理过程中产生的是一种气体，主要成分是甲烷和二氧化碳，也就是我们常说的沼气。
厌氧生物处理的基本生物过程有一个很明显的特点，就是其具有阶段性，根据不同的依据，可以分为两阶段、三阶段甚至四阶段。
两阶段理论:该理论认为有机物在厌氧条件下首先进行酸性发酵阶段（产酸阶段），然后进行碱性发酵阶段（产气阶段）。
产酸阶段的主要微生物为发酵细菌或产酸细菌，这些微生物生长快，适应性很强，对环境条件不是非常敏感。
会将有机物进行水解和酸化，产生脂肪酸、醇类、二氧化碳和氢气。
产气阶段的主要微生物为产甲烷细菌，其生长非常缓慢，生长倍增时间会达到几天，而且对于环境条件的变化非常敏感。
会将产酸阶段产生的中间产物转化为甲烷和二氧化碳。
两阶段理论，虽然形象且直接的描述了厌氧生物处理的过程，但是有学者发现，产甲烷细菌只能利用一些简单的有机物（比如甲酸、乙酸、甲醇、甲基胺类等）来产生甲烷，并不能利用两个碳以上的脂肪酸（乙酸除外）和醇类（甲醇除外）直接作为它的底物（参与生化反应的物质称为底物）。
还有一种“奥式产甲烷菌”，其实是由两种细菌组合而成，其中一种细菌将乙醇氧化为乙酸和氢气，另一种细菌则利用氢气和环境中的二氧化碳来产生甲烷。
、所以说，两阶段理论是存在一定局限性的，因此1979年，Bryant又提出了“三阶段理论”。
三阶段理论:该理论认为，除了产酸细菌和产甲烷细菌之外，还存在第三种细菌，称为产氢产乙酸细菌，三阶段的过程如下图所示：厌氧生物处理三阶段理论过程图.分为水解、发酵阶段（Ⅰ），产氢产乙酸阶段（Ⅱ）和产甲烷阶段（Ⅲ）。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
厌氧发酵和氧化
厌氧发酵和氧化过程主要被用来污泥处理（图2.1）和高强度有机污染物。
然而，稀释污水的应用也已被证明，并且越来越普遍。
由于低生物量产量和在形成甲烷过程中能量可以由有机物基质的生物转化恢复，使得厌氧发酵进程占有优势。
尽管很多的发酵进程在中温（30到35℃）进行，任然有越来越的人对单独高温发酵或预中温发酵感兴趣。
后者被定义为两相厌氧消化（TPAD），它被典型设定为先是污泥停留时间3到7天，温度50到60℃的高温相，最后是7到15天的中温相。
高温厌氧发酵消化进程被用来杀死病原菌以生产能够无线重复利用的A级生物固体。
在处理高强度工业污水时，由于在节约能量，增加营养物和反应器容量方面的原因，厌氧发酵展现出比好氧进程更高效的选择性。
由于出水水质不如好氧处理，厌氧处理通常作为污水进入市政收集系统前的预处理步骤，或者在好氧进程前面。
过程描述
污水厌氧氧化涉及三个基础步骤：（i）水解，（ii）发酵（也被称为产酸），（iii）产甲烷。
三个步骤以图表的形式在图表2.2中阐述。
特殊应用的流程图起点取决于被处理污水的性质。
水解
对于大多数发酵过程的第一步中，特殊物质被转化为可溶性化合物，然后被进一步水解为被细菌用来完成发酵的简单单体物质，这叫做水解。
对于一些工业污水。
发酵可能是厌氧过程的第一步。
发酵
第二步是发酵（也叫产酸）。
在发酵过程中，氨基酸，糖类和脂肪酸被降解，如图2.2.有机基质同时充当电子供体和受体。
发酵的主要产物是醋酸盐，氢，二氧化碳，丙酸盐和丁酸盐。
丙酸盐和丁酸盐进一步发酵同样产生氢，二氧化碳和醋酸盐。
因此，发酵的最终产物（醋酸盐，氢，二氧化碳）是甲烷形成（产甲烷）的前提。
