厌氧发酵过程三阶段理论之欧阳家百创编
厌氧发酵过程三阶段理论
厌氧发酵过程三阶段理论厌氧发酵是一种在无氧条件下，微生物在缺氧状态下将有机物转化为产气和发酵产物的过程。
整个发酵过程可以分为三个阶段：生长阶段、代谢阶段和平衡阶段。
下面将详细介绍每个阶段的理论。
在生长阶段，微生物的数量迅速增加，达到一定的阈值。
此时，微生物开始与其他微生物产生竞争，如气溶胶传播，用于抑制其他菌株的生长。
此外，微生物也会释放一些抑制物质，以保持自己的生长优势。
这一阶段的持续时间通常取决于微生物的种类、环境条件和营养物质的丰富程度。
第二个阶段是代谢阶段。
在这一阶段，微生物代谢速率开始下降。
这是因为在缺氧条件下，一些代谢产物对微生物产生了抑制作用，使其无法继续进行正常的代谢活动。
这些代谢产物可以是有毒物质，如氨、硫化物或酚类物质。
微生物需要消耗更多的能量来对抗这些有害物质，并继续满足自身的生长需求。
代谢阶段还涉及微生物之间的相互作用。
一些微生物可以通过与其他微生物形成共生关系来提高自身的代谢能力。
例如，甲烷菌可以与醋酸菌相互作用，前者将对环境有害的醋酸转化为甲烷气体，并从中获得能量。
这种共生关系对延长代谢阶段和提高发酵效率至关重要。
第三个阶段是平衡阶段。
在这一阶段，微生物数量相对稳定，代谢速率和产气量趋于平衡。
由于缺氧条件下没有新的氧气或有机物质输入，微生物开始消耗自身储存的有机物和能量来维持自身的代谢活动。
在这一阶段，微生物的生长速率较低，但仍能维持相对稳定的生态平衡。
总的来说，厌氧发酵过程可以分为生长阶段、代谢阶段和平衡阶段。
在生长阶段，微生物数量迅速增加，利用有机物产生能量和产气。
在代谢阶段，微生物的数量趋于稳定，但代谢速率下降，并与其他微生物形成共生关系。
最后，在平衡阶段，微生物数量和代谢速率都趋于稳定，微生物消耗自身储存的有机物和能量来维持生态平衡。
这一阶段的长短取决于微生物的种类、环境条件和营养物质的供应。
总结起来，理解厌氧发酵过程的三个阶段对于预测和控制发酵过程的效率至关重要。
厌氧过程的三个阶段
厌氧过程的三个阶段
厌氧过程是指在缺氧或氧气供应不足的条件下进行的代谢过程。
这种
过程通常发生在一些微生物或一些细胞器中。
厌氧过程可以分为三个阶段：酵解、酸化和发酵。
下面将对这三个阶段进行详细介绍。
酵解是厌氧过程的第一个阶段。
在酵解过程中，有机物质（如葡萄糖）被部分降解生成乳酸或乙醇，同时释放出少量的能量。
这个过程通常发生
在一些细胞器或无线细菌中。
酵解一般分为两种类型：乳酸酵解和乙醇酵解。
乳酸酵解是指有机物质在缺氧条件下被转化为乳酸的过程。
这个过程
通常发生在一些乳酸菌或肌肉细胞中。
在乳酸酵解过程中，葡萄糖被分解
成乳酸，并且生成的乳酸会积累在细胞中，导致肌肉疲劳。
乳酸酵解的产
物乳酸可以进一步被氧化为乳酸酸化，产生更多的能量。
酸化是厌氧过程的第二个阶段。
在酸化过程中，乳酸或乙醇被进一步
分解，产生更多的能量和其他代谢产物。
酸化过程通常发生在一些厌氧菌
或其他微生物中。
在酸化过程中，乳酸或乙醇会被氧化成醋酸、丙酮酸或
其他有机酸。
这些有机酸可以进一步被微生物利用，产生更多的能量。
同时，酸化过程还会产生一些废物，如二氧化碳和甲烷。
厌氧发酵的原理
厌氧发酵的原理
厌氧发酵是一种在缺氧条件下进行的生物过程，其原理是微生物在缺氧环境下，利用有机物质进行能量代谢和产生有用化合物的过程。
