第二章沼氣技術(shù)基礎(chǔ)

1第2章沼氣技術(shù)基礎(chǔ)2.1沼氣發(fā)酵基本原理主要內(nèi)容：2.2沼氣發(fā)酵微生物學(xué)2.3沼氣發(fā)酵微生物學(xué)的分離培養(yǎng)

方法22.1沼氣的發(fā)酵的基本原理2.1.1沼氣的基本知識(shí)由有機(jī)物在隔絕空氣和一定溫度、濕度、酸堿度等條件下，經(jīng)微生物的作用而產(chǎn)生的一種可燃性氣體最先在沼澤中發(fā)現(xiàn)的，所以稱之為沼氣32.1沼氣的發(fā)酵的基本原理2.1.1沼氣的基本知識(shí)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?dú)獾龋?%沼氣≠天然氣沼氣與天然氣的區(qū)別42.1沼氣的發(fā)酵的基本原理沼氣的性質(zhì)沼氣的主要成分是甲烷，故沼氣的性質(zhì)取決于甲烷的性質(zhì)物理性質(zhì)：無色、無臭、密度比空氣輕，難溶于水化學(xué)性質(zhì)：化學(xué)式：CH4，正四面體結(jié)構(gòu)，鍵角均為109°28’非極性分子比例模型球棍模型CH4

+2O2=

CO2

+2H2O+35.91MJ52.1沼氣的發(fā)酵的基本原理2.1.2沼氣發(fā)酵過程沼氣發(fā)酵過程，是微生物的物質(zhì)代謝和能量轉(zhuǎn)換過程，在分解過程中沼氣微生物獲得能量和物質(zhì)，以滿足自身生長(zhǎng)和繁殖，同時(shí)大部分物質(zhì)轉(zhuǎn)化為沼氣（甲烷與二氧化碳），其中有機(jī)物90%轉(zhuǎn)化為沼氣，而10%用于微生物自身的代謝。早期一階段理論有機(jī)物甲烷+二氧化碳甲烷細(xì)菌有機(jī)物經(jīng)甲烷細(xì)菌分解而直接產(chǎn)生甲烷與二氧化碳。62.1沼氣的發(fā)酵的基本原理二階段理論

對(duì)復(fù)雜有機(jī)物的發(fā)酵產(chǎn)甲烷過程，后期研究認(rèn)為厭氧消化過程分為兩個(gè)階段——酸性發(fā)酵和堿性發(fā)酵階段，其中：

酸性發(fā)酵──產(chǎn)酸菌利用胞外酶將復(fù)雜的大分子水解成小分子，并進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為有機(jī)酸。此階段也稱產(chǎn)酸階段。

堿性發(fā)酵──甲烷細(xì)菌利用上階段產(chǎn)生的有機(jī)酸為底物，生成甲烷和CO2。此階段又稱為產(chǎn)氣階段。補(bǔ)充知識(shí)：所謂發(fā)酵，指氫供體和受氫體都是有機(jī)化合物的生物氧化作用7二階段理論的發(fā)展2.1沼氣的發(fā)酵的基本原理

1936年由Barker首次提出，簡(jiǎn)要描述了沼氣的發(fā)酵過程，該理論認(rèn)為沼氣發(fā)酵可分為兩個(gè)階段，即產(chǎn)酸階段和產(chǎn)甲烷階段。由于兩階段理論解釋了沼氣發(fā)酵的主要過程，且對(duì)實(shí)際工程有很好的指導(dǎo)作用，因此，目前應(yīng)用仍較為廣泛；8三階段理論的提出2.1沼氣的發(fā)酵的基本原理甲烷三階段形成模式圖92.1沼氣的發(fā)酵的基本原理第一階段：水解階段兼性和部分轉(zhuǎn)性厭氧細(xì)菌發(fā)揮作用，復(fù)雜的大分子有機(jī)物被胞外酶水解成為小分子的溶解性有機(jī)物，如單糖，氨基酸與脂肪酸等。補(bǔ)充知識(shí)：水解是指有機(jī)物進(jìn)入微生物細(xì)胞前，在胞外進(jìn)行的生物化學(xué)反應(yīng)，微生物通過釋放胞外自由酶或連接在細(xì)胞外壁上的固定酶來完成生物的催化反應(yīng)。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(yōu)桿菌屬）

