第二节、生物转化技术——沼气发酵(一)基本概念厌氧发酵：通过厌氧微生物的生物转化作用，将固体废 物中大部分可生物降解的有机物质分解，转化为能源 产品——沼气的过程，或称厌氧消化，沼气发酵。

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微生物生理学定义：在没有外加氧化剂的条件下，被分 解的有机物作为还原剂被氧化，而另一部分有机物作 为氧化剂被还原的生物学过程。 沼气的成分：主要为CH4,55~70%和CO2,25~40%。此 外还有总量小于5%的CO、O2、H2、H2S、N2、NH2、 PH3、碳氢化合物(CmHn)等。

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(二)厌氧发酵的有机物分解代谢过程

1、碳水化合物的分解代谢 一般的碳水化合物包括纤维素、半纤维素、木质素、糖类、淀 粉和果胶质等。 ①纤维素的分解 纤维素酶可以把纤维素水解成葡萄糖，反应式为： (C6H10O5)n(纤维素) + n H2O = nC6H12O6(葡萄糖) 葡萄糖经细菌的作用继续降解成丁酸、乙酸，最后生成甲烷和 二氧化碳等气体。总的产气过程可用下述的综合表达式表达： C6H12O6 = 3CH4+3CO2 ②糖类的分解 先由多糖分解为单糖，然后是葡萄糖的酵解过程，与上述相同。

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2、类脂化合物的分解代谢类脂化合物(脂肪、磷脂、游离脂肪酸、蜡酯、油脂), 含量很低。主要水解产物是脂肪酸和甘油。甘油转变为磷 酸甘油脂，进而生成丙酮酸。在沼气菌的作用下，丙酮酸 被分解成乙酸，然后形成甲烷和二氧化碳。 3、蛋白质类的分解代谢

这类化合物主要是含氮的蛋白质化合物，在厌氧发酵 原料中占有一定的比例。在农家污水和猪圈废物中，蛋白 质的含量最高可达20%。它们的分解过程是在细菌的作用 下水解成多肽和氨基酸。其中的一部分氨基酸继续水解成 硫醇、胺、苯酚、硫化氢和氮；另一部分分解成有机酸、醇 等其他化合物，最后生成甲烷和二氧化碳；还有一些氨基 酸作为产沼细菌的养分形成菌体。

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(三)厌氧发酵的过程

首先，不溶性大分子有机物(如 蛋白质、纤维素、淀粉、脂肪等) 经水解酶的作用，在溶液中分解 为水溶性的小分子有机物(如氨 基酸、脂肪酸、葡萄糖、甘油 等)。随之，这些水解产物被发 酵细菌摄入细胞内，经过一系列 生化反应，将代谢产物排出体外， 由于发酵细菌种群不一，代谢途 径各异，故代谢产物也各不相同。

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众多的代谢产物中，仅无机 的CO2和H2及有机的“三甲 一乙”(甲酸、甲醇、甲胺 和乙酸)可直接被产甲烷细 菌吸收利用，转化为甲烷和 二氧化碳。其它众多的代谢 产物(主要是丙酸、丁酸、 戊酸、乳酸等有机酸，以及 乙醇、

丙酮等有机物质)不 能为产甲烷细菌直接利用。 它们必须经过产氢产乙酸细 菌进一步转化为氢和乙酸后， 才能被甲烷细菌吸收利用， 并转化为甲烷和二氧化碳。

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1、两阶段理论

将厌氧发酵分为产酸(酸性发酵)和产气(碱性发酵)两个阶段，相应起作用的微生物分为产酸细菌和产甲烷细菌。

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2、三阶段理论 1979年由布赖恩提出，将厌氧发酵依次分为液化、产酸、产 甲烷三个阶段。起作用的细菌分别称为发酵细菌、醋酸分解

菌、甲烷细菌。

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3、四阶段理论③产氢产乙酸阶段(厌氧氧 化阶段):专性厌氧的产 氢产乙酸细菌将上阶段 产生的有机酸和醇类生 成乙酸、H2、CO2;同型 乙酸细菌将H2 和 CO2合成 乙酸。 ④甲烷化阶段：乙酸和H2 被甲烷细菌(乙酸分解甲 烷细菌和H2氧化甲烷细 菌)利用生成甲烷。

①水解阶段：复杂有机物(纤维 素、淀粉、蛋白质、脂肪)被 发酵细菌分泌的水解酶(胞 外酶) (纤维素酶、纤维二 糖酶、淀粉酶、蛋白酶、脂 肪酶) 分解为水溶性简单化 合物。限制整个过程速度。 ②发酵酸化阶段： 发酵细菌对 水解产物进行胞内代谢，主 要产生有机酸和醇类(丙酸、 丁酸、琥珀酸、乙酸和乳 酸),还有CO2、NH3、H2S、 H2 。