厌氧发酵可以在无氧或低氧条件下进行，其中微生物利用有机物质作为底物，通过代谢途径将其转化为所需的产物。
厌氧发酵的原理涉及以下主要过程：
1. 无氧条件：厌氧发酵是在缺氧环境下进行的，即没有游离氧气存在。
这是与其他类型的发酵过程（如乳酸发酵和酒精发酵）的主要区别之一。
2. 底物降解：在厌氧发酵中，微生物利用有机物质作为底物进行降解。
底物可以是多种有机物质，如葡萄糖、乳酸、酒精等。
微生物通过代谢途径将底物转化为能量和产物。
3. 能量产生：微生物通过底物降解产生能量。
在没有氧气的情况下，微生物采用其他能量产生途径，如乳酸发酵产生酸和少量ATP，或者通过产生氢气、甲烷等气体来释放能量。
4. 产物生成：厌氧发酵产生的产物取决于微生物的种类和底物的类型。
常见的产物包括乳酸、酒精、氮气、二氧化碳、甲烷等。
这些产物在农业、食品工业、能源等领域具有重要的应用价值。
总的来说，厌氧发酵是一种在无氧或低氧条件下微生物利用有
机底物进行代谢和能量转化的过程。
通过这种发酵过程，可以产生有用的产物，并且在一些特殊的环境条件下具有重要的应用价值。
-固体废物的厌氧发酵系统
固体废物的厌氧发酵系统一、厌氧发酵处理的定义是指在厌氧状态下利用厌氧微生物使固体废物中的有机物转化为CH 4和CO 2、或者稳定的有机物的过程，也成甲烷发酵或者沼气发酵。
二、厌氧发酵的三种阶段理论1、两阶段理论将厌氧发酵分为酸性发酵和碱性发酵两个阶段，相应起作用的微生物分为产酸细菌和产甲烷细菌。
2、三阶段理论1979年由布赖恩提出，将厌氧发酵依次分为水解、产酸、产甲烷三个阶段。
起作用的细菌分别称为发酵细菌、醋酸分解菌、甲烷细菌。
3、四阶段理论①水解阶段：复杂有机物(纤维素、淀粉、蛋白质、脂肪)被发酵细菌分泌的水解酶（胞外酶）(纤维素酶、纤维二糖酶、淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶)分解为水溶性简单化合物。
限制整个过程速度。
②发酵酸化阶段：发酵细菌对水解产物进行胞内代谢，主要产生有机酸和醇类（丙酸、丁酸、琥珀酸、乙酸和乳酸），还有CO 2、NH 3、H 2S、H 2。
③产氢产乙酸阶段(厌氧氧化阶段)：专性厌氧的产氢产乙酸细菌将上阶段产生的有机酸和醇类生成乙酸、H 2、CO 2；同型乙酸细菌将H 2和CO 2合成乙酸。
④甲烷化阶段：乙酸和H 2被甲烷细菌(乙酸分解甲烷细菌和H 2氧化甲烷细菌)利用生成甲烷。
三、厌氧发酵的有机物分解代谢过程1、碳水化合物的分解代谢：一般的碳水化合物包括纤维素、半纤维素、木质素、糖类、淀粉和果胶质等。
①纤维素的分解：纤维素酶可以把纤维素水解成葡萄糖，反应式为：(C 6H 10O 5)n(纤维素)+n H 2O =nC 6H 12O 6(葡萄糖)葡萄糖经细菌的作用继续降解成丁酸、乙酸，最后生成甲烷和二氧化碳等气体。
总的产气过程可用下述的综合表达式表达：C 6H 12O 6=3CH 4+3CO 2②糖类的分解：先由多糖分解为单糖，然后是葡萄糖的酵解过程，与上述相同。
2、类脂化合物的分解代谢类脂化合物（脂肪、磷脂、游离脂肪酸、蜡酯、油脂），含量很低。
主要水解产物是脂肪酸和甘油。
甘油转变为磷酸甘油脂，进而生成丙酮酸。
厌氧三阶段理论
厌氧三阶段理论一、厌氧三阶段理论的提出者是：美国的微生物学家莫里斯一、厌氧三阶段理论的提出者是：美国的微生物学家莫里斯。
富兰克林。
巴斯德（ 1822年— 1895年）是第一个成功地从酿酒酵母菌培养液中分离纯化出这种细菌的科学家。
