第九章沼气发酵解析
沼气发酵基本原理沼气发酵基本原理沼气发酵又称为厌氧消化厌氧
沼气发酵基本原理沼气发酵基本原理沼气发酵又称为厌氧消化、厌氧发酵和甲烷以酵，是指有机物质（如人畜家禽粪便、秸秆、杂草等）在一定的水分、温度和厌氧条件下，通过种类繁多、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性气体（沼气）的复杂的生物化学过程。
一、沼气发酵微生物沼气发酵微生物是人工制取沼气最重要的因素，只有有了大量的沼气微生物，并使各种类群的微生物得到基本的生长条件，沼气发酵原料才能在微生物的条件下转化为沼气。
（一）沼气微生物的种类沼气发酵是一种极其复杂的微生物和化学过程，这一过程的发酵和发展是五大类群微生物生命活动的结果。
它们是：发酵性细菌、产氢产乙酸菌、食氢产甲烷菌和食乙酸产甲烷菌。
这些微生物按照各自的营养需要，起着不同的物质转化作用。
从复杂不机物的降解，到甲烷的形成，就是由它们分工合作和相互作用完成的。
在沼气发酵过程中，五大类群细菌构成一条食物链，从各类群细菌的生理代谢产物或它们的活动对发酵液酸碱度（pH）的影响来看，沼气发酵过程可分为产酸阶段和产甲烷阶段。
前三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。
后二群细菌的活动可使各种有机转化成甲烷，因此，将其统称为产甲烷菌。
1、不产甲烷菌在沼气发酵过程中，不能直接产生甲烷微生物统称为不产甲烷菌。
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，现已观察到的包括细菌、真菌和原生动物三大类。
以细菌种类最多，目前已知的有18个属51个种，随着研究的深入和分离方法的改进，还在不断发现新的种。
根据微生物的呼吸类型可将其分为好氧菌、厌氧菌、兼性厌氧菌三大类型。
其中，厌氧菌数量最大，比兼性厌氧菌、好氧菌多100~200倍，是不产甲烷阶段起主要作用的菌类。
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、脂肪分解菌和其他一些特殊的细菌，如产氢菌、产乙酸菌等。
2、产甲烷菌在沼气发酵过程中，利用小分子量化合物形成沼气的微生物统称为产甲烷菌。
沼气发酵
沼气发酵第一节概述一、定义：沼气发酵，又称厌氧发酵或厌氧消化，是指有机物质（如作物秸杆、杂草、人畜粪便、垃圾、污泥及城市生活污水和工业有机废水等）在厌氧条件下，通过种类繁多、数量巨大、功能不同的各类微生物的分解代谢，最终产生沼气的过程。
二、沼气的组成：沼气是由微生物产生的一种可燃性混合气体，其主要成分是甲烷(CH4)，大约占60%，其次是二氧化碳(CO2)大约占35%，此外还有少量其它气体，如水蒸气、硫化氢、一氧化碳、氮气等。
不同条件下产生的沼气，其成分有一定的差异。
例如人粪、鸡粪、屠宰废水发酵时，所产生的甲烷含量可达70%以上，农作物秸杆发酵所产生的沼气中甲烷含量一般为55%左右。
第二节沼气发酵的微生物学过程一、沼气发酵的微生物种类：第一类叫发酵细菌。
包括各种有机物分解菌，它们能分泌胞外酶，主要作用是将复杂的有机物分解成较为简单的物质。
例如多糖转化为单糖，蛋白质转化为肽或氨基酸，脂肪转化为甘油和脂肪酸。
第二类叫产氢产乙酸细菌。
其主要作用是前一类细菌分解的产物进一步分解成乙酸和二氧化碳。
第三类细菌称产甲烷菌。
它们的作用是利用乙酸、氢气和二氧化碳产生甲烷。
在实际的发酵过程中这三类微生物既相互协调，又相互制约，共同完成产沼气过程。
二、沼气发酵过程的三个阶段第一阶段是含碳有机聚合物的水解。
纤维素、半纤维素、果胶、淀粉、脂类、蛋白质等非水溶性含碳有机物，经细菌水解发酵生成水溶性糖、醇、酸等分子量较小的化合物，以及氢气和二氧化碳；第二阶段是各种水溶性产物经微生物降解形成甲烷底物，主要是乙酸、氢气和二氧化碳；第三阶段是产甲烷菌转化甲烷底物生成CH4和CO2。
另外，在沼气发酵过程中还存在某些逆向反应，即由小分子合成大分子物质的微生物过程。
第三节沼气发酵原料的分类与特性自然界中几乎所有的有机物质都可作为沼气发酵的原料。
人工制取沼气的主要原料是畜禽粪便污水、食品加工业、制药和化工废水、生活污水等。
在农村，也用农作物秸杆制取沼气。
沼气发酵 ppt课件
PPT课件
18
残留物的利用
PPT课件
