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沼氣發(fā)酵罐,沼氣發(fā)酵罐原理,沼氣發(fā)酵技術(shù)
點(diǎn)擊次數(shù)：2028 發(fā)布時(shí)間：2010-9-10
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沼氣發(fā)酵又稱為厭氧消化、厭氧發(fā)酵和甲烷以酵，是指有機(jī)物質(zhì)（如人畜家禽糞便、秸稈、雜草等）在一定的水分、溫度和厭氧條件下，通過種類繁多、數(shù)量巨大、且功能不同的各類微生物的分解代謝，zui終形成甲烷和二氧化碳等混合性氣體（沼氣）的復(fù)雜的生物化學(xué)過程。
一、沼氣發(fā)酵微生物
沼氣發(fā)酵微生物是人工制取沼氣zui重要的因素，只有有了大量的沼氣微生物，并使各種類群的微生物得到基本的生長條件，沼氣發(fā)酵原料才能在微生物的條件下轉(zhuǎn)化為沼氣。
1、 沼氣微生物的種類
沼氣發(fā)酵是一種極其復(fù)雜的微生物和化學(xué)過程，這一過程的發(fā)酵和發(fā)展是五大類群微生物生命活動(dòng)的結(jié)果。它們是：發(fā)酵性細(xì)菌、產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌、食氫產(chǎn)甲烷菌和食乙酸產(chǎn)甲烷菌。這些微生物按照各自的營養(yǎng)需要，起著不同的物質(zhì)轉(zhuǎn)化作用。從復(fù)雜無機(jī)物的降解，到甲烷的形成，就是由它們分工合作和相互作用完成的。
在沼氣發(fā)酵過程中，五大類群細(xì)菌構(gòu)成一條食物鏈，從各類群細(xì)菌的生理代謝產(chǎn)物或它們的活動(dòng)對(duì)發(fā)酵液酸堿度（pH）的影響來看，沼氣發(fā)酵過程可分為產(chǎn)酸階段和產(chǎn)甲烷階段。前三群細(xì)菌的活動(dòng)可使有機(jī)物形成各種有機(jī)酸，因此，將其統(tǒng)稱為不產(chǎn)甲烷菌。后二群細(xì)菌的活動(dòng)可使各種有機(jī)轉(zhuǎn)化成甲烷，因此，將其統(tǒng)稱為產(chǎn)甲烷菌。
1、不產(chǎn)甲烷菌 在沼氣發(fā)酵過程中，不能直接產(chǎn)生甲烷微生物統(tǒng)稱為不產(chǎn)甲烷菌。不產(chǎn)甲烷菌能將復(fù)雜的大分子有機(jī)物變成簡單的小分子量的物質(zhì)。它們的種類繁多，現(xiàn)已觀察到的包括細(xì)菌、真菌和原生動(dòng)物三大類。以細(xì)菌種類zui多，目前已知的有18個(gè)屬51個(gè)種，隨著研究的深入和分離方法的改進(jìn)，還在不斷發(fā)現(xiàn)新的種。根據(jù)微生物的呼吸類型可將其分為好氧菌、厭氧菌、兼性厭氧菌三大類型。其中，厭氧菌數(shù)量zui大，比兼性厭氧菌、好氧菌多100~200倍，是不產(chǎn)甲烷階段起主要作用的菌類。根據(jù)作用基質(zhì)來分，有纖維分解菌、半纖維分解菌、淀粉分解菌、蛋白質(zhì)分解菌、脂肪分解菌和其他一些特殊的細(xì)菌，如產(chǎn)氫菌、產(chǎn)乙酸菌等。2、產(chǎn)甲烷菌 在沼氣發(fā)酵過程中，利用小分子量化合物形成沼氣的微生物統(tǒng)稱為產(chǎn)甲烷菌。如果說微生物是沼氣發(fā)酵的核心，那么產(chǎn)甲烷菌又是沼氣發(fā)酵微生物的核心，產(chǎn)甲烷菌是一群常特殊的微生物。