第九章沼气发酵解析.pptVIP

地球上甲烷的产生和分解循环 沼气发酵原理 沼气工程技术 讨论与展望 第一节 地球上甲烷的产生和分解循环 一、地球上甲烷的循环过程 二、地球上甲烷的产生和分解过程 产甲烷菌主要有两种途径利用底物生成甲烷： 利用乙酸：H3C-COOH----CH4+CO2 利用氢和二氧化碳：4H2+CO2--CH4+2H2O 甲烷的消耗有两种途径，在大气中与对羟自由基反应被清除，在土壤中被甲烷氧化菌氧化。 三、地球上甲烷的产生和分解量 在自然环境条件下，甲烷含量应处于“源汇”平衡的状态。但在过去200年中，大气中甲烷含量增长了一倍多，对流层甲烷浓度呈线性上升趋势。 四、地球上甲烷引起的温室效应 温室效应是指大气中能使太阳短波辐射达到地面，但地表向外放出的长波热辐射却被大气吸收，这样就使得地表与低层大气温度增高。 第二节 沼气发酵原理 各种有机质（包括农作物秸秆、畜禽粪便以及农业排放废水中所含的有机物等）在厌氧及其他适宜的条件下，通过微生物的作用，做种转化成沼气，完成这一复杂的过程，即为沼气发酵。 一、沼气的理化性质 （1）甲烷 甲烷是无色、无味、可燃和微毒气体。 甲烷燃烧产生明亮的蓝色火焰，然而有可能偏绿。 CH4+O2=CO2+2H2O+890KJ （2）二氧化碳 常温下是一种无色无味气体，密度比空气略大，能溶于水。 （3）硫化氢 有毒气体，微量时具有恶臭，沼气中的臭味主要来自硫化氢。 二、微生物学原理 （一）沼气产生中的厌氧微生物及其作用 五大生理类群的细菌参与发酵过程： 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 1、不产甲烷菌及其作用 （1）发酵性细菌 发酵性细菌将可溶性物质吸收进入细胞后，经发酵作用将其转化为乙酸、丙酸、丁酸脂肪酸和醇类，同时产生一定数量的氢和二氧化碳。 参与水解反应的发酵性细菌是复杂的混合菌群，种类繁多。 发酵性细菌的主要功能： 部分水解细菌分泌的胞外水解酶的催化作用下，将大分子不溶性有机物水解成小分子的水溶性有机物。 发酵细菌将水解产物吸入细胞内，经细胞内复杂的酶系统的催化下将一部分有机物转化为代谢产物，排入细胞外的溶液，成为参与下一阶段生化反应的细菌菌群吸收利用的基质。 （2）产氢产乙酸细菌 发酵性细菌将复杂有机物分解发酵产生的有机酸和醇类，除乙酸、甲酸和甲醇外均不能被产甲烷菌所利用，其余的发酵产物必须由产氢、产乙酸菌将其分解转化成乙酸、氢和二氧化碳。 主要反应过程 丙酸 CH3CH2COOH+2H2O----CH3COOH+CO2+3H2 丁酸 CH3CH2CH2COOH+2H2O----2CH3COOH+2H2 乙醇 CH3CH2OH+2H2O----CH3COOH+2H2 乳酸 CH3CHOHCOOH+H2O----CH3COOH+CO2+H2 产氢产乙酸菌主要有： 脱硫弧菌 普通脱硫弧菌 沃尔夫互营单胞菌 沃林互营杆菌 （3）产氢产乙酸细菌 也称同型乙酸菌，这是一类既能自养生活又能异氧生活的混合营养型细菌。它们既能利用H2+CO2生成乙酸，也能代谢糖类产生乙酸。 2CO2+4H2----CH3COOH+2H2O C6H12O6-----CH3COOH 常见的同型产乙酸细菌 伍迪乙酸梭菌 威林格乙酸梭菌 乙酸梭菌 威林格乙酸杆菌 2、产甲烷菌 产甲烷菌是一群形态多样，具有特殊细胞成分，可以代谢H2和CO2及少数几种简单有机物生成甲烷的严格厌氧古菌。 食氢产甲烷菌 是乙酸产甲烷菌 产甲烷菌在厌氧条件下将前三群不产甲烷细菌代谢的产物，在没有外源氢受体的情况下，把乙酸和H2/CO2---CH4、CO2和水，使有机物在厌氧条件下的分解作用得以顺利完成。 产甲烷菌具有以下特性 生长在严格厌氧环境 营养特性：利用简单的碳素化合物；利用铵态氮为氮源；需要某些维生素和微量元素。 偏中性的pH环境 生长繁殖缓慢 3、产甲烷细菌与不产甲烷菌的相互作用 不产甲烷细菌为产甲烷细菌提供生长繁殖的底物。 不产甲烷菌为产甲烷细菌创造了适宜的氧化还原电位。 不产甲烷细菌为产甲烷细菌清除了有毒物质。 产甲烷细菌为不产甲烷细菌的生化反应解除了反馈抑制。 不产甲烷细菌和产甲烷细菌共同维持环境中的适宜pH。 （二）沼气产生的生理生化机理 1、两阶段理论 酸性发酵阶段：主要功能是复杂的有机物如糖类、脂肪和蛋白质等，在产酸菌（厌氧或兼性厌氧）的作用下被分解成低分子的中间产物。 产甲烷阶段：又称碱性发酵阶段。产甲烷菌（专性厌氧菌）利用前一阶段的中间产物，并将其分解转化为CH4和CO2，同时系统中有NH4+的存在，使发酵液的pH不断升高。 2、三阶段理论 该理论认为产甲烷细菌只能利用一些简单有机物作为基质，其中主要是一些简单的一碳物质如甲酸、甲醇、甲基胺类以及H