为总结我国沼气发酵技术研发与应用的经验与教训，作者对我国沼气发酵基础理论、工艺技术、材料结构、装置装备进行了系统梳理和认真总结，编著本书，作为«中国沼气系列丛书»的组成部分出版发行。本书主要包括基础与理论、工艺与技术、材料与装置、储存与净化、设备与控制等几个部分。 本书作者均为多年从事沼气发酵微生物、工艺技术、材料结构及装置装备研发、工程设计和调试运行的专业人员，具有比较扎实的沼气发酵基础理论与工程技术研究积淀和丰富的户用沼气池、生活污水净化沼气池和沼气工程设计、调试和运行经验。同时也参考、引用了国内外专家学者、工程技术和管理人员卓著的成果。本书的完成得益于作者所在单位以及国内外沼气领域科技工作者和工程技术人员长期科研积累和工程经验的总结，谨向前辈们和相关著作者的贡献表示敬意与感谢。
第一章基础与理论
第一节沼气发酵
沼气发酵又称厌氧消化或甲烷形成作用，是一种自然界中普遍存在的现象。在淡水及海底沉积物、稻田土壤、湿地、沼泽、部分动物瘤胃和昆虫肠道等环境中都有沼气产生，在有机废弃物、废水厌氧处理装置等人工反应器中也有沼气产生。沼气的产生是多种厌氧或兼性厌氧微生物通过互营代谢等协同作用，将复杂有机质转化为CH4和CO2及少量其他气体的生物化学过程。
厌氧微生物是整个微生物界的重要组成部分，在自然界各种厌氧环境及人工厌氧反应器中都存在大量的、多种多样的厌氧微生物。微生物作用产生的甲烷是全球碳循环的重要组成部分，目前，全球每年排放到大气中的甲烷量为5亿～6亿吨，其中约有69%是微生物产生的。实际上，地球上产生的甲烷可能比释放到大气中的要多得多，有大量的甲烷（约7亿吨）在进入大气之前被好氧和厌氧甲烷氧化菌利用掉。生物甲烷中的碳含量约占每年全球植物和藻类光合作用碳固定量的16%，这显示出甲烷生成作用在碳循环中的生物地球化学意义。
然而由于厌氧微生物对氧敏感，并且缺少有效分离、培养厌氧微生物的技术和方法，很长一段时间以来厌氧微生物的研究进展缓慢。随着对厌氧微生物作用的了解、厌氧操作技术的不断改进和研究方法的不断完善，厌氧微生物学研究取得很大进步。新的研究成果不断丰富人们对厌氧微生物的认识，其重要性也更加凸显。
一、沼气发酵生物化学过程
沼气发酵是一个复杂的生物化学过程，参与这个代谢过程的微生物称为沼气发酵微生物，大体可分为产甲烷菌群和不产甲烷菌群两大类群。在沼气发酵中，有机质是微生物生长利用并产生沼气的基础。因此，有机质要具有可生物降解性。理论上一切含有糖类、脂类、蛋白等有机质的物质都可以作为沼气发酵的原料。碳水化合物包括糖类、淀粉、纤维素、果胶质等；脂类包括脂肪、脂肪酸、油脂、磷脂、蜡等；蛋白包括蛋白质、核蛋白、磷蛋白等。根据Buswell（1930）的近似方程，有机质转化生成甲烷的理论值可以通过元素组成式进行推断［式(1-1)］：
CcHhOoNnSs+yH2O → xCH4+nNH3+sH2S+(c-x)CO2（1-1）
x=1/8·(4c+h-2o-3n+2s)
y =1/4·(4c-h-2o+3n+2s)
碳水化合物、脂类、蛋白转化成甲烷的一般反应式如下：
碳水化合物：C6H12O6 → 3CH4+3CO2（1-2）
脂类：C12H24O6+3H2O → 75CH4+45CO2（1-3）