它們嚴(yán)格厭氧，對(duì)氧和氧化劑非常敏感，適宜在中性或微堿性環(huán)境中生存繁殖。它們依靠二氧化碳和氫氣生長，并以廢物的形成排出甲烷，是要求生長物質(zhì)zui簡單的微生物。產(chǎn)甲烷菌的種類很多，目前已發(fā)現(xiàn)的產(chǎn)甲烷菌有3目、4科、7屬和13種，根據(jù)它們的細(xì)胞形態(tài)、甲烷螺旋形菌類。產(chǎn)甲烷菌生長緩慢，繁殖倍增時(shí)間的15倍。由于產(chǎn)甲烷菌繁殖較慢、在發(fā)酵啟動(dòng)時(shí)，需加入大量甲烷菌種。產(chǎn)甲烷菌在自然界廣泛分布，如土壤中，湖泊、沼澤中，反芻動(dòng)物（牛羊等）的腸胃道，淡水或堿水池塘污泥中，下水道污泥，腐爛秸稈堆，牛馬糞以及城鄉(xiāng)垃圾堆中都有大量的產(chǎn)甲烷菌存在。由于產(chǎn)甲烷菌的分離、培養(yǎng)和保存都有較大的困難，迄今為止，所獲得的產(chǎn)甲烷菌的純種不多。一些菌的培養(yǎng)方法沒有過關(guān)，所以對(duì)產(chǎn)甲烷菌的生理生化特征還不清楚，產(chǎn)甲烷菌的純種還不能應(yīng)用于生產(chǎn)，這些直接影響到沼氣發(fā)酵研究的進(jìn)展，也是影響沼氣池產(chǎn)氣率提高不快的重要原因。
二、沼氣發(fā)酵微生物的作用在沼氣發(fā)酵過程中，不產(chǎn)甲烷菌與產(chǎn)甲烷菌相互依賴，互為對(duì)方創(chuàng)造維持生命活動(dòng)所需的物質(zhì)基礎(chǔ)和適宜的環(huán)境條件；同時(shí)又相互制約，共同完成沼氣發(fā)酵過程。
它們之間的相互關(guān)系主要表現(xiàn)在下列幾個(gè)方面：
1、不產(chǎn)甲烷菌為產(chǎn)甲烷菌提供營養(yǎng) 原料中的碳水化合物、蛋白和脂肪等復(fù)雜有機(jī)物不能直接被產(chǎn)甲烷菌吸收利用，必須通過不產(chǎn)甲烷菌的水解作用，使其形成可溶性的簡單化合物，并進(jìn)一步分解，形成產(chǎn)甲烷菌的發(fā)酵基質(zhì)，這樣，不產(chǎn)甲烷菌通過其生命活動(dòng)為產(chǎn)甲烷菌*地提供合成細(xì)胞的基質(zhì)和能源。另一方面，產(chǎn)甲烷菌連續(xù)不斷地將不產(chǎn)甲烷菌所產(chǎn)生的乙酸、氫和二氧化碳等發(fā)酵基質(zhì)轉(zhuǎn)化為甲烷，使厭氧消化中不致有酸和氫的積累，不產(chǎn)甲烷菌也就可以繼續(xù)正常的生長和代謝。由于不產(chǎn)甲烷菌與產(chǎn)甲烷菌的協(xié)同作用，使沼氣發(fā)酵過程達(dá)到產(chǎn)酸和產(chǎn)甲烷的動(dòng)態(tài)平衡，維持沼氣發(fā)酵的穩(wěn)定運(yùn)行。
2、不產(chǎn)甲烷菌為產(chǎn)甲烷菌創(chuàng)造適宜的厭氧生態(tài)環(huán)境 在沼氣發(fā)酵啟動(dòng)階段，由于原料和水的加入，在沼氣池中隨時(shí)之進(jìn)入了大量的空氣，這顯然是對(duì)產(chǎn)甲烷菌有害的，但是由于不產(chǎn)甲烷菌類群中的好氧和兼性厭氧微生物的活動(dòng)，使發(fā)酵液的氧化還原電位（氧化還原電位愈低，厭氧條件愈好）不斷下降，逐步為產(chǎn)甲烷菌的生長和產(chǎn)甲烷菌創(chuàng)造厭氧生態(tài)環(huán)境。
