第九章沼气发酵解析

沼气发酵基本原理沼气发酵基本原理沼气发酵又称为厌氧消化、厌氧发酵和甲烷以酵，是指有机物质（如人畜家禽粪便、秸秆、杂草等）在一定的水分、温度和厌氧条件下，通过种类繁多、数量巨大、且功能不同的各类微生物的分解代谢，最终形成甲烷和二氧化碳等混合性气体（沼气）的复杂的生物化学过程。

一、沼气发酵微生物沼气发酵微生物是人工制取沼气最重要的因素，只有有了大量的沼气微生物，并使各种类群的微生物得到基本的生长条件，沼气发酵原料才能在微生物的条件下转化为沼气。

（一）沼气微生物的种类沼气发酵是一种极其复杂的微生物和化学过程，这一过程的发酵和发展是五大类群微生物生命活动的结果。

它们是：发酵性细菌、产氢产乙酸菌、食氢产甲烷菌和食乙酸产甲烷菌。

这些微生物按照各自的营养需要，起着不同的物质转化作用。

从复杂不机物的降解，到甲烷的形成，就是由它们分工合作和相互作用完成的。

在沼气发酵过程中，五大类群细菌构成一条食物链，从各类群细菌的生理代谢产物或它们的活动对发酵液酸碱度（pH）的影响来看，沼气发酵过程可分为产酸阶段和产甲烷阶段。

前三群细菌的活动可使有机物形成各种有机酸，因此，将其统称为不产甲烷菌。

后二群细菌的活动可使各种有机转化成甲烷，因此，将其统称为产甲烷菌。

1、不产甲烷菌在沼气发酵过程中，不能直接产生甲烷微生物统称为不产甲烷菌。

不产甲烷菌能将复杂的大分子有机物变成简单的小分子量的物质。

它们的种类繁多，现已观察到的包括细菌、真菌和原生动物三大类。

以细菌种类最多，目前已知的有18个属51个种，随着研究的深入和分离方法的改进，还在不断发现新的种。

根据微生物的呼吸类型可将其分为好氧菌、厌氧菌、兼性厌氧菌三大类型。

其中，厌氧菌数量最大，比兼性厌氧菌、好氧菌多100~200倍，是不产甲烷阶段起主要作用的菌类。

根据作用基质来分，有纤维分解菌、半纤维分解菌、淀粉分解菌、蛋白质分解菌、脂肪分解菌和其他一些特殊的细菌，如产氢菌、产乙酸菌等。

2、产甲烷菌在沼气发酵过程中，利用小分子量化合物形成沼气的微生物统称为产甲烷菌。

沼气发酵第一节概述一、定义：沼气发酵，又称厌氧发酵或厌氧消化，是指有机物质（如作物秸杆、杂草、人畜粪便、垃圾、污泥及城市生活污水和工业有机废水等）在厌氧条件下，通过种类繁多、数量巨大、功能不同的各类微生物的分解代谢，最终产生沼气的过程。

二、沼气的组成：沼气是由微生物产生的一种可燃性混合气体，其主要成分是甲烷(CH4)，大约占60%，其次是二氧化碳(CO2)大约占35%，此外还有少量其它气体，如水蒸气、硫化氢、一氧化碳、氮气等。

不同条件下产生的沼气，其成分有一定的差异。

例如人粪、鸡粪、屠宰废水发酵时，所产生的甲烷含量可达70%以上，农作物秸杆发酵所产生的沼气中甲烷含量一般为55%左右。

第二节沼气发酵的微生物学过程一、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。

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。

二、沼气发酵过程的三个阶段第一阶段是含碳有机聚合物的水解。

纤维素、半纤维素、果胶、淀粉、脂类、蛋白质等非水溶性含碳有机物，经细菌水解发酵生成水溶性糖、醇、酸等分子量较小的化合物，以及氢气和二氧化碳；第二阶段是各种水溶性产物经微生物降解形成甲烷底物，主要是乙酸、氢气和二氧化碳；第三阶段是产甲烷菌转化甲烷底物生成CH4和CO2。

