19.厌氧消化过程抑制因素的研究进展
亿亏与健物Ｚ程２００９．ＶｏＩ．２６
Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ＆Ｂｉｏｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ
Ｎｏ．１０
厌氧消化过程抑制因素的研究进展
夏亚穆，常
亮．王伟
（青岛科技大学化工学院，山东青岛２６６０４２）
摘要：厌氧消化是一种高效的废物处理方法。但厌氧消化过程中经常出现诸如甲烷产量低、工序不稳定等问题，
使得这项技术不能被广泛应用。废弃物中种类繁多的抑制物质是导致厌氧消化不稳定或失败的主要原因。概述了厌氧
消化过程中经常出现的抑制因素的抑制机制和控制因子。
关键词：厌氧消化；抑制机制；控制因子；研究进展
中图分类号：Ｘ７０５
文献标识码：Ａ
文章编号：１６７２—５４２５（２００９）１０—０００５—０４
１
前言
废水厌氧生物处理法又称厌氧消化，是一种利用
同作用、驯化等，这些因素使抑制物质在不同条件下的
抑制浓度范围具有很大差异。作者在此综述了厌氧消化过程中多种物质的抑制作用，涉及到抑制作用机制、
微生物自身的新陈代谢作用而实现有机废弃物处理的方法。其机理是在厌氧细菌的作用下将废物中的有机物分解，最后产生甲烷和二氧化碳等气体。厌氧消化过程可分四个阶段：（１）水解阶段：将不溶性大分子有机物分解为小分子水溶性的低脂肪酸；（２）酸化阶段：发酵细菌将水溶性低脂肪酸转化为Ｈ：、ＣＨ。ＣＯＯＨ、
ＣＨ。ＣＨ：ＯＨ等，酸化阶段料液ｐＨ值迅速下降；（３）产氢产乙酸阶段：专性产氢产乙酸菌将还原性有机物氧化，生成Ｈ２、ＨＣＯ；－、ＣＨ。ＣＯＯＨ；同型产乙酸细菌将
影响抑制作用的因素、废物处理过程中经常遇到的问
题等。
２２．１
抑制因素
氨
氨主要由蛋白质和尿素生物分解产生。氨氮在水
溶液中，主要是以铵离子（ＮＨ［）和游离氨（ＮＨ。，ＦＡ）形式存在。其中ＦＡ具有良好的膜渗透性［２］，是抑制
作用产生的主要原因。在四种类型的厌氧菌群中，产
Ｈ。、ＨＣＯｆ转化为ＣＨ。ＣＯＯＨ，此阶段由于大量有机酸的分解导致ｐＨ值上升；（４）甲烷化阶段：产甲烷菌
将乙酸转化为ＣＨ。和ＣＯ：，利用Ｈ：将ＣＯ：还原成ＣＨ。，或利用其它细菌产生的甲酸形成ＣＨ。。厌氧消化为工农业生产过程中的废物处理提供了一种有效的
甲烷菌（ＭＰＢ）最易被氨抑制而停止生长［３］。当ＮＨ。一
Ｎ浓度在４０５１～５７３４ｍｇ・Ｌ＿１范围时，颗粒污泥中产
酸菌几乎不受影响，而ＭＰＢ的失活率达到了
５６．５孵４｜。
２．１．１
影响氨抑制的因素
方法，不仅具有能耗低、占地面积小、处理效率高等优
影响氨抑制的因素主要有浓度、ｐＨ值、温度。
点，更重要的是厌氧消化的产物为高热值的能源——
甲烷。甲烷是一种清洁能源，其燃烧产物为Ｃ０：和
Ｈ：Ｏ，无污染组分［１］。虽然这些优点很突出，但厌氧菌
普遍认为氨的浓度在２００ｍｇ・Ｌ＇１以下时有利于厌氧降解，因为氮也是厌氧微生物所需的重要营养物质［５］。由于反应器运行状况和实验条件的差异，总氨氮（ＴＡＮ）的半数抑制浓度（ＩＣ；。）限制尚无定论，一般
在１．７～１４ｇ・Ｌ＿１范围内。
繁殖较慢、对毒物敏感、对环境条件要求严格、操作稳定性低仍是其广泛应用的重要障碍。
废水和废渣中的抑制物质往往是导致厌氧反应不稳定和失败的主要原因。影响厌氧消化作用的因素有很多，如：反应器类型、反应条件、微生物种群、拮抗／协