自由能的改变与丙酸盐和丁酸盐的转化有关，要求系统中氢在低浓度（H2<10-4atm）,否则反应无法进行。
产甲烷
第三步，产甲烷，由一组统称为产甲烷菌的生物。
甲烷的产生包含两组产甲烷生物。
一组称为分解乙酸的产甲烷菌，能把醋酸盐分解为甲烷和二氧化碳。
第二组称为利用氢的产甲烷菌，用氢作为电子供体，二氧化碳作为电子受体来生成甲烷。
厌氧过程中的细菌叫做产乙酸菌，同样能够利用二氧化碳来氧化氢并且形成乙酸。
然而，乙酸将被转化为甲烷，所以这个反应的影响是微小的。
如图表2.3所示，厌氧消化产生的甲烷中72%由醋酸盐形成。
微生物学
用来水解和发酵的不产甲烷微生物由兼性和专性厌氧菌组成。
厌氧消化分离的生物体包括……和大肠杆菌。
其他生理学上的种群目前包含这些生产的蛋白酶，脂类酶，尿素酶，或纤维素酶。
产甲烷的微生物被分类为古生菌，严格专性厌氧。
许多厌氧消化中的产甲烷菌类似于这些在反刍动物的胃或在湖河有机沉积物中发
现的菌类。
微生物的主要种类在中温环境被识别，包括杆菌和球菌。
甲烷八叠球菌和甲烷丝菌（也叫甲烷鬓菌）是仅有的能利用醋酸盐生产甲烷和二氧化碳的生物。
其他的以二氧化碳作为电子受体氧化氢来生产甲烷，而且利用醋酸盐的产甲烷菌也在高温反应器被发现。
一些甲烷八叠球菌在65℃下受抑制，一些不会。
但甲烷丝菌没有表现出受抑制现象。
对于利用氢的产甲烷菌在超过60℃的温度下，甲烷细菌属被发现非常丰富。
发酵中的共生关系
产甲烷菌和产醋酸菌形成共生关系（互利关系），在这个关系中产甲烷菌将发酵终产物如氢、甲酸盐和醋酸转化为甲烷和二氧化碳。
因为产甲烷菌能够维持更多氧化终产物（例如甲酸盐和醋酸）在超低的压强。
产醋酸菌和其他厌氧菌通过产甲烷菌对氢产物的利用称为种间氢传递。
事实上，产甲烷菌作为氢气的贮存罐让发酵反应进行。
如果进程发生混乱或者产甲烷菌对氢产物的利用不够快，丙酸盐和丁酸盐发酵会因为厌氧反应器中挥发性脂肪酸的积累而变慢，并且有可能降低pH。
不太好的生物体
厌氧操作中不太好的生物体是硫酸盐还原菌，当污水中硫酸盐的浓度较高时就会成为一个问题。
这些生物体能够将硫酸盐还原为硫化物，这在高浓度时对产甲烷菌有毒害作用。
硫化物出现高浓度的地方，一个解决的办法就是加定量的铁形成硫化亚铁沉淀。
细菌形态多种多样，但有相同特性，能利用硫酸盐作为电子受体，并且根据是否
可产生脂肪酸或利用醋酸盐而被分为两类。
第一类硫酸盐还原剂能利用多种系列有机化合物作为他们的电子供体，氧化它们为醋酸盐并且还原硫酸盐为硫化物。
在厌氧生化操作中发现一种常见种属是脱硫弧菌。
第二类硫酸盐还原剂氧化脂肪酸，尤其是醋酸盐来生成二氧化碳，同时还原硫酸盐为硫化物。
这类常见的细菌种属是脱硫酸菌。
厌氧发酵和氧化的化学计量
有限的基质被产甲烷生物利用，其反应被定义为二氧化碳和甲基类型的反应。
如下所示，分别包括氧化氢，甲酸，CO，甲醇，甲胺和醋酸盐。
分解乙酸的产甲烷菌的反应如方程式2.6所示，醋酸盐被分解形成甲烷和二氧化碳。
COD的平衡用来解释发酵中COD的变化。
不是用氢气解释COD 变化，而是用厌氧反应中生成甲烷来解释COD的减少。
与甲烷等价的COD可通过化学计量被确定。
甲烷的COD是将甲烷氧化为二氧化碳和水的需氧量。
综上所诉，每摩尔甲烷的COD是2，标准状况（0℃，1atm）下每摩尔甲烷的体积是22.414L，所以甲烷等价的COD转化为厌氧条件下是22.414/64=0.35LCH4/gCOD.。