Bifidobacterium（雙歧桿菌屬）Streptococcus（鏈球菌屬）以及一些腸道菌10一、論文研究背景2.1沼氣的發(fā)酵的基本原理第二階段：酸化階段（產(chǎn)乙酸過程）首先，溶解性有機(jī)物由兼性或?qū)Ｐ詤捬跫?xì)菌經(jīng)發(fā)酵作用轉(zhuǎn)化為有機(jī)酸、醇、醛、CO2和H2。其次，專性厭氧的產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸細(xì)菌將上階段的產(chǎn)物（有機(jī)酸、醇、醛）進(jìn)一步利用，生成乙酸和H2、CO2；同時(shí)同型產(chǎn)乙酸細(xì)菌將H2和CO2合成乙酸，有時(shí)也將乙酸分解成H2和CO2，故也可分細(xì)分為酸化階段與產(chǎn)乙酸階段兩個(gè)階段。補(bǔ)充知識(shí)：酸化是一類典型的發(fā)酵過程，微生物的代謝產(chǎn)物主要是各種有機(jī)酸。水解酸化的目的是為混合厭氧消化過程的甲烷發(fā)酵提供底物。11產(chǎn)乙酸階段涉及的微生物群落：2.1沼氣的發(fā)酵的基本原理產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌：產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸細(xì)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(chǎn)物的降解生成乙酸、氫氣和二氧化碳。有機(jī)酸產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌乙酸+二氧化碳+水同型產(chǎn)乙酸菌：這是一類既能自養(yǎng)生活能異養(yǎng)生活的混合營(yíng)養(yǎng)型細(xì)菌。它們既能利用H2+CO2生成乙酸，也能代謝產(chǎn)生乙酸。二氧化碳+水同型產(chǎn)乙酸菌乙酸122.1沼氣的發(fā)酵的基本原理第三階段：產(chǎn)甲烷階段產(chǎn)甲烷菌（最嚴(yán)格的專性厭氧菌）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(chǎn)生甲烷。由二氧化碳和氫氣產(chǎn)生甲烷反應(yīng)為：

CO2+4H2→CH4+H2O

由乙酸或乙酸化合物產(chǎn)生甲烷反應(yīng)為：

CH3COOH→CH4+CO2;

CH3COONH4+H2O→CH4+NH4HCO3

甲烷產(chǎn)生途徑132.1沼氣的發(fā)酵的基本原理沼氣發(fā)酵過程中的能量分配圖在沼氣形成的過程中，大概有30%左右的甲烷來自于氫氣的氧化和二氧化碳的還原，另外有70%左右來自于乙酸（乙酸鹽）。142.1沼氣的發(fā)酵的基本原理碳水化合物的發(fā)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(shí)可用(C6H10O5)x表示，是秸稈的主要成分，其發(fā)酵過程如下：(C6H10O5)x+xH2OxC6H12O6酶xC6H12O6發(fā)酵有機(jī)酸+醇類有機(jī)酸醇類CH3COOH+H2第一階段第二階段第三階段4H2+CO2CH4+2H2O2CH3COOH2CH4+2CO215脂類的發(fā)酵過程2.1沼氣的發(fā)酵的基本原理

包括脂肪和油類，是污水中常見的有機(jī)物。其發(fā)酵過程如下：第1階段脂肪油類+

H2OR-CH2COOH+CH2OHCHOHCH2OH酶脂肪酸甘油第2階段CH3(CH2)16COOH+16H2O9CH3COOH+16H2脂肪酸分解成乙酸和氫氣。例如第3階段9CH3COOH9CH4+9CO216H2+4CO24CH4+8H2O以脂質(zhì)為基質(zhì)時(shí)，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(chǎn)生的。16一、包論文皇研究轉(zhuǎn)背景蛋白乎質(zhì)的綿發(fā)酵倆過程2.衫1沼氣億的發(fā)掛酵的使基本掉原理蛋白能質(zhì)是由拌若干鐵個(gè)氨貞基酸受分子牧組成惜的高承分子競(jìng)化合民物，蒜其消謀化過隊(duì)程如鳳下：第1階段蛋白晚質(zhì)+賠H2O氨基帳酸（R）酶發(fā)酵有機(jī)疤酸+謝NH4HC糾O3R-C-COOH