蛋白：C13H25O7N3S+6H2O → 65CH4+65CO2+3NH3+H2S（1-4）
通过对沼气发酵过程和微生物的研究，人们逐步清楚了这一复杂反应的生化过程。但由于对沼气发酵微生物研究的不足，以及厌氧微生物分离培养困难、技术复杂等原因，人们对沼气发酵（厌氧消化）过程的认识出现了不同的阶段和观点，如沼气发酵两阶段理论、三阶段理论及四阶段理论等。随着研究的深入，沼气发酵四阶段理论越来越被人们熟知。
（一）沼气发酵两阶段理论
20世纪初期，Thumn和Reichie（1914）及Imhoff（1916）分别在他们的研究中发现沼气发酵过程可分为酸性发酵和碱性发酵两个阶段。后来，Buswell和Neave（1930）验证并肯定了他们的说法。随后，人们普遍认为可以把厌氧消化过程分为以上两个阶段，也就是“两阶段理论”（图1-1）。
第一阶段为酸性发酵阶段，主要是结构复杂的大分子有机物（如糖类、脂类、蛋白质等）在发酵性细菌的作用下，经过水解和酸化反应被分解成低分子挥发性脂肪酸（如乙酸、丙酸、丁酸等）、醇类（如乙醇等）等代谢产物，并有H2、CO2、H2O、NH4+、H2S等的产生。因为该阶段中产生并积累大量的脂肪酸，使发酵液pH值下降，因此称为酸性发酵阶段或产酸阶段，相应地，参与这个反应过程的微生物称为发酵性细菌或产酸细菌。
第二阶段为碱性发酵阶段，另一类微生物在此阶段将酸性发酵产生的挥发性脂肪酸、醇类等代谢产物进一步转化成CH4和CO2，系统中的有机酸被逐渐消耗，发酵液的pH值升高，因此称为碱性发酵阶段或产甲烷阶段。参与这一反应过程的微生物称为产甲烷微生物。Woese等（1977）发现产甲烷微生物与细菌和真核生物有明显不同，并将产甲烷微生物划归到“古菌域”。因此，产甲烷微生物也称为产甲烷古菌。
长期以来，厌氧消化两阶段理论被人们所熟知，在厌氧相关领域被广泛应用。
图1-1沼气发酵两阶段示意图
（二）沼气发酵三阶段学说
随着厌氧消化的生物学过程及生物化学反应过程研究的深入，厌氧消化理论得到不断发展完善。研究者发现产甲烷微生物只能利用一些简单的有机物如乙酸、甲酸、甲醇、甲基胺类（一甲胺、二甲胺、三甲胺）以及H2/CO2产甲烷，而不能利用含两个碳以上的脂肪酸和甲醇以外的醇类。因此，在丙酸、丁酸等含两个碳以上挥发性脂肪酸转化成CH4和CO2的过程中，必然还存在着其他反应过程，将两个碳以上的脂肪酸转化成乙酸、H2/CO2等能被产甲烷菌利用的基质。这时，两阶段理论就不能准确完整地反映厌氧消化过程了。
Lawrence和McMarty（1967）、Bryant（1979）分别提出了沼气发酵“三阶段理论”。Bryant（1979）认为产甲烷微生物不能利用除乙酸、H2/CO2和甲醇以外的有机酸和醇类，长链脂肪酸和醇类必须在产氢产乙酸菌的作用下转化成乙酸、H2和CO2，再被产甲烷古菌利用。三阶段理论将沼气发酵过程分为水解发酵、产氢产乙酸和产甲烷3个阶段（图1-2），分别由水解发酵菌、产氢产乙酸菌和产甲烷古菌完成。在水解发酵阶段，纤维素等复杂有机物首先被水解成多糖等可溶性有机物，发酵性细菌再将产生的可溶性有机物降解成乙酸、丙酸、丁酸等短链脂肪酸和醇类等小分子，参与这个阶段的水解发酵菌主要是厌氧菌和兼性厌氧菌。第二阶段为产氢产乙酸菌阶段，产氢产乙酸菌将第一阶段产生的短链脂肪酸及醇类转化成乙酸、H2和CO2等更小的分子。在第三阶段，产甲烷古菌将以上阶段产生的乙酸、H2/CO2转化成CH4，完成沼气发酵过程。
