《沼气技术基础》PPT课件.ppt

1,第2章 沼气技术基础,2.1 沼气发酵基本原理,主要内容：,2.2 沼气发酵微生物学,2.3 沼气发酵微生物学的分离培养 方法,2,2.1 沼气的发酵的基本原理,2.1.1 沼气的基本知识,由有机物在隔绝空气和一定温度、湿度、酸碱度等条件下，经微生物的作用而产生的一种可燃性气体,最先在沼泽中发现的，所以称之为沼气,3,2.1 沼气的发酵的基本原理,2.1.1 沼气的基本知识,沼气的组成,甲烷：60%二氧化碳：35%其他气体（水蒸气、硫化氢、一氧化碳、氮气等）：5%,沼气天然气,沼气与天然气的区别,4,2.1 沼气的发酵的基本原理,沼气的性质,沼气的主要成分是甲烷，故沼气的性质取决于甲烷的性质,物理性质：无色、无臭、密度比空气轻，难溶于水,化学性质：,化学式：CH4，正四面体结构，键角均为10928非极性分子,比例模型,球棍模型,CH4+2O2=CO2+2H2O+35.91MJ,5,2.1 沼气的发酵的基本原理,2.1.2 沼气发酵过程,沼气发酵过程，是微生物的物质代谢和能量转换过程，在分解过程中沼气微生物获得能量和物质，以满足自身生长和繁殖，同时大部分物质转化为沼气（甲烷与二氧化碳），其中有机物90%转化为沼气，而10%用于微生物自身的代谢。,早期一阶段理论,有机物,甲烷+二氧化碳,甲烷细菌,有机物经甲烷细菌分解而直接产生甲烷与二氧化碳。,6,2.1 沼气的发酵的基本原理,二阶段理论,对复杂有机物的发酵产甲烷过程，后期研究认为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。此阶段又称为产气阶段。,补充知识：所谓发酵，指氢供体和受氢体都是有机化合物的生物氧化作用,7,二阶段理论的发展,2.1 沼气的发酵的基本原理,1936年由Barker首次提出，简要描述了沼气的发酵过程，该理论认为沼气发酵可分为两个阶段，即产酸阶段和产甲烷阶段。由于两阶段理论解释了沼气发酵的主要过,程，且对实际工程有很好的指导作用，因此，目前应用仍较为广泛；,8,三阶段理论的提出,2.1 沼气的发酵的基本原理,甲烷三阶段形成模式图,9,2.1 沼气的发酵的基本原理,第一阶段：水解阶段,兼性和部分转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为小分子的溶解性有机物，如单糖，氨基酸与脂肪酸等。,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的催化反应。,水解阶段涉及微生物群落：Clostridium（梭菌属）Bacteroides（拟杆菌属）Butyrivibrio（丁酸弧菌属）Eubacterium（优杆菌属）Bifidobacterium（双歧杆菌属）Streptococcus（链球菌属）以及一些肠道菌,10,一、论文研究背景,2.1 沼气的发酵的基本原理,第二阶段：酸化阶段（产乙酸过程）,首先，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。其次，专性厌氧的产氢产乙酸细菌将上阶段的产物（有机酸、醇、醛）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，故也可分细分为酸化阶段与产乙酸阶段两个阶段。,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。,11,产乙酸阶段涉及的微生物群落：,2.1 沼气的发酵的基本原理,产氢产乙酸菌：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、氢气和二氧化碳。