《沼氣技術(shù)基礎(chǔ)》ppt課件

1、1第2章 沼氣技術(shù)根底2.1 沼氣發(fā)酵根本原理主要內(nèi)容：主要內(nèi)容：2.2 沼氣發(fā)酵微生物學(xué)2.3 沼氣發(fā)酵微生物學(xué)的分別培育 方法. .22.1 2.1 沼氣的發(fā)酵的根本原理沼氣的發(fā)酵的根本原理2.1.1 沼氣的根本知識 由有機(jī)物在隔絕空氣和一定溫度、濕度、酸堿度等條件下，經(jīng)微生物的作用而產(chǎn)生的一種可燃性氣體 最先在沼澤中發(fā)現(xiàn)的，所以稱之為沼氣. .32.1 2.1 沼氣的發(fā)酵的根本原理沼氣的發(fā)酵的根本原理2.1.1 沼氣的根本知識 沼氣的組成甲烷：60%二氧化碳：35%其他氣體水蒸氣、硫化氫、一氧化碳、氮?dú)獾龋?%沼氣天然氣 沼氣與天然氣的區(qū)別. .42.1 2.1 沼氣的發(fā)酵的根本原理沼氣

2、的發(fā)酵的根本原理 沼氣的性質(zhì)沼氣的主要成分是甲烷，故沼氣的性質(zhì)取決于甲烷的性質(zhì)u物理性質(zhì)：u 無色、無臭、密度比空氣輕，難溶于水u化學(xué)性質(zhì)：化學(xué)式：CH4，正四面體構(gòu)造，鍵角均為10928非極性分子比例模型球棍模型CH4 +2O2= CO2 + 2H2O+35.91MJ. .52.1 2.1 沼氣的發(fā)酵的根本原理沼氣的發(fā)酵的根本原理2.1.2 沼氣發(fā)酵過程 沼氣發(fā)酵過程，是微生物的物質(zhì)代謝和能量轉(zhuǎn)換過程，在分解過程中沼氣微生物獲得能量和物質(zhì)，以滿足本身生長和繁衍，同時(shí)大部分物質(zhì)轉(zhuǎn)化為沼氣甲烷與二氧化碳，其中有機(jī)物90%轉(zhuǎn)化為沼氣，而10%用于微生物本身的代謝。 早期一階段實(shí)際有機(jī)物甲烷+二氧化

3、碳甲烷細(xì)菌有機(jī)物經(jīng)甲烷細(xì)菌分解而直接產(chǎn)生甲烷與二氧化碳。. .62.1 2.1 沼氣的發(fā)酵的根本原理沼氣的發(fā)酵的根本原理 二階段實(shí)際 對復(fù)雜有機(jī)物的發(fā)酵產(chǎn)甲烷過程，后期研討以為厭氧消化過程分為兩個(gè)階段酸性發(fā)酵和堿性發(fā)酵階段，其中： 酸性發(fā)酵產(chǎn)酸菌利用胞外酶將復(fù)雜的大分子水解成小分子，并進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為有機(jī)酸。此階段也稱產(chǎn)酸階段。 堿性發(fā)酵甲烷細(xì)菌利用上階段產(chǎn)生的有機(jī)酸為底物，生成甲烷和CO2。此階段又稱為產(chǎn)氣階段。補(bǔ)充知識：所謂發(fā)酵，指氫供體和受氫體都是有機(jī)化合物的生物氧化作用. .7 二階段實(shí)際的開展2.1 2.1 沼氣的發(fā)酵的根本原理沼氣的發(fā)酵的根本原理 1936年由Barker初次提出，簡要

4、描畫了沼氣的發(fā)酵過程，該實(shí)際以為沼氣發(fā)酵可分為兩個(gè)階段，即產(chǎn)酸階段和產(chǎn)甲烷階段。由于兩階段實(shí)際解釋了沼氣發(fā)酵的主要過程，且對實(shí)踐工程有很好的指點(diǎn)作用，因此，目前運(yùn)用仍較為廣泛；. .8 三階段實(shí)際的提出2.1 2.1 沼氣的發(fā)酵的根本原理沼氣的發(fā)酵的根本原理u甲烷三階段構(gòu)成方式圖. .92.1 2.1 沼氣的發(fā)酵的根本原理沼氣的發(fā)酵的根本原理u第一階段：水解階段 兼性和部分轉(zhuǎn)性厭氧細(xì)菌發(fā)揚(yáng)作用，復(fù)雜的大分子有機(jī)物被胞外酶水解成為小分子的溶解性有機(jī)物，如單糖，氨基酸與脂肪酸等。補(bǔ)充知識：水解是指有機(jī)物進(jìn)入微生物細(xì)胞前，在胞外進(jìn)展的生物化學(xué)反響，微生物經(jīng)過釋放胞外自在酶或銜接在細(xì)胞外壁上的固定酶來