19
残留物的分类
残留物
沼液
沼渣
PPT课件
20
沼液的利用
沼液是沼气发酵后的水性物质，其中存 留了丰富的氨基酸、消解酶、生长素、对病 虫害有抑制作用的物质或因子。沼液中已经 测出各类氨基酸、维生素、蛋白质、赤霉素、 生长素、糖类、核酸以及抗生素等物质是综 合利用的基础。
PPT课件
25
PPT课件
26
PPT课件
21
沼液的利用
沼液 的利
用
农作物 浸种
果菜叶 面肥
沼液喂 猪
沼液防 止病虫
害
Hale Waihona Puke 高附加 值的开 发性处理
PPT课件
22
沼渣的利用
沼 渣 是 沼气发酵后残留在沼气池底部 的半固体物质，含有丰富的有机质、腐殖酸、 粗蛋白、氮、磷、钾和各种矿物质，质地疏 松，保湿性能好，且酸碱度适中，具有速缓 兼备的肥效特点。
PPT课件
15
沼气发酵的产物
产物
沼气
沼液
PPT课件
沼渣
16
沼气的利用
PPT课件
17
大棚种植
• 增 施 沼气二氧化碳对蔬菜具有促进生长的作 用。
• 增 施 沼气二氧化碳具有提高果菜类结果率的 作用。
• 增 施 沼气二氧化碳具有提高蔬菜早期产量和 总产的作用。
• 增 施沼气二氧化碳具有提升产品质量的作用。
分布广，种类多 繁殖快，代谢强 适应性强，容易培养
PPT课件
9
沼气发酵过程
有机质
水解
产甲烷
产酸 沼气
PPT课件
10
沼气发酵
沼气发酵在自然界中绿色植物经光合作用合成碳水化合物，主要形成糖、淀粉、纤维素等。
纤维素合成的数量最大，贮量也最多，是地球上很难被微生物分解的物质。
在好氧条件下，纤维素可被少数微生物氧化分解，最终产生CO2和H2O。
目前所知绿色木霉是分解纤维素最强的微生物。
（C6H10O5）n+nO2→nCO2+nH2O在厌氧条件下，纤维素经厌氧微生物发酵作用最终产生CH4。
在自然界形成甲烷的地方主要有沼泽地、水稻田、井地、河湖淤泥及反刍动物瘤胃。
反刍动物瘤胃具有产甲烷的良好条件，所以瘤胃被称为产甲烷的天然高效能的连续发酵罐。
1．甲烷形成的微生物学过程从有机物质厌氧发酵到形成甲烷，是非常复杂的过程，不是一种细菌所能完成的，是由很多细菌参与联合作用的结果。
（1）联合作用从有机物到甲烷形成，是由很多细菌联合作用的结果。
甲烷细菌在合成的最后阶段起作用。
它利用伴生菌所提供的代谢产物H2、CO2等合成甲烷。
整个过程可分以下几个阶段：以上几个阶段不是截然分开的，没有明显的界限，也不是孤立进行的，而是密切联系在一起互相交叉进行的。
（2）种间H2的转移作用在沼气发酵过程中，产酸菌、伴生菌发酵有机物产H2，H2又被甲烷细菌用于还原CO2合成CH4。
伴生菌和甲烷细菌在发酵过程中形成了共生关系，S-菌系分解乙醇产H2，H2对它继续分解乙醇有阻抑作用，而MOH-菌系可利用H2，这样又为S-菌系清除了阻抑，两者在一起生活互惠互利，单独存在都生活不了。
（3）由乙酸产生甲烷乙酸是有机物在厌氧发酵过程中主要中间代谢产物，也是形成甲烷的重要中间产物。
McCarty实验证明，有机物发酵分解产生乙酸形成甲烷，约占甲烷总生成量的72％，由其他产物形成甲烷约占28％。
由乙酸形成甲烷过程也是很复杂的，用14C示踪原子试验表明，由乙酸形成甲烷有两种途径：①由乙酸的甲基形成甲烷②由乙酸转化为CO2和H2形成甲烷2．沼气发酵微生物之间的生态关系沼气发酵是一个极其复杂的生物化学过程，包括各种不同类型微生物所完成的各种代谢途径。
沼气发酵
1. 地球上甲烷的产生和分解循环 2. 沼气发酵原理 3. 沼气工程技术 4. 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
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。
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
① 不产甲烷细菌为产甲烷细菌提供生长繁殖的底 物。
② 不产甲烷菌为产甲烷细菌创造了适宜的氧化还 原电位。
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
➢第三阶段，产甲烷阶段。产甲烷菌利用乙 酸、乙酸盐、H2和CO2产生甲烷。
沼气发酵过程中微生物代谢和群落结构的分析
