甲烷细菌与沼气发酵

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1、甲烷细菌与沼气发酵甲烷细菌与沼气发酵 在自然界中的湖泊、池塘、河流、沼泽地，常常看到有许多气泡从底部淤泥中 冒出水面，如果把这些气体收集起来可以点燃，这种气体称沼气。因为沼气最 早从沼泽地发现而得名。沼气是宝贵的生物能源，可以人为产生，对解决能源和环境保护有突出重 要意义。沼气是多种气体的混合气体，包括甲烷占 6070，CO2占 30%35%，H2S、N2、H2和 NH3这些气体含量微小，约占沼气的 5左右。 在沼气中 CH4含量 50以上就可燃烧。沼气是来自有机物质的分解，但有机物 质的分解不一定都能产生沼气。沼气是在特定的厌氧条件，同时又不存在硝酸 盐、硫酸盐和日光的环境中形成的。形成沼气

2、的过程叫沼气发酵。在沼气发酵 过程中二氧化碳为碳素氧化的终产物，甲烷为碳素还原的终产物。在沼气发酵 过程中参与甲烷形成的细菌统称为甲烷细菌。（一）甲烷细菌的特性（一）甲烷细菌的特性1是专性严格厌氧菌甲烷细菌都是专性严格厌氧菌，对氧非常敏感，遇氧后会立即受到抑制， 不能生长、繁殖，有的还会死亡。2生长繁殖特别缓慢甲烷细菌生长很缓慢，在人工培养条件下需经过十几天甚至几十天才能长 出菌落。据麦卡蒂（McCarty）介绍，有的甲烷细菌需要培养七八十天才能长 出菌落，在自然条件下甚至更长。菌落也相当小，特别是甲烷八叠球菌菌落更 小，如果不仔细观察很容易遗漏。菌落一般圆形、透明、边缘整齐，在荧光显 微镜下

3、发出强的荧光。甲烷细菌生长缓慢的原因，是它可利用的底物很少，只 能利用很简单的物质，如 CO2、H2、甲酸、乙酸和甲基胺等。这些简单物质必 须由其它发酵性细菌，把复杂有机物分解后提供给甲烷细菌，所以甲烷细菌一 定要等到其它细菌都大量生长后才能生长。同时甲烷细菌世代时间也长，有的 细菌 20 分钟繁殖一代，甲烷细菌需几天乃至几十天才能繁殖一代。3都是原核生物能形成甲烷的细菌都是原核生物，目前尚未发现真核生物能形成甲烷。甲 烷细菌有球形、杆形、螺旋形，有的呈八叠球状，还有的能联成长链状。4培养分离比较困难因为甲烷细菌要求严格厌氧条件，一般培养方法很难达到厌氧，培养分离 往往失败。又因为甲烷细菌和伴

4、生菌生活在一起，菌体大小形态都十分相似， 在一般光学显微镜下不好判明。美国著名微生物学家Hungate 50 年代培养 分离甲烷细菌获得成功。以后世界上有很多研究者对甲烷细菌进行了培养分离工作，并对 Hungate 分离方法进行了改良，能很容易地把甲烷细菌培养分离出 来。甲烷细菌在自然界中分布极为广泛，在与氧气隔绝的环境都有甲烷细菌生 长，海底沉积物，河湖淤泥，沼泽地，水稻田以及人和动物的肠道，反刍动物 瘤胃，甚至在植物体内都有甲烷细菌存在。沼气发酵液中甲烷细菌的数量可用 MPN 法计数，测定接种的试管中有无 甲烷存在，作为计数的数量指标。甲烷细菌数量与甲烷含量成正比，发酵装置 运行越好，甲烷