5、完成生物的催化反響。水解階段涉及微生物群落： Clostridium 梭菌屬Bacteroides擬桿菌屬Butyrivibrio 丁酸弧菌屬Eubacterium優(yōu)桿菌屬 Bifidobacterium 雙歧桿菌屬Streptococcus鏈球菌屬以及一些腸道菌. .10. .2.1 2.1 沼氣的發(fā)酵的根本原理沼氣的發(fā)酵的根本原理u第二階段：酸化階段產(chǎn)乙酸過程 首先，溶解性有機(jī)物由兼性或?qū)Ｐ詤捬跫?xì)菌經(jīng)發(fā)酵作用轉(zhuǎn)化為有機(jī)酸、醇、醛、CO2和H2。 其次，專性厭氧的產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸細(xì)菌將上階段的產(chǎn)物有機(jī)酸、醇、醛進(jìn)一步利用，生成乙酸和H2、CO2；同時(shí)同型產(chǎn)乙酸細(xì)菌將H2和CO2合成乙酸，有時(shí)也將乙

6、酸分解成H2和CO2，故也可分細(xì)分為酸化階段與產(chǎn)乙酸階段兩個(gè)階段。補(bǔ)充知識：酸化是一類典型的發(fā)酵過程，微生物的代謝產(chǎn)物主要是各種有機(jī)酸。水解酸化的目的是為混合厭氧消化過程的甲烷發(fā)酵提供底物。 11產(chǎn)乙酸階段涉及的微生物群落：2.1 2.1 沼氣的發(fā)酵的根本原理沼氣的發(fā)酵的根本原理產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌：產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸細(xì)菌是厭氧消化過程中一組重要的微生物類群, 它參與丙酸, 丁酸等中間的代謝產(chǎn)物的降解生成乙酸、氫氣和二氧化碳。 有機(jī)酸產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌乙酸+二氧化碳+水同型產(chǎn)乙酸菌：這是一類既能自養(yǎng)生活能異養(yǎng)生活的混合營養(yǎng)型細(xì)菌。它們既能利用H2+CO2生成乙酸 ，也能代謝產(chǎn)生乙酸 。 二氧化碳+水同型產(chǎn)乙酸菌乙酸

7、. .122.1 2.1 沼氣的發(fā)酵的根本原理沼氣的發(fā)酵的根本原理u第三階段：產(chǎn)甲烷階段 產(chǎn)甲烷菌最嚴(yán)厲的專性厭氧菌利用乙酸、氫氣和一碳化合物二氧化碳、一氧化碳、甲醇、甲酸、甲基胺產(chǎn)生甲烷。由二氧化碳和氫氣產(chǎn)生甲烷反響為 ： CO2+4H2CH4+ H2O 由乙酸或乙酸化合物產(chǎn)生甲烷反響為： CH3COOH CH4+CO2 ; CH3COONH4+H2O CH4+ NH4HCO3 甲烷產(chǎn)生途徑. .132.1 2.1 沼氣的發(fā)酵的根本原理沼氣的發(fā)酵的根本原理 沼氣發(fā)酵過程中的能量分配圖 在沼氣構(gòu)成的過程中，大約有30%左右的甲烷來自于氫氣的氧化和二氧化碳的復(fù)原，另外有70%左右來自于乙酸乙酸鹽

8、。. .142.1 2.1 沼氣的發(fā)酵的根本原理沼氣的發(fā)酵的根本原理 碳水化合物的發(fā)酵過程 碳水化合物包括纖維素、半纖維素和淀粉等，屬于多糖類，同時(shí)可用(C6H10O5)x表示，是秸稈的主要成分，其發(fā)酵過程如下：(C6H10O5)x + xH2OxC6H12O6酶酶xC6H12O6發(fā)酵發(fā)酵有機(jī)酸有機(jī)酸+醇類醇類有機(jī)酸有機(jī)酸醇類醇類CH3COOH + H2第一階段第一階段第二階段第二階段第三階段第三階段4H2 + CO2 CH4 + 2H2O2CH3COOH 2CH4 + 2CO2. .15 脂類的發(fā)酵過程2.1 2.1 沼氣的發(fā)酵的根本原理沼氣的發(fā)酵的根本原理 包括脂肪和油類，是污水中常見的有