沼气发酵过程中微生物代谢和群落结构的分析沼气发酵是一种通过微生物代谢产生沼气的过程，是一种利用有机废弃物进行能源再生的绿色技术。
这种技术具有环境友好、高效且经济可行等优点，因此在很多国家得到了广泛的应用。
然而，在沼气发酵过程中，微生物的代谢和群落结构是影响沼气产出的关键因素之一。
因此，对沼气发酵过程中微生物代谢和群落结构的分析具有重要意义。
1. 微生物代谢的分析沼气发酵主要包括四个阶段：水解、酸化、醇化和甲烷化。
在这些阶段中，微生物代谢起着至关重要的作用。
水解阶段是指将有机物分解成低分子量有机物的过程，这一过程中主要活动的微生物是厌氧菌和厌氧蜡烛菌等。
酸化阶段是指低分子量有机物被厌氧菌和厌氧古菌代谢成为挥发性脂肪酸的过程。
在醇化阶段，挥发性脂肪酸被乙酸菌、丙酸菌和乳酸菌等微生物代谢生成乙醇、丙酮和乳酸等物质。
最后，在甲烷化阶段，乙酸菌和甲烷菌等微生物将乙酸和氢气等化合物转化为甲烷。
通过对这些过程中微生物代谢的分析，可以更好地了解沼气发酵过程中微生物的作用机制，从而为沼气的产量和品质提高提供理论依据。
2. 群落结构的分析沼气发酵过程中微生物的群落结构是影响沼气产出的关键因素之一。
微生物群落结构的稳定性和多样性对沼气的产率和稳定性有很大的影响。
一般来说，微生物群落结构的多样性越高，沼气发酵的稳定性就越高。
而且，研究表明，沼气发酵过程中微生物群落结构的变化会导致沼气产量的下降和波动。
因此，对沼气发酵过程中微生物群落结构的分析，不仅可以为合理设计沼气反应器提供参考，还可以为保持沼气产出的稳定性提供理论依据。
综上所述，沼气发酵过程中微生物代谢和群落结构的分析是提高沼气产率和品质的关键，也是推广沼气发酵技术的必要途径之一。
为此，需要加强对沼气发酵过程中微生物代谢和群落结构的研究，以提高沼气发酵技术的稳定性和经济性，从而更好地利用有机废弃物进行能源再生。
沼气发酵的原理
沼气发酵的原理沼气发酵是一个复杂的微生物学过程，参加发酵的微生物数量巨大种类繁多，只有了解参加沼气发酵的多种微生物活动规律、生存条件及作用，并按照微生物的生存条件、活动规律要求，去修建沼气池，收集发酵原料，进行日常管理，使参加发酵的各种微生物得到最佳的生长条件，才能获得较多的产气量和沼肥，满足生产、生活需要。
1、什么叫沼气沼气发酵又叫厌氧消化，是指利用人畜粪便、秸秆、污水等各种有机物在密闭的沼气池内，在厌氧（没有氧气）的条件下，被种类繁多的沼气发酵微生物分解转化，最终产生沼气的过程。
在这个过程中，微生物是最活跃的因素，它们把各种固体或是溶解状态的复杂有机物，按照各自的营养需要，进行分解转化，最终生成沼气。
沼气是一种混合气体，可以燃烧，因为这种气体最先是在沼泽中发现的，所以称为沼气，它的主要成分是甲烷占55%-70%左右，二氧化碳占25%-40%左右，此外还有少量氢气、硫化氢、一氧化碳、氮和氨等。
2、沼气发酵微生物在沼气发酵过程中，有发酵性细菌，产氢产乙酸菌，耗痒产乙酸菌、食氢产甲烷菌、食乙酸产甲烷菌等五大类微生物参加沼气发酵，它们在发酵过程中的作用及对生存条件的要求，有以下三个阶段。
（1）液化阶段在沼气发酵中首先是发酵性细菌群利用它所分泌的胞外酶，如纤维酶、淀粉酶、蛋白酶和脂肪酶等，对有机物进行体外酶解，也就是把禽畜粪便、作物秸秆、豆制品加工后的废水等大分子有机物分解成能溶于水的单糖、氨基酸、甘油和脂肪酸等小分子化合物，这个阶段叫液化阶段。
（2）产酸阶段这个阶段是三个细菌群体的联合作用，先由发酵性细菌将液化阶段产生的小分子化合物吸收进细胞内，并将其分解为乙酸、丙酸、丁酸、氢和二氧化碳等，再由产乙酸菌把发酵性细菌产生的内酸、丁酸转化为产甲烷菌可利用的乙酸，氢和二氧化碳。
另外还有耗氢产乙酸菌群，这种细菌群体利用氢和二氧化碳生成乙酸，还能代谢糖类生产乙酸，它们能转变多种有机物为乙酸。
液化阶段和产酸阶段是一个连续过程，统称不产甲烷阶段，在这个过程中，不产甲烷的细菌种类繁多，数量巨大，它们主要的作用是为产甲烷菌提供营养和为产甲烷菌创造适宜的厌氧条件，消除部分毒物。
沼气发酵技术
7 放气试火
沼气池启动初期，所产气体主要是 二氧化碳，因气体中的甲烷含量低，通 常不能燃烧。当沼气压力达到40厘米 时，应放气试火。所产气体中的甲烷含 量为30%时，所产生的沼气即可点燃使 用。
（二）科学管理
沼气池装入原料和菌种，启动 使用后，加强日常管理，控制好 发酵过程条件，是维持高产气率 的重要技术措施。