5、细菌数量越多。作者曾于 1991 年计数了东北制药总厂用 UASB（上流式厌氧污泥床）处理制药废水消化液中甲烷细菌数量为 4.2105 个ml-1。另一方面产甲烷细菌利用乙酸、氢和二氧化碳合成甲烷，也消耗了酸和二 氧化碳，甲烷细菌及其伴生菌共同作用使 pH 稳定在一个适宜范围内，不会使 发酵液中的 pH 出现对沼气发酵不利的情况。但当发酵条件控制不好，如温度， 进料负荷，原料中的 C：N、pH 等可能会出现酸化或液料过碱；前者较为多见， 这样会严重影响甲烷细菌的活动，甚至使发酵中断。（二）沼气发酵（二）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

6、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+nO2nCO2+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，

7、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

8、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：由乙酸的甲基形成甲烷由乙酸转化为 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。这些微生物及其所进行的代谢都不是在孤立的环境中单独 进行，而是在一个混杂的环境中相互影响。它们之间的互相作用包括有不产甲 烷细菌和产甲烷细菌之间的作用

9、；不产甲烷细菌之间的作用和甲烷细菌之间的 作用。在沼气发酵过程中，不产甲烷细菌和产甲烷细菌之间，相互依赖，互为对 方创造与维持生命活动所需要的良好环境条件，但它们之间又互相制约，在发 酵过程中总处于平衡状态。它们之间的主要关系表现在下列几方面：不产甲烷细菌为产甲烷细菌提供生长和产甲烷所需要的基质不产甲烷细菌可把各种复杂的有机物，如碳水化合物、脂肪、蛋白质等厌 氧分解生成 H2、CO2、NH3、VFA、甲醇、丙酸、丁酸等，丙酸、丁酸还可被 氢细菌和乙酸细菌分解转化成 H2、CO2和乙酸，为甲烷细菌提供了合成细胞质 和形成甲烷的碳前体，电子供体氢供体和氮源，使甲烷细菌利用这些物质 最终形成甲烷。不

10、产甲烷细菌为产甲烷细菌创造了适宜的氧化还原电位条件在沼气发酵初期，由于加料过程中使空气带入发酵装置，液体原料里也有 溶解氧，这显然对甲烷细菌是很有害的。氧的去除需要依赖不产甲烷细菌的氧 化能力把氧用掉。因此，降低了氧化还原电位。在发酵装置中，各种厌氧性微 生物如纤维素分解菌、硫酸盐还原细菌、硝酸盐还原细菌、产氨细菌、产乙酸 细菌等，对氧化还原电位的适应性也各不相同，通过这些细菌有顺序地交替生 长活动，使发酵液料中氧化还原电位不断下降，逐步为甲烷细菌的生长创造了 适宜的氧化还原电位条件，使甲烷细菌能很好的生长。不产甲烷细菌为产甲烷细菌清除了有害物质以工业废水或废弃物为发酵原料时，原料里可能含酚类

11、、氰化物、苯甲酸、 长链脂肪酸和一些重金属离子等。这些物质对甲烷细菌是有毒害作用的，但不 产甲烷细菌中有许多种能裂解苯环，有些细菌还能以氰化物作碳源和能源，也 有的细菌能分解长链脂肪酸生成乙酸。这些作用不仅解除了对甲烷细菌的毒害， 而且又给甲烷细菌提供了养料。此外有些不产甲烷细菌的代谢产物硫化氢，可 以和一些重金属离子作用，生成不溶性的金属硫化物，从而解除了一些重金属 离子的毒害作用。H2SCu2+CuS2H+H2SpH2+PbS2H+H2S 浓度也不能过高，当 H2S 大于 15010-6，对甲烷细菌也有毒害。产甲烷细菌又为不产甲烷细菌的生化反应解除了反馈抑制不产甲烷细菌的发酵产物可以抑制产

12、氢细菌的继续产氢，酸的积累可以抑 制产酸细菌的继续产酸。当厌氧消化器中乙酸浓度超过 310-3时，就会产生 酸化，使厌氧消化不能很好的进行下去，会使沼气发酵失败。要维持良好的厌 氧消化效果，乙酸浓度在 0.310-3左右较好。在正常沼气发酵工程系统中，产 甲烷细菌能连续不断地利用不产甲烷细菌产生的氢、乙酸、CO2等合成甲烷， 不致有氢和酸的积累，因此解除了不产甲烷细菌产生的反馈抑制，使不产甲烷 细菌就能继续正常生活，又为甲烷细菌提供了合成甲烷的碳前体。不产甲烷细菌和产甲烷细菌共同维持环境中适宜的 pH 值在沼气发酵初期，不产甲烷细菌首先降解原料中的糖类、淀粉等产生大量 的有机酸、CO2，CO2