由于这一重大发现，他被授予英国皇家学会金质奖章。
巴斯德通过对巴氏杀菌的研究表明，如果不破坏发酵细菌赖以生存的环境条件而仅仅依靠降低温度来抑制其活动，并非能取得良好效果。
二、其内容是：细菌在自然界广泛存在。
无论是好氧性的还是厌氧性的细菌，都可用此法从其培养液中分离纯化。
即把含有不同数量的活菌、乳酸杆菌或枯草杆菌的培养液加热至某一温度（最高80 ℃，最低10 ℃）时，这些细菌就会迅速死亡，且各自占据一定的温度区间。
因为这三类细菌对热的耐受力相差很大，所以其最高致死温度也不同。
再把它们混合到一起进行培养，只需一天左右，就会从中分离出不同的细菌群体，从而将各自占据不同温度区间的细菌区分开来。
在每一个大温度范围内，细菌群体总是占据着大约五种不同的比例，形成不同的阶梯。
这五种比例，分别称为死亡率、指数、预期死亡率、平均死亡率和生长率。
其中死亡率最低，生长率[gPARAGRAPH3]的产量最高，指数表示生长最快。
因此在每一个小温度范围内，细菌群体总是占据着大约五种不同的比例，形成不同的阶梯。
三、巴斯德实验时用于减缓细菌生长速度的方法叫做“间歇低温培养”。
用此法制备的培养基的保藏效果优于其他培养基，因为乳酸菌在这种培养基中生长迅速，繁殖旺盛，可作为食品添加剂。
而经过上述方法从一种细菌中培养出另一种细菌的方法，叫做“连续低温培养”。
连续培养可在含氧量较高的环境下进行。
所以这种方法可以省去从上一代传递给下一代时的厌氧阶段，从而缩短了发酵周期，使细菌从接种到灭菌的时间减少了一半，缩短了产品的货架期，增加了产品的市场竞争能力。
四、厌氧发酵（ anaerobic fermentation），又称生物转化或生物合成，是一种化学过程。
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）。
第三章 厌氧生物处理技术
2、产氢产乙酸细菌 研究所发现的产氢产乙酸细菌包括互营 单胞菌属、互营杆菌属、梭菌属和暗杆菌属 等。 这类细菌能把各种挥发性脂肪酸降解为 乙酸和H2。 只有在乙酸浓度低、液体中氢分压也很 低时才能完成。
3、产甲烷细菌 产甲烷菌大致可分为两类： 一类主要利 用乙酸产生甲烷，另一类数量较少，利用氢 和CO2的合成生成甲烷。也有极少量细菌， 既能利用乙酸，也能利用氢。 以下是两个典型的产甲烷反应：
三、厌氧处理的影响因子
pH6.8～7.2 温度（中温35℃、高温55 ℃ ） 营养盐 毒物—高浓度的离子以及其他有机毒物 氧浓度（厌氧菌的生活环境） 氧化还原电位 食料微生物比
温度因素
温度与有机物负荷、产气量关系见图1
消化温度与消化时间的关系见图2 厌氧消化中的微生物对温度的变化非常敏感，
对厌氧消化具有抑制作用的物质
对厌氧消化具有抑制作用的物质
抑制物质
挥发性脂肪酸
浓度/(mg/L)
>2000
抑制物质
Na
浓度/(mg/L)
3500～5500
氨氮
溶解性硫化物 Ca Mg
1500～3000
>200 2500～4500 1000～1500
Fe
Cr6+ Cr3+ Cd
1710
3 500 150
有毒物质
挥发性脂肪酸（VFA）是消化原料酸性消化的产物，同 时也是甲烷菌的生长代谢的基质。一定的挥发性脂肪酸浓度 是保证系统正常运行的必要条件，但过高的VFA会抑制甲烷 菌的生长，从而破坏消化过程。 有许多化学物质能抑制厌氧消化过程中微生物的生命活 动，这类物质被称为抑制剂。抑制剂的种类也很多，包括部 分气态物质、重金属离子、酸类、醇类、苯、氰化物及去垢 剂等。
