微生物产甲烷原理

五.甲烷生产应用
沼气：有机物质在厌氧环境中，通过微生物发酵作用产生 的一种以甲烷为主的可燃混合气体。这种气体最早发现于 沼泽、池塘等地。
安徽怀宁：沼气“点亮”新家园
怀宁县积极推行无公 害化畜牧养殖，引导 规模养殖场、养殖大 户大力发展沼气工程， 形成了“猪—沼— 秸”、“猪—沼— 菜”、“猪—沼—粮” 等多种生态循环模式， 现已建设户用沼气池 6600口，节柴灶2000 个。图为该县平山镇 牧之金养殖场的工人 正在往大型沼气池里 装运原料。
微生物产甲烷
目录
一.甲烷的简介 二.微生物产甲烷的生化机理 三.厌氧降解九大步骤 四.厌氧反应热力学分析 五.甲烷生产应用
一.甲烷的简介：
甲烷在自然界分布很广，是天然气、沼 气、坑气及煤气的主要成分之一。它可用作 燃料及制造氢、一氧化碳、炭黑、乙炔、氢 氰酸及甲醛等物质的原料。甲烷气可产生机 械能、电能及热能。 目前甲烷已作为一种燃料源，并通过管 道输送到用户，供给家庭及工业使用或转化 成为甲醇作为内燃机的辅助性燃料。
<三>.四阶段理论
1、水解阶段 2、酸化阶段 3、产乙酸阶段 · 4、甲烷化阶段
三阶段（四阶段）理论见三阶段理论图 备注：与二阶段理论相比较，三阶段理论增加了产 氢产乙酸过程；四阶段理论则是在三阶段理论的 基础上增加了同型产乙酸细菌把H2和CO2转化为乙 酸的过程。
1.水解阶段
兼性和部分专性厌氧细菌发挥作用，复杂的 大分子有机物被胞外酶水解成小分子的溶解性有 机物 。如葡萄糖、氨基酸等
四.厌氧反应热力学分析
微生物降解有机物的过程，在本质上是 一系列的氧化还原生物化学反应。生物降解 有机物过程中，微生物通过各种形式的氧化 剂（电子受体）氧化有机物，释放出可供其 利用的能量。各种氧化剂有机物所能释放出 的能量差别很大，由高到低依次是 O2>NO3 ¯ >MnO2>OH ¯ >SO4² ¯ >CO2 好氧生物处理中的氧化剂是氧气，而厌 氧生物处理中的氧化剂则以CO2为主，这正是 厌氧过程中微生物细胞的产率系数远小于好 氧过程。
补充知识：① 由C02和H2产生甲烷反应为 ： C02+4H2—CH4+ H20 ② 由乙Байду номын сангаас或乙酸化合物产生甲烷反应为： CH3C00H—CH4+CO2 ; CH3COONH4+ H20—CH4+ NH4HCO3
产甲烷菌
三.总结 厌氧降解九大步骤：
1.不溶性有机高分子→可溶性有机单体 2.有机物单体→氢气+甲酸+重碳酸盐+丙酮酸盐+ 乙醇+各类挥发性低级脂肪酸 3.简单有机物→氢气+乙酸 4.重碳酸盐→乙酸 5.简单有机物→重碳酸盐+乙酸 6.乙酸盐→碳酸盐 7.氢气或甲酸的氧化 8.乙酸发酵产甲烷量占总甲烷量的70% 9.重碳酸盐还原产甲烷量占总甲烷量的30%
沼气在养殖业的应用
云南洱源县三营镇太阳能加热中温发酵沼气站
用沼 气 在 养 殖 业 的 应
工程位于云南省洱源县，整个工程由农业部沼气科学研究所设计与 启动调试。工程采用高浓度畜禽废物高效厌氧消化技术处理200头 奶牛产生的鲜牛粪3.46 t/d，尿及冲洗废水4.2 t/d，年产沼气约 7.3万m3，沼气作为生活用能集中供给当地70多户村民和养殖场职 工使用，沼渣沼液还田利用，年节约标准煤约50 t，年减排COD 18 t，CO2当量44t，TN 10t，TP 2t。
蒙牛澳亚示范牧场沼气发电综合利用工程
沼 气 在 发 电 方 面 的 应 用
工程位于内蒙古自治区呼和浩特市和林格尔县盛乐经济园区 （蒙牛总部），由农业部沼气科学研究所进行总体设计与启动 调试。工程采用高浓度畜禽废弃物高效厌氧消化技术处理牧场 存栏10000头奶牛的鲜牛粪280 t/d，尿及冲洗废水360 t/d， 日产沼气10000m3/d，日发电20000 kW· h/d; 年减排COD 9125 t， CO2当量2.4万t，TN 487 t，TP 96 t。沼渣沼液供周边约10万 亩牧草种植地利用。该工程是目前我国最大的牛场粪污处理沼 气发电工程。