图1-2沼气发酵三阶段示意图
（三）沼气发酵四阶段理论
在沼气发酵三阶段理论提出的同时，Zeikus（1979）发现沼气发酵过程中还存在一类能将产生的H2/CO2横向转化成乙酸并被产甲烷古菌利用的微生物，即同型产乙酸菌，这种作用称为同型产乙酸作用（图1-3）。由此提出了沼气发酵四阶段理论。
图1-3沼气发酵四阶段流程
四阶段理论认为，根据沼气发酵过程中主要降解作用的不同，将沼气发酵分为4个阶段，分别是水解阶段、产酸阶段、产氢产乙酸阶段和产甲烷阶段（图1-3），分别由不同的微生物类群完成。这些微生物类群在一定程度上存在互营共生关系，对生长环境有不同的要求。如今，沼气发酵四阶段理论越来越被人们所接受。
1水解阶段
水解是利用水将物质分解并形成新的物质的过程。厌氧消化过程中，有机物的水解指不溶性高分子有机物经水解反应生成可溶小分子或单体的过程。如糖类、脂类、蛋白质等无法透过细胞膜的大分子，需要在水解性细菌分泌的胞外酶的作用下被水解成可溶性糖、脂肪酸和甘油、氨基酸等被细菌吸收利用。例如，纤维素经纤维素酶水解生成葡萄糖和纤维二糖，淀粉经淀粉酶水解生成葡萄糖和麦芽糖，蛋白质经蛋白酶水解生成多肽和氨基酸，脂类在脂肪酶的作用下生成脂肪酸和甘油等。
水解反应中大分子物质的共价键发生了断裂。通常有机物的水解反应可用［式（1-5）］表示：
R-R’+H2O → R-OH+HR’（1-5）
水解作用受很多因素影响，如温度、pH值、盐浓度、底物组成、底物浓度、生成产物的浓度等。水解作用时间随原料不同而不同，糖类水解可以在几小时内完成，而蛋白质和脂类水解则需要几天时间。水解速度决定着整个沼气发酵过程的快慢，是沼气发酵的限速步骤。水解过程中兼性厌氧微生物会消耗掉溶解在水中的氧，降低发酵系统的氧化还原电位，为严格厌氧微生物提供有利的生长条件。
2产酸阶段
水解产生的溶解性有机物被微生物利用的途径有两种：一种是有机物本身既作为电子供体又作为电子受体的降解过程，称为发酵；另一种是有机物被转化成挥发性脂肪酸，称为酸化。
在产酸阶段，发酵细菌利用水解产物作为生长的底物，并将它们进一步转化成乙酸、丙酸、丁酸、乳酸等短链脂肪酸及乙醇、H2和CO2等小分子物质。产酸过程由大量的、多种多样的发酵性细菌共同完成，以梭菌属（Clostridium）和拟杆菌属（Bacteroides）最为主要。梭菌为厌氧菌，产芽孢，在恶劣的环境条件下能很好地存活。拟杆菌能分解糖、氨基酸及有机酸等，在有机质分解产酸方面有重要作用。产酸阶段的微生物主要是厌氧菌，也有少量兼性厌氧微生物。
底物种类、微生物种群以及氢离子浓度都会影响产酸阶段的产物类型。如糖类水解酸化产物主要为乙酸、丙酸、丁酸、戊酸等短链脂肪酸，蛋白质水解酸化产物除乙酸、丙酸等脂肪酸外，还有NH3和H2S。醋杆菌通过β-氧化途径降解脂肪酸产生乙酸，肉毒梭菌（Clostridium botulinum）降解氨基酸则产生乙酸、NH3和CO2。长链脂肪酸发生β-氧化时，脂肪酸首先与辅酶A结合，然后被逐步氧化，每一步β-氧化反应脱掉2个碳原子，以乙酸盐的形式释放出来，同时产生减少了2个碳原子的脂肪酸。当长链脂肪酸所含碳原子为偶数时，最终产物为乙酸；当长链脂肪酸所含碳原子为奇数时，除产生乙酸外，最终还形成1分子丙酸。
