沼氣發(fā)酵參與的細(xì)菌

一般認(rèn)為，從各種復(fù)雜有機(jī)物的分解開(kāi)始到最后生成沼氣，共有五大生理類(lèi)群的細(xì)菌參與，它們是發(fā)酵性細(xì)菌、產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌、耗氫產(chǎn)乙酸菌、食氫產(chǎn)甲烷菌和食乙酸產(chǎn)甲烷菌。五群菌構(gòu)成一條食物鏈，根據(jù)其代謝產(chǎn)物的不同，前三群細(xì)菌共同完成水解酸化過(guò)程，后兩群細(xì)菌完成產(chǎn)甲烷過(guò)程。

沼氣發(fā)酵發(fā)酵性細(xì)菌

可用于沼氣發(fā)酵的有機(jī)物種類(lèi)繁多，如禽畜糞便、作物秸稈、食物及酒精加工廢物等，其主要化學(xué)成分包括多糖類(lèi)（如纖維素、半纖維素、淀粉、果膠質(zhì)等）、脂類(lèi)和蛋白質(zhì)。這些復(fù)雜有機(jī)物大多不溶于水，必須首先被發(fā)酵性細(xì)菌所分泌的胞外酶分解為可溶性的糖、氨基酸和脂肪酸后，才能被微生物吸收利用。發(fā)酵性細(xì)菌將上述可溶性物質(zhì)吸收進(jìn)入細(xì)胞后，經(jīng)發(fā)酵作用將其轉(zhuǎn)化為乙酸、丙酸、丁酸和醇類(lèi)，同時(shí)產(chǎn)生一定量的氫氣及二氧化碳。沼氣發(fā)酵時(shí)發(fā)酵液中乙酸、丙酸、丁酸的總量稱(chēng)為總揮發(fā)酸（TVA）。在發(fā)酵正常的情況下，總發(fā)揮酸中以乙酸為主。蛋白類(lèi)物質(zhì)分解時(shí)，除生成產(chǎn)物外，還會(huì)有氨額硫化氫產(chǎn)生。參與水解發(fā)酵過(guò)程的發(fā)酵性細(xì)菌種類(lèi)繁多，已知的就有幾百種，包括梭狀芽孢桿菌、擬桿菌、丁酸菌、乳酸菌、雙歧桿菌和螺旋菌等。這些細(xì)菌多數(shù)為厭氧菌，也有兼性厭氧菌。

沼氣發(fā)酵產(chǎn)甲烷菌

在沼氣發(fā)酵過(guò)程中，甲烷的形成是由一群高度專(zhuān)業(yè)化的細(xì)菌—產(chǎn)甲烷菌引起的。產(chǎn)甲烷菌包括食氫產(chǎn)甲烷菌和食乙酸產(chǎn)甲烷菌，它們是厭氧消化過(guò)程食物鏈中的最后一組成員，盡管它們具有各種各樣的形態(tài)，但它們?cè)谑澄镦溨械牡匚皇顾鼈兙哂泄餐纳硖匦?。它們?cè)趨捬鯒l件下將前三群細(xì)菌代謝的終產(chǎn)物，在沒(méi)有外源受氫體的情況下，把乙酸轉(zhuǎn)化為氣體產(chǎn)物甲烷和二氧化碳，使有機(jī)物在厭氧條件下的分解作用得以順利完成。 2100433B

沼氣發(fā)酵是指各種固態(tài)的有機(jī)廢物經(jīng)過(guò)沼氣微生物發(fā)酵產(chǎn)生沼氣的過(guò)程。一般可大致分為三個(gè)階段 ：

沼氣發(fā)酵液化階段

由于各種固體有機(jī)物通常不能進(jìn)入微生物體內(nèi)被微生物利用，因此必須在好氧和厭氧微生物分泌的胞外酶、表面酶（纖維素酶、蛋白酶、脂肪酶）的作用下，將固體有機(jī)質(zhì)水解成相對(duì)分子質(zhì)量較小的可溶性單糖、氨基酸、甘油、脂肪酸。這些相對(duì)分子質(zhì)量較小的可溶性物質(zhì)就可以進(jìn)入微生物細(xì)胞之內(nèi)被進(jìn)一步分解利用。

沼氣發(fā)酵產(chǎn)酸階段

各種可溶性物質(zhì)（單糖、氨基酸、脂肪酸），在纖維素細(xì)菌、蛋白質(zhì)細(xì)菌、脂肪細(xì)菌、果膠細(xì)菌胞內(nèi)酶作用下繼續(xù)分解轉(zhuǎn)化成低分子物質(zhì)，如丁酸、丙酸、乙酸以及醇、酮、醛等簡(jiǎn)單有機(jī)物質(zhì)；同時(shí)也有部分氫、二氧化碳和氨等無(wú)機(jī)物的釋放。但在這個(gè)階段中，主要的產(chǎn)物是乙酸，約占70%以上，所以稱(chēng)為產(chǎn)酸階段。參加這一階段的細(xì)菌稱(chēng)為產(chǎn)酸菌。