,有机酸,产氢产乙酸菌,乙酸+二氧化碳+水,同型产乙酸菌：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。,二氧化碳+水,同型产乙酸菌,乙酸,12,2.1 沼气的发酵的基本原理,第三阶段：产甲烷阶段,产甲烷菌（最严格的专性厌氧菌）利用乙酸、氢气和一碳化合物（二氧化碳、一氧化碳、甲醇、甲酸、甲基胺）产生甲烷。,由二氧化碳和氢气产生甲烷反应为：CO2+4H2CH4+H2O 由乙酸或乙酸化合物产生甲烷反应为：CH3COOH CH4+CO2;CH3COONH4+H2O CH4+NH4HCO3,甲烷产生途径,13,2.1 沼气的发酵的基本原理,沼气发酵过程中的能量分配图,在沼气形成的过程中，大概有30%左右的甲烷来自于氢气的氧化和二氧化碳的还原，另外有70%左右来自于乙酸（乙酸盐）。,14,2.1 沼气的发酵的基本原理,碳水化合物的发酵过程,碳水化合物包括纤维素、半纤维素和淀粉等，属于多糖类，同时可用(C6H10O5)x表示，是秸秆的主要成分，其发酵过程如下：,有机酸醇类,CH3COOH+H2,第一阶段,第二阶段,第三阶段,15,脂类的发酵过程,2.1 沼气的发酵的基本原理,包括脂肪和油类，是污水中常见的有机物。其发酵过程如下：,第1阶段,脂肪 油类,+H2O R-CH2COOH+CH2OHCHOHCH2OH,酶,脂肪酸,甘油,第2阶段,CH3(CH2)16COOH+16H2O 9CH3COOH+16H2,脂肪酸分解成乙酸和氢气。例如,第3阶段,9CH3COOH 9CH4+9CO216H2+4CO2 4CH4+8H2O,以脂质为基质时，最终甲烷化气体中的甲烷含量为72%，其中69%是由乙酸分解产生的。,16,一、论文研究背景,蛋白质的发酵过程,2.1 沼气的发酵的基本原理,蛋白质是由若干个氨基酸分子组成的高分子化合物，其消化过程如下：,第1阶段,蛋白质,+H2O 氨基酸（R）,酶,发酵,有机酸+NH4HCO3,氨基酸通式为,第2阶段,有机酸 CH3COOH+H2,第3阶段,CH3COOH CH4+CO24H2+CO2 CH4+2H2O,蛋白质为原料进行发酵的沼气中甲烷含量为73%，其中72%是通过乙酸途径产生的，蛋白质水解产生的NH4和CO2可生成NH4HCO3，这可提高消化液的碱度，并提高pH值。有些含硫氨基酸，如胱氨酸、蛋氨酸等，可分解产生H2S、形成臭味和一定的腐蚀性。,17,2.1 沼气的发酵的基本原理,18,2.2 沼气发酵微生物学,2.2.1 沼气发酵微生物的种类和数量,不产甲烷群落,能将复杂的大分子有机物变成简单的小分子量的物质；种类繁多，包括转性厌氧菌、兼性厌氧菌与好氧菌，其中专性厌氧菌占绝大多数,除细菌外，还包括一系列的真菌与原生动物等。,产甲烷群落,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。,19,2.2.2 不产甲烷微生物,2.2 沼气发酵微生物学,水解性细菌,羧菌属（Clostridium）降解淀粉、蛋白质等有机物，产生丙酮、丁醇、丁酸、乙酸和氢气。似杆菌属（Bacteroides）降解纤维素或半纤维素。丁酸弧菌属（Butyrivibrio）降解脂肪、蛋白质等真细菌属（Eubacterium）蛋白质、糖类等的分解双歧杆菌属（Bifidobacterium）分解蛋白质等。,主要功能,胞外酶作用,固形有机物,溶解有机物,水解,水解性细菌很多，以上只列出了见于厌氧消化中的主要的一小部分。