不产甲烷菌为产甲烷菌清除有毒物质
不产甲烷菌与产甲烷菌共同维持环境中适宜 的pH
(二）沼气发酵过程
有机质 水解 产酸 产甲烷 沼气
第一阶段─水解发酵
纤维素 蛋白质 脂肪
纤维酶 蛋白酶
双糖或单糖
脂肪酶
多肽和氨基酸
脂肪酸和甘油
第二阶段──产酸
单糖 氨基酸
脂肪酸
可
简 乙酸、甲酸
溶 性
产酸菌
单 化
丙酸、CO2、 氢气
当pH值降到6.0以下时，可 增加接种物，也可加入草木灰 或石灰澄清液，将 pH 值调节 到6.5以上，以顺利启动。
6 密封好活动盖
将粘土锤碎、过筛后，按3～5∶1 的重 量比与石灰粉干拌均匀，加水拌和揉搓成为 面团状。用水冲洗蓄水圈，将揉好的石灰胶 泥，均匀地铺在活动盖口表面上，再把活动 盖装在胶泥上，用脚踏紧，使之紧密结合。
2 选择优质原料
启动原料优选纯净牛粪， 或一半牛马粪+一半猪粪，忌 用鸡粪和人粪。
启动原料数量
8立方米户用沼气池启动 原料需要2立方米，10 立方 米户用沼气池启动原料需要 2.5～3立方米。
启动原料处理
启动前，原料进行池外堆沤 （夏季3～5天，春秋季6～8天）， 堆沤时，在粪堆上泼水，保持湿 润，并加盖塑料薄膜，以聚集热 量和富集菌种。
沼气发酵的原理与条件
沼气发酵的原理与条件目前，沼气池已经进入千家万户，成为农村家庭不可缺少的基础设施之一，为农民生活提供了优质生活燃料，为农村生产提供了高效有机肥料。
但是在实践中经常出现沼气池建好了，原料也装上了，就是产气不好，甚至有不产气的情况。
这是为什么呢？本人多年从事农村能源工作，在此想根据我工作、学习的体会与家有沼气池的农民朋友进行一下交流探讨。
首先让我们了解一下沼气发酵的原理和保证沼气发酵正进行的条件。
一、沼气发酵的原理沼气发酵是指各种有机物（如人畜粪便、秸秆、青草等）在厌氧（没有氧气）条件下，被各类沼气发酵微生物（也叫沼气细菌）分解转化，最终生成沼气的过程。
这是一个有多种沼气发酵微生物参加、非常复杂的生物学过程，在这一过程中，这些微生物按照各自的营养需要，起着不同的物质转化作用。
从复杂有机物的降解，到甲烷（沼气中主要的可燃成分，约占55—70%）的形成，就是由它们分工合作和相互作用来完成的。
这些微生物按其在沼气发酵中的作用可分为两类：一是不产甲烷菌。
它们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。
二是产甲烷菌。
它们是甲烷的生产者，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。
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。
在沼气池中，发酵原料生成沼气，是通过一系列复杂的生物化学反应来实现的，一般认为这个过程大体上分为三个阶段：1、水解发酵阶段。
固体的有机物通常不能进入微生物体内为微生物利用，只有将固体有机质水解成分子量较小的可溶性物质才可以进入微生物细胞内被进一步分解利用。
这个将不容于水的大分子物质变成能溶于水的小分子物质的过程，就叫做水解，它是由一些好氧和厌氧微生物完成的。
2、产酸阶段。
各种可溶性的物质在微生物的细胞内继续分解转化成低分子物质，同时也有一部分氢、二氧化碳等无机物释放出来，但这一阶段中的主要产物是乙酸，约占70%以上，所以称为产酸阶段。
高中生物-沼气发酵技术
【高中生物-沼气发酵技术】沼气发酵技术发展及应用现状沼气是沼气发酵微生物在厌氧环境下将农作物秸秆或者禽畜粪便等可降解的生物质经过厌氧消化生成的可燃气体。
其主要成分是甲烷和二氧化碳，其中甲烷约占45 %～70 %、二氧化碳约占25 %～55 %；此外，沼气还含有大约5 %的其他气体（如H2S、N2、H2、CO、NH3等）。
沼气是具有很高热值的清洁燃料，经过净化的沼气完全燃烧后只生成H2O 和CO2，不会对环境造成污染。
沼气发酵在农业和生态方面的综合利用具有很大的经济价值和社会效益。
1沼气发酵原理及影响因素1.1 沼气发酵原理沼气是生物质经过多种微生物联合厌氧消化作用而生成的可燃气体。
厌氧消化就是在无氧的条件下,由兼性厌氧菌和专性厌氧菌联合降解有机物，最终生成二氧化碳和甲烷等气体的过程。
人们对于沼气发酵过程的划分仍存在争议；目前主要认为，沼气发酵过程可分为水解液化、酸化和甲烷化三个阶段。