ｐＨ值升高会导致氨的抑制活性增强，这是因为ｐＨ值越高，ＮＨ＋转化成ＦＡ的比例就越大［６］。控制ｐＨ值在微生物生长的最适条件下，可以降低氨的抑
基金项目：山东省自然科学基金资助项目（Ｑ２００６８０２），兰州大学功能有机分子国家重点实验室开放基金资助项目（２００７０８）
收稿日期：２００９—０６—０２
作者简介：夏亚穆（１９７４－－），男，甘肃天水人，副教授，主要从事生物活性物质的提取、分离、合成等研究与开发工作；通讯联系人：常
亮。Ｅ—ｍａｉｌ：ｓｈｅｎｇｃｌｘ＠１６３．ｔｏｍ，ｘｉａｙｍ＠ｑｕｓｔ．ｅｄｕ．ｃｎ。
万方数据
５
夏亚穆等：厌氧消化过程抑制因素的研究进展／２００９年囊ｌｏ期
＇
制活性。ｐＨ值从７．５降到７．０，可使厌氧降解牛粪的甲烷产量提高４倍＂ｊ。
温度的升高既可以促进微生物的生长，又会使ＦＡ浓度升高。所以，要权衡两方面，才能找到最适温
度。
２．１．２
明显，微生物的活性可以恢复［１３。。２．３．２钙离子
Ｃａ２＋对某些产甲烷菌株的生长至关重要。但是大量的Ｃａ２＋会形成钙盐沉淀物析出，可能导致以下后果：（１）在反应器和管道上结垢；（２）使生物质结垢，降低特定产甲烷菌群的活性；（３）造成营养成分的损失和厌氧系统缓冲能力的降低ｎ２．３．３镁离子
Ｓｃｈｍｉｄｔ等［１５］发现适量的Ｍ９２＋能增强上流式厌
４｜。
降低氨抑制的方法
驯化、空气吹脱或化学沉淀都可以有效降低氨的抑制作用。最简单的方法是将堆肥稀释成含０．５％～３．０％固体的状态，但这种方法会增加废料处理的体积，经济效益不显著［８］。某些离子（如钠离子、钙离子、镁离子）也可以拮抗氨的抑制作用。．多种离子联合使用要比单独使用某种离子的效果好。
２．２
氧污泥床（ＵＡＳＢ）反应器中高温（５５℃）厌氧污泥的沉降性能、减少被洗出反应器的污泥量，但是Ｍ９２＋对高温厌氧污泥产甲烷活性的促进作用不是很明显。他们还发现Ｍ９２＋会影响高温厌氧污泥的微生物特征，即Ｍ９２＋会影响污泥中各种微生物的相对数量，改变其中的优势菌‘１６］。肖本益等ｍ３发现Ｍ９２＋对厌氧污泥的产气活性有影响，当Ｍ９２＋浓度约为３～１０
ｍｍｏ］・
硫化物’
硫酸盐是很多工业废料的常见成分。在厌氧反应
中，硫酸盐被硫酸盐还原菌（ＳＲＢ）还原成硫化物。这些硫化物主要含有Ｓ卜、ＨＳ一、Ｈ。Ｓ，其中Ｈ。Ｓ存在于
液相和气相中且毒害作用最大，原因可能是Ｈ：Ｓ呈电中性，只有中性才能穿过带负电的菌体细胞膜，破坏其
蛋白质［９］。硫化物几乎对所有的厌氧细菌都有直接或
Ｌ＿１时，能够提高污泥的产气活性，而超出此范围时，对污泥产气活性可能有抑制作用。Ｍ９２十提高厌氧污泥产气活性的机制可能是Ｍ９２＋能够催化甲烷合成过程的一步或几步反应，另外，Ｍｇ抖可能会影响有机物与污泥的有效接触。
２．３．４钾离子
可逆的毒害作用，但其抑制机理尚不清楚。少量的硫酸盐（或硫化物）有益于厌氧消化过程，但当废水中硫酸盐含量过高时，会对厌氧生物处理产生严重的抑制作用，它至少包括下面两个方面：（１）由于ＳＲＢ与ＭＰＢ争夺Ｈ。和乙酸而导致的初级抑制；（２）由于高浓
度可溶性硫化物直接破坏ＭＰＢ的细胞功能，从而引
Ｋ＋的毒性作用目前研究还不是很多。低浓度的
Ｋ＋（＜４００ｍｇ・Ｌ－１）在中温和高温范围对厌氧消化
有促进作用，而高浓度的Ｋ＋在高温范围很容易表现出抑制作用。这是因为高浓度的Ｋ＋会被动进入细胞膜，中和细胞膜电位［１
２．３．５
８｜。
起ＭＰＢ数量减少而导致次级抑制［１０３。
