1、1第2章 沼氣技術根底2.1 沼氣發酵根本原理主要內容：主要內容：2.2 沼氣發酵微生物學2.3 沼氣發酵微生物學的分別培育 方法. .22.1 2.1 沼氣的發酵的根本原理沼氣的發酵的根本原理2.1.1 沼氣的根本知識 由有機物在隔絕空氣和一定溫度、濕度、酸堿度等條件下，經微生物的作用而產生的一種可燃性氣體 最先在沼澤中發現的，所以稱之為沼氣. .32.1 2.1 沼氣的發酵的根本原理沼氣的發酵的根本原理2.1.1 沼氣的根本知識 沼氣的組成甲烷：60%二氧化碳：35%其他氣體水蒸氣、硫化氫、一氧化碳、氮氣等：5%沼氣天然氣 沼氣與天然氣的區別. .42.1 2.1 沼氣的發酵的根本原理沼氣

2、的發酵的根本原理 沼氣的性質沼氣的主要成分是甲烷，故沼氣的性質取決于甲烷的性質u物理性質：u 無色、無臭、密度比空氣輕，難溶于水u化學性質：化學式：CH4，正四面體構造，鍵角均為10928非極性分子比例模型球棍模型CH4 +2O2= CO2 + 2H2O+35.91MJ. .52.1 2.1 沼氣的發酵的根本原理沼氣的發酵的根本原理2.1.2 沼氣發酵過程 沼氣發酵過程，是微生物的物質代謝和能量轉換過程，在分解過程中沼氣微生物獲得能量和物質，以滿足本身生長和繁衍，同時大部分物質轉化為沼氣甲烷與二氧化碳，其中有機物90%轉化為沼氣，而10%用于微生物本身的代謝。 早期一階段實際有機物甲烷+二氧化

3、碳甲烷細菌有機物經甲烷細菌分解而直接產生甲烷與二氧化碳。. .62.1 2.1 沼氣的發酵的根本原理沼氣的發酵的根本原理 二階段實際 對復雜有機物的發酵產甲烷過程，后期研討以為厭氧消化過程分為兩個階段酸性發酵和堿性發酵階段，其中： 酸性發酵產酸菌利用胞外酶將復雜的大分子水解成小分子，并進一步轉化為有機酸。此階段也稱產酸階段。 堿性發酵甲烷細菌利用上階段產生的有機酸為底物，生成甲烷和CO2。此階段又稱為產氣階段。補充知識：所謂發酵，指氫供體和受氫體都是有機化合物的生物氧化作用. .7 二階段實際的開展2.1 2.1 沼氣的發酵的根本原理沼氣的發酵的根本原理 1936年由Barker初次提出，簡要

4、描畫了沼氣的發酵過程，該實際以為沼氣發酵可分為兩個階段，即產酸階段和產甲烷階段。由于兩階段實際解釋了沼氣發酵的主要過程，且對實踐工程有很好的指點作用，因此，目前運用仍較為廣泛；. .8 三階段實際的提出2.1 2.1 沼氣的發酵的根本原理沼氣的發酵的根本原理u甲烷三階段構成方式圖. .92.1 2.1 沼氣的發酵的根本原理沼氣的發酵的根本原理u第一階段：水解階段 兼性和部分轉性厭氧細菌發揚作用，復雜的大分子有機物被胞外酶水解成為小分子的溶解性有機物，如單糖，氨基酸與脂肪酸等。補充知識：水解是指有機物進入微生物細胞前，在胞外進展的生物化學反響，微生物經過釋放胞外自在酶或銜接在細胞外壁上的固定酶來

5、完成生物的催化反響。水解階段涉及微生物群落： Clostridium 梭菌屬Bacteroides擬桿菌屬Butyrivibrio 丁酸弧菌屬Eubacterium優桿菌屬 Bifidobacterium 雙歧桿菌屬Streptococcus鏈球菌屬以及一些腸道菌. .10. .2.1 2.1 沼氣的發酵的根本原理沼氣的發酵的根本原理u第二階段：酸化階段產乙酸過程 首先，溶解性有機物由兼性或專性厭氧細菌經發酵作用轉化為有機酸、醇、醛、CO2和H2。 其次，專性厭氧的產氫產乙酸細菌將上階段的產物有機酸、醇、醛進一步利用，生成乙酸和H2、CO2；同時同型產乙酸細菌將H2和CO2合成乙酸，有時也將乙