NH2

H氨基保酸通踢式為R-C-COOH

NH2

H第2階段有機(jī)籮酸CH3CO梅OH驢+高H2第3階段CH3CO籍OH融CH4+掛CO24H2+雅CO2CH4+停2H2O蛋白態(tài)質(zhì)為帖原料句進(jìn)行嫌發(fā)酵波的沼位氣中江甲烷含量脖為73澆%，其弦中72麻%是通戒過乙禿酸途失徑產(chǎn)桃生的，蛋白鄙質(zhì)水餡解產(chǎn)左生的NH4和CO2可生撓成NH4HC績(jī)O3，這可址提高叛消化丙液的泛堿度瓜，并柿提高pH值。尼有些墾含硫猴氨基覺酸，黨如胱壘氨酸陜、蛋被氨酸陣等，參可分不解產(chǎn)妻生H2S、形敢成臭劇味和憑一定寶的腐斑蝕性。172.薦1沼氣雜的發(fā)禿酵的傲基本旅原理182.修2沼氣未發(fā)酵兆微生熱物學(xué)2.和2.掃1沼氣褲發(fā)酵臺(tái)微生崖物的愿種類桌和數(shù)范量不產(chǎn)謀甲烷膝群落能將復(fù)享雜的壺大分甩子有為機(jī)物鈔變成濾簡(jiǎn)單母的小賴分子懂量的物質(zhì)蜻；種練類繁幻玉多，桶包括室轉(zhuǎn)性耕厭氧罷菌、往兼性薯厭氧草菌與誓好氧走菌，趕其中專性址厭氧誰菌占繡絕大朵多數(shù),除細(xì)們菌外屑，還綱包括酸一系益列的寒真菌線與原叫生動(dòng)蟲物等假。產(chǎn)甲厲烷群霜落產(chǎn)甲坊烷菌是沼點(diǎn)氣發(fā)紙酵的透主要成分——甲烷的產(chǎn)繳生者勻。是妥沼氣綁發(fā)酵腔微生添物的桿核心更，它腦們嚴(yán)格錫厭氧，對(duì)旗氧和槍氧化隔劑非昨常敏惱感，超最適瘡宜的pH值范選圍為驚中性滾或微腫堿性。192.田2.模2不產(chǎn)巡壽甲烷米微生寒物2.亭2沼氣究發(fā)酵掘微生將物學(xué)水解章性細(xì)軟菌羧菌摘屬（Cl先os途tr渠id抄iu刑m）降做解淀授粉、陳蛋白居質(zhì)等夠有機(jī)蟲物，折產(chǎn)興生丙明酮、端丁醇屆、丁傭酸、彩乙酸垃和氫阻氣。似桿耽菌屬廳（Ba檢ct置er荒oi揭de樂s）陣降瓜解纖當(dāng)維素良或半汗纖維么素。丁酸攻弧菌菊屬（Bu金ty鍋ri域vi寇br顏io）降匙解脂盾肪、煉蛋白委質(zhì)等真細(xì)尋菌屬孕（Eu孫ba系ct蓬er設(shè)iu脈m）蛋鉆白質(zhì)奧、糖幟類等蝕的分霉解雙歧新桿菌槳屬（Bi屯fi嗓do議ba猴ct簡(jiǎn)er殊iu位m）分啞解蛋練白質(zhì)出等。主要咬功能胞外搬酶作字用固形狠有機(jī)今物溶解博有機(jī)蛛物水解水解搭性細(xì)菌很多枯，以罷上只污列出朝了見絞于厭垃氧消象化中具的主潑要的薦一小帖部分府。這蜻些微杠生物乘的主盟要功岸能是錫通過捉胞外目酶的憂作用叉將固領(lǐng)形有艷機(jī)物土水解魔成溶沿解有瘦機(jī)物樸，再恩將可叛溶性暑的大廊分子盆有機(jī)立物降鼓解成南有機(jī)鋤酸、右醇等薄。20產(chǎn)乙變酸細(xì)丘菌2.覽2沼氣夕發(fā)酵敞微生促物學(xué)包括御產(chǎn)氫忍產(chǎn)乙誕酸菌武與同毯型產(chǎn)發(fā)乙酸扁菌。祖其在寨厭氧窮發(fā)酵瞧中的狼主要?jiǎng)僮饔猛性谟跍缭黾有苄纬烧浼淄闈{的直披接前量提產(chǎn)曉物——乙酸繭。產(chǎn)氫忠產(chǎn)乙墻酸菌互營(yíng)止單細(xì)諸胞菌短屬（Sy漿nt毛ro悟ph溝om魄on獨(dú)as）互營(yíng)未桿菌婦屬（Sy矮nt紡ro腹ph駱ob子ac捆te劃r）羧菌偽屬（Cl壓os司tr煙id青iu引m）暗桿固菌屬家（Pe發(fā)lo誦ba轉(zhuǎn)ct坊er）等竄。主要枝功能胞內(nèi)兔酶作通用揮發(fā)殼性脂激肪酸乙酸完和H2降解這些微吩生物太的主表要功呆能是勁可將浙揮發(fā)糧性脂飾肪酸展降解敢為乙翼酸和H2。這部些菌復(fù)的產(chǎn)挽乙酸肆、產(chǎn)站氫反嗽應(yīng)，免只有僵在氫燒分壓任很低綢時(shí)才從能完句成。212.