第二章沼气技术基础

1第2章沼气技术基础2.1沼气发酵基本原理主要内容：2.2沼气发酵微生物学2.3沼气发酵微生物学的分离培养

方法22.1沼气的发酵的基本原理2.1.1沼气的基本知识由有机物在隔绝空气和一定温度、湿度、酸碱度等条件下，经微生物的作用而产生的一种可燃性气体最先在沼泽中发现的，所以称之为沼气32.1沼气的发酵的基本原理2.1.1沼气的基本知识沼气的组成甲烷：60%二氧化碳：35%其他气体（水蒸气、硫化氢、一氧化碳、氮气等）：5%沼气≠天然气沼气与天然气的区别42.1沼气的发酵的基本原理沼气的性质沼气的主要成分是甲烷，故沼气的性质取决于甲烷的性质物理性质：无色、无臭、密度比空气轻，难溶于水化学性质：化学式：CH4，正四面体结构，键角均为109°28’非极性分子比例模型球棍模型CH4

+2O2=

CO2

+2H2O+35.91MJ52.1沼气的发酵的基本原理2.1.2沼气发酵过程沼气发酵过程，是微生物的物质代谢和能量转换过程，在分解过程中沼气微生物获得能量和物质，以满足自身生长和繁殖，同时大部分物质转化为沼气（甲烷与二氧化碳），其中有机物90%转化为沼气，而10%用于微生物自身的代谢。早期一阶段理论有机物甲烷+二氧化碳甲烷细菌有机物经甲烷细菌分解而直接产生甲烷与二氧化碳。62.1沼气的发酵的基本原理二阶段理论

对复杂有机物的发酵产甲烷过程，后期研究认为厌氧消化过程分为两个阶段——酸性发酵和碱性发酵阶段，其中：

酸性发酵──产酸菌利用胞外酶将复杂的大分子水解成小分子，并进一步转化为有机酸。此阶段也称产酸阶段。

碱性发酵──甲烷细菌利用上阶段产生的有机酸为底物，生成甲烷和CO2。此阶段又称为产气阶段。补充知识：所谓发酵，指氢供体和受氢体都是有机化合物的生物氧化作用7二阶段理论的发展2.1沼气的发酵的基本原理

1936年由Barker首次提出，简要描述了沼气的发酵过程，该理论认为沼气发酵可分为两个阶段，即产酸阶段和产甲烷阶段。由于两阶段理论解释了沼气发酵的主要过程，且对实际工程有很好的指导作用，因此，目前应用仍较为广泛；8三阶段理论的提出2.1沼气的发酵的基本原理甲烷三阶段形成模式图92.1沼气的发酵的基本原理第一阶段：水解阶段兼性和部分转性厌氧细菌发挥作用，复杂的大分子有机物被胞外酶水解成为小分子的溶解性有机物，如单糖，氨基酸与脂肪酸等。补充知识：水解是指有机物进入微生物细胞前，在胞外进行的生物化学反应，微生物通过释放胞外自由酶或连接在细胞外壁上的固定酶来完成生物的催化反应。水解阶段涉及微生物群落：

Clostridium（梭菌属）Bacteroides（拟杆菌属）Butyrivibrio（丁酸弧菌属）Eubacterium（优杆菌属）

Bifidobacterium（双歧杆菌属）Streptococcus（链球菌属）以及一些肠道菌10一、论文研究背景2.1沼气的发酵的基本原理第二阶段：酸化阶段（产乙酸过程）首先，溶解性有机物由兼性或专性厌氧细菌经发酵作用转化为有机酸、醇、醛、CO2和H2。其次，专性厌氧的产氢产乙酸细菌将上阶段的产物（有机酸、醇、醛）进一步利用，生成乙酸和H2、CO2；同时同型产乙酸细菌将H2和CO2合成乙酸，有时也将乙酸分解成H2和CO2，故也可分细分为酸化阶段与产乙酸阶段两个阶段。补充知识：酸化是一类典型的发酵过程，微生物的代谢产物主要是各种有机酸。水解酸化的目的是为混合厌氧消化过程的甲烷发酵提供底物。11产乙酸阶段涉及的微生物群落：2.1沼气的发酵的基本原理产氢产乙酸菌：产氢产乙酸细菌是厌氧消化过程中一组重要的微生物类群,它参与丙酸,丁酸等中间的代谢产物的降解生成乙酸、氢气和二氧化碳。有机酸产氢产乙酸菌乙酸+二氧化碳+水同型产乙酸菌：这是一类既能自养生活能异养生活的混合营养型细菌。它们既能利用H2+CO2生成乙酸，也能代谢产生乙酸。二氧化碳+水同型产乙酸菌乙酸122.1沼气的发酵的基本原理第三阶段：产甲烷阶段产甲烷菌（最严格的专性厌氧菌）利用乙酸、氢气和一碳化合物（二氧化碳、一氧化碳、甲醇、甲酸、甲基胺）产生甲烷。由二氧化碳和氢气产生甲烷反应为：

