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1、 【项目简介】v该项目在本课程中属技术拓展应用环节，通过介绍 国际上最新兴起的处理环境污染的生物修复技术； 污染物的降解、转化；微生物资源的产业化；废弃 物资源化与能源化；资源的再生利用；无公害产品 的生产开发；环境生态保护等方面的生物应用技术 。使学生对环境微生物应用技术有较全面的了解。 该项目任务如下：污染的生物修复、微生物絮凝剂 在水处理方面的应用；微生物生产CH4；微生物脱S ；重金属的生物转化；有机物的生物降解等。【项目学习目标】v1.知识目标：了解生物修复的基本概念、特点以 及应用生物修复技术具备的条件；认识污染土壤 的生物修复、地下水的生物修复；熟悉污水厌氧 生物处理应用技术沼气
2、发酵；理解微生物金 属转化作用及其在污染控制中的利用；熟悉微生 物脱硫的过程；掌握微生物絮凝剂的组成及絮凝 机理以及处理污水中的应用。v2.技能目标：会培养厌氧菌；会陈述微生物絮凝 剂（MBF)是由哪一类微生物产生的具有絮凝活性 的高分子有机物。v3.态度目标：具有持续发展的自学能力，探索现 代微生物技术及其在环境治理中的实践应用能力 。【项目实施方案】详见教学文本P3637 【相关知识点】 一、 沼气发酵 二、 乙醇发酵 三、 煤炭脱硫 四、 微生物絮凝剂 五、生物制浆一、 沼气发酵v沼气多产生于污水处理厂、垃圾填埋场、酒厂、食 品加工厂、养殖场等。沼气是在厌氧条件下由有机 物经多种微生物的
3、分解与转化作用后产生的可燃气 体，属于生物质能范畴，主要成分是甲烷和二氧化 碳，其中甲烷含量约为5070，二氧化碳含量 为3040(容积比)，还含有少量的硫化氢、氮 、氧、氢等气体，约占总含量的1020。甲烷 在空气中遇火燃烧，转变成二氧化碳和水，并释放 出热量，其化学反应方程式为：CH4+202=2H2O+CO2+890kJmolv从环保角度讲，沼气中的甲烷是一种作用强烈的温 室气体，其导致温室效应的效果是二氧化碳的32倍 ，因此，有效控制沼气排放已成为环保领域关注的 重要问题之一。从能源角度讲，沼气是性能良好的 燃料，燃气热值约为2198MJm3(甲烷含量60% 、二氧化碳等其他含量为40
4、)时，属中等热值燃料 ，因此，开发利用沼气不仅有助于温室效应的减轻 和生态良性循环，而且可替代部分石油、煤炭等化 石燃料。v近年来我国随着国民经济的快速发展，已建成大、 中型沼气池近千座，形成年产沼气数亿立方米的能 力。由于这些气源相对稳定、供气量大(如规模较大 的污水处理厂、垃圾填埋场一般日产沼气为1万m3 以上，中型的沼气工程日产气也可达数千立方米)， 采用燃气装置进行沼气发电，是国际上趋同的技术 路线。（一）沼气发酵原理及发酵条件1. 原理v沼气发酵又称为厌氧消化、厌氧发酵或甲烷发酵， 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
5、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 生物化学过程。（1） 沼气发酵的三个阶段v液化阶段。在液化阶段，复杂有机物(纤维素、蛋 白质、脂肪等)在兼性微生物及少数厌氧微生物的 酶催化作用下降解至基本结构单位或简单有机酸 、醇等。v产酸阶段。液化产物被微生物吸收到菌体内，并 在胞内酶的催化作用下，将它们转化为低分子化 合物，如乙酸、丙酸、丁酸及乳酸等，还有乙醇 、甲醇以及氢等。乙酸数量最大，约占80。v产甲烷阶段。经过前两个阶段的分解作用后，有 机溶液中产甲烷的基质已很丰富以及产氨细菌的 活动，使氨态氮浓度不断增高，使发酵液中的氧 化还原电势降低。为产
