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沼气发酵技术论文

沼气发酵技术

班级姓名学号

【摘要】：

沼气发酵是指有机物被微生物分解转化，形成沼气。

其过程是通过三阶段理论和四类群理论，从而生成沼气。

【关键字】：

沼气发酵产甲烷菌微生物分解有机物质

【引言】：

沼气是由意大利物理学家A.沃尔塔于1776年在沼泽地发现的。

1916年俄国人Β.П.奥梅良斯基分离出了第一株甲烷菌（但不是纯种）。

中国于1980年首次分离甲烷八叠球菌成功。

目前世界上已分离出的甲烷菌种近20株。

中国于20世纪20年代初期由罗国瑞在广东省潮梅地区建成了第一个沼气池,随之成立了中华国瑞瓦斯总行,以推广沼气技术。

目前中国农村户用沼气池的数量达1300万座。

而高速率厌氧消化工艺生产性试验装置已在糖厂和酒厂正常运行。

一沼气的成分组成

沼气的主要成分是甲烷。

沼气由50%～80%甲烷（CH4）、20%～40%二氧化碳（CO2）、0%～5%氮气（N2）、小于1%的氢气（H2）、小于0．4%的氧气（O2）与0．1%～3%硫化氢（H2S）等气体组成。

由于沼气含

有少量硫化氢，所以略带臭味。

其特性与天然气相似。

空气中如含有8.6～20.8%（按体积计）的沼气时,就会形成爆炸性的混合气体。

沼气的主要成分甲烷是一种理想的气体燃料，它无色无味，与适量空气混合后即对燃烧。

每立方米纯甲烷的发热最为34000千焦，每立方米沼气的发热量约为20800－23600千焦。

即1立方米沼气完全燃烧后，能产生相当于0.7千克无烟煤提供的热量。

与其它燃气相比，其抗爆性能较好，是一种很好的清洁燃料。

二沼气发酵微生物

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。

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。

三沼气发酵条件

沼气发酵是多种微生物分解有机物产生甲烷的过程。

要使沼气发酵正常进行，获得较高产气量，就必须保证沼气细菌进行正常生命活动（包括生长、发育、繁殖、代谢等）所需要的基本条件。

　　一、沼气细菌：

制取沼气必须有沼气细菌才行，这和发面需要酵母菌一样。

如果没有沼气细菌的作用，沼气池内的有机物本身是不会转变成沼气的。

　　含有优良沼气菌种的接种物普遍存在于粪坑底污泥、下水道污泥、沼气发酵的渣水、沼泽污泥和豆制品作坊下水沟污泥中，新建沼气池可以到这些地方去收集菌种。

这些含有大量沼气发酵细菌的污泥称为接种物。

沼气发酵加入接种物的操作过程称为接种，新建沼气池头一次装料，如果不加入足够数量含有沼气细菌的接种物，常常很难产气或产气率不高，甲烷含量低，无法燃烧。

另外，加入适量的接种物，可以避免沼气池发酵初期产酸过多而导致发酵受阻。

　　一般投入的新鲜发酵原料本身带有的菌种很少，如果不预先富集和加入沼气菌种，将会迟迟不产气或产气少，所产沼气中甲烷含量也很少。

因此在新池启动或老池大换料时，一定要添加一定量的接种物，接种物太少，不利于产气。

接种物过多，又会占去沼气池的有效容积，影响产气量（见表2—1）。

通过实践，加入接种物的数量一般应占发酵料液总重量的10%～30%为宜。

对于中温和高温沼气发酵，还要注意沼气菌的驯化培养问题，以适应相应的发酵温度。

四沼气发酵原理

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。

1三阶段理论

1.1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

沼气发酵中食物链和能量分配图

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。

1.2产酸阶段

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H2+CO2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H2/CO2等。

1.3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CO2和H2产生甲烷反应为：

CO2+4H2—CH4+H2O

　　②由乙酸或乙酸化合物产生甲烷反应为：

　　CH3C00H—CH4+CO2;CH3COONH4+H20—CH4+NH4HCO3

　　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

2四类群理论

2.1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；

2.2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；

2.3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；

2.4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

五发酵工艺

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：

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0．15～0．3m3/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℃～60℃，在这个温度条件下，池容产气率可达2～2．5m3/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

沼气工艺流程图

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。

【结束语】：

沼气是可再生的清洁能源，既可替代秸秆、薪柴等传统生物质能源，也可替代煤炭等商品能源，而且能源效率明显高于秸秆、薪柴、煤炭等。

　　中国农业资源和环境的承载力十分有限，发展农业和农村经济，不能以消耗农业资源、牺牲农业环境为代价。

农村沼气把能源建设、生态建设、环境建设、农民增收链接起来，促进了生产发展和生活文明。

发展农村沼气，优化广大农村地区能源消费结构，是中国能源战略的重要组成部分，对增加优质能源供应、缓解国家能源压力具有重大的现实意义。

沼气知识的普及和应用并非纸上谈兵，是一个任重而道远的过程！