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沼气发酵

发稿：2010/2/28 发布者：刘永华来源：点击：483次

1 沼气发酵微生物（联想细菌之间的关系：促进、抑制、竞争等）

　　沼气发酵微生物是一个统称，包括发酵性细菌、产氢产乙酸菌、耗氢产乙酸菌、食氢产甲烷菌、食乙酸产甲烷菌五大类群。五大类群细菌构成一条食物链，从各群细菌的生理代谢产物或它们的活动对发酵液pH值的影响来看，沼气发酵过程可分为水解、产酸和产甲烷阶段。前三类群细菌的活动可使有机物形成各种有机酸，因此，将其统称为不产甲烷菌。后二类群细菌的活动可使各种有机酸转化成甲烷，因此，将其统称为产甲烷菌。

　　（1）不产甲烷菌

　　不产甲烷菌能将复杂的大分子有机物变成简单的小分子量的物质。它们的种类繁多，根据作用基质来分，有纤维分解菌、半纤维分解菌、淀粉分解菌、蛋白质分解菌、脂肪分解菌和一些特殊的细菌，如产氢菌、产乙酸菌等。

　　（2）产甲烷菌

　　产甲烷菌是沼气发酵的主要成分--甲烷的产生者。是沼气发酵微生物的核心，它们严格厌氧，对氧和氧化剂非常敏感，最适宜的pH值范围为中性或微碱性。它们依靠二氧化碳和氢生长，并以废物的形式排出甲烷，是要求生长物质最简单的微生物。

　　2. 沼气发酵的原理（联想微生物生长代谢）

　　沼气发酵又称厌氧消化，是指各种有机物在厌氧条件下，被各类沼气发酵微生物分解转化，最终生成沼气的过程。目前为大家所公认的沼气发酵的过程如图所示:

　　(说明：① I、I I为三阶段理论，②I、II、II、IV、为四类群理论 )

　　3.三阶段理论

　　3.1 沼气发酵过程的液化阶段

　　用作沼气发酵原料的有机物种类繁多，如禽畜粪便、作物秸秆、食品加工废物和废水，以及酒精废料等，其主要化学成分为多糖、蛋白质和脂类。其中多糖类物质是发酵原料的主要成分，它包括淀粉、纤维素、半纤维素、果胶质等。这些复杂有机物大多数在水中不能溶解，必须首先被发酵细菌所分泌的胞外酶水解为可溶性糖、肽、氨基酸和脂肪酸后，才能被微生物所吸收利用。发酵性细菌将上述可溶性物质吸收进入细胞后，经过发酵作用将它们转化为乙酸、丙酸、丁酸等脂肪酸和醇类及一定量的氢、二氧化碳。在沼气发酵测定过程中，发酵液中的乙酸、丙酸、丁酸总量称为中挥发酸(TVA)。蛋白质类物质被发酵性细菌分解为氨基酸，又可被细菌合成细胞物质而加以利用，多余时也可以进一步被分解生成脂肪酸、氨和硫化氢等。蛋白质含量的多少，直接影响沼气中氨及硫化氢的含量，而氨基酸分解时所生成的有机酸类，则可继续转化而生成甲烷、二氧化碳和水。脂类物质在细菌脂肪酶的作用下，首先水解生成甘油和脂肪酸，甘油可进一步按糖代谢途径被分解，脂肪酸则进一步被微生物分解为多个乙酸。

　　3.2 沼气发酵过程的产酸阶段

　　3．2．1 产氢产乙酸菌

　　发酵性细菌将复杂有机物分解发酵所产生的有机酸和醇类，除甲酸、乙酸和甲醇外，均不能被产甲烷菌所利用，必须由产氢产乙酸菌将其分解转化为乙酸、氢和二氧化碳。

　　3．2．2 耗氢产乙酸菌

　　耗氢产乙酸菌也称同型乙酸菌，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 Hz+c0z生成乙酸，也能代谢产生乙酸。通过上述微生物的活动，各种复杂有机物可生成有机酸和Hz／c0z等。

　　3．3 沼气发酵过程中的产甲烷阶段

　　3．3．1 产甲烷菌的类群

　　产甲烷菌包括食氢产甲烷菌和食乙酸产甲烷菌两大类群。在沼气发酵过程中，甲烷的形成是由一群生理上高度专业化的古细菌一产甲烷菌所引起的，产甲烷菌包括食氢产甲烷菌和食乙酸产甲烷菌，它们是厌氧消化过程食物链中的最后一组成员，尽管它们具有各种各样的形态，但它们在食物链中的地位使它们具有共同的生理特性。它们在厌氧条件下将前三群细菌代谢终产物，在没有外源受氢体的情况下把乙酸和 H2／CO2。转化为气体产生-CH4／CO2，使有机物在厌氧条件下的分解作用以顺利完成。目前已知的甲烷产生过程由以上两组不同的产甲烷菌完成。