6、甲烷细菌提供了适宜的环 境条件，促使产甲烷细菌迅速生长繁殖，将乙酸 、甲酸、甲醇、氢气及二氧化碳等转化为甲烷。 产甲烷菌的营养物质与产甲烷基质都是来自各类 分解菌对有机物进行分解而形成的代谢产物。分 解菌不断地提供乙酸、H2、CO2和NH3等基质， 产甲烷菌则利用这些物质进行代谢活动并产生甲 烷，使产甲烷菌与不产甲烷菌的生长和产甲烷与 产酸都达到平衡。目前已知的产甲烷反应综合如下：（ 2） 沼气制取的基本条件保证沼气池能够持续产气要满足以下基本条件：保证沼气池的密闭性v在有机物质发酵产生沼气的过程中，起主导作用 的厌氧细菌(群)需要严格厌氧，不能在有氧环境 中生存，所以沼气池应保证严格的密闭性
7、。当沼 气池施工完毕，池体各部位达到一定强度后，应 检验沼气池是否漏水和漏气。v观察池内各部位的抹灰层有无开裂和脱落现象，表 面有无蜂窝和明显毛细孔，并敲击表面有无空洞声 。若有蜂窝和明显毛细孔，应继续刷浆，孔洞和开 裂部位要敲掉重做。此外，还应注意导气管和池体 连接必须牢固。总之，修建一个严格密闭、隔绝空 气的沼气池，以保证严格的厌氧环境，对沼气池稳 定产气十分关键。发酵原料应保持合适的碳氮比v发酵原料是产生沼气的物质基础，产沼气细菌从 原料中需吸取的主要营养物质是碳元素、氮元素 和一些无机盐等。碳元素多来源于碳水化合物， 是细菌进行生命活动的主要能量来源；氮元素多 来源于蛋白质、亚硝酸盐和
8、氨等无机盐类，是制 造细菌细胞结构、细菌细胞原生质和遗传物质的 主要成分。在细菌的生命活动中，其利用碳素的 速度比其利用氮素的速度快2030倍，因此，发 酵液中碳素和氮素应维持适当的比例。试验证明 ，在其他条件都具备的情况下，碳氮=(2030) 1是满足正常发酵的最佳比例，而碳氮比高于或 低于这一比例，都会使发酵速度下降。保持适宜和稳定的发酵温度v沼气发酵是一种喜温发酵，温度对沼气的产生有 很大影响。产甲烷菌的生长和繁殖对温度要求较 高，最适宜温度绝大多数在30以上，理想的温 度为35，沼气的发酵温度范围为860，在 此范围内，沼气产量可随着温度的升高而增加。 沼气发酵温度可分为高温、中温和低
9、温三类。一 般认为4560为高温发酵，3045为中温发 酵，而农村家用沼气池多采用低温发酵(也叫常温 发酵或自然发酵)，温度为825。常温发酵的 产气量往往随气温变化而变化，很不稳定。 v另外，厌氧细菌不能承受过度的温度波动，一天 内允许的温度波动不能超过1。在农村，采取将 沼气池建在地下的方法，沼气池内的温度波动可 保持在这个范围内。春季和冬季的环境温度低， 对沼气池可采取一些保温措施，如在沼气池周围 设置保温层，在沼气池上覆盖保温材料(作物秸秆 和杂草等)，还可利用太阳能加热等。保持适当的料液浓度v在沼气发酵过程中，控制适当的料液浓度，可以有 效地提高产气率，料液太稀和太浓对产气都不利。
10、料液含水太多会降低沼气池单位容积产气率，不能 充分利用沼气池的有效容积；料液中含水过少，则 会造成有机酸的大量积累，使发酵作用受到阻碍。 沼气发酵液的浓度应随季节变化而有所不同。春、 秋季节发酵液浓度应稍大，为1015；夏季发 酵液浓度可以低一点，为89；冬季寒冷，发 酵液浓度应在1520。对农村家用沼气池来说 ，沼气发酵最合适的料液浓度是79。发酵原料应进行堆沤预处理v为了加快原料的发酵速度、增加沼气产量，原料 应进行预处理，尤其是麦秸、谷草、玉米秆等纤 维性物质，必须进行堆沤预处理。堆沤前，要先 将原料铡短，分层放在坑内，每层厚约50cm，两 层之间撤一层25的石灰或草木灰，再泼洒 一些人
11、畜粪尿或污水，表面用稀泥封闭。夏季一 般堆沤710d ，冬季堆沤1个月左右。堆沤后的 发酵原料，表皮蜡质受到破坏，加快了纤维素的 腐烂分解，增大了与甲烷菌等细菌的接触面，加 快了在沼气池中发酵分解的速度。 保持适宜的酸碱度v沼气发酵的适宜酸碱度为中性偏碱(pH=78.5)。 为了保持沼气发酵所需的酸碱环境，在进料及整 个发酵期间，要经常观察和调节发酵液的酸碱度 。v为保证沼气制取能够稳定地进行，除需注意上述 技术要点外，还应采取一些其他措施，如经常搅 动池液、合理加料和采用正确的加料方法，在沼 气池内适量添加一些能促使有机物质分解并提高 产气的添加剂(纤维酶类、尿素、稀土元素等)， 防止工业废
