第九章 沼气发酵

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。

沼气发酵李兴杰(河北省唐山师专生物学教研室063000) 沼气是有机物经沼气发酵微生物的发酵作用而产生的一种混合气体。

因人们最初是在沼泽地带发现并认识这种气体的,故命名为“沼气”。

其主要成分是甲烷(CH4),另外还有二氧化碳和少量的硫化氢、一氧化碳、氢等气体。

甲烷是一种无色无味的可燃气体,它和空气混合遇明火就能燃烧并放出大量的热。

1　沼气发酵1.1　沼气发酵微生物　沼气发酵微生物种类繁多,分为不产甲烷群落和产甲烷群落。

不产甲烷微生物群落主要是一类兼性厌氧菌,从生理功能上又可分为基质分解菌群和挥发酸生成菌群。

它们具有水解和发酵大分子有机物而产生酸的功能,在满足自身生长繁殖需要的同时,为产甲烷微生物提供营养物质和能量。

此类微生物包括的范围很广,有化能自养菌、化能异养菌和光能异养菌,甚至还有真菌、原生动物的存在。

产甲烷微生物群落,通常称为甲烷细菌,依照形态特征可分为甲烷杆菌属、甲烷球菌属、甲烷八叠球菌属、甲烷螺菌属。

甲烷细菌的分类地位迄今尚未能确定,属于一类特殊细菌。

甲烷细菌的细胞壁结构没有典型的肽聚糖骨架,其生长不受青霉素的抑制。

在甲烷细菌细胞之中没有发现细胞色素C,但细胞内有其它细菌所没有的专一性转甲基的载体——辅酶M。

在厌氧条件下,甲烷细菌可利用不产甲烷微生物的中间产物和最终代谢产物作为营养物质和能源而生长繁殖,并最终产生甲烷和二氧化碳等。

1.2　沼气发酵过程　沼气发酵过程一般包括2个阶段,即产酸阶段和产气阶段。

沼气池中的大分子有机物,在一定的温度、水分、酸碱度和密闭条件下,首先被不产甲烷微生物菌群之中基质分解菌所分泌的胞外酶,水解成小分子物质。

如蛋白质水解成肽和氨基酸;脂肪水解成丙三醇和脂肪酸;多糖水解成单糖类等。

然后这些小分子物质进入不产甲烷微生物菌群中的挥发酸生成菌细胞,通过发酵作用被转化成为乙酸等挥发性酸类和二氧化碳。

由于不产甲烷微生物的中间产物和代谢产物都是酸性物质,使沼气池液体呈酸性,故称酸性发酵期,即产酸阶段。

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。

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沼气发酵是一种利用微生物降解有机物产生气体的过程，主要产生的气体是甲烷和二氧化碳。

其原理可以概括为以下几个步骤：
1. 填料阶段：有机废料（如农畜禽粪便、食品废弃物等）被投放进沼气池，与水混合形成废料混合物。

沼气池通常由混合池和发酵池两部分组成，混合池用于预处理废料混合物。

2. 水解与酸化阶段：混合池中的废料经过微生物的作用，发生水解和酸化反应。

此阶段，厌氧菌主要将有机物转化为简单有机酸，如乙酸、丙酸和酒精等。

这些简单有机酸在厌氧的条件下生成。

3. 产甲烷阶段：水解与酸化后的废料混合物流入发酵池，其中的简单有机酸会被产甲烷菌进一步转化为甲烷气体（沼气）。

产甲烷菌是一类厌氧微生物，它们能够利用简单有机酸进行氧化反应，产生甲烷和二氧化碳。

4. 气体收集与利用：在沼气池中产生的沼气会积聚在池顶部，通过管道收集起来。

沼气可用于供应燃气灶、热水器、发电机等能源设备，从而实现能源的利用和再利用。

此外，沼气消耗后的污泥还可以作为有机肥料来施用。

总的来说，沼气发酵利用了特定的微生物来分解有机物，经过一系列的生化反应，产生甲烷和二氧化碳的混合气体。

这一过程不仅能够有效利用有机废料，并减少环境污染，同时还能够提供可再生的清洁能源。

沼气发酵的原理沼气发酵是一种利用有机废弃物产生可燃性气体的过程，其原理是通过微生物的作用将有机物质分解产生沼气。

沼气主要由甲烷和二氧化碳组成，可以作为可再生能源用于发电、取暖和烹饪等用途。

下面将详细介绍沼气发酵的原理。

首先，沼气发酵的原料主要包括农业废弃物、畜禽粪便、城市生活垃圾等有机物质。

这些有机物质经过预处理后，进入发酵罐中进行发酵。

在发酵过程中，有机物质被微生物分解产生沼气。

其次，发酵过程中的微生物主要包括厌氧菌和好氧菌。

厌氧菌主要参与有机物质的分解产生甲烷气体，而好氧菌则参与有机物质的氧化分解。

这些微生物在适宜的温度和pH值条件下，能够高效地将有机物质转化为沼气。

另外，发酵过程需要一定的温度和湿度条件。

一般来说，适宜的发酵温度为25-35摄氏度，湿度在60%-70%之间。

这些条件有利于微生物的生长和代谢，从而促进沼气的产生。

此外，发酵过程中需要一定的时间来完成有机物质的分解产生沼气。

一般来说，完整的发酵过程包括初期发酵、主发酵和后期发酵。

初期发酵主要是有机物质的预处理和微生物的适应期；主发酵是有机物质的分解产生沼气的阶段；后期发酵则是沼渣的腐熟和沼气产量的稳定期。

最后，沼气发酵的原理是一个复杂的生物化学过程，需要注意发酵罐的密封性、搅拌均匀性、发酵温度和湿度的控制等因素。

只有合理地控制这些因素，才能保证沼气的产量和质量。

综上所述，沼气发酵的原理是通过微生物的作用将有机物质分解产生沼气。

合理利用沼气发酵技术，可以实现有机废弃物资源化利用，减少环境污染，促进可再生能源的发展。

希望本文介绍的沼气发酵原理对您有所帮助。

沼气发酵产生沼气的原理
沼气发酵产生沼气的原理是通过微生物的发酵作用将有机物质分解成沼气成分。

具体来说，沼气发酵过程主要包括以下几个步骤：
1. 垃圾装入沼气池：将有机废弃物、粪便等有机物装入密闭的沼气池中。

2. 发酵阶段：在沼气池中，有机物质被厌氧微生物（包括细菌、放线菌和古细菌）分解为可供微生物利用的有机质。

这些微生物以厌氧的方式进行代谢，分解有机物质，产生沼气、有机酸和其他可溶性有机物。

主要的代谢过程是酸化阶段和甲烷生成阶段。

3. 酸化阶段：在酸化阶段，有机物质被厌氧细菌分解为有机酸、醇和二氧化碳等。

这些产物会使反应液呈酸性，并发酵过程的温度升高。

4. 甲烷生成阶段：在甲烷生成阶段，产酸细菌进一步将有机酸和醇分解为甲烷（CH4）和二氧化碳（CO2），同时还会产生少量的氮气和硫化氢等气体。

这些产物就是我们所说的沼气。

总体来说，沼气发酵通过厌氧微生物的作用，将有机物质分解为沼气和其他有机物质。

发酵过程是在没有氧气的环境下进行的，主要产物是甲烷。

因此，沼气发
酵是一种既能有效处理有机废弃物，又能产生可再生能源的环保技术。