　　① 由C02和H2产生甲烷反应为：C02+4H4—CH4+ H20

　　② 由乙酸或乙酸化合物产生甲烷反应为：

　　CH3C00H—CH4+CO2 ; CH 3COONH4+ H20—CH4+ NH4 HCO3

　　3．3．2 产甲烷菌的生理特性

　　① 产甲烷菌的生长要求严格厌氧环境

　　产甲烷菌广泛存在于水底沉积物和动物消化道等极端厌氧的环境中。

　　② 产甲烷菌食物简单产甲烷菌只能代谢少数几种碳素底物生成甲烷。

　　③ 产甲烷菌适宜生存在pH值中性条件下

　　④ 产甲烷菌生长缓慢

　　下图为沼气发酵中食物链和能量的分配图：

　　4四类群理论

　　有人按生物化学转化过程(如下图)将发酵过程分为:

　　①水解作用:由棱菌属、拟杆菌属等细菌将碳水化合物和蛋白质等大分子有机质降解为小分子有机化合物，如葡萄糖、氨基酸等；

　　②发酵作用：由梭菌属、拟杆菌属及其他细菌（如乳酸菌类、丙酸杆菌属）进一步将水解的产物降解为小分子的醇类、有机酸类、二氧化碳、氢气、氨气等；

　　③产乙酸和产氢作用：把发酵作用所产生的小分子醇类和一些脂肪酸降解为乙酸、甲酸、二氧化碳和氢。人们对这类细菌了解尚少，甚至连种、属都还没有明确。但已肯定这类细菌所产生的氢对其自身进一步生长繁殖有抑制作用。因此，产乙酸和氢的细菌，必须与能利用氢的细菌，如产甲烷细菌和伍氏乙酸杆菌等共同生存；

　　④产甲烷作用：由产甲烷细菌将前3阶段所产生的氢气、二氧化碳以及甲酸、乙酸、甲醇和甲胺类等转化为甲烷。产甲烷细菌形态多样，但生理特性却大致相同，在缺氧条件下，均以甲烷为主要代谢产物。

　　沼气发酵微生物之间的生态关系

　　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：

　　①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

　　②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

　　③不产甲烷细菌为产甲烷细菌清除了有害物质

　　④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

　　⑤不产甲烷细菌和产甲烷细菌共同维持环境中适宜的pH值

　　5 . 发酵工艺

　　根据发酵原料和发酵条件的不同，所采用的发酵工艺也多种多样。

　　5．1 沼气发酵的基本工艺流程

　　一个完整的大中型沼气发酵工程，无论其规模大小，都包括了如下的工艺流程：原料(废水)的收集、预处理、消化器(沼气池)、出料的后处理和沼气的净化与储存等，如下图所示：

　　5．2 沼气发酵工艺的基本条件（联想微生物培养条件和培养基的制备）

　　（1）适宜的发酵温度

　　沼气池的温度条件分为：①常温发酵 (也称为低温发酵)10℃～30℃，在这个温度条件下，产气率可为0．15～0．3 m3／m3•d。② 中温发酵 30℃～ 45℃，在这个温度条件下，池容产气率可达1m3 ／m3•d左右。③高温发酵45℃～ 6O℃，在这个温度条件下，池容产气率可达2～2．5 m3／m3•d左右。沼气发酵最经济的温度条件是35℃ ，即中温发酵。

　　（2）适宜的发酵液浓度

　　发酵液的浓度范围是2～30% 。浓度愈高产气愈多。发酵液浓度在20%以上称为干发酵。农村户用沼气池的发酵液浓度可根据原料多少和用气需要以及季节变化来调整。夏季以温补料浓度为5～6%；冬季以料补温10～ 12%。

　　（3）发酵原料中适宜的碳、氮比例(C：N)

　　沼气发酵微生物对碳素需要量最多，其次是氮素，我们把微生物对碳素和氮素的需要量的比值，叫做碳氮比，用 C：N来表示。目前一般采用C：N=25：1。但并不十分严格，20：1、25：1、30：1都可正常发酵。

　　（4）适宜的酸碱度(pH值)

　　沼气发酵适宜的酸碱度为pH=6．5～7．5 。pH值响酶的活性，所以影响发酵速率。

　　（5）足够量的菌种

　　沼气发酵中菌种数量多少，质量好坏直接影响着沼气的产量和质量。一般要求达到发酵料液总量的10～30%，才能保证正常启动和旺盛产气。

　　（6）较低的氧化还原电位(厌氧环境)

　　沼气甲烷菌要求在氧化还原电位大于一330mv的条件下才能生长。这个条件即：严格的厌氧环境。所以，沼气池要密封。

沼气模具