厌氧发酵的理论和应用
时间：2025-12-09 10:45:05
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厌氧发酵(Anaerobic Digestion, AD)，也被称作沼气发酵、厌氧消化或甲烷发酵，通常是指有机物质在一定的水分、温度和严格厌氧条件下，通过各类微生物的协同作用与分解代谢，最终形成甲烷和二氧化碳等可燃性混合气体(沼气)及其他产物的复杂生物化学过程。这一过程在自然界中普遍存在，如沼泽、反刍动物瘤胃等环境中自然发生，同时也被广泛应用于有机废弃物处理、能源生产和食品加工等诸多领域。从技术定位上看，厌氧发酵属于“微生物驱动的封闭式生化反应系统”，在现代可持续资源循环体系中扮演着重要角色。它实现了“有机质生物降解 — 能源再生 一 土壤改良”三位一体的综合效益，是处理有机废弃物的同时获取可再生能源的典范技术。
一、厌氧发酵理论
从历史发展角度，厌氧发酵理论经历了从宏观现象描述到微观机制阐明的漫长过程。20世纪初，研究者初步认识到有机物在厌氧条件下会分解产生可燃气体（一阶段理论）；30-60年代，“两阶段理论”成为主流解释框架；随着科学家对微生物代谢路径的深入研究发现，更为精细的“三阶段理论”和“四阶段理论”相继提出，使这一“黑箱过程”逐渐变得清晰可控 。
1 早期一阶段理论
早期一阶段理论认为有机物经甲烷细菌分解而直接产生甲烷与二氧化碳。在分解过程中，厌氧微生物获得能量和物质，以满足自身生长和繁殖，同时大部分物质转化为沼气（甲烷与二氧化碳），其中有机物约90%转化为沼气，而10%用于微生物自身的代谢。
对复杂有机物的发酵产甲烷过程，后期研究认为厌氧消化过程分为两个阶段——酸性发酵和碱性发酵阶段，其中：酸性发酵──产酸菌利用胞外酶将复杂的大分子水解成小分子，并进一步转化为有机酸。此阶段也称产酸阶段。碱性发酵──甲烷细菌利用上阶段产生的有机酸为底物，生成甲烷(CH4)和二氧化碳(CO2)。此阶段又称为产气阶段。
第一阶段：水解阶段，这个阶段，兼性和部分转性厌氧细菌发挥作用，复杂的大分子有机物被胞外酶水解成为小分子的溶解性有机物，如单糖，氨基酸与脂肪酸等。水解阶段涉及微生物群落：Clostridium（梭菌属）Bacteroides（拟杆菌属）Butyrivibrio（丁酸弧菌属）Eubacterium（优杆菌属）Bifidobacterium（双歧杆菌属）Streptococcus（链球菌属）以及一些肠道菌首先，溶解性有机物由兼性或专性厌氧细菌经发酵作用转化为有机酸、醇、醛、CO2和H2。其次，专性厌氧的产氢产乙酸细菌将上阶段的产物（有机酸、醇、醛）进一步利用，生成乙酸和H2、CO2；同时同型产乙酸细菌将H2和CO2合成乙酸，有时也将乙酸分解成H2和CO2。故这个阶段也可分细分为酸化阶段与产乙酸阶段两个阶段。产氢产乙酸菌：产氢产乙酸细菌是厌氧消化过程中一组重要的微生物类群, 它参与丙酸, 丁酸等中间的代谢产物的降解生成乙酸、氢气和二氧化碳。
同型产乙酸菌：这是一类既能自养生活能异养生活的混合营养型细菌。它们既能利用H2+CO2生成乙酸 ，也能代谢产生乙酸 。
产甲烷菌（最严格的专性厌氧菌）利用乙酸、氢气和一碳化合物（二氧化碳、一氧化碳、甲醇、甲酸、甲基胺）产生甲烷。
由乙酸或乙酸化合物产生甲烷反应为：
在沼气形成的过程中，大概有30%左右的甲烷来自于氢气的氧化和二氧化碳的还原，另外有70%左右来自于乙酸（乙酸盐）。
- 产甲烷菌为产酸菌清除代谢物质。产酸菌与产甲烷菌共同维持发酵环境的酸碱度。
四阶段理论就是把三阶段理论中的二阶段划分为酸化和产乙酸阶段。如下图所示。
1、按照发酵温度分，厌氧发酵分为常温发酵、中温发酵（35℃左右）和高温发酵（50-55℃），发酵温度、负荷与沼气产量的关系如下图：
3、按照是否连续进料厌氧发酵可分为连续式和序批式反应器，连续进料反应器常用的有UASB、USR、CSTR、推流式，序批式反应器常用的有车库式。
- TS浓度低的发酵底物采用UASB、USR，固定床反应器；
- 农业有机废弃物如粪污、秸秆的沼气工程，其TS通常为3-12%，常采用CSTR反应器；
- 推流式反应器通常用于更高TS浓度发酵底物，如半干式发酵工艺；
- 箱式/车库式反应器适用于可以堆积且易于饱和渗滤的生物质原料（例如园林垃圾和单独收集的有机垃圾），对砂子、石块和其他干扰物质非常敏感。
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