污水處理中發(fā)酵酸化反應(yīng)階段

經(jīng)過水解反應(yīng)之后，有機(jī)大分子開始進(jìn)行下一步反應(yīng)，它可以有兩種：一種是有機(jī)物分子作為電子受體同時也是電子供體的生物降解過程，被稱為發(fā)酵；另一種是在此過程中，溶解性有機(jī)物被轉(zhuǎn)化成以揮發(fā)性脂肪酸為主的末端產(chǎn)物，此過程被稱為酸化。

酸化過程是要在微生物參與酶的催化作用下，由大量的、多種多樣的發(fā)酵細(xì)菌共同作用完成的。酸化微生物的種類則以梭狀芽孢桿菌和擬桿菌最為主要。其中梭狀芽孢桿菌能在極其惡劣的環(huán)境條件下很好的存活，原因在于它們是厭氧并能產(chǎn)芽孢的細(xì)菌。而擬桿菌是能分解糖、氨基酸和有機(jī)酸的細(xì)菌，所以它們大量存在于含有機(jī)物較豐富的地方。上訴微生物大部分都是專性厭氧菌，但往往也有及少數(shù)的兼性厭氧菌存在于厭氧環(huán)境中。專性酸化厭氧菌在酸化過程中已將環(huán)境中的繁和氧化還原電位控制在一個銀合適的水平，他正因?yàn)檫@些責(zé)作厭氧菌的存在，使像甲這樣的嚴(yán)格厭氧菌免受氧的很害與抑制。酸化在進(jìn)行過程中，撫教降解的條件，底物種類和參與精化的強(qiáng)生物種群決定了顏化的末地產(chǎn)物的組成。底物不同，末端產(chǎn)物就會存在很大的魚則，比如說，蛋白質(zhì)水解反紋生成氨基酸，其酸化物為氨基酸：而纖維素和淀粉類有機(jī)物的水制反應(yīng)結(jié)果就生成精類分子，說明在不同情況下酸化底物的差異導(dǎo)致酸化末端產(chǎn)物的不同，具體談來，以糖為底物、般化產(chǎn)物主要有丁酸、乙酸、丙酸等、二氧化碳和氧氣則為酸化的附屬產(chǎn)物，而以氧樂酸為底物，酸化主要產(chǎn)物與以糖為庇物時基本相同，但不同的是、屬產(chǎn)物除了二氧化碳和氧氣外，還有氦氣和硫化氧，若在反應(yīng)過程中同時也存在產(chǎn)甲烷菌，那么其中氧氣又能相當(dāng)有效地被產(chǎn)甲烷菌利用，另外，氧氣也可以被能利用氧的硫酸鹽還原菌成脫氟菌所利用。發(fā)酵細(xì)需要想產(chǎn)生更多的供其氧化并從中獲得能量的中間產(chǎn)物，去除氧是一個很好的途經(jīng)，大多數(shù)發(fā)酵細(xì)菌也可通過兩個途徑利用發(fā)酵過程中產(chǎn)生的質(zhì)子，一是使用自身的代謝產(chǎn)物，何如形成乙醇：二則是在氧化酶作用下把質(zhì)子轉(zhuǎn)化為氯氣：2H*+2e→ H :。這種氫化酶反應(yīng)，其酸化過程的產(chǎn)物兒乎只有乙酸。

一般的底物在進(jìn)行酸化反應(yīng)時，其反應(yīng)過程與其他分子無關(guān)，但部分氨基酸的分解是通過所謂的史提克蘭德（ Stickland ）反應(yīng)進(jìn)行的，該反應(yīng)需兩種氨基酸參與，或者說它需要和其他分子同時反應(yīng)，其中一個氨基酸分子進(jìn)行氧化脫氮，同時產(chǎn)生質(zhì)子 H ＋使另外一種氨基酸的兩個分子還原，兩個過程都有脫氨基的作用。也就是說，這兩種氨基酸偶聯(lián)進(jìn)行氧化還原脫氨反應(yīng)。以丙氨酸和甘氨酸的降解為例來說明它們就需要這種偶聯(lián)應(yīng)：

 CHCHNH : COOH +2H2O→ CH , COOH +CO2+ NH +4H+

2CHNH2COOH+4H+2CH3COOH+2NH4

即

CHLCHNH2COOH+2CHNH2COOH+2H2O→3CH, COOH +3NH4+CO2這里丙氨酸是作為電子供體，甘氨酸則作為電子受體。而丙氨酸和甘氨酸都是有機(jī)物，卻一個作電子供體，另一個作電子受體。這一特點(diǎn)說明，酸化反應(yīng)過程是一個不穩(wěn)定并沒有進(jìn)行到底的過程。反應(yīng)過程中所生成的NH3會影響反應(yīng)器中溶液的酸度，使 pH 值上升，抑制酸化反應(yīng)繼續(xù)。

氨基酸除了能被耦合降解之外，也有一些能被單獨(dú)降解。決定這個反應(yīng)能否進(jìn)行主要是某些特殊的菌種，例如一些梭狀芽孢桿菌等。

部分級別較高的脂肪酸分子在厭氧水解或厭氧消化時，遵循脫下脂肪酸鏈羧基末端的兩個碳原子的水解方式。產(chǎn)生分子更小的脂肪酸和乙酸。當(dāng)含碳原子數(shù)為偶數(shù)時，較高級的脂肪酸逐步降解，反應(yīng)終產(chǎn)物為乙酸。而當(dāng)含奇數(shù)個碳原子的脂肪酸進(jìn)行降解時，最終產(chǎn)物則形成一個丙酸。不飽和脂肪酸首先通過氫化作用變成飽和脂肪酸。棕櫚酸的反應(yīng)就是按照這個形式完成的，其反應(yīng)方程式如下。

①含有16個碳的脂肪酸的降解將是：

CH3(CH2)14COO-+14H2O→8CHCO0-+7H++14H2

②含有17個碳的脂肪酸的降解將是：

 CHs (CH2)1sCOO-+14H2O→7CH3COO-+CH3CH2COO-+7H++14H2

從反應(yīng)式不難看出，脂肪酸發(fā)酵過程中產(chǎn)生了大量H2，這與糖降解過程很相似，此反應(yīng)能否順利進(jìn)行，也必須依賴消耗氫的產(chǎn)甲烷過程才能使氫的濃度維持在較低的水平。另外，從反應(yīng)式還可以看出，脂肪酸的降解同樣也會使 pH 值降低，因此，若一個反應(yīng)系統(tǒng)中主要是以水解和脂肪酸化為主，應(yīng)該保持反應(yīng)系統(tǒng)中有足夠的緩沖能力，以便保證降解過程能夠較順利地進(jìn)行。

在厭氧降解過程中，還必須考慮的一個因素是酸化細(xì)菌對酸的耐受力。 pH 值下降到4時，酸化過程仍可以進(jìn)行。例如青貯飼料的熟化過程人們就利用了酸化細(xì)菌的這一特性。但是 pH 值為4并不是產(chǎn)甲烷過程的最佳 pH 值， pH 值為6.5~7.5才是產(chǎn)甲烷過程的最佳 pH 值，因此 pH 值的下降自然會引起甲烷生成的減少和氫的消耗的增加，并進(jìn)一步引起酸化末端產(chǎn)物組成的改變。而產(chǎn)乙酸菌沒有足夠的能力克服這種改變（可以參見產(chǎn)乙酸中的部分論述），甲烷菌活力的下降又進(jìn)一步加劇了酸的積累，使 pH 值進(jìn)一步下降。厭氧降解過程由此進(jìn)一步惡化，影響甲烷的形成，嚴(yán)重時便會中止。

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