厌氧发酵过程三阶段理论
厌氧发酵过程三阶段理论：一、有机物水解与发酵细菌作用下,使碳水化合物、蛋白质与脂肪转化为单糖氨基酸、脂肪酸、甘油、CO2、Ｈ等二、把第一阶段产物转化为H、CＯ２与CＨ3ＣOＯH三、通过两组生理物质上不同产CＨ4菌作用，将H与CO2转化为ＣH４，对CH3脱羧产生CH４。
厌氧消化原理:有机物厌氧消化过程主要包括产酸与产甲烷两个阶段。
而对于不溶性有机物（有机垃圾),一般可认为在上述两个阶段之前多一个“水解阶段”,水解阶段起作用得细菌包括纤维素分解菌、脂肪分解菌与蛋白质水解菌; 在水解酶作用下，转化产生单糖、酞与氨基酸、脂肪酸与甘油。
产酸阶段起作用细菌就是发酵性细菌,产氢产乙酸与耗氢产乙酸菌在胞内酶作用下,转化产生挥发性脂肪酸、醇类、氢与二氧化碳;产甲烷阶段就是产甲烷菌利用H2、ＣO2、乙酸、甲醇等化合物为基质，将其转化成甲烷,其中Ｈ２、CO2与乙酸就是主要基质。
名词：VFA： Vｏlatｉle ａcid 挥发酸COD: Chemical oxygen ｄemand 化学需氧量BOD: Bｉochemｉcal oxygeｎ demand 生物需氧量ＴＯD: Tｏtal oxｙｇen deｍand 总需氧量TOＣ： Tａbｌｅｏｆ contenｔ总有机碳TＳ: Tｏtaｌｓoliｄ总固体SS: Susｐend solid 悬浮固体VS: Volaｔile ｓoliｄ挥发固体HRＴ: 水利滞留时间=消化器有效容积/每天进料量ＳRＴ：污泥停留时间:单位生物量在处理系统中得平均停留时间SVＴ: 污泥体积系数:单位体积水样在静置30miｎ后,污泥体积数MRT: 微生物滞留时间PFR：塞流式反应器(Plug flow reactor)高浓度悬浮固体发酵原料一段进入,从另一段排除。
ＵSR:生流式固体反应器（Upｆlｏw soｌid reactoｒ)原料从底部进入消化器,上清从消化器上部溢出UASB:生流式厌氧污泥床(Ｕpfloｗanaｅroｂｉc slｕdge bed)自下而上流动污水通过膨胀得颗粒状污泥床消化分解,消化器分为污泥床、污泥层与三相分离器。
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厌氧发酵过程三阶段理论：
欧阳家百（2021.03.07）
一、有机物水解和发酵细菌作用下，使碳水化合物、蛋白质与脂
肪转化为单糖氨基酸、脂肪酸、甘油、CO2、H等
二、把第一阶段产物转化为H、CO2和CH3COOH
三、通过两组生理物质上不同产CH4菌作用，将H和CO2转化为
CH4，对CH3脱羧产生CH4。
厌氧消化原理：有机物厌氧消化过程主要包括产酸和产甲烷两个阶段。
而对于不溶性有机物（有机垃圾），一般可认为在上述两个阶段之前多一个“水解
阶段”，水解阶段起作用的细菌包括纤维素分解菌、脂肪分解菌和蛋白质水解菌；
在水解酶作用下，转化产生单糖、酞和氨基酸、脂肪酸和甘油。
产酸阶段起作用
细菌是发酵性细菌，产氢产乙酸和耗氢产乙酸菌在胞内酶作用下，转化产生挥发
性脂肪酸、醇类、氢和二氧化碳；产甲烷阶段是产甲烷菌利用H2、CO2、乙酸、
甲醇等化合物为基质，将其转化成甲烷，其中H2、CO2和乙酸是主要基质。
名词：
VFA: Volatileacid 挥发酸
COD: Chemical oxygen demand 化学需氧量