沼氣發(fā)酵產(chǎn)甲烷階段

由產(chǎn)甲烷菌將第二階段分解出的乙酸等簡(jiǎn)單有機(jī)物分解成甲烷和二氧化碳，其中二氧化碳在氫氣的作用下還原成甲烷。這一階段稱(chēng)為產(chǎn)氣階段，或稱(chēng)為產(chǎn)甲烷階段。

沼氣發(fā)酵是一個(gè)復(fù)雜的生物化學(xué)過(guò)程，具有以下特點(diǎn) ：

（1）參與發(fā)酵反應(yīng)的微生物種類(lèi)繁多，沒(méi)有應(yīng)用單一菌種生產(chǎn)沼氣的先例，在生產(chǎn)和試驗(yàn)過(guò)程中需要用接種物來(lái)發(fā)酵。

（2）用于發(fā)酵的原料復(fù)雜，來(lái)源廣泛，各種單一的有機(jī)質(zhì)或混合物均可作為發(fā)酵原料，最終產(chǎn)物都是沼氣。此外，通過(guò)沼氣發(fā)酵能夠處理COD質(zhì)量濃度超過(guò)50000mg/L的有機(jī)廢水和固體含量較高的有機(jī)廢棄物。

（3）沼氣微生物自身能耗低，在相同的條件下，厭氧消化所需能量?jī)H占好氧分解的1/30~1/20。

（4）沼氣發(fā)酵裝置種類(lèi)多，從構(gòu)造到材質(zhì)均有不同，但各種裝置只要設(shè)計(jì)合理均可生產(chǎn)沼氣。

（5）產(chǎn)甲烷菌要求在氧化還原電位-330mV以下的環(huán)境生活，沼氣發(fā)酵要求在嚴(yán)格的厭氧環(huán)境中進(jìn)行。

1.該書(shū)是全國(guó)農(nóng)業(yè)工程方面、生物質(zhì)沼氣利用方面的首部沼氣發(fā)酵實(shí)驗(yàn)教程.

2.內(nèi)容包括沼氣發(fā)酵中的各種實(shí)驗(yàn)，對(duì)研究生、本科生及生物質(zhì)能等利用開(kāi)發(fā)人員有較好的參考作用。

雖然早在1630年比利時(shí)布魯塞爾的醫(yī)生Van Helment就已經(jīng)認(rèn)識(shí)到了沼氣，但對(duì)沼氣發(fā)酵的科學(xué)認(rèn)識(shí)卻始于1901年。百年來(lái)，沼氣的發(fā)展十分迅速，沼氣微生物的研究從技術(shù)方法、群體代謝、個(gè)體水平到分子生物學(xué)、基因研究、Methanococcus jannaschii全基因組序列的測(cè)定，沼氣發(fā)酵從工藝過(guò)程到設(shè)備配套技術(shù)，沼氣技術(shù)的應(yīng)用從廢棄物能源利用到環(huán)境和生態(tài)的可持續(xù)發(fā)展等方面均取得了長(zhǎng)足的發(fā)展。

在產(chǎn)甲烷菌的研究方面，個(gè)體產(chǎn)甲烷菌的分類(lèi)地位逐漸提高，短短幾十年，產(chǎn)甲烷菌由一個(gè)科上升至5目、10科、26屬；對(duì)產(chǎn)甲烷菌細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)、膜質(zhì)成分、16S rRNA親緣關(guān)系、7種輔酶因子形成甲烷的機(jī)制等的揭示，改變了種系發(fā)生的傳統(tǒng)二分法理論，提出了生命三領(lǐng)域?qū)W說(shuō)(Three Domains Theory)：古核生物(arachaea)、細(xì)菌(bacteria)和真核生物(eucarya)。在沼氣發(fā)酵的工藝方面，從簡(jiǎn)單的沼氣發(fā)生器出現(xiàn)后，先后又提出和發(fā)展了一系列工藝技術(shù)，如高速消化器、厭氧接觸消化器、UASB、AF、兩相厭氧消化器、厭氧流化床和厭氧膨脹床等，這些技術(shù)的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用拓寬了厭氧消化技術(shù)的服務(wù)范圍，大大提高了厭氧消化的效率。從能源的開(kāi)發(fā)與利用來(lái)看，沼氣技術(shù)利用有機(jī)廢棄物生產(chǎn)能源，即在有效治理有機(jī)污染的同時(shí)開(kāi)發(fā)清潔能源；這種能源開(kāi)發(fā)利用方式能夠保持大氣中二氧化碳的循環(huán)，或二氧化碳零排放。

