微生物产甲烷专家讲座.pptx

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,目录,一.甲烷介绍,二.微生物产甲烷生化机理,三.厌氧降解九大步骤,四.厌氧反应热力学分析,五.甲烷生产应用,微生物产甲烷专家讲座,第1页,一.甲烷介绍：,甲烷在自然界分布很广，是天然气、沼气、坑气及煤气主要成份之一。它可用作燃料及制造氢、一氧化碳、炭黑、乙炔、氢氰酸及甲醛等物质原料。甲烷气可产生机械能、电能及热能。当前甲烷已作为一个燃料源，并经过管道输送到用户，供给家庭及工业使用或转化成为甲醇作为内燃机辅助性燃料。,微生物产甲烷专家讲座,第2页,二.微生物,产甲烷生化机理,.早期二阶段理论,.三阶段(四阶段)理论提出,.四阶段理论,微生物产甲烷专家讲座,第3页,.早期理论二阶段理论,对复杂有机物厌氧降解过程解释，早期通行是二阶段理论，认为有机物厌氧消化过程分为两个阶段酸性发酵和碱性发酵阶段，其中,酸性发酵,产酸菌利用胞外酶将复杂,大分子水解成小分子,，并深入转化为,有机酸,。此阶段也称产酸阶段。,碱性发酵,甲烷细菌利用上阶段产生有机酸为底物，,生成甲烷,和CO,2,。此阶段又称为甲烷发酵阶段。,微生物产甲烷专家讲座,第4页,微生物产甲烷专家讲座,第5页,.三阶段（四阶段）理论提出,二阶段理论作为厌氧处理基本理论，多年来一直为人们所认可。直到60年代末期，人们对厌氧过程进行了深入研究，尤其是对其中发挥主要作用甲烷细菌研究表明，甲烷细菌在厌氧处理过程中发挥了极其主要作用，它只能以乙酸、甲酸氢等极少数物质为底物。所以，厌氧过程中还应该有,产生甲烷菌底物,步骤。于是，厌氧处理理论发展为三阶段（或四阶段）理论。,微生物产甲烷专家讲座,第6页,微生物产甲烷专家讲座,第7页,.四阶段理论,1、水解阶段,2、酸化阶段,3、产乙酸阶段,4、甲烷化阶段,三阶段（四阶段）理论见,三阶段理论图,备注：与二阶段理论相比较，三阶段理论增加了产 氢产乙酸过程；四阶段理论则是在三阶段理论基础上增加了同型产乙酸细菌把H,2,和CO,2,转化为乙酸过程。,微生物产甲烷专家讲座,第8页,1.水解阶段,兼性和部分专性厌氧细菌发挥作用，复杂大分子有机物被胞外酶水解成小分子溶解性有机物,。,如葡萄糖、氨基酸等,补充知识：水解是指有机物进入微生物细胞前、在胞外进行生物化学反应。微生物经过释放胞外自由酶或连接在细胞外壁上固定酶来完成生物催化反应。,微生物产甲烷专家讲座,第9页,2.酸化阶段,溶解性有机物由兼性或专性厌氧细菌经发酵作用转化为有机酸、醇、醛、CO,2,和H,2,。,有时将上述两个阶段合为一个阶段，称水解酸化阶段。,补充知识：酸化是一类经典发酵过程，微生物代谢产物主要是各种有机酸。,水解酸化目标,是为混合厌氧消化过程甲烷发酵,提供底物,。,微生物产甲烷专家讲座,第10页,水解酸化阶段参加菌落：水解酸化菌落,在厌氧消化系统中，水解酸化细菌功效表现在两个方面：,将大分子不溶性有机物在水解酶催化作用下,水解,成小分子水溶性有机物；,将水解产物吸收进细胞内，经细胞内复杂酶系统催化转化，将一部分供作能源使用有机物,转化,为代谢产物，排入细胞外水溶液里，成为参加下一阶段生化反应细菌群及可利用基质，主要是产氢产乙酸细菌和脂肪酸、醇类等。,微生物产甲烷专家讲座,第11页,3.产乙酸阶段,专性厌氧产氢产乙酸细菌将上阶段产物深入利用，,生成乙酸,和H,2,、CO,2,；同时同型产乙酸细菌将,H,2,和CO,2,合成乙酸，有时也将乙酸分解成H,2,和CO,2,。,微生物产甲烷专家讲座,第12页,产乙酸,阶段参加菌落：,产氢产乙酸菌落,产氢产乙酸细菌是厌氧消化过程中一组主要微生物类群,它参加丙酸,丁酸等中间代谢产物,降解生成乙酸,、H,2,和二氧化碳。,补充知识：发酵性细菌将复杂有机物分解发酵所产生有机酸和醇类，除甲酸、乙酸和甲醇外，均不能被产甲烷菌所利用，必须由产氢产乙酸菌将其分解转化为乙酸、氢和二氧化碳。,微生物产甲烷专家讲座,第13页,产乙酸,阶段参加菌落：,同型产乙酸菌落,补充知识：在厌氧条件下能产生乙酸细菌有两类：一类是异养型厌氧细菌，能利用有机基质产生乙酸；另一类是混合营养型厌氧细菌，既能利用有机基质产生乙酸，也能利用分子氢和二氧化碳产生乙酸。前者是酸化细菌，后者就是同型产乙酸细菌。,这是一类既能自养生活能异养生活混合营养型细菌。