第一阶段为水解液化阶段，兼性厌氧菌和发酵性细菌将原料中较大分子的成分(如纤维素等)水解成可溶于水的有机酸和醇类等。
第二阶段为酸化阶段；产氢产乙酸菌将第一阶段生成的有机酸和醇继续分解成小分子物质，同时生成氢气和二氧化碳。
第三阶段为甲烷化阶段；产甲烷菌将第二阶段生成的小分子物质转化为甲烷和二氧化碳气体，即发酵的最终产物沼气。
1.2 沼气发酵的影响因素影响沼气发酵的因素很多，其中最主要的因素包括原料成分、原料预处理情况、接种物种类、进料浓度、发酵温度和pH。
原料成分的影响：能够用来发酵产沼气的生物质很多。
传统的沼气发酵原料主要包括以秸秆类物质为代表的农业废弃物、禽畜粪便和污水处理厂的厌氧活性污泥、以及生活垃圾等。
选择容易降解的原料(如人畜粪便等)可以加快发酵的启动过程和提高发酵效率。
若原料选择不当则容易造成发酵系统酸积累严重而发酵无法启动或启动后产气量不高等后果。
原料预处理的影响：原料预处理是利用物理、化学或者生物等方法使生物质中不易被降解的物质提前得到腐化分解，在进料后更快启动发酵。
沼气发酵原理和方法
沼气发酵原理和方法沼气发酵沼气发酵是科学综合多重利用有机废弃物的形式，因为在利用贮藏于其中的生物能以后，发酵残渣中的粗蛋白、粗脂肪、灰分及氨基酸和维生素可作饲料或生产食用菌的原料，最后作为肥料施用。
沼气发酵后的残渣和肥液就是沼气肥，也可直接施用。
(1)沼气发酵的原理。
沼气发酵是有机物在严格嫌气条件下，由多种厌氧性异养型微生物参与，产生沼气的过程。
一般认为，沼气发酵存在有机物分解反应和沼气生成反应。
参与前一反应的微生物主要是厌氧性发酵细菌，包括纤维素分解菌、半纤维素分解菌、淀粉分解菌、蛋白质氨化菌、脂类水解菌和其他厌氧细菌及产乙酸细菌等。
在这些微生物的作用下，复杂的有机物被转化为简单的有机酸、醇、酮、 H2和CO2等，为产甲烷细菌提供了生长基质和产生CH4的底物。
参与后一反应的微生物是严格专一性厌氧细菌，即产甲烷细菌，将第一阶段产生的不同分解程度的产物(如乙酸、甲酸等低级醇酸类以及CO2和H2等)转变为沼气，例如：(2)沼气发酵的条件。
嫌气：产甲烷细菌属绝对厌氧细菌，在空气中几分钟就会死亡，实践中通过水层和严密的沼气池来隔绝空气，为其创造生存条件。
营养：厌氧性发酵细菌能从发酵材料中取得营养，但产甲烷细菌只能从简单的脂肪酸和醇中取得碳源和能源，从铵态氮中取得氮源。
氮的最低需要量约为有机碳的2．5％，磷酸盐的需要量约为氮的20％。
发酵液中氨的浓度宜在0.01％~0.10％之间，故要注意控制材料中的C/N，一般以25~30:l最佳。
温度：沼气发酵有高温型(47~55℃)、中温型(30~38℃)和常温型(10~30℃，也称自然温度发酵)3种；发酵液日产气量相应为5～6m3、2—3m3及0.1—0.5 m3。
当池温低于15℃产气就差，3℃以下基本不产气。
故需从建池、配料、管理等方面人手，尽量提高池温，以利于产气。
水分：足够的水分是创造严格嫌气条件的重要手段，但过多过少均不相宜。
发酵材料和水的比例，夏季以8～10:92～90，冬季以15:85为宜。
9章 沼气发酵
固废处理与利用 Treatment and Utilization of Solid Waste
一、沼气发酵的影响因素 （一）厌氧环境
产甲烷菌繁殖的最基本条件之一——无氧环境
高温沼气发酵条件下，适宜的E为-560~600mV; 中温和常温沼气发酵条件下，适宜的E为-300~350mV
为了保证厌氧条件，必须修建严格密闭的沼气发 酵池，绝对不能漏水漏气。 问题：沼气池中的好氧细菌对厌氧环境有何贡献？
有 机 物 (C 、 N、O、H、 P、S等)
细胞物质(微生物繁殖) 细胞物质 有机酸、醇类、 CO2 、 H2S、NH3、能量 CO2 、 CH4 等 ， 能量
酸性发酵阶段
ymhuang1971@
碱性发酵阶段
资源环境学院
College of Resources and Environment
资源环境学院
College of Resources and Environment
固废处理与利用 Treatment and Utilization of Solid Waste
第九章 沼气发酵 （Anaerobic Digestion）
掌握沼气发酵的微生物学过程及影响沼气发酵 的因素。 掌握沼气发酵的物料配比方法，水压式沼气池 的主要构造和工作原理，检查沼气池密封性的 方法。 了解沼气池的类型及其工艺流程。 了解沼气池的设计参数等。