9、機(jī)物。其發(fā)酵過程如下：第第1階段階段脂肪脂肪 油類油類+ H2O R-CH2COOH + CH2OHCHOHCH2OH酶酶脂肪酸脂肪酸甘油甘油第第2階段階段CH3(CH2)16COOH + 16H2O 9CH3COOH + 16H2脂肪酸分解成乙酸和氫氣。例如脂肪酸分解成乙酸和氫氣。例如第第3階段階段9CH3COOH 9CH4 + 9CO216H2 + 4CO2 4CH4 + 8H2O 以脂質(zhì)為基質(zhì)時(shí)，最終甲烷化氣體中的甲烷含量為72%，其中69%是由乙酸分解產(chǎn)生的。. .16. . 蛋白質(zhì)的發(fā)酵過程2.1 2.1 沼氣的發(fā)酵的根本原理沼氣的發(fā)酵的根本原理 蛋白質(zhì)是由假設(shè)干個(gè)氨基酸分子組成的高

10、分子化合物，其消化過程如下：第第1階段階段蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)+ H2O 氨基酸氨基酸R酶酶發(fā)酵發(fā)酵有機(jī)酸有機(jī)酸 + NH4HCO3R-C-COOH NH2 H氨基酸通式為氨基酸通式為R-C-COOH NH2 H第第2階段階段有機(jī)酸有機(jī)酸 CH3COOH + H2第第3階段階段CH3COOH CH4 + CO24H2 + CO2 CH4 + 2H2O 蛋白質(zhì)為原料進(jìn)展發(fā)酵的沼氣中甲烷含量為73%，其中72%是經(jīng)過乙酸途徑產(chǎn)生的，蛋白質(zhì)水解產(chǎn)生的NH4和CO2可生成NH4HCO3， 這可提高消化液的堿度，并提高pH值。有些含硫氨基酸，如胱氨酸、蛋氨酸等，可分解產(chǎn)生H2S、構(gòu)成臭味和一定的腐蝕性。172.

11、1 2.1 沼氣的發(fā)酵的根本原理沼氣的發(fā)酵的根本原理. .182.2 2.2 沼氣發(fā)酵微生物學(xué)沼氣發(fā)酵微生物學(xué)2.2.1 沼氣發(fā)酵微生物的種類和數(shù)量 不產(chǎn)甲烷群落 能將復(fù)雜的大分子有機(jī)物變成簡單的小分子量的物質(zhì)；種類繁多，包括轉(zhuǎn)性厭氧菌、兼性厭氧菌與好氧菌，其中專性厭氧菌占絕大多數(shù), 除細(xì)菌外，還包括一系列的真菌與原生動(dòng)物等。 產(chǎn)甲烷群落 產(chǎn)甲烷菌是沼氣發(fā)酵的主要成分甲烷的產(chǎn)生者。是沼氣發(fā)酵微生物的中心，它們嚴(yán)厲厭氧，對氧和氧化劑非常敏感，最適宜的pH值范圍為中性或微堿性。. .192.2.2 不產(chǎn)甲烷微生物2.2 2.2 沼氣發(fā)酵微生物學(xué)沼氣發(fā)酵微生物學(xué) 水解性細(xì)菌Eubacterium白質(zhì)

12、、糖類等的分解雙歧桿菌屬Bifidobacterium分解蛋白質(zhì)等。主要功能主要功能胞外酶作用胞外酶作用固形有機(jī)物固形有機(jī)物溶解有機(jī)物溶解有機(jī)物水水解解水解性細(xì)菌很多，以上只列出了見于厭氧消化中的主要的一小部分。這些微生物的主要功能是經(jīng)過胞外酶的作用將固形有機(jī)物水解成溶解有機(jī)物，再將可溶性的大分子有機(jī)物降解成有機(jī)酸、醇等。. .20 產(chǎn)乙酸細(xì)菌2.2 2.2 沼氣發(fā)酵微生物學(xué)沼氣發(fā)酵微生物學(xué) 包括產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌與同型產(chǎn)乙酸菌。其在厭氧發(fā)酵中的主要作用在于添加構(gòu)成甲烷的直接前提產(chǎn)物乙酸。u產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌互營單細(xì)胞菌屬Syntrophomonas互營桿菌屬Syntrophobacter羧菌屬Clost

13、ridium暗桿菌屬Pelobacter等。主要功能主要功能胞內(nèi)酶作用胞內(nèi)酶作用揮發(fā)性脂肪酸揮發(fā)性脂肪酸乙酸和乙酸和H2降降解解 這些微生物的主要功能是可將揮發(fā)性脂肪酸降解為乙酸和H2。這些菌的產(chǎn)乙酸、產(chǎn)氫反響，只需在氫分壓很低時(shí)才干完成。. .212.2 2.2 沼氣發(fā)酵微生物學(xué)沼氣發(fā)酵微生物學(xué)u同型產(chǎn)乙酸菌羧菌屬Clostridium醋酸桿菌屬Acetobacter等。主要功能主要功能胞內(nèi)酶作用胞內(nèi)酶作用氫氣與二氧化碳?xì)錃馀c二氧化碳乙酸乙酸代代謝謝糖類糖類或或同型產(chǎn)乙酸菌屬于混合營養(yǎng)型，既能代謝氫氣與二氧化碳生成乙酸，也可以代謝糖類等碳水化合物產(chǎn)生乙酸。該細(xì)菌產(chǎn)生乙酸只占乙酸總量的1%-2

