甲烷细菌与沼气发酵

1、甲烷细菌与沼气发酵在自然界中的湖泊、池塘、河流、沼泽地，常常看到有许多气泡从底部淤泥中冒 出水面，如果把这些气体收集起来可以点燃，这种气体称沼气。因为沼气最早从 沼泽地发现而得名。沼气是宝贵的生物能源，可以人为产生，对解决能源和环境保护有突出重要 意义。沼气是多种气体的混合气体，包括甲烷占60%70%，CO2占30%35%， H2S、N2、H2和NH3这些气体含量微小，约占沼气的5%左右。在沼气中CH4 含量50%以上就可燃烧。沼气是来自有机物质的分解，但有机物质的分解不一 定都能产生沼气。沼气是在特定的厌氧条件，同时又不存在硝酸盐、硫酸盐和日 光的环境中形成的。形成沼气的过程叫沼气发酵。在沼

2、气发酵过程中二氧化碳为 碳素氧化的终产物，甲烷为碳素还原的终产物。在沼气发酵过程中参与甲烷形成 的细菌统称为甲烷细菌。(一)甲烷细菌的特性是专性严格厌氧菌甲烷细菌都是专性严格厌氧菌，对氧非常敏感，遇氧后会立即受到抑制，不 能生长、繁殖，有的还会死亡。生长繁殖特别缓慢甲烷细菌生长很缓慢，在人工培养条件下需经过十几天甚至几十天才能长出 菌落。据麦卡蒂(McCarty )介绍，有的甲烷细菌需要培养七八十天才能长出菌 落，在自然条件下甚至更长。菌落也相当小，特别是甲烷八叠球菌菌落更小，如 果不仔细观察很容易遗漏。菌落一般圆形、透明、边缘整齐，在荧光显微镜下发 出强的荧光。甲烷细菌生长缓慢的原因，是它可

3、利用的底物很少，只能利用很简 单的物质，如CO2、H2、甲酸、乙酸和甲基胺等。这些简单物质必须由其它发 酵性细菌，把复杂有机物分解后提供给甲烷细菌，所以甲烷细菌一定要等到其它 细菌都大量生长后才能生长。同时甲烷细菌世代时间也长，有的细菌20分钟繁 殖一代，甲烷细菌需几天乃至几十天才能繁殖一代。都是原核生物能形成甲烷的细菌都是原核生物，目前尚未发现真核生物能形成甲烷。甲烷 细菌有球形、杆形、螺旋形，有的呈八叠球状，还有的能联成长链状。培养分离比较困难因为甲烷细菌要求严格厌氧条件，一般培养方法很难达到厌氧，培养分离往 往失败。又因为甲烷细菌和伴生菌生活在一起，菌体大小形态都十分相似，在一 般光学显

4、微镜下不好判明。美国著名微生物学家一一Hungate 50年代培养分离 甲烷细菌获得成功。以后世界上有很多研究者对甲烷细菌进行了培养分离工作， 并对Hungate分离方法进行了改良，能很容易地把甲烷细菌培养分离出来。甲烷细菌在自然界中分布极为广泛，在与氧气隔绝的环境都有甲烷细菌生 长，海底沉积物，河湖淤泥，沼泽地，水稻田以及人和动物的肠道，反刍动物瘤 胃，甚至在植物体内都有甲烷细菌存在。沼气发酵液中甲烷细菌的数量可用MPN法计数，测定接种的试管中有无甲 烷存在，作为计数的数量指标。甲烷细菌数量与甲烷含量成正比，发酵装置运行 越好，甲烷细菌数量越多。作者曾于1991年计数了东北制药总厂用UASB

5、 (上 流式厌氧污泥床)处理制药废水消化液中甲烷细菌数量为4.2X105个-ml-i。另一方面产甲烷细菌利用乙酸、氢和二氧化碳合成甲烷，也消耗了酸和二氧 化碳，甲烷细菌及其伴生菌共同作用使pH稳定在一个适宜范围内，不会使发酵 液中的pH出现对沼气发酵不利的情况。但当发酵条件控制不好，如温度，进料 负荷，原料中的C： N、pH等可能会出现酸化或液料过碱；前者较为多见，这 样会严重影响甲烷细菌的活动，甚至使发酵中断。(二)沼气发酵在自然界中绿色植物经光合作用合成碳水化合物，主要形成糖、淀粉、纤维 素等。纤维素合成的数量最大，贮量也最多，是地球上很难被微生物分解的物质。 在好氧条件下，纤维素可被少数