3 COD ( kg / m ) 沼气池进料中 浓度 3 COD有机负荷率 kg / m d 水力滞留期(d )
2.水力负荷 每单位体积沼气池每天所承受发酵料液的体积，单位是 m3 /(m3 ·d)。 大小与有机物的浓度有关：浓度高则水力负荷低。
ymhuang1971@
第九章 厌氧过程与沼气 技术
2019/2/17
24
4.料液浓度
一般要求：夏季浓度在6%左右；冬季浓度在8%左右。 发酵料液的浓度太低或太高，对产生沼气都不利，因为：
①浓度太低时，即含水量太多，有机物含量相对减 少，会降低沼气池单位容积中的沼气产量。 ②浓度太高时，即含水量太少，不利于沼气细菌的 活动，发酵料液不易分解，使沼气发醉受到阻碍， 产气慢而少。
第九章 厌氧过程与沼气技术
School of Energy and Power Engineering
提纲
9.1厌氧发酵过程基本原理 9.1.1沼气的理化性质 9.1.2厌氧发酵的历程 9.1.3 沼气发酵的微生物群 9.1.4 沼气发酵的工艺条件 9.2 户用沼气发酵池
2019/2/17
2
9. 厌氧过程与沼气技术
154
产沼气量 /(m3/t干物质) 210～294 610 300～600 750 1440
177
甲烷含量/% 58 50 58 49 72
145 130 100 114
146
牛粪
水葫芦
高粱杆
水花生
水浮莲
猪粪
青草
2019/2/17
几种有机物质产气量的比较
21
表2.几种有机物质的产气速度
为了使天然有机物质易于分解，以加强发酵菌的营养，要求 培养基(为沼气微生物提供生存营养的固性物质)有较大的反 应表面，所以必须将含有不溶性物质的原料粉碎。
CH4 +2O2→CO2+2H2O+890kJ
• 纯甲烷火焰的最高温度约2000℃。每立方米纯甲 烷的热值为35 822 kJ，接近lkg石油的热值
2019/2/17 7
9.1.1 沼气的理化性质
农村沼气发酵过程
农村沼气发酵过程沼气发酵过程沼气发酵过程，实质上是微生物的物质代谢和能量转换过程。
在分解代谢过程中沼气微生物获得能量和物质，以满足自身生长繁殖，同时大部分物质转化为甲烷和二氧化碳。
科学测定分析表明：有机物约有90%被转化为沼气，10%被沼气微生物用于自身的消耗。
发酵原料生成沼气是通过一系列复杂的生物化学反应来实现的。
一、有机物转化为沼气的三个阶段几乎所有的有机物质都可以厌氧降解生成沼气。
固形有机物变为沼气的整个过程，可划分为液化、产酸和产甲烷三个阶段。
（一）液化阶段。
液化阶段也称水解阶段。
这一阶段是在微生物的作用下把不溶于水的固形有机物转变成可溶于水的物质。
许多微生物能分泌各种胞外酶，在胞外酶的作用下，固形有机物被水解成分子量较小的可溶性物质。
如纤维素酶、淀粉酶、蛋白质酶和脂肪酶等，通过对有机物质进行体外酶解，将多糖水解成单糖或二糖，蛋白质分解成多肽和氨基酸，脂肪分解成甘油和脂肪酸等。
这些分子量较小的可溶性物质就可以进入微生物细胞之内被进一步分解利用。
（二）产酸阶段。
第一阶段产生的各种可溶性物质（单糖、氨基酸、脂肪酸）进入细胞内后，在纤维素细菌、蛋白质细菌、脂肪细菌、果胶细菌等各种细菌胞内酶作用下继续分解代谢转化成低分子物质，如丁酸、丙酸、乙酸以及醇、酮、醛等简单的有机物质。
这个阶段主要是生成各种挥发性的脂肪酸，最主要的产物是乙酸，约占70%以上，同时也有部分氢（H2）、二氧化碳（CO2）、氨（NH4）和少量的其它产物。
所以称该阶段为产酸阶段。
液化阶段和产酸阶段是一个连续和交叉的过程。
它是在厌氧条件下，经过多种微生物的协同作用，将原料中的碳水化合物、蛋白质和脂肪等分解成简单的小分子化合物，同时产生二氧化碳和氢。
这二个阶段只产生合成甲烷的基质，如乙酸、丁酸、醇、CO2、H2等，不产生甲烷，因此也称为不产甲烷阶段。
不产甲烷阶段可以看成是一个原料加工阶段，即将复杂的有机物转变成可供产甲烷细菌利用的物质，满足产甲烷菌进行生命活动的需要。
微生物与沼气发酵
微生物与沼气发酵摘要：本文介绍了沼气发酵的相关内容，主要描述参与沼气发酵过程的微生物，通过对微生物较为详细的介绍来体现它们在沼气发酵中的重要性，以及对废物资源的再利用，从而达到保护环境、优化产业结构的效果。
前言：资源、环境、人口、粮食是21世纪人类所面临的四大难题。
