沼气细菌是怎样工作的?

2016年03月02日

来源:中国农业技术网

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    沼气发酵需要的原料

    沼气发酵原料是产生沼气的物质基础,又是沼气细菌赖以生存的养料来源。沼气细菌在沼气池内正常生长繁殖过程中,必须从发酵原料里吸取充足的营养物质,如水分、碳素、氮素、无机盐类和大量的硫、磷、钠、钙、镁等元素,用以生命活动,成倍繁殖细菌和转化沼气。

    在地球上,可作为沼气发酵原料的有机物质相当丰富,其产生沼气的潜力是十分可观的。除矿物油和木质素外,所有的有机物如人畜粪尿、作物秸秆、青草、垃圾、含有机质的工业废水、污泥等都可以作为沼气发酵原料(基质)。不同的发酵原料,由于所含的化学成分不同,其产气潜力和特性(如消化分解速度)也存在很大差异。

    在我国农村,人畜粪便和作物秸秆是主要的发酵原料。人、畜和家禽粪便富含氮元素,称“富氮原料”。这类原料经过人和动物肠胃系统的充分消化,一般颗粒细小,含有大量低分子化合物(即人和动物未吸收消化的中间产物),含水量较高。因此,在进行沼气发酵时,它们不必进行预处理,就容易厌氧分解,产气很快,发酵期较短。秸秆和秕壳等农作物的残余物,富含纤维素、半纤维素、果胶以及难降解的木质素和植物蜡质,称“富碳原料”。干物质含量比富氮的粪便原料高,且质地疏松,比重小,进沼气池后容易飘浮形成发酵死区——浮壳层,发酵前一般需经预处理,富碳原料其厌氧分解比富氮原料慢,产气周期较长,产气量高。

    氮素是构成微生物细胞质的重要原料,碳素不仅构成微生物细胞质,而且提供生命活动的能量。发酵原料的碳氮比不同,因发酵细菌消耗碳的速度比消耗氮的速度要快25~30倍。在其他条件具备的情况下,碳氮比例配成25~30∶1,可以使沼气发酵在合适的速度下进行。如果比例失调,就会使产气和微生物的生命活动受到影响。因此,制取沼气不仅要有充足的原料,还应注意各种发酵原料碳氮比的合理搭配。

    沼气发酵过程的液化阶段

    用作沼气发酵原料的有机物种类繁多,如禽畜粪便、作物秸秆、食品加工废物和废水,以及酒精废料等,其主要化学成分为多糖、蛋白质和脂类。其中多糖类物质是发酵原料的主要成分,它包括淀粉、纤维素、半纤维素、果胶质等。这些复杂有机物大多数在水中不能溶解,必须首先被发酵细菌所分泌的胞外酶水解为可溶性糖、肽、氨基酸和脂肪酸后,才能被微生物所吸收利用。发酵性细菌将上述可溶性物质吸收进入细胞后,经过发酵作用将它们转化为乙酸、丙酸、丁酸等脂肪酸和醇类及一定量的氢、二氧化碳。在沼气发酵测定过程中,发酵液中的乙酸、丙酸、丁酸总量称为中挥发酸(TVA)。蛋白质类物质被发酵性细菌分解为氨基酸,又可被细菌合成细胞物质而加以利用,多余时也可以进一步被分解生成脂肪酸、氨和硫化氢等。蛋白质含量的多少,直接影响沼气中氨及硫化氢的含量,而氨基酸分解时所生成的有机酸类,则可继续转化而生成甲烷、二氧化碳和水。脂类物质在细菌脂肪酶的作用下,首先水解生成甘油和脂肪酸,甘油可进一步按糖代谢途径被分解,脂肪酸则进一步被微生物分解为多个乙酸。

    沼气发酵过程的产甲烷阶段

    在沼气发酵过程中,甲烷的形成是由一群生理上高度专业化的古细菌——产甲烷菌所引起的,产甲烷菌包括食氢产甲烷菌和食乙酸产甲烷菌,它们是厌氧消化过程食物链中的最后一组成员,尽管它们具有各种各样的形态,但它们在食物链中的地位使它们具有共同的生理特性,在缺氧条件下,均以甲烷为主要代谢产物。目前已知的甲烷产生过程由以上两组不同的产甲烷菌完成。

    产甲烷菌的生长要求有严格厌氧环境,他们广泛存在于水底沉积物和动物消化道等极端厌氧的环境中,适宜生存在pH值中性条件下,只能代谢少数几种碳素底物生成甲烷且生长缓慢。

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