另外，在沼气发酵过程中还存在某些逆向反应，即由小分子合成大分子物质的微生物过程。

第三节沼气发酵原料的分类与特性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。

沼气发酵在自然界中绿色植物经光合作用合成碳水化合物，主要形成糖、淀粉、纤维素等。

纤维素合成的数量最大，贮量也最多，是地球上很难被微生物分解的物质。

在好氧条件下，纤维素可被少数微生物氧化分解，最终产生CO2和H2O。

目前所知绿色木霉是分解纤维素最强的微生物。

（C6H10O5）n+nO2→nCO2+nH2O在厌氧条件下，纤维素经厌氧微生物发酵作用最终产生CH4。

在自然界形成甲烷的地方主要有沼泽地、水稻田、井地、河湖淤泥及反刍动物瘤胃。

反刍动物瘤胃具有产甲烷的良好条件，所以瘤胃被称为产甲烷的天然高效能的连续发酵罐。

1．甲烷形成的微生物学过程从有机物质厌氧发酵到形成甲烷，是非常复杂的过程，不是一种细菌所能完成的，是由很多细菌参与联合作用的结果。

（1）联合作用从有机物到甲烷形成，是由很多细菌联合作用的结果。

甲烷细菌在合成的最后阶段起作用。

它利用伴生菌所提供的代谢产物H2、CO2等合成甲烷。

整个过程可分以下几个阶段：以上几个阶段不是截然分开的，没有明显的界限，也不是孤立进行的，而是密切联系在一起互相交叉进行的。

（2）种间H2的转移作用在沼气发酵过程中，产酸菌、伴生菌发酵有机物产H2，H2又被甲烷细菌用于还原CO2合成CH4。

伴生菌和甲烷细菌在发酵过程中形成了共生关系，S-菌系分解乙醇产H2，H2对它继续分解乙醇有阻抑作用，而MOH-菌系可利用H2，这样又为S-菌系清除了阻抑，两者在一起生活互惠互利，单独存在都生活不了。

（3）由乙酸产生甲烷乙酸是有机物在厌氧发酵过程中主要中间代谢产物，也是形成甲烷的重要中间产物。

McCarty实验证明，有机物发酵分解产生乙酸形成甲烷，约占甲烷总生成量的72％，由其他产物形成甲烷约占28％。

由乙酸形成甲烷过程也是很复杂的，用14C示踪原子试验表明，由乙酸形成甲烷有两种途径：①由乙酸的甲基形成甲烷②由乙酸转化为CO2和H2形成甲烷2．沼气发酵微生物之间的生态关系沼气发酵是一个极其复杂的生物化学过程，包括各种不同类型微生物所完成的各种代谢途径。