6、微生物氧化分解，最终产生CO2和H2O。目前 所知绿色木霉是分解纤维素最强的微生物。(C6H10O5) n+nO2f nCO2+nH2O在厌氧条件下，纤维素经厌氧微生物发酵作用最终产生ch4。在自然界形成甲烷的地方主要有沼泽地、水稻田、井地、河湖淤泥及反刍动 物瘤胃。反刍动物瘤胃具有产甲烷的良好条件，所以瘤胃被称为产甲烷的天然高 效能的连续发酵罐。甲烷形成的微生物学过程从有机物质厌氧发酵到形成甲烷，是非常复杂的过程，不是一种细菌所能完 成的，是由很多细菌参与联合作用的结果。联合作用从有机物到甲烷形成，是由很多细菌联合作用的结果。甲烷 细菌在合成的最后阶段起作用。它利用伴生菌所提供的代谢产物h2

7、、co2等合 成甲烷。整个过程可分以下几个阶段：以上几个阶段不是截然分开的，没有明显的界限，也不是孤立进行的，而是 密切联系在一起互相交叉进行的。（2）种间H的转移作用在沼气发酵过程中，产酸菌、伴生菌发酵有机物产 h2, h2又被甲烷细菌用于还原CO2合成ch4。伴生菌和甲烷细菌在发酵过程中形成了共生关系，S-菌系分解乙醇产H2， H2对它继续分解乙醇有阻抑作用，而MOH-菌系可利用H2,这样又为S-菌系清 除了阻抑，两者在一起生活互惠互利，单独存在都生活不了。（3）由乙酸产生甲烷乙酸是有机物在厌氧发酵过程中主要中间代谢产物， 也是形成甲烷的重要中间产物。McCarty实验证明，有机物发酵分解

8、产生乙酸形 成甲烷，约占甲烷总生成量的72%，由其他产物形成甲烷约占28%。由乙酸形 成甲烷过程也是很复杂的，用14C示踪原子试验表明，由乙酸形成甲烷有两种 途径：由乙酸的甲基形成甲烷由乙酸转化为CO2和H2形成甲烷沼气发酵微生物之间的生态关系沼气发酵是一个极其复杂的生物化学过程，包括各种不同类型微生物所完成 的各种代谢途径。这些微生物及其所进行的代谢都不是在孤立的环境中单独进 行，而是在一个混杂的环境中相互影响。它们之间的互相作用包括有不产甲烷细 菌和产甲烷细菌之间的作用；不产甲烷细菌之间的作用和甲烷细菌之间的作用。在沼气发酵过程中，不产甲烷细菌和产甲烷细菌之间，相互依赖，互为对方 创造与维

9、持生命活动所需要的良好环境条件，但它们之间又互相制约，在发酵过 程中总处于平衡状态。它们之间的主要关系表现在下列几方面：不产甲烷细菌为产甲烷细菌提供生长和产甲烷所需要的基质不产甲烷细菌可把各种复杂的有机物，如碳水化合物、脂肪、蛋白质等厌氧 分解生成H2、CO2、nh3、VFA、甲醇、丙酸、丁酸等，丙酸、丁酸还可被氢细 菌和乙酸细菌分解转化成h2、co2和乙酸，为甲烷细菌提供了合成细胞质和形 成甲烷的碳前体，电子供体一一氢供体和氮源，使甲烷细菌利用这些物质最终形 成甲烷。不产甲烷细菌为产甲烷细菌创造了适宜的氧化还原电位条件在沼气发酵初期，由于加料过程中使空气带入发酵装置，液体原料里也有溶 解氧，