这些微生物的主要功能是通过胞外酶的作用将固形有机物水解成溶解有机物，再将可溶性的大分子有机物降解成有机酸、醇等。,20,产乙酸细菌,2.2 沼气发酵微生物学,包括产氢产乙酸菌与同型产乙酸菌。其在厌氧发酵中的主要作用在于增加形成甲烷的直接前提产物乙酸。,产氢产乙酸菌,互营单细胞菌属（Syntrophomonas）互营杆菌属（Syntrophobacter）羧菌属（Clostridium）暗杆菌属（Pelobacter）等。,主要功能,胞内酶作用,挥发性脂肪酸,乙酸和H2,降解,这些微生物的主要功能是可将挥发性脂肪酸降解为乙酸和H2。这些菌的产乙酸、产氢反应，只有在氢分压很低时才能完成。,21,2.2 沼气发酵微生物学,同型产乙酸菌,羧菌属（Clostridium）醋酸杆菌属（Acetobacter）等。,主要功能,胞内酶作用,氢气与二氧化碳,乙酸,代谢,糖类,或,同型产乙酸菌属于混合营养型，既能代谢氢气与二氧化碳生成乙酸，也可以代谢糖类等碳水化合物产生乙酸。该细菌产生乙酸只占乙酸总量的1%-2%(40)、3%-4%(60)。产乙酸菌生长速度慢，在沼气发酵过程中的作用可能并不重要。,22,2.2 沼气发酵微生物学,2.2.3 产甲烷菌,产甲烷菌是最严格厌氧的，能形成甲烷的化能自养或化能异养的古菌群。,自然界中最古老（36亿年左右），分布最广的微生物。产甲烷菌在400nM光源照射下，发出蓝绿色荧光，荧光来源于甲烷菌体内的辅酶F420产甲烷菌中可代谢乙酸的甲烷菌不过两属。大多数甲烷菌是利用氢气和二氧化碳生成甲烷。,23,产甲烷菌的细胞结构,2.2 沼气发酵微生物学,产甲烷菌属于古菌，无细胞壁、胞壁质特征，而富含各种表层蛋白。,产甲烷菌的类群,按产甲烷细菌的形态和可利用的底物，可将其分成3个亚群。,a)杆状、柳叶状或球状，可将H2/CO2、甲酸、甲醇/H2转化成为CH4b)球杆状、杆状、螺旋状或盘状，可将H2/CO2、甲酸、甲醇/H2转化成为CH4c)假八叠状、球状或鞘杆状，能够生长于三甲胺或乙酸盐并产CH4,24,2.2 沼气发酵微生物学,产甲烷菌的形态,史氏甲烷短杆菌,亨氏甲烷螺菌,布氏甲烷杆菌,马泽氏甲烷八叠球菌,2.2 沼气发酵微生物学,甲烷菌的特性,严格的厌氧环境；适宜生长的pH范围6.87.4;只能利用少数几种简单的化合物作为其营养原料；适宜温度分为中温（3537）与高温（5055）；代谢产物主要为CH4与CO2；生长缓慢，世代周期长（几天几十天）；都是原核生物；,26,2.2.4 沼气发酵微生物的生态环境,2.2 沼气发酵微生物学,淡水沉积物和水稻田,沼气发酵微生物在自然界分布广泛，特别是在沼泽、粪池、污水池和各种有机污泥中极为丰富。,海洋和地质深层沉积物,地热生态环境,动物瘤胃及肠道环境,传统发酵酿酒窖池,其他生态环境,27,2.2 沼气发酵微生物学,2.2.5 沼气发酵中微生物的相互关系,不产甲烷菌与产甲烷菌间形成了类似食物链的生态关系：,不产甲烷菌为产甲烷菌提供生长活动所需的物质和养分；产甲烷菌帮助不产甲烷菌为其生化反应解除反馈抑制。不产甲烷菌为产甲烷菌创造适合其生长和产甲烷的厌氧环境。不产甲烷菌与产甲烷菌共同调节维持沼气池中的pH值，使其保持在一个适宜的状态。,28,2.3 沼气发酵微生物的分离培养方法,创造严格的厌氧系统,配制合理的厌氧培养基,进行厌氧菌的分离,必须在严格的厌氧环境下进行操作，可以通过铜柱除氧系统或者厌氧箱来创造厌氧系统；,培养基除了为甲烷菌提供必要的营养元素外，还需要为其创造适宜的生长条件；,耐氧的厌氧菌可以采用简单的琼脂平板划线法，严格厌氧菌则应采用Hungate滚管法、软琼脂柱法或功能较全的厌氧箱划平板分离法；,