厌氧生物处理中优势菌群的演替及相互关系

2023-06-19 理论教育版权反馈

【摘要】：在厌氧生物处理中，存在着种类繁多、关系非常复杂的微生物区系。厌氧生物处理过程实际上是这些微生物所进行的一系列生物化学的偶联反应，而产甲烷细菌则是厌氧生物链上的最后一个成员。以上第一种关系最为重要，在厌氧处理系统中，产酸细菌和产甲烷细菌相互依赖，互为对方创造良好的环境和条件，构成互生关系。同时，双方又互为制约，在厌氧生物处理系统中处于平衡状态。

在厌氧生物处理中，存在着种类繁多、关系非常复杂的微生物区系。甲烷的产生是这个微生物区系中各种微生物相互平衡、协同作用的结果。厌氧生物处理过程实际上是这些微生物所进行的一系列生物化学的偶联反应，而产甲烷细菌则是厌氧生物链上的最后一个成员。在厌氧生物处理系统中（如在厌氧反应器中），由于内部各区域生态环境的差异，造成产酸细菌（产酸发酵细菌AFB、产氢产乙酸细菌HPA、同型产乙酸细菌HOMA）、产甲烷细菌（氧化氢产甲烷细菌HOM、氧化氢利用乙酸产甲烷细菌HOAM、非氧化氢利用乙酸产甲烷细菌NHOAM）中各类群细菌有规律地出现演替。在推流式反应器中，优势种群沿水流方向的典型演替规律如下所示：

通过各种群间相互利用、相互制约，构成一个稳定的生态系统，保证生物代谢过程正常进行。当这一演替规律被破坏，往往会影响代谢平衡，甚至导致整个处理系统的运行失败。对于厌氧颗粒污泥，其自身构成微小的生态系统，其内外层细菌种类依颗粒所处反应器的空间位置和代谢进程将有所不同，并遵循以上演替规律。因此，以上演替规律对于科学研究和反应器开发具有一定的指导意义。

厌氧微生物的相互关系包括：产酸细菌与产甲烷细菌之间的相互关系；产酸细菌之间的相互关系；产甲烷细菌之间的相互关系。以上第一种关系最为重要，在厌氧处理系统中，产酸细菌和产甲烷细菌相互依赖，互为对方创造良好的环境和条件，构成互生关系。同时，双方又互为制约，在厌氧生物处理系统中处于平衡状态。

1.产酸细菌为产甲烷细菌提供生长繁殖的底物

产酸细菌中的发酵细菌可把各种复杂的有机物，如高分子的碳水化合物、脂肪、蛋白质等进行发酵，生成H2、CO2、NH3、VFA（挥发性有机酸），丙酸、丁酸、乙醇等又可被产氢产乙酸细菌转化生成H2、CO2和乙酸。这样，产酸细菌通过生命活动，为产甲烷细菌提供了生长和代谢所需要的碳源和能源。

2.产酸细菌为产甲烷细菌创造了适宜的氧化还原电位

在厌氧反应器运转过程中，由于进水过程难免使空气进入装置，有时液体原料里也含有微量溶解氧，这显然对产甲烷细菌是有害的。氧的去除可依赖产酸细菌类群中那些兼性厌氧或兼性好氧微生物的活动，将氧消耗掉，从而降低反应器中氧化还原电位。

在厌氧装置中的各种厌氧性微生物，如纤维素分解菌、硫酸盐还原菌、硝酸盐还原菌等，对氧化还原电位适应性各不相同。通过这些微生物有序地生长和代谢活动，反应液的氧化还原电位逐渐下降，最终为产甲烷细菌的生长创造适宜的氧化还原电位条件。

3.产酸细菌为产甲烷细菌清除了有毒物质

以工业废水或废弃物为发酵原料时，可能含有酚、氰、苯甲酸、长链脂肪酸和重金属离子等，这些物质对产甲烷细菌有毒害作用。但产酸细菌中有许多种类能裂解苯环，有些菌还能以氰化物作为碳源和能源，这些作用不仅解除了它们对产甲烷细菌的毒害，而且同时给产甲烷细菌提供了底物。此外，产酸细菌的代谢产物硫化氢，可以和一些重金属离子作用，生成不溶性的金属硫化物沉淀，从而解除了一些重金属的毒害作用。但反应系统内的H2S浓度不能过高，否则亦会毒害产甲烷细菌。

4.产甲烷细菌为产酸细菌的生化反应解除了反馈抑制

产酸细菌的发酵产物可以抑制其本身的生命活动。在正常厌氧反应器中，产甲烷细菌能连续利用由产酸细菌产生的氢、乙酸、二氧化碳等生成CH4，不会由于氢和酸的积累而产生反馈抑制作用，使产酸细菌的代谢能够止常进行。

5.产酸细菌和产甲烷细菌共同维持环境中的适宜pH值

在厌氧代谢初期，产酸细菌首先降解废水中的有机物质，产生大量的有机酸和碳酸盐，使发酵液中pH值明显下降。同时产酸细菌类群中还有一类氨化细菌，能迅速分解蛋白质产生氨。氨可和部分酸，起到一定的缓冲作用。另一方面，产甲烷细菌可利用乙酸、氢和CO2形成甲烷，从而避免乙的积累，使pH值稳定在一个适宜的范围，不会使发酵液pH依达到对产甲烷过程不利的程度。但如果发酵条件控制不当，如进水负荷过高、C：N失调。则可造成pH值过低或过高，前者较为多见，称为酸化。这将严重影响产甲烷细菌的代谢活动，甚至使产二甲烷作用中断。

厌氧生物处理中优势菌群的演替及相互关系

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