10、这显然对甲烷细菌是很有害的。氧的去除需要依赖不产甲烷细菌的氧化能 力把氧用掉。因此，降低了氧化还原电位。在发酵装置中，各种厌氧性微生物如 纤维素分解菌、硫酸盐还原细菌、硝酸盐还原细菌、产氨细菌、产乙酸细菌等， 对氧化还原电位的适应性也各不相同，通过这些细菌有顺序地交替生长活动，使 发酵液料中氧化还原电位不断下降，逐步为甲烷细菌的生长创造了适宜的氧化还 原电位条件，使甲烷细菌能很好的生长。不产甲烷细菌为产甲烷细菌清除了有害物质以工业废水或废弃物为发酵原料时，原料里可能含酚类、氤化物、苯甲酸、 长链脂肪酸和一些重金属离子等。这些物质对甲烷细菌是有毒害作用的，但不产 甲烷细菌中有许多种能裂解苯环，有

11、些细菌还能以氤化物作碳源和能源，也有的 细菌能分解长链脂肪酸生成乙酸。这些作用不仅解除了对甲烷细菌的毒害，而且 又给甲烷细菌提供了养料。此外有些不产甲烷细菌的代谢产物硫化氢，可以和一 些重金属离子作用，生成不溶性的金属硫化物，从而解除了一些重金属离子的毒 害作用。H2S+Cu2+-CuS I+2H+H2S+pH2+PbS I+2H+H2S浓度也不能过高，当H2S大于150X10-6，对甲烷细菌也有毒害。产甲烷细菌又为不产甲烷细菌的生化反应解除了反馈抑制不产甲烷细菌的发酵产物可以抑制产氢细菌的继续产氢，酸的积累可以抑制 产酸细菌的继续产酸。当厌氧消化器中乙酸浓度超过3X10-3时，就会产生酸化，

12、 使厌氧消化不能很好的进行下去，会使沼气发酵失败。要维持良好的厌氧消化效 果，乙酸浓度在0.3X10-3左右较好。在正常沼气发酵工程系统中，产甲烷细菌 能连续不断地利用不产甲烷细菌产生的氢、乙酸、CO2等合成甲烷，不致有氢和 酸的积累，因此解除了不产甲烷细菌产生的反馈抑制，使不产甲烷细菌就能继续 正常生活，又为甲烷细菌提供了合成甲烷的碳前体。不产甲烷细菌和产甲烷细菌共同维持环境中适宜的pH值在沼气发酵初期，不产甲烷细菌首先降解原料中的糖类、淀粉等产生大量的 有机酸、CO2, CO2又能部分溶于水形成碳酸，使发酵液料中pH值明显下降。 但是不产甲烷细菌类群中还有一类细菌叫氨化细菌，能迅速分解蛋白

13、质产生氨， 氨可中和部分酸。发酵产甲烷发酵可以被定义为有机化合物既作为电子受体也作为电子供体的生物降解过 程，在此过程中有机物被转化成以挥发性脂肪酸为主的末端产物。酸化过程是由大量的、多种多样的发酵细菌来完成的，在这些细菌中大部分 是专性厌氧菌，只有1%是兼性厌氧菌，但正是这1%的兼性菌在反应器受到氧 气的冲击时，能迅速消耗掉这些氧气，保持废水低的氧化还原电位，同时也保护 了产甲烷菌的运行条件。酸化过程的底物取决于厌氧降解的条件、底物种类和参与酸化的微生物种群。 对于一个稳态的反应器来说，乙酸、二氧化碳、氢气则是酸化反应的最主要产物。 这些都是产甲烷阶段所需要的底物。在这个阶段产生两种重要的厌

14、氧反应是否正常的底物就是挥发性脂肪酸(VFA)和氨氮。VFA过高会使废水的PH下降，逐渐影响到产甲烷菌的正常进行， 使产气量减小，同时整个反应的自然碱度也会较少，系统平衡PH的能力减弱， 整个反应会形成恶性循环，使得整个反应器最终失败。氨氮它起到一个平衡的作 用，一方面，它能够中和一部分VFA，使废水PH具有更大的缓冲能力，同时又 给生物体合成自生生长需要的营养物质，但过高的氨氮会给微生物带来毒性，废 水中的氨氮主要是由于蛋白质的分解带来的，典型的生活污水中含有20-50mg/l 左右的氨氮，这个范围是厌氧微生物非常理想的范围。另外一个重要指标就是废水中氢气的浓度，以含碳17的脂肪酸降解为例：