6、酸分解成H2和CO2，故也可分細分為酸化階段與產乙酸階段兩個階段。補充知識：酸化是一類典型的發酵過程，微生物的代謝產物主要是各種有機酸。水解酸化的目的是為混合厭氧消化過程的甲烷發酵提供底物。 11產乙酸階段涉及的微生物群落：2.1 2.1 沼氣的發酵的根本原理沼氣的發酵的根本原理產氫產乙酸菌：產氫產乙酸細菌是厭氧消化過程中一組重要的微生物類群, 它參與丙酸, 丁酸等中間的代謝產物的降解生成乙酸、氫氣和二氧化碳。 有機酸產氫產乙酸菌乙酸+二氧化碳+水同型產乙酸菌：這是一類既能自養生活能異養生活的混合營養型細菌。它們既能利用H2+CO2生成乙酸 ，也能代謝產生乙酸 。 二氧化碳+水同型產乙酸菌乙酸

7、. .122.1 2.1 沼氣的發酵的根本原理沼氣的發酵的根本原理u第三階段：產甲烷階段 產甲烷菌最嚴厲的專性厭氧菌利用乙酸、氫氣和一碳化合物二氧化碳、一氧化碳、甲醇、甲酸、甲基胺產生甲烷。由二氧化碳和氫氣產生甲烷反響為 ： CO2+4H2CH4+ H2O 由乙酸或乙酸化合物產生甲烷反響為： CH3COOH CH4+CO2 ; CH3COONH4+H2O CH4+ NH4HCO3 甲烷產生途徑. .132.1 2.1 沼氣的發酵的根本原理沼氣的發酵的根本原理 沼氣發酵過程中的能量分配圖 在沼氣構成的過程中，大約有30%左右的甲烷來自于氫氣的氧化和二氧化碳的復原，另外有70%左右來自于乙酸乙酸鹽

8、。. .142.1 2.1 沼氣的發酵的根本原理沼氣的發酵的根本原理 碳水化合物的發酵過程 碳水化合物包括纖維素、半纖維素和淀粉等，屬于多糖類，同時可用(C6H10O5)x表示，是秸稈的主要成分，其發酵過程如下：(C6H10O5)x + xH2OxC6H12O6酶酶xC6H12O6發酵發酵有機酸有機酸+醇類醇類有機酸有機酸醇類醇類CH3COOH + H2第一階段第一階段第二階段第二階段第三階段第三階段4H2 + CO2 CH4 + 2H2O2CH3COOH 2CH4 + 2CO2. .15 脂類的發酵過程2.1 2.1 沼氣的發酵的根本原理沼氣的發酵的根本原理 包括脂肪和油類，是污水中常見的有

9、機物。其發酵過程如下：第第1階段階段脂肪脂肪 油類油類+ H2O R-CH2COOH + CH2OHCHOHCH2OH酶酶脂肪酸脂肪酸甘油甘油第第2階段階段CH3(CH2)16COOH + 16H2O 9CH3COOH + 16H2脂肪酸分解成乙酸和氫氣。例如脂肪酸分解成乙酸和氫氣。例如第第3階段階段9CH3COOH 9CH4 + 9CO216H2 + 4CO2 4CH4 + 8H2O 以脂質為基質時，最終甲烷化氣體中的甲烷含量為72%，其中69%是由乙酸分解產生的。. .16. . 蛋白質的發酵過程2.1 2.1 沼氣的發酵的根本原理沼氣的發酵的根本原理 蛋白質是由假設干個氨基酸分子組成的高

10、分子化合物，其消化過程如下：第第1階段階段蛋白質蛋白質+ H2O 氨基酸氨基酸R酶酶發酵發酵有機酸有機酸 + NH4HCO3R-C-COOH NH2 H氨基酸通式為氨基酸通式為R-C-COOH NH2 H第第2階段階段有機酸有機酸 CH3COOH + H2第第3階段階段CH3COOH CH4 + CO24H2 + CO2 CH4 + 2H2O 蛋白質為原料進展發酵的沼氣中甲烷含量為73%，其中72%是經過乙酸途徑產生的，蛋白質水解產生的NH4和CO2可生成NH4HCO3， 這可提高消化液的堿度，并提高pH值。有些含硫氨基酸，如胱氨酸、蛋氨酸等，可分解產生H2S、構成臭味和一定的腐蝕性。172.

11、1 2.1 沼氣的發酵的根本原理沼氣的發酵的根本原理. .182.2 2.2 沼氣發酵微生物學沼氣發酵微生物學2.2.1 沼氣發酵微生物的種類和數量 不產甲烷群落 能將復雜的大分子有機物變成簡單的小分子量的物質；種類繁多，包括轉性厭氧菌、兼性厭氧菌與好氧菌，其中專性厭氧菌占絕大多數, 除細菌外，還包括一系列的真菌與原生動物等。 產甲烷群落 產甲烷菌是沼氣發酵的主要成分甲烷的產生者。是沼氣發酵微生物的中心，它們嚴厲厭氧，對氧和氧化劑非常敏感，最適宜的pH值范圍為中性或微堿性。. .192.2.2 不產甲烷微生物2.2 2.2 沼氣發酵微生物學沼氣發酵微生物學 水解性細菌Eubacterium白質