随着社会的发展各种自然资源趋于衰竭，环境也日益恶化，如何开发新能源来解决能源危机并保护生态环境成为世界关注的问题之一。
随着科学的发展，微生物的开发利用已经显露出极大的优势，利用微生物生产能源、处理环境污染物已取得了很大的成绩，沼气发酵就是微生物开发利用的方式之一。
1.沼气发酵1．1沼气的概念沼气是有机物在厌氧条件下经微生物的发酵作用生成的一种可燃性混合气体，其主要成分是CH4和CO2，通常情况下，CH4约占60%左右，CO2约占40%左右，此外还有少量氢、氮气、一氧化碳、硫化氢和氨等。
沼气发酵广泛存在于自然界，如湖泊或沼泽中常常可以看到有气泡从污泥中冒出，将这些气体收集起来便可以点燃，所以叫它沼气。
1．2什么是沼气发酵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。
地球上由于光合作用生成的有机物每年大约为4000亿吨，其中大约有5%在厌氧条件下被微生物分解掉。
人们利用这一自然规律进行沼气发酵，参与沼气发酵活动的微生物有以下五大类群：（1）发酵性细菌；（2）产氢产乙酸细菌；（3）耗氢产乙酸细菌；（4）食氢产甲烷菌；（5）食乙酸产甲烷菌。
各种复杂有机物，无论是固体或是溶解状态，都可以经微生物的发酵作用而最终生成沼气。
1．3沼气发酵的优势既可生产沼气用作能源，又可处理有机废物以保护环境，经沼气发酵后的沼渣、沼液又是优质的有机肥料。
沼气发酵是综合利用有机废物，保护生态环境，促进农业生产可持续发展的重要措施之一。
沼气燃烧后生成的二氧化碳，又可被植物吸收，通过光合作再生成有机物，因而沼气又是一种可再生能源。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
（二）大中型沼气工程
1、装置类型
（1）全混式厌氧消化池
• 在传统厌氧消化池的基础上使用了搅拌装 置，使发酵原料与微生物充分接触并处于 完全混合状态，整个消化池均处于活性区。
• 采用连续投料或半连续投料运转，运用于 含有大量悬浮固体的有机废水和废物。
（2）接触式厌氧工艺
• 在参考好氧活性污泥法的基础上，在高速 消化池后增设二沉池和污泥回收系统，并 将其应用于有机废水的处理。
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
缺点：容易堵塞。
（4） 上流式厌氧污泥床
将厌氧消化与固气-液三相分离集 中在一起。
• 整个UASB由底部进水区、池内反ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ区、气 -固-液三相分离器、沼气罩、出水区。
• 在反应区，下部为颗粒污泥床，上部为悬 浮污泥层。
UASB的特点
• 污泥的颗粒化使反应器内的平均浓度为50g VSS/L， 污泥龄一般为30d以上。 • 反应器的水力停留时间相应较短，反应器具有很高 的容积负荷。 • 不仅适合于处理高、中浓度的有机工业废水，也适 合于处理低浓度的城市污水。 • UASB反应器集生物反应和沉淀分离于一体，结构 紧凑，构造简单，操作运行方便。 • UASB处理系统不设机械搅拌设施，上升的水流和 产生的沼气使污泥进行自身回流，因而动力消耗低。 反应器内不需要装填料，节省了费用，构造简单， 便于管理。
（2）浮罩式沼气池
浮罩式沼气池是将发酵间产生的沼气用浮 沉式气罩储存起来。一般有：
• 活动浮罩式沼气池 • 分离浮罩式沼气池
• 浮罩式沼气池由水封池和气罩两部分组成。 当沼气向上压力大于气罩自重和配重时， 气罩将沿水封池内壁的导向轨道上升，直 到平衡为止；当用气时，气罩内压力下降， 气罩也随之下沉。
（3）强旋流液搅拌沼气池
• 针对静态发酵沼气池存在“微生物贫乏 区”、“发酵盲区”和料液短路，池内原 料分层严重，带来清渣出料困难、产气率 低和管理不便等技术问题。
• 将菌种强制回流，破壳与清渣、微生物富 集增殖、消除发酵盲区和料液“短路”等 技术优化组装配套。
2、发酵工艺类型
（1）半连续投料沼气池
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
