厌氧生物学原理及厌氧生物处理技术103任南琪

HarbinInstituteofTechnology厌氧生物学原理及厌氧生物处理技术PrincipleofMicrobiologicalandTechnologyforAnaerobicTreatment任南琪[e-mail]ology什么是厌氧生物处理？传统的厌氧生物处理(anaerobictreatment)是利用厌氧微生物的代谢作用达到废水或污泥处理的目的，并获取沼气过程的统称。又称厌氧消化(anaerobicdigestion)现代厌氧生物处理具有更宽泛的含义，应是在无氧或缺氧条件下进行的生物代谢过程厌氧生物处理根据生物代谢过程主要分为以下方面产酸发酵过程硫酸盐还原过程反硝化与厌氧氨氧化过程产甲烷过程非产甲烷细菌产甲烷细菌HarbinInstituteofTechnology为什么要学习厌氧微生物学传统的厌氧生物处理方法需时长，受各种因素影响大，长久以来主要用于污水处理厂污泥的处理(污泥消化)；或在农村用于沼气发酵目前，各国认识到能源安全问题，节约能源和开发新能源是当代科学研究和生产的重大课题，特别是从废料中开发能源更引起人们的重视研究与实践不断深入，取得了突破性进展处理效率显著提高厌氧生物处理具有更广阔前景HarbinInstituteofTechnology城市水研究方向自来水厂达标排放水污水处理厂饮用水水源城市取水供水排水回用水资源能源污染物污染物污染物城市水社会循环HarbinInstituteofTechnology生物质(Biomass)生产生物能源H2CH4CH3CH2OHCH3(CH2)3OHBiodieselElectricityDark-ferment.BiomassWaterBiophotolysisPhoto-ferment.Hydrolyz.AcetateAcetatee-H+e-PSH2MECAnaerobicdigesterMFCHarbinInstituteofTechnology为什么要学习厌氧微生物学从厌氧生物处理技术和设备发展前景来看，进一步提高生物处理能力和稳定性的途径主要有以下几方面提高反应器中生物持有量。通过提高反应器中生物量，使之接近甚至超过好氧生物处理反应器的处理能力和效率利用厌氧生物处理中微生物种群的特点，实现相分离。厌氧处理中两类群细菌—产酸细菌与产甲烷细菌具有一定的协同作用，通过两类种群分别处于不同的反应器，各司其职，从而提高厌氧生物处理系统的降解速率和稳定性研制反应器使之形成特殊的水力流态，从而创造厌氧微生物的最适生态条件。研制不同的厌氧反应器，形成一定的水力流态，满足不同种群厌氧细菌的生态需求发现和制造新的厌氧微生物基本原理与分类BasicPrincipleandPopulationClassification《水质工程学》第15章厌氧生物处理HarbinInstituteofTechnology厌氧微生物代谢的基本原理复杂有机化合物（碳水化合物、蛋白质、脂类等）简单有机化合物（单糖和双糖、氨基酸、肽等）挥发性脂肪酸和醇（丙酸、丁酸、戊酸和乙醇等）H2+CO2乙酸CH4+CO25%20%10%35%13%17%72%28%(1)水解(2)产酸发酵(3)产氢产乙酸同型产乙酸(4)产甲烷产甲烷段产酸段代谢过程HydrolysisfermentationH2-producingacetogenesis,Homo-acetogenesisMethanogenesis菌群AcidogensMethanogens在工程应用中，两段说(Acidogenesis和Methanogenesis)得到了更多的关注和应用HarbinInstituteofTechnology产酸过程—水解阶段复杂的非溶解性的有机物质在产酸细菌胞外水解酶的作用下被转化为简单的溶解性单体或二聚体的过程难降解或高分子有机物的水解过程缓慢，限速步骤之一影响水解速度和程度的因素温度水力停留时间有机物的成分，如木质素、碳水化合物、蛋白质的质量分数有机质颗粒的大小pH值氨的浓度HarbinInstituteofTechnology产酸过程—发酵阶段产酸发酵细菌（acidogenicfermentationbacteria）将溶解性单体或二聚体有机物转化为以挥发性脂肪酸(VFA)和醇为主的末端产物。这一过程也称之为酸化产酸发酵细菌种类、数量众多，其中重要的类群有梭状芽孢杆菌属（Clostridium）和拟杆菌属（Bacteriodes）反应（pH=7，T=298.15K）Go'(kJ/mol)C6H12O6+4H2O+2NAD+→2CH3COO‾+2HCO3‾+2NADH+2H2+6H+–215.67C6H12O6+2NADH→2CH3CH2COO‾+2H2O+2NAD+–357.87C6H12O6+2H2O→CH3CH2CH2COO‾+2HCO3‾+2H2+3H+–261.46C6H12O6+2H2O+2NADH→2CH3CH2OH+2HCO3‾+2NAD++2H2–234.83C6H12O6→2CH3CHOHCOO‾+2H+–217.70产酸发酵细菌以葡萄糖为发酵底物的标准吉布斯自由能变化G=Go'+RTlnbadcBADC][][}[][HarbinInstituteofTechnology发酵过程伴随大量NADH产生；乙酸的产生伴随丙酸、丁酸或乙醇等产生，保证NADH/NAD+平衡产酸发酵细菌对碳水化合物的代谢途径2H22CH3(CH2)2COOHButyrateCarbohydrate2CH3COCOHPyruvate2CH3COSCoA2ATP2ADP2FdH22Fd2CO22NAD+2NADH+H+2NADH+H+2NAD+2ADP2ATP2CH3COOHAcetate2CH3CH2OHEthanol2CH3CH2COOHPropionate2CH3CHOHCOOHLactateC6H12O64NAD+4NADH+H+2NAD+2NADH+H+ATP2ATPADP2ADP4NAD+4NADH+H+2CO2C6H12O62H2N.Ren,B.Wang,J.C.Huang.1997,Biotech.