3、不產(chǎn)甲烷菌為產(chǎn)甲烷菌清除有毒物質(zhì) 在以工業(yè)廢棄物為以酵原料時(shí)，其中往往含有酚類、苯甲酸、氰化物、長鏈脂肪酸和重金屬等物質(zhì)。這些物質(zhì)對(duì)產(chǎn)甲烷菌是有毒害作用的。而不產(chǎn)甲烷菌中有許多菌能分解和利用上述物質(zhì)，這樣就可以解除對(duì)產(chǎn)甲烷菌的毒。此外，不產(chǎn)甲烷菌發(fā)酵產(chǎn)生的硫化氫（H2S）可以與重金屬離子作用，生成不溶性的金屬硫化物而沉淀下來，從而解除了某些重金屬的毒害作用。4、不產(chǎn)甲烷菌與產(chǎn)甲烷菌共同維持環(huán)境中適宜的酸堿度 在沼氣發(fā)酵初期，不產(chǎn)甲烷菌首先降解原料中的淀粉和糖類等，產(chǎn)生大量的有機(jī)酸。同時(shí)，產(chǎn)生的二氧化碳也部分溶于水，使發(fā)酵液的酸堿度（pH）下降。但是，由于不產(chǎn)甲烷菌類群中的氨化細(xì)菌迅速進(jìn)行氨化作用，產(chǎn)生的氨（NH3）可中和部分有機(jī)酸。同時(shí)，由于甲烷菌不斷利用乙酸、氫和二氧化碳形成甲烷，而使發(fā)酵液中有機(jī)酸和二氧化碳的深度逐步下降。通過兩類群細(xì)菌的共同作用，就可以使pH穩(wěn)定在一個(gè)適宜的范圍。因此，在正常發(fā)酵的沼氣池中，pH始終能維持在適宜的狀態(tài)而不用人為的控制。
三、沼氣發(fā)酵微生物的特點(diǎn)理論和實(shí)踐證明，沼氣發(fā)酵過程實(shí)質(zhì)上是多種類群微生物的物質(zhì)代謝和能量代謝過程，在此過程中，沼氣發(fā)酵微生物是核心，其發(fā)酵工藝條件的控制都以沼氣發(fā)酵微生物學(xué)為理論指導(dǎo)。具有以下特點(diǎn)：1、分布廣，種類多 上至1.2萬米的高空，下至2千米的地層深處都有微生物的蹤跡。目前，已被人們 研究過的微生物約有3萬~4萬種之多。沼氣微生物在自然界中分布也很廣，特別是在沼澤、糞池、污水池以及陰溝污泥中存在有各種各樣的沼氣發(fā)酵微生物，種類達(dá)200~300種，它們是可利用的沼氣發(fā)酵菌種的源泉。2、繁殖快，代謝強(qiáng) 在適宜條件下，微生物有很高的繁殖速度。產(chǎn)酸菌在生長旺盛時(shí)，20分鐘或更短的時(shí)間內(nèi)就可以繁殖一代，產(chǎn)甲烷菌繁殖速度較慢，約為產(chǎn)酸菌的1/15。微生物所以能夠出現(xiàn)這樣高的繁殖速度，主要因?yàn)樗鼈兙哂?的表面積和體積比值，例如直徑為1微米的球菌，其面積和體積的比值為6萬，而人的這種比值卻不到1。所以，它能夠以極快的速度與外界環(huán)境發(fā)生物質(zhì)交換，使之具有很強(qiáng)的代謝能力。3、適應(yīng)性強(qiáng)，容易培養(yǎng) 與高等生物相比，多數(shù)微生物適應(yīng)較強(qiáng)，并且容易培養(yǎng)。在自然條件下，成群體狀態(tài)生長的微生物更是如此。例如，沼氣池里的微生物（主要是厭氧和兼性厭氧兩大菌群）在10~60度條件下，都可以利用多種多樣的復(fù)雜有機(jī)物進(jìn)行沼氣發(fā)酵。有時(shí)經(jīng)過馴化培養(yǎng)后的微生物可以加快這種反應(yīng)，從而更有效地達(dá)到生產(chǎn)能源和保護(hù)環(huán)境的目的。
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責(zé)任編輯：蔣大偉