CO2+4H2→CH4+H2O

由乙酸或乙酸化合物产生甲烷反应为：

CH3COOH→CH4+CO2;

CH3COONH4+H2O→CH4+NH4HCO3

甲烷产生途径132.1沼气的发酵的基本原理沼气发酵过程中的能量分配图在沼气形成的过程中，大概有30%左右的甲烷来自于氢气的氧化和二氧化碳的还原，另外有70%左右来自于乙酸（乙酸盐）。142.1沼气的发酵的基本原理碳水化合物的发酵过程碳水化合物包括纤维素、半纤维素和淀粉等，属于多糖类，同时可用(C6H10O5)x表示，是秸秆的主要成分，其发酵过程如下：(C6H10O5)x+xH2OxC6H12O6酶xC6H12O6发酵有机酸+醇类有机酸醇类CH3COOH+H2第一阶段第二阶段第三阶段4H2+CO2CH4+2H2O2CH3COOH2CH4+2CO215脂类的发酵过程2.1沼气的发酵的基本原理

包括脂肪和油类，是污水中常见的有机物。其发酵过程如下：第1阶段脂肪油类+

H2OR-CH2COOH+CH2OHCHOHCH2OH酶脂肪酸甘油第2阶段CH3(CH2)16COOH+16H2O9CH3COOH+16H2脂肪酸分解成乙酸和氢气。例如第3阶段9CH3COOH9CH4+9CO216H2+4CO24CH4+8H2O以脂质为基质时，最终甲烷化气体中的甲烷含量为72%，其中69%是由乙酸分解产生的。16一、包论文皇研究转背景蛋白乎质的绵发酵俩过程2.衫1沼气亿的发挂酵的使基本掉原理蛋白能质是由拌若干铁个氨贞基酸受分子牧组成惜的高承分子竞化合民物，蒜其消谋化过队程如凤下：第1阶段蛋白晚质+赔H2O氨基帐酸（R）酶发酵有机疤酸+谢NH4HC纠O3R-C-COOH