沼气发酵过程中微生物代谢和群落结构的分析沼气发酵是一种通过微生物代谢产生沼气的过程，是一种利用有机废弃物进行能源再生的绿色技术。

这种技术具有环境友好、高效且经济可行等优点，因此在很多国家得到了广泛的应用。

然而，在沼气发酵过程中，微生物的代谢和群落结构是影响沼气产出的关键因素之一。

因此，对沼气发酵过程中微生物代谢和群落结构的分析具有重要意义。

1. 微生物代谢的分析沼气发酵主要包括四个阶段：水解、酸化、醇化和甲烷化。

在这些阶段中，微生物代谢起着至关重要的作用。

水解阶段是指将有机物分解成低分子量有机物的过程，这一过程中主要活动的微生物是厌氧菌和厌氧蜡烛菌等。

酸化阶段是指低分子量有机物被厌氧菌和厌氧古菌代谢成为挥发性脂肪酸的过程。

在醇化阶段，挥发性脂肪酸被乙酸菌、丙酸菌和乳酸菌等微生物代谢生成乙醇、丙酮和乳酸等物质。

最后，在甲烷化阶段，乙酸菌和甲烷菌等微生物将乙酸和氢气等化合物转化为甲烷。

通过对这些过程中微生物代谢的分析，可以更好地了解沼气发酵过程中微生物的作用机制，从而为沼气的产量和品质提高提供理论依据。

2. 群落结构的分析沼气发酵过程中微生物的群落结构是影响沼气产出的关键因素之一。

微生物群落结构的稳定性和多样性对沼气的产率和稳定性有很大的影响。

一般来说，微生物群落结构的多样性越高，沼气发酵的稳定性就越高。

而且，研究表明，沼气发酵过程中微生物群落结构的变化会导致沼气产量的下降和波动。

因此，对沼气发酵过程中微生物群落结构的分析，不仅可以为合理设计沼气反应器提供参考，还可以为保持沼气产出的稳定性提供理论依据。

综上所述，沼气发酵过程中微生物代谢和群落结构的分析是提高沼气产率和品质的关键，也是推广沼气发酵技术的必要途径之一。

为此，需要加强对沼气发酵过程中微生物代谢和群落结构的研究，以提高沼气发酵技术的稳定性和经济性，从而更好地利用有机废弃物进行能源再生。

沼气发酵的原理沼气发酵是一个复杂的微生物学过程，参加发酵的微生物数量巨大种类繁多，只有了解参加沼气发酵的多种微生物活动规律、生存条件及作用，并按照微生物的生存条件、活动规律要求，去修建沼气池，收集发酵原料，进行日常管理，使参加发酵的各种微生物得到最佳的生长条件，才能获得较多的产气量和沼肥，满足生产、生活需要。

1、什么叫沼气沼气发酵又叫厌氧消化，是指利用人畜粪便、秸秆、污水等各种有机物在密闭的沼气池内，在厌氧（没有氧气）的条件下，被种类繁多的沼气发酵微生物分解转化，最终产生沼气的过程。

在这个过程中，微生物是最活跃的因素，它们把各种固体或是溶解状态的复杂有机物，按照各自的营养需要，进行分解转化，最终生成沼气。

沼气是一种混合气体，可以燃烧，因为这种气体最先是在沼泽中发现的，所以称为沼气，它的主要成分是甲烷占55%-70%左右，二氧化碳占25%-40%左右，此外还有少量氢气、硫化氢、一氧化碳、氮和氨等。

2、沼气发酵微生物在沼气发酵过程中，有发酵性细菌，产氢产乙酸菌，耗痒产乙酸菌、食氢产甲烷菌、食乙酸产甲烷菌等五大类微生物参加沼气发酵，它们在发酵过程中的作用及对生存条件的要求，有以下三个阶段。

（1）液化阶段在沼气发酵中首先是发酵性细菌群利用它所分泌的胞外酶，如纤维酶、淀粉酶、蛋白酶和脂肪酶等，对有机物进行体外酶解，也就是把禽畜粪便、作物秸秆、豆制品加工后的废水等大分子有机物分解成能溶于水的单糖、氨基酸、甘油和脂肪酸等小分子化合物，这个阶段叫液化阶段。

（2）产酸阶段这个阶段是三个细菌群体的联合作用，先由发酵性细菌将液化阶段产生的小分子化合物吸收进细胞内，并将其分解为乙酸、丙酸、丁酸、氢和二氧化碳等，再由产乙酸菌把发酵性细菌产生的内酸、丁酸转化为产甲烷菌可利用的乙酸，氢和二氧化碳。

另外还有耗氢产乙酸菌群，这种细菌群体利用氢和二氧化碳生成乙酸，还能代谢糖类生产乙酸，它们能转变多种有机物为乙酸。

液化阶段和产酸阶段是一个连续过程，统称不产甲烷阶段，在这个过程中，不产甲烷的细菌种类繁多，数量巨大，它们主要的作用是为产甲烷菌提供营养和为产甲烷菌创造适宜的厌氧条件，消除部分毒物。