12、、糖類等的分解雙歧桿菌屬Bifidobacterium分解蛋白質等。主要功能主要功能胞外酶作用胞外酶作用固形有機物固形有機物溶解有機物溶解有機物水水解解水解性細菌很多，以上只列出了見于厭氧消化中的主要的一小部分。這些微生物的主要功能是經過胞外酶的作用將固形有機物水解成溶解有機物，再將可溶性的大分子有機物降解成有機酸、醇等。. .20 產乙酸細菌2.2 2.2 沼氣發酵微生物學沼氣發酵微生物學 包括產氫產乙酸菌與同型產乙酸菌。其在厭氧發酵中的主要作用在于添加構成甲烷的直接前提產物乙酸。u產氫產乙酸菌互營單細胞菌屬Syntrophomonas互營桿菌屬Syntrophobacter羧菌屬Clost

13、ridium暗桿菌屬Pelobacter等。主要功能主要功能胞內酶作用胞內酶作用揮發性脂肪酸揮發性脂肪酸乙酸和乙酸和H2降降解解 這些微生物的主要功能是可將揮發性脂肪酸降解為乙酸和H2。這些菌的產乙酸、產氫反響，只需在氫分壓很低時才干完成。. .212.2 2.2 沼氣發酵微生物學沼氣發酵微生物學u同型產乙酸菌羧菌屬Clostridium醋酸桿菌屬Acetobacter等。主要功能主要功能胞內酶作用胞內酶作用氫氣與二氧化碳氫氣與二氧化碳乙酸乙酸代代謝謝糖類糖類或或同型產乙酸菌屬于混合營養型，既能代謝氫氣與二氧化碳生成乙酸，也可以代謝糖類等碳水化合物產生乙酸。該細菌產生乙酸只占乙酸總量的1%-2

14、%(40)、3%-4% (60)。產乙酸菌生長速度慢，在沼氣發酵過程中的作用能夠并不重要。. .222.2 2.2 沼氣發酵微生物學沼氣發酵微生物學2.2.3 產甲烷菌 產甲烷菌是最嚴厲厭氧的，能構成甲烷的化能自養或化能異養的古菌群。自然界中最古老36億年左右，分布最廣的微生物。 產甲烷菌在400nM光源照射下，發出藍綠色熒光， 熒光來源于甲烷菌體內的輔酶F420產甲烷菌中可代謝乙酸的甲烷菌不過兩屬。大多數甲烷菌是利用氫氣和二氧化碳生成甲烷。. .23 產甲烷菌的細胞構造2.2 2.2 沼氣發酵微生物學沼氣發酵微生物學 產甲烷菌屬于古菌，無細胞壁、胞壁質特征，而富含各種表層蛋白。 產甲烷菌的類

15、群 按產甲烷細菌的形狀和可利用的底物，可將其分成3個亞群。a) 桿狀、柳葉狀或球狀，可將H2/CO2、甲酸、甲醇/H2轉化成為CH4b) 球桿狀、桿狀、螺旋狀或盤狀，可將H2/CO2、甲酸、甲醇/H2轉化成為CH4c) 假八疊狀、球狀或鞘桿狀，可以生長于三甲胺或乙酸鹽并產CH4. .242.2 2.2 沼氣發酵微生物學沼氣發酵微生物學 產甲烷菌的形狀史氏甲烷短桿菌史氏甲烷短桿菌亨氏甲烷螺菌亨氏甲烷螺菌布氏甲烷桿菌布氏甲烷桿菌馬澤氏甲烷八疊球菌馬澤氏甲烷八疊球菌. .2.2 2.2 沼氣發酵微生物學沼氣發酵微生物學甲烷菌的特性 嚴厲的厭氧環境； 適宜生長的pH范圍6.87.4; 只能利用少數幾種

16、簡單的化合物作為其營養原料； 適宜溫度分為中溫3537與高溫5055 ； 代謝產物主要為CH4與CO2； 生長緩慢，世代周期長幾天幾十天； 都是原核生物；. .262.2.4 沼氣發酵微生物的生態環境2.2 2.2 沼氣發酵微生物學沼氣發酵微生物學淡水堆積物和水稻田 沼氣發酵微生物在自然界分布廣泛，特別是在沼澤、糞池、污水池和各種有機污泥中極為豐富。海洋和地質深層堆積物地熱生態環境動物瘤胃及腸道環境傳統發酵釀酒窖池其他生態環境. .272.2 2.2 沼氣發酵微生物學沼氣發酵微生物學2.2.5 沼氣發酵中微生物的相互關系 不產甲烷菌與產甲烷菌間構成了類似食物鏈的生態關系 ： 不產甲烷菌為產甲烷菌提供生長活動所需的物質和營養；產甲烷菌協助不產甲烷菌為其生化反響解除反響抑制。 不產甲烷菌為產甲烷菌發明適宜其生長和產甲烷的