&Bioeng.,54(5):428产酸过程—发酵阶段发酵fermentationHarbinInstituteofTechnology丁酸缺乏对NADH的再生。细胞合成速率快时部分NADH(或NADPH)可被迅速利用，亦可呈现较稳定的丁酸发酵丙酸发酵或乙醇发酵可使NADH/NAD+平衡2H22CH3(CH2)2COOHButyrateCarbohydrate2CH3COCOHPyruvate2CH3COSCoA2ATP2ADP2FdH22Fd2CO22NAD+2NADH+H+2NADH+H+2NAD+2ADP2ATP2CH3COOHAcetate2CH3CH2OHEthanol2CH3CH2COOHPropionate2CH3CHOHCOOHLactateC6H12O64NAD+4NADH+H+2NAD+2NADH+H+ATP2ATPADP2ADP4NAD+4NADH+H+2CO2C6H12O62H2N.Ren,B.Wang,J.C.Huang.1997,Biotech.&Bioeng.,54(5):428由于微生物种类不同，导致微生物产生不同的发酵类型与途径，即形成多种特定的未端产物影响末端产物组成的因素：产能过程、NADH/NAD+的氧化还原耦联过程、发酵产物的酸性末端数产酸过程—发酵阶段HarbinInstituteofTechnology产酸过程—发酵阶段发酵类型主要末端产物典型微生物丁酸发酵(ButyrateFermentation)丁酸、乙酸、H2+CO2梭状芽孢杆菌属(Clostridiumsp.)丁酸梭菌(C.butyricum)丁酸弧菌属(Butyriolbrio)丙酸发酵(PropionateFermentation)丙酸、乙酸、CO2丙酸菌属(Propionibacterium)费氏球菌属(Veillonella)混合酸发酵(Mixed-acidFermentation)乳酸、乙酸、乙醇、甲酸、CO2+H2埃希氏杆菌属(Escherichia)变形杆菌属(Proteus)志贺氏菌属(Shigella)沙门氏菌属(Salmonella)乳酸发酵(同型)(LactateFermentation)乳酸乳杆菌属(Lactobacillus)链球菌属(Streptococcus)乳酸发酵(异型)(LactateFermentation)乳酸、乙醇、CO2明串珠菌属(Leuconostoc)肠膜状明串珠菌(L.mesenteroides)葡聚糖明串珠菌(L.dextranicum)乙醇发酵(EthanolFermentation)乙醇、CO2酵母菌属(Saccharomyces)运动发酵单孢菌属(Zymomonas)产酸发酵细菌纯培养的发酵类型HarbinInstituteofTechnology在废水厌氧生物处理中，反应系统的厌氧细菌属混合培养，常见的有三种产酸发酵类型丁酸型发酵(butyrate-typefermentation)(Cohen等,1984)丁酸、乙酸、H2、CO2丙酸型发酵(propionate-typefermentation)(Cohen等,1984)丙酸、乙酸、少量丁酸、少量CO2乙醇型发酵(ethanol-typefermentation)(任南琪等,1994）乙醇、乙酸、大量H2、CO2有时也出现称作混合酸型发酵的类型乙醇、乙酸、丙酸、丁酸、CO2、少量H2产酸过程—产酸发酵阶段HarbinInstituteofTechnology产酸过程—产氢产乙酸阶段产氢产乙酸菌(H2-producingacetogens)将发酵阶段2C以上的有机酸（除乙酸）和醇转化为乙酸、H2、CO2的过程在标准条件下，乙醇、丁酸和丙酸的产氢产乙酸过程不能自发进行，但氢分压降低有利于产物产生同型产乙酸细菌对几种有机酸和醇代谢的标准吉布斯自由能变化反应(pH=7，T=298.15K)Go'(kJ/mol)CH3CH2OH+H2O→CH3COO‾+H++2H2+9.6CH3CH2COO‾+3H2O→CH3COO‾+HCO3‾+H++3H2+76.1CH3CH2CH2COO‾+2H2O→2CH3COO‾+H++2H2+48.1CH3CHOHCOO‾+2H2O→CH3COO‾+HCO3‾+H++2H2–4.2HarbinInstituteofTechnology产酸过程—产氢产乙酸阶段有少量的产氢产乙酸细菌可以利用H2+CO2或甲醇作为底物形成乙酸，此类细菌称为同型产乙酸细菌(homo-acetogenicbacteria)。例如Clostridiumaceticum和Acetobacteriumwoodii研究结果表明，产氢产乙酸速率顺序：乙醇＞乳酸＞丁酸＞丙酸反应（pH=7，T=298.15K）Go'(kJ/mol)CH3OH+HCO3‾+H2→CH3COO‾+2H2O–2.92HCO3‾+4H2+H+→CH3COO‾+4H2O–70.3同型产乙酸细菌的标准吉布斯自由能变化