沼氣發(fā)酵系統(tǒng)涉及內(nèi)容廣泛，理論、應(yīng)用與實(shí)踐共同發(fā)展，多學(xué)科交叉與滲透十分突出，沼氣的推廣應(yīng)用涉及多部門(mén)間的合作與協(xié)調(diào)。既有基礎(chǔ)微生物學(xué)、分子生物學(xué)研究，又有發(fā)酵工程的內(nèi)容；既有工藝學(xué)的研究，又有工程的建筑與設(shè)計(jì)；既有微生物代謝與代謝產(chǎn)物的研究，又有沼氣發(fā)酵殘留物的各種綜合利用；既有廢物的處理與能源利用，又有環(huán)境與生態(tài)工程的實(shí)踐；既有以沼氣為紐帶的可持續(xù)農(nóng)業(yè)理論探索，又有各種生態(tài)農(nóng)業(yè)模式的涌現(xiàn)；既有農(nóng)村家用沼氣池的應(yīng)用，又有大中型沼氣工程的運(yùn)行；既有禽畜場(chǎng)大中型沼氣工程、工廠(chǎng)有機(jī)廢水處理沼氣工程，又有城鎮(zhèn)生活污水沼氣凈化工程。

沼氣發(fā)酵是生物質(zhì)能源轉(zhuǎn)化的有效形式之一，特別是對(duì)于解決農(nóng)村能源以及治理有機(jī)廢物和廢水環(huán)境污染等問(wèn)題具有重要的作用。我國(guó)農(nóng)村沼氣30多年來(lái)的實(shí)踐表明，沼氣在解決我國(guó)農(nóng)村能源方面發(fā)揮著積極的甚至是不可替代的作用；以沼氣為紐帶的生態(tài)農(nóng)業(yè)建設(shè)，取得了長(zhǎng)足的發(fā)展，南方“豬沼果”、北方“四位一體”、西北“五配套”生態(tài)模式有力地促進(jìn)了農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展；“三結(jié)合”、“一池三改”的農(nóng)村沼氣建設(shè)，改善了農(nóng)村環(huán)境衛(wèi)生，整治了村容村貌，有效地促進(jìn)了新農(nóng)村的建設(shè)。我國(guó)農(nóng)村沼氣建設(shè)成功的經(jīng)驗(yàn)已被世界所認(rèn)識(shí)，在發(fā)達(dá)國(guó)家資金的扶持下，發(fā)展中國(guó)家農(nóng)村沼氣建設(shè)正在蓬勃發(fā)展，2008年荷蘭政府啟動(dòng)了非洲沼氣行動(dòng)計(jì)劃，荷蘭政府在全球籌資20億歐元，將用十年的時(shí)間在非洲建設(shè)200萬(wàn)個(gè)農(nóng)村家用沼氣池；亞洲銀行出資，其中2/3是補(bǔ)助資金，1/3是貸款，支持亞洲發(fā)展150萬(wàn)個(gè)農(nóng)村家用沼氣池。

20世紀(jì)80年代以來(lái)厭氧消化技術(shù)應(yīng)用于有機(jī)廢水的處理，各種厭氧消化工藝趨于成熟和高效，在污水處理方面發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。面對(duì)養(yǎng)殖場(chǎng)大量的糞便廢水，最有效的處理方法就是厭氧消化，這種處理方式實(shí)現(xiàn)了糞便廢水的資源化利用，在環(huán)境污染的治理中獲得較好的經(jīng)濟(jì)收益。以沼氣工程為紐帶，將污染治理轉(zhuǎn)化為資源開(kāi)發(fā)的優(yōu)勢(shì)，用環(huán)保治理拉動(dòng)企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，使環(huán)保產(chǎn)業(yè)作為產(chǎn)業(yè)建立的基礎(chǔ)，建立飼料(feed)、肥料(fertilizer)、食品(food)和能源/燃料(fuel)的4F循環(huán)經(jīng)濟(jì)模式，最終獲得能源、社會(huì)、生態(tài)/環(huán)境和經(jīng)濟(jì)四大效益，實(shí)現(xiàn)區(qū)域的可持續(xù)發(fā)展。

