沼气技术基础课件.ppt

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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12.1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22.1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32.1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

2、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109°28’非极性分子比例模型球棍模型CH4+2O2=CO2+2H2O+35.91MJ42.1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。52.1沼气的发酵的基本原理二阶段理论对复杂有机

3、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6二阶段理论的发展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

4、很好的指导作用，因此，目前应用仍较为广泛；7三阶段理论的提出2.1沼气的发酵的基本原理甲烷三阶段形成模式图82.1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（

5、优杆菌属）Bifidobacterium（双歧杆菌属）Streptococcus（链球菌属）以及一些肠道菌92.1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

6、厌氧消化过程的甲烷发酵提供底物。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112.1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

7、化碳和氢气产生甲烷反应为：CO2+4H2→CH4+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122.1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）。132.1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：(C6H10O5)x+xH2OxC

8、6H12O6酶xC6H12O6发酵有机酸+醇类有机酸醇类CH3COOH+H2第一阶段第二阶段第