15、CH3(CH2)15COO-+14H2O 7CH3COO-+CH3CH2COO-+7H+14脂肪酸的降解都会产生大量的氢气，如果要使上述反应得以正常进行， 必须在下一反应中消耗掉足够的氢气，来维持这一反应的平衡。如果废水的氢气 指标过高，表明废水的产甲烷反应已经受到严重抑制，需要进行修复，一般来说 氢气浓度升高是伴随PH指标降低的，所以不难监测到废水中氢气的变化情况， 但废水本身有一定的缓冲能力，所以完全通过PH下降来判断氢气浓度的变化有 一定的滞后性，所以通过监测废水中氢气浓度的变化是对整个反应器反应状态一 个最快捷的表现形式。产乙酸反应发酵阶段的产物挥发性脂肪酸VFA在产乙酸阶段进一步降解

16、成乙酸，其常用反应 式如以下几种：CH3CHOHCOO-+2H2O CH3COO-+HCO3-+H+2H2 G0=-4.2KJ/MOLCH3CH2OH+H2O-CH3COO-+H+2H2OG0=9.6KJ/MOLCH3CH2CH2COO-+2H2O- 2CH3COO-+H+2H2G0=48.1KJ/MOLCH3CH2COO-+3H2O- CH3COO-+HCO3-+H+3H2G0=76.1KJ/MOL4CH3OH+2CO2- 3CH3COO-+2H2OG0=-2.9KJ/MOL2HCO3-+4H2+H+ - CH3COO-+4H2OG0=-70.3KJ/MOL从上面的反应方程式可以看出，乙醇、

17、丁酸和丙酸不会被降 解，但由于后续反应中氢的消耗，使得反应能够向右进行，在一阶段，氢的平衡 显得更加重要，同时后续的产甲烷过程为这一阶段的转化提供能量。实际上这一 阶段和前面的发酵阶段都是由同一类细菌完成，都在细菌体内进行，并且产物排放到水体中，界限并没有十分清楚，在设计反应器时，没有足够的理由把他们分 开。六产甲烷反应在厌氧反应中，大约有70%左右的甲烷由乙酸歧化菌产生，这也 是这几个阶段中遵循莫诺方程反应的阶段。另一类产生甲烷的微生物是由氢气和二氧化碳形成的。在正常条 件下，他们大约占30%左右。其中约有一般的嗜氢细菌也能利用甲酸产生甲烷。 最主要的产甲烷过程反应有：CH3COO-+H2O

18、CH4+HCO3-G0=-31.0KJ/M0LHC03-+H+4H2 - CH4+3H20G0=-135.6KJ/MOL4CH3OH 3CH4+CO2+2H2OG0=-312KJ/MOL4HCOO-+2H+ CH4+CO2+2HCO3-G0=-32.9KJ/MOL在甲烷的形成过程中，主要的中间产物是甲基辅酶M (CH3-S-CH2-SO3-)。在甲基辅酶M还原成甲烷的过程中，需要作用非常重要的甲基还原酶，其中含 有重要的金属离子Ni+。这对生活污水来说是比较缺乏微量金属离子，所以在生 活污水的厌氧生物处理过程中补充一定的微量金属离子是非常必要的。七低浓度废水反应速率的选择以生活污水为例，一般来

19、说影响废水厌氧反应速率的因素有很多，包括反应温度、 废水的毒性、原水基质浓度、原水的PH值、传质效率、营养物质的平衡、微量 元素的催化作用等等。对于生活污水来说，影响比较大的因素有反应温度、原水 的基质浓度、传质效率以及微量元素的催化。因为生活污水的营养比和PH值被 公认为非常适合生物的生长的。在前面的叙述中，已经提及了厌氧反应的前三个 阶段对于生活污水来说，很快就可以完成，尤其水解阶段，不存在传质的限制， 同时通常长距离的管网也给水解提供了足够的时间。因此我们提出的厌氧处理低 浓度废水设计思想中，主要考虑产甲烷过程作为限速步骤。由于产甲烷阶段遵循莫诺方程，整个速率的确定以莫诺方程为基础。生物