BOD: Biochemical oxygen demand 生物需氧量
TOD: Total oxygen demand 总需氧量
TOC: Table of content 总有机碳
TS: Total solid 总固体
SS: Suspend solid 悬浮固体
VS: Volatile solid 挥发固体
HRT: 水利滞留时间=消化器有效容积/每天进料量
SRT: 污泥停留时间：单位生物量在处理系统中的平均停留时间 SVT: 污泥体积系数：单位体积水样在静置30min后，污泥体积数
MRT: 微生物滞留时间
PFR:塞流式反应器（Plug flow reactor）高浓度悬浮固体发酵原料一段进
入，从另一段排除。
USR:生流式固体反应器（Upflow solid reactor）原料从底部进入消化器，
上清从消化器上部溢出
UASB:生流式厌氧污泥床（Upflow anaerobic sludge bed）自下而上流动污
水通过膨胀的颗粒状污泥床消化分解，消化器分为污泥床、污泥层和三相分离器。
UBF：污泥床过滤器。
将UASB和厌氧过滤器结合为一体的厌氧
消化器，下部
为污泥床，上部设置纤维填料。
EGSB:膨胀颗粒污泥床（Expanded granular sludge bed）与UASB 反应器有
相似之处，可分为进水配水系统、反应区、三相分离区和出水渠系统，EGSB没
有专门的出水回流系统。
ABR:厌氧折板反应器（Anaerobic baffled reactor）
SBR:间歇曝气方式运行活性污泥水处理技术，又称序批式活性污泥发
（Sequencing batch reactor actirated sludge process）
USSB:(Upflow staged sludge bed)
ASBR(Anaerobic sequencing batchreat):厌氧序批式活性污泥法，一种以序
批间歇运行操作为主要特征的废水厌氧生物处理工艺，一个完整运行周期分为进
水、反应、沉降、排水期。
反应器内部静态沉淀，无需另设澄清设备，不需要污
泥和出水回流及配水系统，需搅拌设备和滗水器。
厌氧发酵影响因素：
1、预处理：水热、冰冻/解冻
2、添加剂投加：Fe、Co、Ni、Na+
3、消化液回流：调节VFA浓度
4、工艺优化
5、物粉组成
6、PH值：VFA作为回续产甲烷，过程中产氢产乙酸菌和产甲
烷菌可直接利
用的基质，而乳酸使PH值急剧下降，不利于产氢产乙酸工程的正常进行。
7、颗粒粒度
8、抑制物控制：NH4+、H2S、金属离子、有机物浓度。
厌氧消化器启动：从向沼气池内投入发酵原料和接种物起，到沼气能正常稳定产生沼气为止，这一过程成为沼气池的发酵启动。
1、优质、充足的原料并做堆沤处理，切忌用鸡粪和人粪（含
N量过高）
2、添加质优量足的接种物（10%~30%）
3、加入温度较高的水
4、低浓度启动（TS6%~8%,避免启动时有机负荷过高）
5、调节好酸碱度（PH值6.5~7.5）
6、密封活动盖
7、防气试火（测量CH4含量）
启动过程：
1、固态污泥应融化，去除杂质
2、接种污泥量充足
3、以批量发启为宜
4、逐步升温
5、开始阶段有机负荷不宜太高，0.5~1.5kgcod/m3.d为宜
6、当料液COD去除达80%，可提高负荷
7、对UASB类上流式反应器，生流速度以0.25~1.0m/h,以促进污泥颗粒化
8、启动时应将系统中空气置换出去。