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沼氣的基本理論

液化階段

用作沼氣發(fā)酵原料的有機物種類繁多，如禽畜糞便、作物秸稈、食品加工廢物和廢水，以及酒精廢料等，其主要化學(xué)成分為多糖、蛋白質(zhì)和脂類。其中多糖類物質(zhì)是發(fā)酵原料的主要成分，它包括淀粉、纖維素、半纖維 素、果膠質(zhì)等。這些復(fù)雜有機物大多數(shù)在水中不能溶解，必須首先被發(fā)酵細(xì)菌所分泌的胞外酶水解為可溶 性糖、肽、氨基酸和脂肪酸后，才能被微生物所吸收利用。發(fā)酵性細(xì)菌將上述可溶 性物質(zhì)吸收進入細(xì)胞后，經(jīng)過發(fā)酵作用將它們轉(zhuǎn)化為乙酸、丙酸、丁酸等脂肪酸和醇類及一定量的氫、二氧化碳。在沼氣發(fā)酵測定過程中，發(fā)酵液中的乙酸、丙酸、丁酸總量稱為中揮發(fā)酸(TVA)。蛋白質(zhì)類物質(zhì)被發(fā)酵性細(xì)菌分解為氨基酸，又可被細(xì)菌合成細(xì)胞物質(zhì)而加以利用，多余時也可以進一步被分解生成脂肪酸、氨和硫化氫等。蛋白質(zhì)含量的多少，直接影響沼氣中氨及硫化氫的含量，而氨基酸分解時所生成的有機酸類，則可繼續(xù)轉(zhuǎn)化而生成甲烷、二氧化碳和水。脂類物質(zhì)在細(xì)菌脂肪 酶的作用下，首先水解生成甘油和脂肪酸，甘油可進一步按糖代謝途徑被分解，脂肪酸則進一步被微生物分解為多個乙酸。

產(chǎn)酸階段

產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌

發(fā)酵性細(xì)菌將復(fù)雜有機物分解發(fā)酵所產(chǎn)生的有機酸和醇類，除甲酸、乙酸和甲醇外 ，均不能被產(chǎn)甲烷菌所利用，必須由產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌將其分解轉(zhuǎn)化為乙酸、氫和二氧 化碳。

耗氫產(chǎn)乙酸菌

耗氫產(chǎn)乙酸菌也稱同型乙酸菌，這是一類既能自養(yǎng)生活能異養(yǎng)生活的混合營養(yǎng)型細(xì)菌。它們既能利用 H2+CO2生 成 乙酸 ，也能代謝產(chǎn)生乙酸。通過上述微生物的活 動，各種復(fù)雜有機物可生成有機酸和H2/CO2等。

產(chǎn)甲烷階段

產(chǎn)甲烷菌的類群

產(chǎn)甲烷菌包括食氫產(chǎn)甲烷菌和食乙酸產(chǎn)甲烷菌兩大類群。在沼氣發(fā)酵過程中，甲烷 的形成是由一群生理上高度專業(yè)化的古細(xì)菌一產(chǎn)甲烷菌所引起的，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)，但它們在食物鏈中的地位使它們具有共同的生理特性。它們在厭氧條件下將前三群細(xì)菌代謝終產(chǎn)物，在沒有外源受氫體的情況下把乙酸 和 H2/CO2。轉(zhuǎn)化為氣體產(chǎn) 生-CH4/CO2，使有機物在厭氧條件下的分解作用以順利完成。目前已知的甲烷產(chǎn)生過程由以上兩組不同的產(chǎn)甲烷菌完成。

① 由CO2和H2產(chǎn)生甲烷反應(yīng)為 ：CO2+4H2—CH4+ 2H2O

② 由乙酸或乙酸化合物產(chǎn)生甲烷反應(yīng)為：

CH3C00H—CH4+CO2 ; CH 3COONH4+ H20—CH4+ NH4 HCO3

3．3．2 產(chǎn)甲烷菌的生理特性

① 產(chǎn)甲烷菌的生長要求嚴(yán)格厭氧環(huán)境

產(chǎn)甲烷菌廣泛存在于水底沉積物和動物消化道等極端厭氧的環(huán)境中。

② 產(chǎn)甲烷菌食物簡單產(chǎn)甲烷菌只能代謝少數(shù)幾種碳素底物生成甲烷。

③ 產(chǎn)甲烷菌適宜生存在pH值中性條件下

④ 產(chǎn)甲烷菌生長緩慢