12、水和农药(主要是含有农药的作物秸秆 )进入沼气池等。总之，保证沼气制取的基本条件 ，对沼气池稳定产气是十分重要的。（二）沼气发酵微生物v沼气发酵微生物是人工制取沼气最重要的因素， 只有存在大量的沼气微生物，并保证各种类群的 微生物的基本生长条件，发酵原料才能在微生物 的作用下转化为沼气。1. 沼气微生物种类v沼气发酵是一种极其复杂的微生物作用和化学反 应过程，这一过程的发生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、耗氢产乙酸菌、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。从复杂有机物的降解 ，到甲烷的形成，是微生物群
13、分工合作和相互作 用的结果。v（1） 不产甲烷菌 在沼气发酵过程中，不能直接 产生甲烷的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，其中以细菌种类最 多，目前已知的有18个属51个种，随着研究的深 人和分离方法的改进，还在不断发现新的种群； 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。 v 其中，厌氧菌数量最大，比兼性厌氧菌、好氧菌 多100200倍，是不产甲烷阶段起主要作用的菌 类；根据作用基质来分，可划分为纤维分解菌、 半纤维分解菌、淀粉分解菌、蛋白质分解菌、脂
14、肪分解菌和其他一些特殊的细菌，如产氢菌、产 乙酸菌等。v（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。如 果说微生物是沼气发酵的核心，那么产甲烷菌又 是沼气发酵微生物的核心，产甲烷菌是一群较特 殊的微生物，它们对氧和氧化剂非常敏感，适宜 在中性或微碱性环境中生存繁殖。它们依靠二氧 化碳和氢气生长，并以废物的形式排出甲烷，是 对生长物质要求最简单的微生物。2. 产甲烷菌的特性v（1）产甲烷菌的生长要求严格的厌氧环境。如甲 烷八叠球菌暴露于空气中时会很快死亡，其数量 半衰期仅为4min。v（2）产甲烷菌的食物简单，将H2CO2、甲酸、 甲醇和乙酸等少数几种
15、底物代谢为甲烷，其中乙 酸是厌氧消化器中最重要的产甲烷前驱体物质。v（3）产甲烷菌适于生长的pH值在中性范围，如 甲酸甲烷杆菌最适生长的pH值为6.67.8。v（4）产甲烷菌生长缓慢。产甲烷菌以产酸菌代谢 产物为食，如乙酸、甲酸、H2CO2、等结构简 单且含能量少的物质，又生活于严格厌氧条件下 ，其代谢产物甲烷中含很高能量，生长繁殖缓慢 。所以，在发酵启动时，需加入大量甲烷菌种。v产甲烷菌在自然界广泛分布，如土壤、湖泊、沼 泽、反刍动物(牛羊等)的肠胃道、淡水或碱水池 塘污泥中、下水道污泥、腐烂秸秆堆，牛马粪以 及城乡垃圾堆中都有大量的产甲烷菌存在。由于 产甲烷菌的分离、培养和保存都有较大的困
16、难， 迄今为止，所获得的产甲烷菌的纯种不多。3. 沼气发酵微生物的作用及特点v (1） 作用v在沼气发酵过程中，不产甲烷菌与产甲烷菌相互 依赖，互为对方创造维持生命活动所需的物质和 适宜的环境条件；同时又相互制约，共同完成沼 气发酵过程。主要表现在下列几个方面：v不产甲烷菌为产甲烷菌提供营养。原料中的碳 水化合物、蛋白和脂肪等复杂有机物不能直接被 产甲烷菌吸收利用，必须通过不产甲烷菌的水解 作用，使其形成可溶性的简单化合物，并进一步 分解，形成产甲烷菌的发酵基质。一方面不产甲 烷菌通过其生命活动为产甲烷菌源源不断地提供 合成细胞的基质和能源； v另一方面，产甲烷菌连续不断地将不产甲烷菌所 产生的乙酸、氢和二氧化碳等发酵基质转化为甲 烷，使厌氧消化中不致有酸和氢的积累，不产甲 烷菌也就可以继续正常的生长和代谢。由于不产 甲烷菌与产甲烷菌的协同作用，使沼气发酵过程 达到产酸和产甲烷的动态平衡，维持沼气发酵的 稳定运行。v不产甲烷菌为产甲烷菌创造