沼气发酵的原理与条件目前，沼气池已经进入千家万户，成为农村家庭不可缺少的基础设施之一，为农民生活提供了优质生活燃料，为农村生产提供了高效有机肥料。

但是在实践中经常出现沼气池建好了，原料也装上了，就是产气不好，甚至有不产气的情况。

这是为什么呢？本人多年从事农村能源工作，在此想根据我工作、学习的体会与家有沼气池的农民朋友进行一下交流探讨。

首先让我们了解一下沼气发酵的原理和保证沼气发酵正进行的条件。

一、沼气发酵的原理沼气发酵是指各种有机物（如人畜粪便、秸秆、青草等）在厌氧（没有氧气）条件下，被各类沼气发酵微生物（也叫沼气细菌）分解转化，最终生成沼气的过程。

这是一个有多种沼气发酵微生物参加、非常复杂的生物学过程，在这一过程中，这些微生物按照各自的营养需要，起着不同的物质转化作用。

从复杂有机物的降解，到甲烷（沼气中主要的可燃成分，约占55—70%）的形成，就是由它们分工合作和相互作用来完成的。

这些微生物按其在沼气发酵中的作用可分为两类：一是不产甲烷菌。

它们能将复杂的大分子有机物变成简单的小分子量的物质。

它们的种类繁多，根据作用基质来分，有纤维分解菌、半纤维分解菌、淀粉分解菌、蛋白质分解菌、脂肪分解菌和一些特殊的细菌，如产氢菌、产乙酸菌等。

二是产甲烷菌。

它们是甲烷的生产者，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。

它们依靠二氧化碳和氢生长，并以废物的形式排出甲烷，是要求生长物质最简单的微生物。

在沼气池中，发酵原料生成沼气，是通过一系列复杂的生物化学反应来实现的，一般认为这个过程大体上分为三个阶段：1、水解发酵阶段。

固体的有机物通常不能进入微生物体内为微生物利用，只有将固体有机质水解成分子量较小的可溶性物质才可以进入微生物细胞内被进一步分解利用。

这个将不容于水的大分子物质变成能溶于水的小分子物质的过程，就叫做水解，它是由一些好氧和厌氧微生物完成的。

2、产酸阶段。

各种可溶性的物质在微生物的细胞内继续分解转化成低分子物质，同时也有一部分氢、二氧化碳等无机物释放出来，但这一阶段中的主要产物是乙酸，约占70%以上，所以称为产酸阶段。

【高中生物-沼气发酵技术】沼气发酵技术发展及应用现状沼气是沼气发酵微生物在厌氧环境下将农作物秸秆或者禽畜粪便等可降解的生物质经过厌氧消化生成的可燃气体。

其主要成分是甲烷和二氧化碳，其中甲烷约占45 %～70 %、二氧化碳约占25 %～55 %；此外，沼气还含有大约5 %的其他气体（如H2S、N2、H2、CO、NH3等）。