14、%(40)、3%-4% (60)。產(chǎn)乙酸菌生長速度慢，在沼氣發(fā)酵過程中的作用能夠并不重要。. .222.2 2.2 沼氣發(fā)酵微生物學(xué)沼氣發(fā)酵微生物學(xué)2.2.3 產(chǎn)甲烷菌 產(chǎn)甲烷菌是最嚴(yán)厲厭氧的，能構(gòu)成甲烷的化能自養(yǎng)或化能異養(yǎng)的古菌群。自然界中最古老36億年左右，分布最廣的微生物。 產(chǎn)甲烷菌在400nM光源照射下，發(fā)出藍(lán)綠色熒光， 熒光來源于甲烷菌體內(nèi)的輔酶F420產(chǎn)甲烷菌中可代謝乙酸的甲烷菌不過兩屬。大多數(shù)甲烷菌是利用氫氣和二氧化碳生成甲烷。. .23 產(chǎn)甲烷菌的細(xì)胞構(gòu)造2.2 2.2 沼氣發(fā)酵微生物學(xué)沼氣發(fā)酵微生物學(xué) 產(chǎn)甲烷菌屬于古菌，無細(xì)胞壁、胞壁質(zhì)特征，而富含各種表層蛋白。 產(chǎn)甲烷菌的類

15、群 按產(chǎn)甲烷細(xì)菌的形狀和可利用的底物，可將其分成3個(gè)亞群。a) 桿狀、柳葉狀或球狀，可將H2/CO2、甲酸、甲醇/H2轉(zhuǎn)化成為CH4b) 球桿狀、桿狀、螺旋狀或盤狀，可將H2/CO2、甲酸、甲醇/H2轉(zhuǎn)化成為CH4c) 假八疊狀、球狀或鞘桿狀，可以生長于三甲胺或乙酸鹽并產(chǎn)CH4. .242.2 2.2 沼氣發(fā)酵微生物學(xué)沼氣發(fā)酵微生物學(xué) 產(chǎn)甲烷菌的形狀史氏甲烷短桿菌史氏甲烷短桿菌亨氏甲烷螺菌亨氏甲烷螺菌布氏甲烷桿菌布氏甲烷桿菌馬澤氏甲烷八疊球菌馬澤氏甲烷八疊球菌. .2.2 2.2 沼氣發(fā)酵微生物學(xué)沼氣發(fā)酵微生物學(xué)甲烷菌的特性 嚴(yán)厲的厭氧環(huán)境； 適宜生長的pH范圍6.87.4; 只能利用少數(shù)幾種

16、簡單的化合物作為其營養(yǎng)原料； 適宜溫度分為中溫3537與高溫5055 ； 代謝產(chǎn)物主要為CH4與CO2； 生長緩慢，世代周期長幾天幾十天； 都是原核生物；. .262.2.4 沼氣發(fā)酵微生物的生態(tài)環(huán)境2.2 2.2 沼氣發(fā)酵微生物學(xué)沼氣發(fā)酵微生物學(xué)淡水堆積物和水稻田 沼氣發(fā)酵微生物在自然界分布廣泛，特別是在沼澤、糞池、污水池和各種有機(jī)污泥中極為豐富。海洋和地質(zhì)深層堆積物地?zé)嵘鷳B(tài)環(huán)境動(dòng)物瘤胃及腸道環(huán)境傳統(tǒng)發(fā)酵釀酒窖池其他生態(tài)環(huán)境. .272.2 2.2 沼氣發(fā)酵微生物學(xué)沼氣發(fā)酵微生物學(xué)2.2.5 沼氣發(fā)酵中微生物的相互關(guān)系 不產(chǎn)甲烷菌與產(chǎn)甲烷菌間構(gòu)成了類似食物鏈的生態(tài)關(guān)系 ： 不產(chǎn)甲烷菌為產(chǎn)甲烷菌提供生長活動(dòng)所需的物質(zhì)和營養(yǎng)；產(chǎn)甲烷菌協(xié)助不產(chǎn)甲烷菌為其生化反響解除反響抑制。 不產(chǎn)甲烷菌為產(chǎn)甲烷菌發(fā)明適宜其生長和產(chǎn)甲烷的