微生物产甲烷

微生物产甲烷
1.甲烷发酵概念 2.甲烷发酵机理
3.微生物产甲烷应用现状
4.微生物产甲烷的发展前景
1.2沼气
沼气的主要成分是甲烷。 沼气由50％～80％甲烷、20％～40％二氧化碳、 0％～5％氮气、小于1％的氢气、小于0．4％ 的氧气与0．1％～3％硫化氢等气体组成 。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。
1.1甲烷简介：
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燃烧。
每立方米纯甲烷的发热最为 34000焦耳，每 立方米沼气的发热量约为20800－23600焦耳。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。
（3）耗氢产乙酸菌：它们既能利用H2+ CO2 生成乙酸，也能代谢糖类生成乙酸。 2CO2+ 4H2 —— → CH3COOH + 2H2O C6H12O6 ——→ 3CH3COOH
（4）、（5）产甲烷菌（食氢、食乙酸）： 它们在厌氧条件下将前三群细菌代谢的终产 物，在没有外源受氢体的情况下，把乙酸 和H2/CO2转化成CH4/CO2。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。 生成CH4的主要反应如下： CH3COOH ——→CH4 + CO2 4H2 + CO2 ——→CH4 + 2H2O 4HCOOH ——→CH4 +3CO2 + 2H2O 4CH3OH ——→ 3CH4+ CO2 + 2H2O
三 阶 段 理 论
碳水化合物 蛋白质 脂肪
双糖或单糖 肽和氨基酸 脂肪酸和甘油
挥发酸 醇类 中性化合物 H2,CO2
CH4,H2 N2,CO2 CO,H2S 等
盾得到解决， 该理论 被大多数学者所接 受
液化阶段 （不产甲烷菌）
产酸阶段 （不产甲烷菌 和产甲烷菌）
产甲烷阶段 （产甲烷菌）
乙酸
乙酸盐 第二类群细菌即专性质子 H2 CO2
目前，酒精行业已成为我国第二大有机物污染源。然而，酒精糟液 作为一种有机污染源并无毒性，反而可以说是蕴含着丰富的营养物质。 若将其作为有用的原料来处理，回收其中的有用成分，不仅能解决环境 污染问题，还能变废为宝，创造出较大的经济效益。
消化器
3.3世界各国微生物产甲烷现状
在国外沼气发电在发达国家同样受到广泛重视和积极推广，如 美国的“能源农场”工程，日本的“阳光工程”荷兰的“绿色能源” 工程等。瑞典沼气产量约占总能量小号的0.3%。在印度农村，沼气 被用来作为内燃机、抽水机、发电机和碾磨机的燃料。泰国制定政 策来为改进炉灶和小型沼气技术提供支持。在伊朗，已经可以以较 低成本利用污水处理厂的污水生产沼气来发电。
沼气发酵过程的阶段性
发酵阶段 代谢过程及相应的微生物类群 简单评价 产甲烷生物如何
两 阶 段 理 论
水解性 细菌
脂肪酸 产甲烷菌 ―――――﹥CH4 CO2 等
利用甲醇以上的醇 类及乙酸以上的有 机酸难以解释， 未得 到确认。 两阶段理论的矛
有机质――――﹥醇类 水解发酵 CO2 ,H2 S, H2 ,NH3 等
（2）产氢产乙酸菌：除甲酸、乙酸和甲醇外的 物质均不能被产甲烷菌所利用，所以必须由产氢 产乙酸菌将其分解转化为乙酸、氢和二氧化碳 反应过程如下： CH3CH2COOH + 2H2O ——→ CH3COOH + CO2+ 3H2 CH3CH2CH2COOH + 2H2O ——→ 2 CH3COOH + 2H2
比较容易理解， 似乎 更为确切
乙酸杆菌属、梭菌属 乙酸盐 CO2
其中四步论还 可如图表示：
（1）发酵性细菌：一些不溶性物质被发酵性细 菌所分泌的胞外酶水解为可溶性的糖、肽、氨基 酸和脂酸，再将吸入细胞，发酵为乙酸、丙酸、 丁 酸等和醇类及一定量的H2及CO2
以纤维素为例，反应过程如下： （C6H10O5）+ nH2O——→ n(C6H12O6) 2 C6H12O6——→ CH3COOH + CH3CH2COOH + CH3CH2CH2COOH +3CO2 +3H2