20、反应速率 KgCOD/KgMLSS.du max 生物最大反应速率KgCOD/KgMLSS.dP废水中基质浓度mg/lKs-半反应速率常数mg/l在上式中，很难把总体反应的Ks值估算出来，因为它受到的影响 因素很多，对于不同类型的废水差别很大。对于生活污水来说可以根据不同的单 个因素影响列成很多分式莫诺方程，最后各式相乘再加上修正系数，这个方程可 以得出比较接近的Ks值，作为厌氧处理生活污水时的参考设计数据。具体思想如下：1、假定条件：a、厌氧处理该污水过程中主要受温度、传质速率、 基质浓度以及微量元素的影响；b、微量元素可以通过外界条件的干预给予补充； c、反应器为一体化反应器；d、产甲烷单

21、元反应也近似遵循莫诺方程。2、模型总体方程Kst-温度响应半反应速率常数mg/lKsv 传质速率半反应速率常数mg/lK-修正系数在上式中，Kst针对不同的废水是可以确定的，Ksv对不同的反应 器差别比较大，我们可以通过外界干预给以降低到一固定值偏差不大的范围内， 比如通过强制搅拌或是提高反应器的高径比，出水回流都是比较好的解决办 法。通过众多的工程实例以及文献报道，初步确定Kst在15摄氏度时 针对生活污水值为3200mg/l左右。Ksv在有搅拌足够的情况下15摄氏度时针对 生活污水值为532mg/l。K值在重庆地区可以取0.85，max按照碳水化合物可 取5KgCOD/KgMLSS.d，这

22、样针对进水浓度为300mg/l的生活污水最大反应速率为： 1 = 5KgC0D/KgMLSS.dX(300/ (3200 + 300)X(300/ (532+300)X0.85= 0.132 KgCOD/KgMLSS.d在一体式反应器中由于出水浓度很低，导致总体反应速率降低， 但对于几种高效厌氧反应器(包括UASB、EGSB、IC内循环反应器、流化床、上 流式厌氧生物滤池)可以假设其为推流式厌氧反应器，浓度随反应器高度的增加 均匀的减少，即反应器中的浓度分布与高度成反比。这样我们可以通过设定的出 水浓度计算一个反应器最低反应速率，最后取平均值就得到整个反应器的平均反 应速率。同样根据前面的莫诺

23、模型，得出出水C0D = 80mg/l的厌氧反应速率: 2 = 5KgCOD/KgMLSS.dX(80/ (3200 + 80)X(80/ (532+80)X0.85= 0.014 KgCOD/KgMLSS.d所以反应器的平均反应速率为U=(U1+U 2) /2 = 0.073 KgCOD/KgMLSS.d如果我们能够在反应器内保持稳定的污泥浓度为20KgMLSS/m3, 则整个反应器的容积反应速率为FV = 0.073 KgCOD/KgMLSS.dX20KgMLSS/m3= 1.46 KgCOD/m3.d在实际反应器的设计时，需要考虑污泥、气体、液体分离的容积， 反应部分容积只占整个反应器容

24、积的40%，这样实际整个反应器设计平均负荷 变为：FV = 1.46 KgCOD/m3.dX0.4 = 0.99 KgCOD/m3.d核算停留时间为：HRT = 7.5h八 中试与工程应用应注意的问题通过上述实验室里理论的研究和推断，采用新型高效厌氧反应器 处理城市污水完全是可行的。在中试和工程设计中，我们应该从上述分析角度出 发，完善厌氧系统，以下措施是必要的：1、在反应器的形式上优先考虑推流式的活塞反应器；2、为了减少低浓度时，基质传质速率(包括液相中的有机物向菌 胶团或颗粒污泥传质以及细胞壁外向细胞壁内传质)对整个反应速率的影响，在 反应器底部投加一定数量的活性炭作为载体是非常有必要的，但考虑到沼气和布 水的影响，投加数量不宜过多，初步考虑为40g/L颗粒状活性炭；3、建议在反应器的上部设置气、水、固三相分离系统；4、设置一套完善的出水回流系统，并可以调节回流量，用仪表显 示并控制；5、出水设置MLSS浓度计加以监测，随时了解反应器的污泥情 况；6、在反应器的底部、中部、顶部设置碱度监测系统，随时监测反 应器内的生物反应条件；7、设置一套启动用的营养物质和微量元素添加系统是十分有必要的;8、设置温度传感器，了解原水水温的变化对反应器的冲击影响；9、进水设置流量传感器和有机物在线监测仪器，并通过程序加以 显示到中央控制室中，随时计