NH2

H氨基保酸通踢式为R-C-COOH

NH2

H第2阶段有机箩酸CH3CO梅OH驴+高H2第3阶段CH3CO籍OH融CH4+挂CO24H2+雅CO2CH4+停2H2O蛋白态质为帖原料句进行嫌发酵波的沼位气中江甲烷含量脖为73浇%，其弦中72麻%是通戒过乙秃酸途失径产桃生的，蛋白鄙质水馅解产左生的NH4和CO2可生挠成NH4HC绩O3，这可址提高叛消化丙液的泛碱度瓜，并柿提高pH值。尼有些垦含硫猴氨基觉酸，党如胱垒氨酸陕、蛋被氨酸阵等，参可分不解产妻生H2S、形敢成臭剧味和凭一定宝的腐斑蚀性。172.荐1沼气杂的发秃酵的傲基本旅原理182.修2沼气未发酵兆微生热物学2.和2.扫1沼气裤发酵台微生崖物的愿种类桌和数范量不产谋甲烷膝群落能将复享杂的壶大分甩子有为机物钞变成滤简单母的小赖分子懂量的物质蜻；种练类繁幻玉多，桶包括室转性耕厌氧罢菌、往兼性薯厌氧草菌与誓好氧走菌，赶其中专性址厌氧谁菌占绣绝大朵多数,除细们菌外屑，还纲包括酸一系益列的寒真菌线与原叫生动虫物等假。产甲厉烷群霜落产甲坊烷菌是沼点气发纸酵的透主要成分——甲烷的产缴生者匀。是妥沼气绑发酵腔微生添物的杆核心更，它脑们严格锡厌氧，对旗氧和枪氧化隔剂非昨常敏恼感，超最适疮宜的pH值范选围为惊中性滚或微肿碱性。192.田2.模2不产巡寿甲烷米微生寒物2.亭2沼气究发酵掘微生将物学水解章性细软菌羧菌摘属（Cl先os途tr渠id抄iu刑m）降做解淀授粉、陈蛋白居质等够有机虫物，折产兴生丙明酮、端丁醇届、丁佣酸、彩乙酸垃和氢阻气。似杆耽菌属厅（Ba检ct置er荒oi揭de乐s）阵降瓜解纤当维素良或半汗纤维么素。丁酸攻弧菌菊属（Bu金ty锅ri域vi寇br颜io）降匙解脂盾肪、炼蛋白委质等真细寻菌属孕（Eu孙ba系ct蓬er设iu脉m）蛋钻白质奥、糖帜类等蚀的分霉解双歧新杆菌桨属（Bi屯fi嗓do议ba猴ct简er殊iu位m）分哑解蛋练白质出等。主要咬功能胞外搬酶作字用固形狠有机今物溶解博有机蛛物水解水解搭性细菌很多枯，以罢上只污列出朝了见绞于厌垃氧消象化中具的主泼要的荐一小帖部分府。这蜻些微杠生物乘的主盟要功岸能是锡通过捉胞外目酶的忧作用叉将固领形有艳机物土水解魔成溶沿解有瘦机物朴，再恩将可叛溶性暑的大廊分子盆有机立物降鼓解成南有机锄酸、右醇等薄。20产乙变酸细丘菌2.览2沼气夕发酵敞微生促物学包括御产氢忍产乙诞酸菌武与同毯型产发乙酸扁菌。祖其在寨厌氧穷发酵瞧中的狼主要胜作用托在于灭增加熊形成珍甲烷浆的直披接前量提产晓物——乙酸茧。产氢忠产乙墙酸菌互营止单细诸胞菌短属（Sy浆nt毛ro悟ph沟om魄on独as）互营未杆菌妇属（Sy矮nt纺ro腹ph骆ob子ac捆te划r）羧菌伪属（Cl压os司tr烟id青iu引m）暗杆固菌属家（Pe发lo诵ba转ct坊er）等窜。主要枝功能胞内兔酶作通用挥发壳性脂激肪酸乙酸完和H2降解这些微吩生物太的主表要功呆能是劲可将浙挥发粮性脂饰肪酸展降解敢为乙翼酸和H2。这部些菌复的产挽乙酸肆、产站氢反嗽应，免只有僵在氢烧分压任很低绸时才从能完句成。212.骑2沼气亚发酵搜微生挠物学同型郊产乙离酸菌羧菌属盐（Cl祖os替tr汇id傅iu薄m）醋酸爆杆菌属（Ac贿et探ob购ac迹te饮r）等。主要吨功能胞内每酶作瓜用氢气州与二分氧化舱碳乙酸代谢糖类或同型亦产乙秒酸菌暴属于促混合侮营养睁型，烦既能级代谢苏氢气洞与二游氧化隶碳生土成乙猴酸，返也可神以代寨谢糖使类等画碳水乓化合嘱物产献生乙斤酸。该细菌始产生弟乙酸握只占咱乙酸涌总量洒的1%邀-2底%(啊40任℃)、3%纯-4座%擦(6泊0℃捎)。产乙浙酸菌伤生长雄速度遗慢，背在沼适气发舟酵过客程中缴的作没用可私能并缠不重泽要。222.肉2沼气场发酵躬微生旬物学2.腾2.千3产甲毙烷菌产甲窄烷菌络是最榴严格闹厌氧俗的，花能形俗成甲捷烷的讨化能走自养稍或化付能异循养的嫁古菌煌群。自然家界中测最古努老（36亿年筹左右朴），帆分布服最广漠的微沉生物盛。产甲结烷菌在40虎0n资M光源道照射企下，财发出抓蓝绿嫩色荧光，荧光来源幻玉于甲体烷菌英体内石的辅脚酶F42藏0产甲鸟烷菌中可宾代谢线乙酸从的甲汇烷菌告不过流两属世。大叛多数扩甲烷户菌是内利用仍氢气组和二芳氧化逃碳生裤成甲环烷。23产甲到烷菌毫的细伐胞结割构2.之2沼气迅发酵仔微生嗓物学产甲跑烷菌刑属于劣古菌连，无催细胞争壁、禽胞壁妖质特离征，源而富坑含各猴种表姨层蛋丙白。产甲蒜烷菌御的类偿群按产壁甲烷迹细菌处的形习态和友可利涉用的通底物堡，可绝将其号分成3个亚奏群。a)杆状说、柳格叶状比或球扮状，狗可将H2/C摸O2、甲眯酸、跪甲醇/H2转化泛成为CH4b)球杆勉状、出杆状他、螺美旋状妻或盘燥状，它可将H2/C疫O2、甲颂酸、阶甲醇/H2转化级成为CH4c)假八叠状、甚球状慕或鞘供杆状蛙，能墨够生横长于刺三甲液胺或今乙酸晶盐并尊产CH4242.塞2沼气粗发酵店微生冬物学产甲封烷菌暑的形结态史氏甲烷短杆菌亨氏甲烷螺菌布氏甲烷杆菌马泽氏甲烷八叠球菌2.贫2沼气敲发酵它微生经物学甲烷单菌的特性严格狡的厌捆氧环巴境；适宜互生长哈的pH范围6.栋8~之7.王4;只能鸦利用乎少数角几种删简单喷的化巷合物淹作为懒其营境养原简料；适宜基温度杂分为河中温挤（35宅~3事7℃）兄与高糕温（50粗~5冶5℃）；代谢艳产物增主要失为CH4与CO2；生长哲缓慢嘉，世沾代周距期长赶（几直天~几十化天）时；都是句原核帖生物芽；262.哲2.兆4沼气肉发酵旧微生许物的知生态也环境2.孩2沼气劣发酵训微生句物学淡水促沉积赴物和千水稻睛田沼气件发酵量微生跃物在你自然暴界分穗布广衬泛，划特别刚是在忽沼泽穷、粪赖池、孟污水硬池和老各种甜有机棍污泥悔中极旗为丰抢富。海洋窜和地抚质深膜层沉滋积物地热秘生态膀环境动物甘瘤胃锦及肠磨道环哨境传统访发酵捉酿酒税窖池其他芬生态交环境272.辞2沼气册发酵韵微生钻物学2.嘴2.