人畜粪便等复杂 有机质的发酵分为 四阶段， 在不同的生 态条件下， 并非均包 括此四阶段。 该理论
四 阶 段 理 论
第一类群 戊酸 还原或产氢产乙酸菌 丁酸 细菌 ―――﹥ 丙酸 第三类群细菌裂解乙 梭菌属、 酸盐的产甲烷菌 拟杆菌属 等
乙酸
CH4 ,CO2 CH4
甲酸 利用氢的产甲烷菌 CO2 H2
4 微生物产甲烷发展前景
据美国科学媒体中心James Chong于2007年12月上旬提出的观点， 认为微生物可望提供清洁的可再生能源，并将二氧化碳应用于该过 程之中。Methanogens是称之为archaea的微生物，与细菌相似。据 美国York大学的研究认为，它们可大量产生甲烷。 研究表明，它们可利用二氧化碳产生甲烷。这样， Methanogens可望用于制取可再生的、不排放碳的气体替代物。 据研究人员称，利用Methanogens可望每年产生约10亿吨甲烷。 甲烷是一种温室气体，其温室效应是二氧化碳的23倍。利用细菌生 产甲烷可作为燃料来源，并减少向大气的排放。
1.3甲烷发酵
有机物质（如人畜粪便、秸秆、杂草等） 在一定的水分、温度和厌氧的条件下，被种 类繁多、数量巨大、且功能不同的各类微生 物的分解代谢，最终形成甲烷和二氧化碳等 混合气体（沼气）的复杂的生物化学过程。
2.甲烷发酵机理及其特点
甲烷发酵又称为沼气发酵，其过程非常复 杂，甲烷发酵不是由单一的甲烷产生菌所能完 成的，甲烷发酵至少由三个阶段组成，国内外 许多部门与专家投入了研究，有过二阶段论， 三阶段论甚至四阶段论的说法。逐步把发酵过 程的一些现象进行了阐述。
我国二十年沼气产甲烷变化
同时，我国的大中型沼气发酵工程也得到很好的发展，基本上具 备了生产能源、减少污染和综合利用等多种功能，实现了能源、环 境与经济三方面的综合效益。 目前，天津市纪庄子污水厂和北京高碑店污水厂利用污泥 厌氧消化处理系统生产沼气用于沼气搅拌和发电，实现了热恋宫殿 和资源的综合利用。北京市高碑店污水处理厂年发电量有望突破 107kW·h，满足5000户家庭1年的用电量。
甲烷发酵特点
特点 参与反应的微生物种类繁多 发酵底物复杂，来源广泛 能处理各种浓度的废水和废 物 沼气微生物自身耗能气发酵的特点
具体表现
没有应用单一菌种从废物中生产沼气的先例，生 产和试验中用接种物（活性污泥）发酵 各种有机质单一或混合均可作为发酵原料，终产 物都是可燃性气体一沼气 能处理 COD 含量 50000mg/l 以上的有机废水和固 形物含量较高的工农业废物及垃圾 在相同条件下，厌氧消化所释放的能量只有好氧 分解的 1/30～1/20 从构造到材质各种装置只要设计合理并满足厌氧 的条件制取沼气，温度从低到高（10～65℃）均 可产生沼气 产甲烷菌要求氧化还原电们－330mv 以下的生活 环境，除氧以外，凡是具有高氧化还原电位的强 氧化剂，对沼气发酵也不利
要求严格的厌氧环境
3.1微生物产甲烷总体现状
目前，厌氧消化技术生产沼气在各个国家都得到很好的发展。 在不同的国家和地区，由于在资金和发酵原理产出情况等因素的影 响，沼气利用模式不同。东南亚国家的农村户用沼气发展很好。在 发达国家，大中型沼气工程发展的比较完善，厌氧消化设备是连续 搅动水箱式反应器，产生的沼气有一部分被用来加热反应器。与发 达国家自动化成都高的大中型沼气工程不同，发展中国家的许多户 用沼气池都没有搅拌设备，不需要连续监控，而其发展原料来源广 泛，对环境有很强的适应能力。
3.2我国的微生物产甲烷现状
我国是世界上最早利用沼气的国家之一，我国沼气事业发展得 到了政府的大力支持，特别是在农村，找企事业得到了充分发展。 1996年到2003年之间，我国农村家庭沼气总产量为2554796.95千立 方米，相当于1824.1千t标准煤。 我国沼气事业经过了近80年的科学研究和生产应用，中国特色 的沼气技术逐步成熟。在池型方面，研究出了适应不同气候、原料 和使用条件的标准化系列池型。中国科学院广州能源研究所与顺德 县科委合作，于10世纪80年代初建设的“新埠能源实验村”使该村 的农业生态得到良性循环发展。