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(四)、影响发酵的环境条件

(1)温度因素：随着温度升高有机物分解速度加快，产气量增大。 温度变化范围为(±1.5~2.0)℃。 ①低温发酵：低于20 ℃,产气量低，受气候影响大，不加料情 况下35d。 ②中温发酵：30--39℃,产气量约1~1.3m3/(m3· d);发酵时间20d, 卫生化低。 ③高温发酵：50--55 ℃,产气量约3.0~4.0m3/(m3.d);发酵时间 10d,卫生化高。[对寄生虫卵的杀灭率较可达99%,大肠菌 指数可达10~100,能满足卫生要求(蛔虫卵的杀灭率在95% 以上，大肠菌指数10~100)]。 当有±3℃的变化时，就会抑制发酵速率，有±5℃的急剧变 化时，就会突然停止产气，使有机酸大量积累而破坏厌氧发 酵。

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4.2生物 处理技 术 (2)发酵细菌的营养及C/N C/N在(25~30):1为宜，太高，细胞氮量不足，系统的缓冲能力低， pH 值易降低；太低，氮量过多， pH 值可能上升，铵盐容易积 累，会抑制发酵进程。可通过富氮物质调节(粪便) (3)混合均匀程度 厌氧发酵是由细菌体的内酶和外酶与底物进行的接触反应。因此 必须使两者充分混合。对于液态发酵用充液搅拌法；对于固态或 半固态用充气搅拌法和机械搅拌法等。

4.2生物 处理技 术 (4)有毒物质

①重金属离子对甲烷发酵的抑制-使酶发生变性或者 沉淀。与酶结合产生变性；与氢

氧化物使酶沉淀。 ②阴离子的毒害：主要是S2-,来源：无机硫酸盐还 原；蛋白质分解释放出S2-。 ③氨的毒害：[NH4+]>150mg/L,发酵受抑制。物质浓度 毒域浓度界限/(mol/L)

碱金属和碱土金属Ca2+, Mg2+,Na+,K+ 重金属Cu2+,Ni2+,Zn2+, Hg2+,Fe2+ H+和OH― 胺类 有机物质

10―1~10+6 10―5~10―3 10―6~10―4 10―5~100 10―6~100

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(5)酸碱度、pH值和发酵液的缓冲作用水解、发酵菌及产氢产乙酸菌对pH值最佳值5.8 , 而甲烷菌对pH值的适应范围为碱性条件。系统的PH为 6.6~7.5之间。发酵液中的碳酸及氨的存在，使其具有一 定的缓冲性。碱度指沼气发酵液结合H+的能力，是衡 量发酵体系缓冲能力的尺度，由碳酸盐(CO32-)、重碳酸 盐(HCO3-)、部分氢氧化物(HO-)组成，应在2000mg/L 以上。 (6)不同发酵基质上生长的发酵菌群种群不同

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(五)厌氧发酵系统设备1、传统的发酵系统(1)结构

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发酵罐是核心，附属设备有气压表、导气管、出料机、预处理装置、 搅拌器、加热管等。 (2)工作原理 物料从上部或顶部投入池内，经与池中原有的厌氧活性污泥混合

接触后，通过厌氧微生物的吸附、吸收和生物降解作用，使生污 泥或废水中的有机物转化为以甲烷和二氧化碳为主的气态产物— —生物气(即沼气)。

4.2生物 (3)常用类型(5种) 处理技 术

①立式圆形水压式沼气池 发酵间为圆形，两侧带有进出料口， 容积为6m3、8m3、10m3、12m3; 池顶有活动盖板。池盖和池底是具 有一定曲率半径的壳体，主要结构 包括加料管、发酵间、出料管、水 压间、导气管等几个部分。 优点：结构较简单，造价低，施 工方便。 缺点：气压不稳定，对产气不利； 池温低，影响产气，原料利用率低 (仅10%~20%);大换料和密封 都不方便；产气率低[平均 0.1~0.15m3/m3.d],对防渗措施的 要求较高给燃烧器的设计带来一定 困难。

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发酵装置—小型水压式沼气池

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4.2生物 ②立式圆形浮罩式沼气池 处理技 术

将发酵间与贮气间分开，产生的 沼气由浮沉式的气罩贮存起来。 气罩可直接安装在沼气发酵池顶， 也可安装在沼气发酵池侧。 浮沉式气罩由水封池和气罩两部 分组成。当沼气压力大于气罩重 量时，气罩便沿水池内壁的导向 轨道上升，直至平衡为止。当用 气时，罩内气压下降，气罩也随 之下沉。 特点：将发酵间与贮气间分开， 具有压力低、发酵好、产气多等 优点。顶浮罩式沼气贮气池造价 比较低，但气压不够稳定。侧浮 罩式沼气贮气池气压稳定，比较 适合发

酵工艺的要求，但对材料 要求比较高，造价昂贵。

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