水解酸化阶段参与的菌落： 水解酸化菌落
在厌氧消化系统中，水解酸化细菌的 功能表现在两个方面： ①将大分子不溶性有机物在水解酶的催化 作用下水解成小分子的水溶性有机物； ②将水解产物吸收进细胞内，经细胞内复 杂的酶系统催化转化，将一部分供作能源 使用的有机物转化为代谢产物，排入细胞 外的水溶液里，成为参与下一阶段生化反 应的细菌群及可利用的基质，主要是产氢 产乙酸细菌和脂肪酸、醇类等。
补充知识：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。
产乙酸阶段参与的菌落：
同型产乙酸菌落
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。
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<二>.三阶段（四阶段）理论提出
二阶段理论作为厌氧处理的基本理论， 多年来一直为人们所认可。直到60年代末 期，人们对厌氧过程进行了深入的研究， 尤其是对其中发挥重要作用的甲烷细菌的 研究表明，甲烷细菌在厌氧处理过程中发 挥了极其重要的作用，它只能以乙酸、甲 酸氢等极少数的物质为底物。因此，厌氧 过程中还应该有产生甲烷菌底物的步骤。 于是，厌氧处理理论发展为三阶段（或四 阶段）理论。
补充知识：水解是指有机物进入微生物细胞前、在胞外进行 的生物化学反应。微生物通过释放胞外自由酶或连接在细胞 外壁上的固定酶来完成生物催化反应。
2.酸化阶段
溶解性有机物由兼性或专性厌氧细菌经发 酵作用转化为有机酸、醇、醛、CO2和H2。 有时将上述两个阶段合为一个阶段，称水 解酸化阶段。
补充知识：酸化是一类典型的发酵过程，微生物的代 谢产物主要是各种有机酸。水解酸化的目的是为混合 厌氧消化过程的甲烷发酵提供底物。
二.微生物产甲烷的生化机理 <一>.早期二阶段理论 <二>.三阶段(四阶段)理论的提出
<三>.四阶段理论
<一>. 早期理论——二阶段理论
对复杂有机物的厌氧降解过程的解释，早 期通行的是二阶段理论，认为有机物的厌 氧消化过程分为两个阶段——酸性发酵和 碱性发酵阶段，其中 酸性发酵──产酸菌利用胞外酶将复杂的 大分子水解成小分子，并进一步转化为有 机酸。此阶段也称产酸阶段。 碱性发酵──甲烷细菌利用上阶段产生的 有机酸为底物，生成甲烷和CO2。此阶段又 称为甲烷发酵阶段。
补充知识：在厌氧条件下能产生乙酸的细菌有两类：一类 是异养型厌氧细菌，能利用有机基质产生乙酸；另一类是 混合营养型厌氧细菌，既能利用有机基质产生乙酸，也能 利用分子氢和二氧化碳产生乙酸。前者是酸化细菌，后者 就是同型产乙酸细菌。
4.产甲烷阶段
产甲烷菌（最严格的专性厌氧菌）利用 乙酸、H2、CO2和一碳化合物产生甲烷。转化 的途径为： CH3COOH → CH4 + CO2 CO2 + 4H2 → CH4 + 2H2O
产甲烷菌落
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。
3.产乙酸阶段
专性厌氧的产氢产乙酸细菌将上阶段的 产物进一步利用，生成乙酸和H2、CO2；同时 同型产乙酸细菌将H2和CO2合成乙酸，有时也 将乙酸分解成H2和CO2。
产乙酸阶段参与的菌落：
产氢产乙酸菌落
产氢产乙酸细菌是厌氧消化过程中一组 重要的微生物类群, 它参与丙酸, 丁酸等中 间的代谢产物的降解生成乙酸、H2和二氧化 碳。