13、又能部分溶于水形成碳酸，使发酵液料中 pH 值明显下 降。但是不产甲烷细菌类群中还有一类细菌叫氨化细菌，能迅速分解蛋白质产 生氨，氨可中和部分酸。发酵产甲烷发酵产甲烷发酵可以被定义为有机化合物既作为电子受体也作为电子供体的生物降解过程，在此过程中有机物被转化成以挥发性脂肪酸为主的末端产物。 酸化过程是由大量的、多种多样的发酵细菌来完成的，在这些细菌中大部分 是专性厌氧菌，只有 1是兼性厌氧菌，但正是这 1的兼性菌在反应器受到氧 气的冲击时，能迅速消耗掉这些氧气，保持废水低的氧化还原电位，同时也保 护了产甲烷菌的运行条件。 酸化过程的底物取决于厌氧降解的条件、底物种类和参与酸化的微生物种群。 对

14、于一个稳态的反应器来说，乙酸、二氧化碳、氢气则是酸化反应的最主要产 物。这些都是产甲烷阶段所需要的底物。 在这个阶段产生两种重要的厌氧反应是否正常的底物就是挥发性脂肪酸 （VFA）和氨氮。VFA 过高会使废水的 PH 下降，逐渐影响到产甲烷菌的正常进 行，使产气量减小，同时整个反应的自然碱度也会较少，系统平衡 PH 的能力减 弱，整个反应会形成恶性循环，使得整个反应器最终失败。氨氮它起到一个平 衡的作用，一方面，它能够中和一部分 VFA，使废水 PH 具有更大的缓冲能力， 同时又给生物体合成自生生长需要的营养物质，但过高的氨氮会给微生物带来 毒性，废水中的氨氮主要是由于蛋白质的分解带来的，典型

15、的生活污水中含有 20-50mg/l 左右的氨氮，这个范围是厌氧微生物非常理想的范围。 另外一个重要指标就是废水中氢气的浓度，以含碳 17 的脂肪酸降解为例： CH3(CH2)15COO-+14H2O 7CH3COO-+CH3CH2COO-+7H+14 脂肪酸的降解都会产生大量的氢气，如果要使上述反应得以正常进行，必 须在下一反应中消耗掉足够的氢气，来维持这一反应的平衡。如果废水的氢气 指标过高，表明废水的产甲烷反应已经受到严重抑制，需要进行修复，一般来 说氢气浓度升高是伴随 PH 指标降低的，所以不难监测到废水中氢气的变化情况， 但废水本身有一定的缓冲能力，所以完全通过 PH 下降来判断氢气

16、浓度的变化有 一定的滞后性，所以通过监测废水中氢气浓度的变化是对整个反应器反应状态 一个最快捷的表现形式。 产乙酸反应产乙酸反应 发酵阶段的产物挥发性脂肪酸 VFA 在产乙酸阶段进一步降解成乙酸，其常用反 应式如以下几种： CH3CHOHCOO-+2H2O CH3COO-+HCO3-+H+2H2 G0=-4.2KJ/MOL CH3CH2OH+H2O-CH3COO-+H+2H2O G0=9.6KJ/MOL CH3CH2CH2COO-+2H2O 2CH3COO-+H+2H2 G0=48.1KJ/MOL CH3CH2COO-+3H2O CH3COO-+HCO3-+H+3H2 G0=76.1KJ/MOL 4CH3OH+2CO2 3CH3COO-+2H2O G0=-2.9KJ/MOL 2HCO3-+4H2+H+CH3COO-+4H2O G0=-70.3KJ/MOL 从上面的反应方程式可以看