由于反应器运行状况和实验条件的差异，硫化物
对ＭＰＢ的毒害抑制浓度限制尚无定论，一般在１００～
１１００
钠离子
ｍｇ・Ｌ．１范罔内。众多研究者认为：硫化物的极
当Ｎａ＋浓度在１００～２００ｍｇ・Ｌ叫范围时，对中温厌氧菌的生长是有益的…］，因为Ｎａ＋对三磷酸腺苷的形成或核苷酸的氧化有促进作用。Ｎａ＋浓度过高
限浓度为２００ｍｇ・Ｉ。一，Ｈ：Ｓ的极限浓度为５０ｍｇ・
Ｌ一１［１１｜。
降低硫化物抑制作用的方法主要有投加金属或金属盐、利用厌氧产酸阶段去除硫、利用两相厌氧的酸相去除Ｈ：Ｓ、通过驯化提高ＭＰＢ适应高硫化物环境的能力等，都取得了较理想的效果。
２．３轻金属离子
２．３．１
时，Ｎａ＋很容易干扰微生物的代谢，影响它们的活
性Ｌ２…。由于实验条件的不同，Ｎａ＋的ＩＣ；。限制尚无定论，一般在５．６～５３ｇ・Ｌ－１范围内。通过驯化可提高
厌氧微生物对高浓度钠环境的适应能力。
２．４重金属
重金属是导致厌氧降解失败的主要原因。重金属
铝离子
铝盐对铁和锰的竞争作用或对微生物细胞膜和细胞壁的粘附性，影响了微生物的生长［１２｜。废水中的铝
不能被微生物所降解，会渐渐累积，导致毒性作用。这种毒性作用主要是因为重金属取代了与蛋白质分子自然结合的金属，导致了酶的结构和功能的破坏。然而，许多重金属又是催化厌氧反应的重要酶的组成成分。
重金属对厌氧微生物是促进还是抑制主要取决于重金
盐对厌氧污泥颗粒中微生物的产甲烷活性有相当大的
影响，厌氧污泥接种量为１０００ｍｇ・Ｌ－１时，投加１００
ｍｇ・Ｌ－１的氯化铝，微生物的活性下降３７％；连续投加铝盐，厌氧颗粒污泥可以驯化，铝盐对厌氧微生物属于代谢毒素；清除铝盐后，颗粒污泥残余活性受抑制不
６
属离子浓度、重金属化学形态、ｐＨ值、氧化还原电位
等。
万方数据
夏亚穆等：厌氧消化过程抑制因素的研究进展／２００９年簟ｌｏ期
２．４．１重金属的化学形态
由于厌氧系统的复杂性，重金属可能参与许多物
理化学过程，形成多种化学形态，如：（１）形成硫化物沉
淀、碳酸盐沉淀、氢氧化物沉淀；（２）吸附到固态颗粒、生物质或惰性微粒上；（３）在溶液中，与降解产生的中间体或产物形成复合物。２．４．２重金属的毒性大小
除了重金属化学形态的复杂性外，不同的底物、菌
群、环境等也是影响重金属毒性的重要因素。通过比较产甲烷菌的ＩＣ…得到重金属的毒性大小顺序为Ｃｕ
Ｚｎ＞Ｃｒ＞Ｃｄ＞Ｎｉ＞ＰｂＥ２１｜。２．４。３重金属的拮抗／协同作用
工业废水或废渣中一般含有多种重金属，它们在
厌氧消化过程中会产生拮抗／协同作用，作用程度取决
于成分的种类和比例。大多数重金属混合后，会产生协同作用，毒性增强，如Ｃｒ－Ｃｄ、Ｃｒ－Ｐｂ、Ｃｒ—Ｃｄ—Ｐｂ、Ｚｎ—Ｃｕ—Ｎｉ［２１］。Ｂａｂｉｃｈ等［２２３发现，Ｎｉ在Ｎｉ—Ｃｕ、Ｎｉ—Ｍｏ—Ｃｏ、
Ｎｉ—Ｈｇ组合中，起协同作用；而在Ｎｉ—Ｃｄ、Ｎｉ—Ｚｎ组合
中，起拮抗作用。
２．４．４降低重金属毒性的方法
降低重金属毒性的主要方法是利用有机或无机配体使重金属沉淀、吸附或螯合。使重金属沉淀主要采
用硫化物，但过量的硫化物也会对产甲烷菌的乙酰胆
碱酯酶产生抑制。由于ＦｅＳＯ。溶解性好，Ｆｅ２＋的毒性
也相对较小，且过量的硫化物可以通过添加ＦｅＳＯ。生
成ＦｅＳ来处理，较为常用。利用污泥、活性炭、高岭
土、皂土、硅藻土及废弃物堆肥对重金属的吸附作用，
也可以降低其毒性。有机配体对重金属的螯合作用也对降低其毒性很有效。微生物与重金属的接触也会激活多种细胞内解毒机制，如细胞表面的生物中和沉淀或螯合作用、生物甲基化作用、胞吐作用等。
