3. 基本原理与微生物学过程
复杂有机物 （碳水化合物、脂肪、蛋白质） 溶解性有机物（水解酸化阶段） （糖类、脂肪酸、氨基酸、醇类等） 产氢产乙酸阶段 （H2、CO2、CH3COOH) 产甲烷阶段 H2、CO2 CH4 CH3COOH CH4、CO2
（1）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。
二、产气量与产气速率
（1）产气量 （2）产气速率：池容产气率、原料产气率、理论产气率
第三节
沼气发酵的影响因素和 发酵工艺
沼气发酵微生物要求有适宜的生活条件，对温 度、酸碱度、氧化还原势及其他各种环境因素都有 一定的要求。在工艺上只有满足微生物的这些生活 条件，才能达到发酵快、产气量高的目的。实践证 明，往往由于某一条件没有控制好而引起整个系统 运行失败。 因此，控制好沼气发酵的工艺条件是维持正常 发酵产气的关键。
C 3 H 5 ( RCOO) 3 3H 2 O C 3 H 5 (OH ) 3 3RCOOH (脂肪） （碳水化合物） （甘油） （双糖） （脂肪酸） （单糖） 2(C 6 H 10 O5 )n nH 2 O nC12 H 22 O11 2nC6 H 12 O6
b. 产氢产乙酸阶段
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产甲烷菌将产酸阶段的产物进一步降解为CH4和CO2，同时 把产酸阶段所产生的H2和CO2转化成CH4。 产 CH4 阶段的生化反应相当复杂，目前已得到验证的主要 反应有：
CH 3 COOH CH 4 CO2 4 H 2 CO2 CH 4 2 H 2 O 4 HCOOH CH 4 3CH 2 2 H 2 O 4CH 3 OH 3CH 4 CO2 2 H 2 O 4(CH 3 ) 3 N 6 H 2 O 9CH 4 3CO2 4 NH 3 4CO 2 H 2 O CH 4 3CO2
（7）压力
甲烷菌能适应较大的静水压力，约40米或更高。但它 对压力变化极为敏感，需要工艺来稳定压力。 (你认为沼气发酵过程中什么时候可能会发生压力波动?) 在进料、出料和沼气消耗时，沼池中的压力发生变化，对甲烷 菌的生命活动有抑制作用。怎么防止?
（1）保留足够的贮气空间，使得用气时气压变化不致过大；
（6）原料的C∶N比值和其它营养物质
微生物所需的最适碳氮比为25∶1，由于沼气发 酵过程中原料的碳氮比可受到微生物的自动调节，因 此，适宜碳氮比范围较宽。 据大量报道和实验结果表明，沼气发酵的碳氮 比以20～30∶1为宜，超过35∶1产气量明显下降。但 也有报道配料中碳氮比以6～30∶1仍然合适的。
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。
（2）沼气发酵过程
a. 水解酸化阶段
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在这一阶段中复杂的有机高分子物质，如蛋白质、脂肪、 碳水化合物等在水解细菌产生的胞外酶的作用下进行体外 酶分解，使固体物质变成可溶于水的简单有机物。 高分子有机物的水解速度很慢，主要受物料的性质、微生 物的浓度、温度和pH等条件的制约。 主要有机物的水解反应： 蛋白质+nH2O→氨基酸＋脂肪酸＋NH3＋CO2＋H2S
（2）进料和出料的速度尽量保持一致，所进新鲜原料和所排出 的废料体积应相等；
（3）大型沼气池应设置贮气装置。如我国农村推广的一种分离 式浮罩沼气池，可保持比较稳定的气压。
（8）添加剂与抑制剂
有些物质少量添加于沼气池后就可显著促进产 气，这类物质称为添加剂。而另一些物质少量添加于 沼气池后则显著抑制产气，这类物质称为抑制剂。 添加剂的种类较多，包括一些酶类、无机盐、 有机物和无机物。如添加一定量的纤维素酶，可显著 促进产气；添加5mg/Kg的稀土元素（R2O5）可提高产 气17%；添加适量的NH4HCO3等氮肥，可显著提高秸杆 类原料的产气率；添加少量的活性炭或泥炭、或向发 酵池通入氢气都可显著提高甲烷产量。 抑制剂主要是指一些金属离子、盐类、杀菌剂和 人工合成的化合物。
一、沼气发酵的影响因素
（1）厌氧环境
沼气发酵微生物包括产酸菌和产甲烷菌两大类，他们 都是厌氧性细菌，尤其是产生甲烷甲烷菌是严格厌氧菌， 对氧特别敏感。他们不能在有氧的环境中生存，哪怕只有 微量的氧存在，微生物的生命活动也会受到抑制，甚至死 亡。判断厌氧程度一般用氧化还原电位Eh表示。厌氧条件 下，Eh是负值。严格厌氧的甲烷菌要求的Eh为－300～－ 350mV，而一些兼性产酸的细菌则在Eh为－100～＋100mV就 能正常生活。为了保证厌氧条件，必须修建严格密闭的沼 气池，保证沼气池不漏水、漏气。
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液化阶段产生的简单的可溶性有机物，在产氢菌、产醋酸 菌的作用下，进一步分解成挥发性脂肪酸，主要是丙酸、 丁酸、乳酸，醇、酮、醛、CO2和H2等。
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反应式