它们既能利,用,H,2,+,CO,2,生成乙酸,，也能代谢产生乙酸。经过上述微生物活 动，各种复杂有机物可生成有机酸和H,2,/CO,2,等。,微生物产甲烷专家讲座,第14页,4.产甲烷阶段,产甲烷菌（最严格专性厌氧菌）利用乙酸、H,2,、CO,2,和一碳化合物产生甲烷。转化路径为：,CH,3,COOH,CH,4,+CO,2,CO,2,+4H,2,CH,4,+2H,2,O,微生物产甲烷专家讲座,第15页,产甲烷菌落,产甲烷菌包含,食氢,产甲烷菌和,食乙酸,产甲烷菌两大类群。在沼气发酵过程中，甲烷 形成是由一群生理上高度专业化古细菌一产甲烷菌所引发，产甲烷菌包含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最终一组组员，尽管它们含有各种各样形态，但它们在食物链中地位使它们含有共同生理特征。它们在厌氧条件下将前三群细菌代谢终产物，在没有外源受氢体情况下把乙酸 和 H,2,/CO,2,。转化为气体产 生-CH,4,/CO,2,，使有机物在厌氧条件下分解作用以顺利完成。当前已知甲烷产生过程由以上两组不一样产甲烷菌完成。,补充知识：由C0,2,和H,2,产生甲烷反应为：,C0,2,+4H,2,CH,4,+H,2,0,由乙酸或乙酸化合物产生甲烷反应为：,CH,3,C00HCH,4,+CO,2,;CH,3,COONH,4,+H,2,0CH,4,+NH,4,HCO,3,微生物产甲烷专家讲座,第16页,产甲烷菌,微生物产甲烷专家讲座,第17页,三.总结 厌氧降解九大步骤：,1.不溶性有机高分子可溶性有机单体,2.有机物单体氢气+甲酸+重碳酸盐+丙酮酸盐+乙醇+各类挥发性低级脂肪酸,3.简单有机物氢气+乙酸,4.重碳酸盐乙酸,5.简单有机物重碳酸盐+乙酸,6.乙酸盐碳酸盐,7.氢气或甲酸氧化,8.乙酸发酵产甲烷量占总甲烷量70%,9.重碳酸盐还原产甲烷量占总甲烷量30%,微生物产甲烷专家讲座,第18页,微生物产甲烷专家讲座,第19页,四.厌氧反应热力学分析,微生物降解有机物过程，在本质上是一系列氧化还原生物化学反应。生物降解有机物过程中，微生物经过各种形式氧化剂（电子受体）氧化有机物，释放出可供其利用能量。各种氧化剂有机物所能释放出能量差异很大，由高到低依次是,O,2,NO,3,MnO,2,OH,SO,4,CO,2,好氧生物处理中氧化剂是氧气，而厌氧生物处理中氧化剂则以CO,2,为主，这正是厌氧过程中微生物细胞产率系数远小于好氧过程。,微生物产甲烷专家讲座,第20页,微生物产甲烷专家讲座,第21页,五.甲烷生产应用,沼气：有机物质在厌氧环境中，经过微生物发酵作用产生一个以甲烷为主可燃混合气体。这种气体最早发觉于沼泽、池塘等地。,微生物产甲烷专家讲座,第22页,安徽怀宁：沼气“点亮”新家园,怀宁县主动推行无公害化畜牧养殖，引导规模养殖场、养殖大户大力发展沼气工程，形成了“猪沼秸”、“猪沼菜”、“猪沼粮”等各种生态循环模式，现已建设户用沼气池6600口，节柴灶个。图为该县平山镇牧之金养殖场工人正在往大型沼气池里装运原料。,沼气在养殖业应用,微生物产甲烷专家讲座,第23页,云南洱源县三营镇太阳能加热中温发酵沼气站,工程位于云南省洱源县，整个工程由农业部沼气科学研究所设计与开启调试。工程采取高浓度畜禽废物高效厌氧消化技术处理200头奶牛产生鲜牛粪3.46 t/d，尿及冲洗废水4.2 t/d，年产沼气约7.3万m3，沼气作为生活用能集中供给当地70多户村民和养殖场职员使用，沼渣沼液还田利用，年节约标准煤约50 t，年减排COD 18 t，CO2当量44t，TN 10t，TP 2t。,沼气在养殖业应用,微生物产甲烷专家讲座,第24页,蒙牛澳亚示范牧场沼气发电综合利用工程,工程位于内蒙古自治区呼和浩特市和林格尔县盛乐经济园区（蒙牛总部），由农业部沼气科学研究所进行总体设计与开启调试。工程采取高浓度畜禽废弃物高效厌氧消化技术处理牧场存栏10000头奶牛鲜牛粪280 t/d，尿及冲洗废水360 t/d，日产沼气10000m3/d，日发电0 kWh/d;年减排COD 9125 t，CO2当量2.4万t，TN 487 t，TP 96 t。沼渣沼液供周围约10万亩牧草种植地利用。该工程是当前我国最大牛场粪污处理沼气发电工程。,沼气在发电方面应用,微生物产甲烷专家讲座,第25页,谢谢大家！,微生物产甲烷专家讲座,第26页,