２．５有机物
大多数有机物都对厌氧过程有抑制作用。有机化合物的水溶性很小，且易被污泥固体颗粒吸附而在厌氧消解器中积累至高浓度；这种非极性污物在细胞膜表面积累会造成细胞膜肿胀和渗漏，扰乱离子梯度，最
终导致细胞溶解［２…。
影响有机化合物毒性的因素很多，如：浓度、接触时间、细胞的年龄、培养模式、驯化、温度等。在有机化合物浓度较低时，生物降解可以降低一些有机毒物的抑制作用；而有机化合物浓度较高时，厌氧过程会受到
明显抑制。
和其它抑制物质一样，微生物的驯化也是评价有机物抑制作用的重要因素。微生物的驯化既可以增强
万方数据
其对有机毒物的耐受性，又可以提高有机毒物的生物
降解性。
２．５．１
氯酚
氯酚类化合物（ＣＰｓ）广泛应用于木材防腐剂、防锈剂、杀菌剂和除草剂等行业。氯酚类化合物对大多数有机体都是有毒的，它会中断质子的跨膜传递，干扰细胞的能量转换心“。氯酚类有机物的厌氧生物降解性大小依次为：五氯酚（ＰＣＰ）＞四氯酚（ＴｅＣＰ）＞三氯
酚（ＴＣＰ）＞单氯酚（ＭＣＰ）＞二氯酚（ＤＣＰ）［２５｜。厌氧
微生物经过驯化可以降低氯酚类化合物的毒性并提高其生物降解性。
２．５．２含氮芳烃化合物
含氮芳烃化合物包括硝基苯、硝基酚、氨基苯酚、
芳香胺等。它们的毒性是通过与酶的特殊化学作用或
是干扰代谢途径产生的¨６｜。硝基芳香化合物对产甲
烷菌的毒性非常大，而芳香胺类化合物的毒性要小得多。这可能是由于硝基芳香化合物比芳香胺类化合物疏水性更低的缘故。厌氧微生物经过驯化可以降低含氮芳烃化合物的毒性并提高其生物降解性。
２．５．３长链脂肪酸
长链脂肪酸（ＬＣＦＡｓ）抑制产甲烷菌主要是由于
产甲烷菌的细胞壁与革兰氏阳性菌很相似。ＬＣＦＡｓ
会吸附在其细胞壁或细胞膜上，干扰其运输或防御功
能，从而导致抑制作用ｚ７３。ＬＣＦＡｓ对生物质的表层吸附还会使活性污泥悬浮起来，导致活性污泥被冲走。
在ＵＡＳＢ反应器中，ＬＣＦＡｓ导致污泥悬浮的浓度要远低于其毒性浓度２８｜。通过驯化可以提高生物膜对
油酸盐的耐受性和生物降解能力。由于ＬＣＦＡｓ可与钙盐形成不溶性盐，所以加入钙盐也可以降低ＬＣＦＡｓ的抑制作用，但还是不能解决污泥悬浮的问题［２引。
３
结语
厌氧降解是一种高效的废物处理技术。它既可以
减小废物体积，又可以生成沼气，因此广泛应用于工农业生产中。废渣和废水中可能含有一些厌氧降解的抑
制物质或是毒性物质，如氨、硫化物、重金属、有机物
等，这些物质的累积会干扰反应的进行，导致产气量降低，甚至反应失败。因此，明确废物的组成是成功运用
厌氧降解的关键。在厌氧反应前，利用微生物对抑制
物质进行驯化，或是去除这些物质，可以显著提高废物
处理的效率。
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万方数据
８
厌氧消化过程抑制因素的研究进展
作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：引用次数：
夏亚穆， 常亮， 王伟， XIA Ya-mu， CHANG Liang， WANG Wei青岛科技大学化工学院,山东,青岛,266042化学与生物工程
CHEMISTRY & BIOENGINEERING2009，26(10)0次
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