简单可溶性有机物 产氢菌、产醋酸菌 甲醇＋甲酸＋乙酸＋ CO2＋H 2
c. 产甲烷阶段(Methane-producing stage)


图9-5 pH值对厌氧消化的影响
（4）搅拌(mix round)
搅拌的目的: 1)是发酵原料分布均匀，增加微生物与原料的接触面， 加快产气速度，提高产气量、提高原料利用率。
2)同时也可防止原料浮面结壳，产生的沼气释放不出 来。我国农村的沼气发酵原料以秸杆、杂草和树叶等 为主，更需搅拌才能达到好的发酵效果。
2、 厌氧发酵技术的主要特点

可将潜在于有机废物中的低品位生物能转化为可直 接利用的高品位沼气 ； 与好氧处理相比，厌氧消化不需要通风动力，设施 简单，运行成本低，属于节能型处理方法； 适用于处理高浓度有机废水和废物； 经厌氧处理后的废物基本上是稳定的，可以用作农 肥、饲料和堆肥化原料； 厌氧微生物的生长速度慢，常规方法的处理效率低， 设备体积大； 厌氧处理过程中易产生H酵(50～55℃)
适宜温度为53℃左右,这是甲烷菌的第二个最佳活性温区，产 气率最高。 高温发酵要求料浆和发酵设备有加热保温措施，管理复杂。 但是高温发酵对病原微生物的杀灭率较高，发酵过程的停留 时间只需12～15天。 在高温发酵条件下，有机负荷为6.0～7.0kg/(m3.d)，甲烷产 气量约3.0～4.0 m3/(m3.d)。 厌氧消化过程中，甲烷的产生量通常随温度的升高而增加， 但在45℃左右有一个间断点（见图9-4），这是由于中温发酵 和高温发酵分别是由两个不同的微生物种群在起作用。在 45℃左右的温度条件下对中温菌和高温的生长都不利，因此 ，产气量突然下降。
按原料来源分： 1．农村发酵原料 富N原料。通常是指人畜粪便，也包括青草等碳氮比低的原料。 其含氮量高，碳氮比多在25∶1以下，即在沼气发酵的适宜的碳 氮比范围内或以下。这类原料中粪便经过了人和动物的胃肠系统 的充分消化，一般颗粒细小，含有大量的低分子化合物─—人和 动物未吸收的中间产物，含水量较高。因此，在进行沼气发酵时 不必预处理，就容易厌氧分解，产气速度快，发酵周期较短。 富C原料。我国农村的另一大类发酵原料是秸杆和秕壳等农作物 的残余物。这类原料富含纤维素、半纤维素、果胶以及难降解 的木质素和植物蜡质，含碳量高，其碳氮比多在40∶1以上，称 富碳原料。这些物质发酵周期较长。秸秆类富C原料一般干物质 含量比富N原料高，且比重小，进沼气池后容易飘浮形成死区 ─—浮壳层，这类原料在发酵前一般需要预处理
发酵原料的评估和计量，通常用总固体（TS）、挥发 性固体（VS）、化学耗氧量（COD）和生物耗氧量 （BOD）等指标评价和计量原料中有机物的含量和沼 气的产量。 （1）总固体（TS）：湿式发酵6％－10％ 、干式发酵 20%-35% （2）挥发性固体（VS） （3）产气量 （4）产气速率：池容产气率、原料产气率、理论产 气率
3)防止局部酸的积累
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搅抖方式
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有机械搅拌、充气搅抖和充液搅拌三种。 机械搅拌 在池内安装叶轮进行搅拌。（不常用） 气搅拌 将沼气从池上部抽出后，又从池底压进 去，产生强大的气流，达到搅拌的目的。 液搅拌 从出料间将发酵液抽出，然后从进料口 冲入沼气池，产生强大的液体回流，达到搅拌的 目的。
第九章
第一节 第二节 第三节 第四节 第五节
沼气发酵
概述 沼气发酵原料 沼气发酵的影响因素和工艺 沼气池的设计与构建（自学） 沼气发酵产物的综合利用
第一节
概述
1、厌氧发酵（anaerobic fermentationm）
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厌氧发酵（或厌氧消化）是指厌氧微生物的作用下，有控制 地使废物中可生物降解的有机物转化为 CH4、CO2和稳定物质的 生物化学过程。 由于厌氧发酵的产物是以 CH4 为主要成分的沼气，故又称为甲 烷发酵(firedamp fermentation)。 厌氧发酵技术最初的工业化应用是作为粪便和污泥的减量化 和稳定化的手段得以实施的。厌氧消化处理可以去除废物中 10～50％的有机物，并使之稳定化。 70 年代初，由于能源危机和石油价格上涨，许多国家开始寻 找新的能源，这时厌氧发酵技术显示出其优势，普遍受到人 们的关注。 近 20 年来，我国许多城市相继建成了大型厌氧发酵设施，用 来处理城市污泥和粪便。
第二节
沼气发酵原料
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。但由于其来源和形成过程不同，它们的化 学成分和结构也迥然不同，由此造成原料的发 酵性能差异相当大
一、发酵原料的种类
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（5）接种物
正常沼气发酵是一定数量和种类的微生物来完成的。 含有丰富沼气微生物数量的污泥叫接种物。