沼气是具有很高热值的清洁燃料，经过净化的沼气完全燃烧后只生成H2O 和CO2，不会对环境造成污染。

沼气发酵在农业和生态方面的综合利用具有很大的经济价值和社会效益。

1沼气发酵原理及影响因素1.1 沼气发酵原理沼气是生物质经过多种微生物联合厌氧消化作用而生成的可燃气体。

厌氧消化就是在无氧的条件下,由兼性厌氧菌和专性厌氧菌联合降解有机物，最终生成二氧化碳和甲烷等气体的过程。

人们对于沼气发酵过程的划分仍存在争议；目前主要认为，沼气发酵过程可分为水解液化、酸化和甲烷化三个阶段。

第一阶段为水解液化阶段，兼性厌氧菌和发酵性细菌将原料中较大分子的成分(如纤维素等)水解成可溶于水的有机酸和醇类等。

第二阶段为酸化阶段；产氢产乙酸菌将第一阶段生成的有机酸和醇继续分解成小分子物质，同时生成氢气和二氧化碳。

第三阶段为甲烷化阶段；产甲烷菌将第二阶段生成的小分子物质转化为甲烷和二氧化碳气体，即发酵的最终产物沼气。

1.2 沼气发酵的影响因素影响沼气发酵的因素很多，其中最主要的因素包括原料成分、原料预处理情况、接种物种类、进料浓度、发酵温度和pH。

原料成分的影响：能够用来发酵产沼气的生物质很多。

传统的沼气发酵原料主要包括以秸秆类物质为代表的农业废弃物、禽畜粪便和污水处理厂的厌氧活性污泥、以及生活垃圾等。

选择容易降解的原料(如人畜粪便等)可以加快发酵的启动过程和提高发酵效率。

若原料选择不当则容易造成发酵系统酸积累严重而发酵无法启动或启动后产气量不高等后果。

原料预处理的影响：原料预处理是利用物理、化学或者生物等方法使生物质中不易被降解的物质提前得到腐化分解，在进料后更快启动发酵。

沼气发酵原理和方法沼气发酵沼气发酵是科学综合多重利用有机废弃物的形式，因为在利用贮藏于其中的生物能以后，发酵残渣中的粗蛋白、粗脂肪、灰分及氨基酸和维生素可作饲料或生产食用菌的原料，最后作为肥料施用。

沼气发酵后的残渣和肥液就是沼气肥，也可直接施用。

(1)沼气发酵的原理。

沼气发酵是有机物在严格嫌气条件下，由多种厌氧性异养型微生物参与，产生沼气的过程。

一般认为，沼气发酵存在有机物分解反应和沼气生成反应。

参与前一反应的微生物主要是厌氧性发酵细菌，包括纤维素分解菌、半纤维素分解菌、淀粉分解菌、蛋白质氨化菌、脂类水解菌和其他厌氧细菌及产乙酸细菌等。

在这些微生物的作用下，复杂的有机物被转化为简单的有机酸、醇、酮、 H2和CO2等，为产甲烷细菌提供了生长基质和产生CH4的底物。

参与后一反应的微生物是严格专一性厌氧细菌，即产甲烷细菌，将第一阶段产生的不同分解程度的产物(如乙酸、甲酸等低级醇酸类以及CO2和H2等)转变为沼气，例如：(2)沼气发酵的条件。

嫌气：产甲烷细菌属绝对厌氧细菌，在空气中几分钟就会死亡，实践中通过水层和严密的沼气池来隔绝空气，为其创造生存条件。

营养：厌氧性发酵细菌能从发酵材料中取得营养，但产甲烷细菌只能从简单的脂肪酸和醇中取得碳源和能源，从铵态氮中取得氮源。

氮的最低需要量约为有机碳的2．5％，磷酸盐的需要量约为氮的20％。

发酵液中氨的浓度宜在0.01％~0.10％之间，故要注意控制材料中的C/N，一般以25~30:l最佳。

温度：沼气发酵有高温型(47~55℃)、中温型(30~38℃)和常温型(10~30℃，也称自然温度发酵)3种；发酵液日产气量相应为5～6m3、2—3m3及0.1—0.5 m3。