① 不产甲烷细菌为产甲烷细菌提供生长繁殖的底 物。 ② 不产甲烷菌为产甲烷细菌创造了适宜的氧化还 原电位。 ③ 不产甲烷细菌为产甲烷细菌清除了有毒物质。 ④ 产甲烷细菌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的 适宜pH。
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
• 最大特点是污泥回流。
厌氧接触法的特点
• 污泥浓度高，抗冲击负荷能力强。
• 有机容积负荷高 • 出水水质较好。 • 增加了沉淀池、污泥回流系统、真空脱气 设备，流程酵复杂。
• 适合于处理悬浮物和有机物浓度均高的废 水。
•
•
最大的问题：污泥沉淀。
采取的改进措施：
① 真空脱气设备 ② 增加热交换器，使污泥骤冷，暂时抑制厌 氧污泥的活性。
（5）内循环厌氧反应器（IC反应器）
• 可以看作是由两个UASB反 应器串联而成的。第一个 UASB反应器产生的沼气作 为提升的内动力，使升流管 与回流管的混合液产生密度 差，实现下部混合液的内循 环，使出水达到预期的处理 要求。 • 上面的第二个UASB反应器 对废水继续进行后处理，使 出水达到预期的处理要求。
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。
（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
（2）适宜的料液浓度
（3）产气量、产气速度与产气率
产气率分为
• 原料产气率：单位原料重量在整个发酵过 程中的产气量。 • 料液产气率：单位体积的发酵料液每天产 沼气的数量 • 池容产气率：厌氧消化器单位容积每天生 产沼气的多少，说明厌氧消化器被利用水 平高低。
（4）pH
通常厌氧发酵适宜的pH范围在6.0-6.8，pH 过高或过低都会抑制厌氧微生物的生理活 性，从而限制甲烷的产量。 （5）原料营养钵 厌氧微生物在生长繁殖过程中需按一定的 比例摄取碳、氮磷以及其他微量元素。工 程上主要控制的碳、氮磷比例不完全一致。
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。
（6）接种物
在发酵运行之初，要加入厌氧菌作为接种物。
（7）有毒物质
常见的有毒物质如S2-、SO42-、NH3、NH4+、 CN-、Cl-、有机氯化物等。 （8）混合和搅拌
机械搅拌、水力搅拌和沼气搅拌。
第三节 沼气工程技术
一、沼气工程的发展与现状
（一）农村户用沼气发展和现状 ① 初始发展阶段 ② 技术突破和工艺完善阶段 ③ 加快发展阶段
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。
二、常见的沼气发酵工艺及装置
（一）农村户用沼气池
1、装置类型 沼气池是沼气发酵过程中的核心部分，原 料是发酵罐中最终转化成沼气。
（1）水压式沼气池
• 由发酵间、进料管和水压间三部分组成。
• 工作原理：当有沼气产生后，气体的增多， 池内的气压随之增加，出料间液面和池内 液面形成压力差，将发酵间内的料液压到 出料间，致使内外压力平衡；当用户使用 沼气时池内压力减少，池外出料间的液体 便压回池内，维持新的平衡。
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
（3）厌氧生物滤池
AF内厌氧污泥的保留方式有两种：
① AF内固定的填料表面形成生物膜； ② 在填料之间细菌聚集呈絮状。
厌氧滤池的优点
• 生物固体浓度高，有机负荷高；
• SRT长，可缩短HRT，耐冲击负荷能力强 • 启动时间较短，停止运行后的再启动也较 容易； • 无需回流污泥，运行管理方便；
• 运行稳定性好；
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H2、 CO2等，二碳物质中只有乙酸，而不能利用 其他二碳或以上的脂肪酸和甲醇以外的醇 类。长链脂肪酸和醇类必须经过产氢产乙 酸菌转化为乙酸、 H2、CO2等，才能被产 甲烷菌利用。
第九章 沼气发酵
1. 地球上甲烷的产生和分解循环
2. 沼气发酵原理 3. 沼气工程技术 4. 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
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