截至2011年底，全國(guó)戶(hù)用沼氣達(dá)到3996萬(wàn)戶(hù)，占鄉(xiāng)村總戶(hù)數(shù)的23%，受益人口達(dá)15億多人；中央支持建成了24萬(wàn)處小型沼氣工程和3690多處大中型沼氣工程，多元化發(fā)展的新格局初步形成；全國(guó)鄉(xiāng)村服務(wù)網(wǎng)點(diǎn)達(dá)到9萬(wàn)個(gè)、縣級(jí)服務(wù)站800多個(gè)，服務(wù)沼氣用戶(hù)3000萬(wàn)戶(hù)左右，覆蓋率達(dá)到75%，以沼氣設(shè)計(jì)、沼氣施工、沼氣服務(wù)、沼氣裝備和“三沼”綜合利用為主要內(nèi)容的產(chǎn)業(yè)化體系初步建立。農(nóng)村沼氣從小工程做成了大產(chǎn)業(yè)，把小環(huán)境變成了大生態(tài)，由小項(xiàng)目形成了大事業(yè)。通過(guò)發(fā)展農(nóng)村沼氣，有效防止和減輕了畜禽糞便排放和化肥農(nóng)藥過(guò)量施用造成的面源污染，對(duì)實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)節(jié)本增效、循環(huán)發(fā)展，提高農(nóng)業(yè)綜合生產(chǎn)能力和競(jìng)爭(zhēng)力發(fā)揮了重要作用；增強(qiáng)了應(yīng)對(duì)氣候變化和保障能源安全的能力，對(duì)減少化石能源消耗、改善農(nóng)村用能結(jié)構(gòu)和應(yīng)對(duì)氣候變化發(fā)揮了不可替代的作用；實(shí)現(xiàn)了糞便、秸稈、有機(jī)垃圾等農(nóng)村主要廢棄物的無(wú)害化處理、資源化利用，使困擾新農(nóng)村建設(shè)的諸多“臟亂差”環(huán)境問(wèn)題得到了有效解決，提高了農(nóng)民生活質(zhì)量，改善了農(nóng)業(yè)農(nóng)村生產(chǎn)生態(tài)環(huán)境，成為了新時(shí)期重要的農(nóng)村民生工程和新農(nóng)村建設(shè)的一大亮點(diǎn)。

目前，許多大專(zhuān)院校的農(nóng)業(yè)工程專(zhuān)業(yè)，均開(kāi)設(shè)了沼氣技術(shù)相關(guān)的課程，而沼氣技術(shù)本身是一門(mén)實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐較強(qiáng)的專(zhuān)業(yè)課，從課程建設(shè)來(lái)看，國(guó)內(nèi)沒(méi)有一本關(guān)于沼氣實(shí)驗(yàn)方面的教材，我們將多年碩士研究生的教學(xué)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行整理，并參考相關(guān)書(shū)籍編寫(xiě)了《沼氣發(fā)酵實(shí)驗(yàn)教程》。該書(shū)具有較強(qiáng)的專(zhuān)業(yè)特色，主要是針對(duì)碩士研究生專(zhuān)業(yè)學(xué)習(xí)與完成研究論文而編寫(xiě)，同時(shí)兼顧相關(guān)生物質(zhì)能專(zhuān)業(yè)的本科生學(xué)習(xí)與基本技能訓(xùn)練，對(duì)相關(guān)專(zhuān)業(yè)的博士研究生也具有資料豐富性、內(nèi)容新穎性和思考題啟發(fā)性的參考價(jià)值。應(yīng)用該書(shū)的人員除具備一定的化學(xué)基礎(chǔ)外，還需具備一定的生物化學(xué)與微生物學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)。每個(gè)實(shí)驗(yàn)是一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的整體，思考題則多以具體研究設(shè)計(jì)形式出現(xiàn)，要求理論與實(shí)際相結(jié)合，用提示的方式給出現(xiàn)階段技術(shù)可行的參考方法與思考。該書(shū)不僅是碩士研究生與本科生教學(xué)的參考用書(shū)，對(duì)于高等院校科研院所的科技人員與博士研究生也有參考價(jià)值和一定的指導(dǎo)意義?？晒氖律镔|(zhì)能和環(huán)境治理以及農(nóng)、林、牧行業(yè)的相關(guān)研究與開(kāi)發(fā)人員借鑒。

雖然《沼氣發(fā)酵實(shí)驗(yàn)教程》是根據(jù)多年的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)而成，并參考了大量的文獻(xiàn)資料，但終因水平有限，疏漏之處一定不少，懇請(qǐng)讀者批評(píng)指正。

張無(wú)敵于云南師范大學(xué)

2013年8月2100433B

發(fā)酵制取沼氣的原料很廣泛，凡是人糞便、禽畜糞便、桔稈、青草等有機(jī)物質(zhì)以及淀粉廠(chǎng)、糖廠(chǎng)、酒精廠(chǎng)的污水都可以發(fā)酵制取沼氣。但富含油脂、有毒、殺菌藥物不能入池發(fā)酵。