当池温低于15℃产气就差，3℃以下基本不产气。

故需从建池、配料、管理等方面人手，尽量提高池温，以利于产气。

水分：足够的水分是创造严格嫌气条件的重要手段，但过多过少均不相宜。

发酵材料和水的比例，夏季以8～10:92～90，冬季以15:85为宜。

农村沼气发酵过程沼气发酵过程沼气发酵过程，实质上是微生物的物质代谢和能量转换过程。

在分解代谢过程中沼气微生物获得能量和物质，以满足自身生长繁殖，同时大部分物质转化为甲烷和二氧化碳。

科学测定分析表明：有机物约有90%被转化为沼气，10%被沼气微生物用于自身的消耗。

发酵原料生成沼气是通过一系列复杂的生物化学反应来实现的。

一、有机物转化为沼气的三个阶段几乎所有的有机物质都可以厌氧降解生成沼气。

固形有机物变为沼气的整个过程，可划分为液化、产酸和产甲烷三个阶段。

（一）液化阶段。

液化阶段也称水解阶段。

这一阶段是在微生物的作用下把不溶于水的固形有机物转变成可溶于水的物质。

许多微生物能分泌各种胞外酶，在胞外酶的作用下，固形有机物被水解成分子量较小的可溶性物质。

如纤维素酶、淀粉酶、蛋白质酶和脂肪酶等，通过对有机物质进行体外酶解，将多糖水解成单糖或二糖，蛋白质分解成多肽和氨基酸，脂肪分解成甘油和脂肪酸等。

这些分子量较小的可溶性物质就可以进入微生物细胞之内被进一步分解利用。

（二）产酸阶段。

第一阶段产生的各种可溶性物质（单糖、氨基酸、脂肪酸）进入细胞内后，在纤维素细菌、蛋白质细菌、脂肪细菌、果胶细菌等各种细菌胞内酶作用下继续分解代谢转化成低分子物质，如丁酸、丙酸、乙酸以及醇、酮、醛等简单的有机物质。

这个阶段主要是生成各种挥发性的脂肪酸，最主要的产物是乙酸，约占70%以上，同时也有部分氢（H2）、二氧化碳（CO2）、氨（NH4）和少量的其它产物。

所以称该阶段为产酸阶段。

液化阶段和产酸阶段是一个连续和交叉的过程。

它是在厌氧条件下，经过多种微生物的协同作用，将原料中的碳水化合物、蛋白质和脂肪等分解成简单的小分子化合物，同时产生二氧化碳和氢。

这二个阶段只产生合成甲烷的基质，如乙酸、丁酸、醇、CO2、H2等，不产生甲烷，因此也称为不产甲烷阶段。

不产甲烷阶段可以看成是一个原料加工阶段，即将复杂的有机物转变成可供产甲烷细菌利用的物质，满足产甲烷菌进行生命活动的需要。

微生物与沼气发酵摘要：本文介绍了沼气发酵的相关内容，主要描述参与沼气发酵过程的微生物，通过对微生物较为详细的介绍来体现它们在沼气发酵中的重要性，以及对废物资源的再利用，从而达到保护环境、优化产业结构的效果。

前言：资源、环境、人口、粮食是21世纪人类所面临的四大难题。

随着社会的发展各种自然资源趋于衰竭，环境也日益恶化，如何开发新能源来解决能源危机并保护生态环境成为世界关注的问题之一。

随着科学的发展，微生物的开发利用已经显露出极大的优势，利用微生物生产能源、处理环境污染物已取得了很大的成绩，沼气发酵就是微生物开发利用的方式之一。

1.沼气发酵1．1沼气的概念沼气是有机物在厌氧条件下经微生物的发酵作用生成的一种可燃性混合气体，其主要成分是CH4和CO2，通常情况下，CH4约占60%左右，CO2约占40%左右，此外还有少量氢、氮气、一氧化碳、硫化氢和氨等。

沼气发酵广泛存在于自然界，如湖泊或沼泽中常常可以看到有气泡从污泥中冒出，将这些气体收集起来便可以点燃，所以叫它沼气。

1．2什么是沼气发酵沼气发酵又称厌氧消化，是指各种有机物在厌氧条件下，被各类沼气发酵微生物分解转化，最终生成沼气的过程。

地球上由于光合作用生成的有机物每年大约为4000亿吨，其中大约有5%在厌氧条件下被微生物分解掉。

人们利用这一自然规律进行沼气发酵，参与沼气发酵活动的微生物有以下五大类群：（1）发酵性细菌；（2）产氢产乙酸细菌；（3）耗氢产乙酸细菌；（4）食氢产甲烷菌；（5）食乙酸产甲烷菌。

各种复杂有机物，无论是固体或是溶解状态，都可以经微生物的发酵作用而最终生成沼气。

1．3沼气发酵的优势既可生产沼气用作能源，又可处理有机废物以保护环境，经沼气发酵后的沼渣、沼液又是优质的有机肥料。

沼气发酵是综合利用有机废物，保护生态环境，促进农业生产可持续发展的重要措施之一。

沼气燃烧后生成的二氧化碳，又可被植物吸收，通过光合作再生成有机物，因而沼气又是一种可再生能源。