騎2沼氣亞發(fā)酵搜微生撓物學(xué)同型郊產(chǎn)乙離酸菌羧菌屬鹽（Cl祖os替tr匯id傅iu薄m）醋酸爆桿菌屬（Ac賄et探ob購ac跡te飲r）等。主要噸功能胞內(nèi)每酶作瓜用氫氣州與二分氧化艙碳乙酸代謝糖類或同型亦產(chǎn)乙秒酸菌暴屬于促混合侮?duì)I養(yǎng)睜型，煩既能級(jí)代謝蘇氫氣洞與二游氧化隸碳生土成乙猴酸，返也可神以代寨謝糖使類等畫碳水乓化合囑物產(chǎn)獻(xiàn)生乙斤酸。該細(xì)菌始產(chǎn)生弟乙酸握只占咱乙酸涌總量灑的1%邀-2底%(啊40任℃)、3%純-4座%擦(6泊0℃捎)。產(chǎn)乙浙酸菌傷生長(zhǎng)雄速度遺慢，背在沼適氣發(fā)舟酵過客程中繳的作沒用可私能并纏不重澤要。222.肉2沼氣場(chǎng)發(fā)酵躬微生旬物學(xué)2.騰2.千3產(chǎn)甲斃烷菌產(chǎn)甲窄烷菌絡(luò)是最榴嚴(yán)格鬧厭氧俗的，花能形俗成甲捷烷的討化能走自養(yǎng)稍或化付能異循養(yǎng)的嫁古菌煌群。自然家界中測(cè)最古努老（36億年籌左右樸），帆分布服最廣漠的微沉生物盛。產(chǎn)甲結(jié)烷菌在40虎0n資M光源道照射企下，財(cái)發(fā)出抓藍(lán)綠嫩色熒光，熒光來源幻玉于甲體烷菌英體內(nèi)石的輔腳酶F42藏0產(chǎn)甲鳥烷菌中可賓代謝線乙酸從的甲匯烷菌告不過流兩屬世。大叛多數(shù)擴(kuò)甲烷戶菌是內(nèi)利用仍氫氣組和二芳氧化逃碳生褲成甲環(huán)烷。23產(chǎn)甲到烷菌毫的細(xì)伐胞結(jié)割構(gòu)2.之2沼氣迅發(fā)酵仔微生嗓物學(xué)產(chǎn)甲跑烷菌刑屬于劣古菌連，無催細(xì)胞爭(zhēng)壁、禽胞壁妖質(zhì)特離征，源而富坑含各猴種表姨層蛋丙白。產(chǎn)甲蒜烷菌御的類償群按產(chǎn)壁甲烷跡細(xì)菌處的形習(xí)態(tài)和友可利涉用的通底物堡，可絕將其號(hào)分成3個(gè)亞奏群。a)桿狀說、柳格葉狀比或球扮狀，狗可將H2/C摸O2、甲瞇酸、跪甲醇/H2轉(zhuǎn)化泛成為CH4b)球桿勉狀、出桿狀他、螺美旋狀妻或盤燥狀，它可將H2/C疫O2、甲頌酸、階甲醇/H2轉(zhuǎn)化級(jí)成為CH4c)假八疊狀、甚球狀慕或鞘供桿狀蛙，能墨夠生橫長(zhǎng)于刺三甲液胺或今乙酸晶鹽并尊產(chǎn)CH4242.塞2沼氣粗發(fā)酵店微生冬物學(xué)產(chǎn)甲封烷菌暑的形結(jié)態(tài)史氏甲烷短桿菌亨氏甲烷螺菌布氏甲烷桿菌馬澤氏甲烷八疊球菌2.貧2沼氣敲發(fā)酵它微生經(jīng)物學(xué)甲烷單菌的特性嚴(yán)格狡的厭捆氧環(huán)巴境；適宜互生長(zhǎng)哈的pH范圍6.棟8~之7.王4;只能鴉利用乎少數(shù)角幾種刪簡(jiǎn)單噴的化巷合物淹作為懶其營(yíng)境養(yǎng)原簡(jiǎn)料；適宜基溫度雜分為河中溫?cái)D（35宅~3事7℃）兄與高糕溫（50粗~5冶5℃）；代謝艷產(chǎn)物增主要失為CH4與CO2；生長(zhǎng)哲緩慢嘉，世沾代周距期長(zhǎng)趕（幾直天~幾十化天）時(shí)；都是句原核帖生物芽；262.哲2.兆4沼氣肉發(fā)酵舊微生許物的知生態(tài)也環(huán)境2.孩2沼氣劣發(fā)酵訓(xùn)微生句物學(xué)淡水促沉積赴物和千水稻睛田沼氣件發(fā)酵量微生躍物在你自然暴界分穗布廣襯泛，劃特別剛是在忽沼澤窮、糞賴池、孟污水硬池和老各種甜有機(jī)棍污泥悔中極旗為豐搶富。海洋竄和地?fù)豳|(zhì)深膜層沉滋積物地?zé)崦厣鷳B(tài)膀環(huán)境動(dòng)物甘瘤胃錦及腸磨道環(huán)哨境傳統(tǒng)訪發(fā)酵捉釀酒稅窖池其他芬生態(tài)交環(huán)境272.辭2沼氣冊(cè)發(fā)酵韻微生鉆物學(xué)2.嘴2.