图1-4脂肪酸的β-氧化
3产氢产乙酸阶段
由于产甲烷古菌不能利用含两个碳以上的脂肪酸和甲醇以外的醇类。因此，酸化阶段产生的丙酸、丁酸、乳酸等必须被进一步转化成更简单的小分子才能被产甲烷古菌利用，这个过程中会产生大量的乙酸，乙酸的生成称为产乙酸作用。发酵系统中的乙酸一部分在酸化阶段产生；一部分由产氢产乙酸菌氧化分解丙酸、丁酸等产生；另一部分则由既能利用有机质产乙酸，又能利用H2/CO2横向产乙酸的同型产乙酸菌产生，称为同型产乙酸作用（图1-3）。表1-1列出了几种底物的产乙酸反应。
表1-1标准条件下部分底物的产乙酸反应和自由能变化a
底物反应ΔG0′(kJ/mol)
乙醇CH3CH2OH+H2O → CH3COO-+H++2H2+96
丙酸CH3CH2COO-+3H2O → CH3COO-+HCO3-+H++3H2+761
丁酸CH3CH2CH2COO-+2H2O → 2CH3COO-+H++2H2+481
苯甲酸C6H5COO-+7H2O → 3CH3COO-+3H++HCO3-+3H2+530
a25℃；H2为气态，其他为液态。
（1）发酵产乙酸。
在这个过程中，产氢产乙酸菌利用产酸阶段的产物产生乙酸和氢。如产氢产乙酸菌将丙酸、丁酸、苯甲酸等短链脂肪酸和乙醇等转化成乙酸、H2和CO2（图1-4）。产氢产乙酸菌多为厌氧或兼性厌氧微生物，如互营单孢菌（Syntrophomonas）、互营杆菌（Syntrophobacter）、梭菌(Clostridium)等。
产氢产乙酸反应是吸能反应，例如1mol丙酸氧化降解需要吸收761 kJ的能量，1mol乙醇氧化需要吸收96 kJ的能量（表1-1）。发酵产乙酸过程中，系统的氢分压需维持在很低的水平，否则反应无法进行。因为，只有在氢分压（PH2）很低的情况下，一般不高于10Pa，这种反应在热力学上才是能够发生的，产氢产乙酸菌才能从反应中获得生长繁殖所需的能量。同时，产生的氢如果不能被及时利用或移除，必然导致H2的不断积累和氢分压升高，不利于产氢产乙酸反应和厌氧消化过程的进行。因此，产氢产乙酸菌必须和耗氢微生物（如氢营养型产甲烷古菌、同型产乙酸菌等）共生才能很好地生长。
（2）同型产乙酸作用。
在以上反应进行的同时，同型产乙酸菌能将糖酵解形成乙酸，并且还可以利用H2将CO2还原成乙酸［式(1-6)］，这个过程既能降低氢分压，又可以为乙酸营养型产甲烷古菌提供底物。
2CO2+4H2 CH3COOH+2H2O ΔG0′ = -1046 (kJ/mol)（1-6）
沼气发酵产生的甲烷中约有30%是通过H2还原CO2产生的，但是只有5％～6%的甲烷由溶解在水相的H2还原CO2产生。这种情况可以用“种间氢转移”来解释，即产氢产乙酸菌产生的H2被直接转移给产甲烷古菌利用，而不经过氢气溶解的过程。
在厌氧消化过程中，分子氢（H2）是关键的中间体。在标准状态下，当氢分压（PH2）为1大气压时，挥发性脂肪酸（VFAs）和醇类的产氢产乙酸反应在热力学上是难以发生的。如果反应不能发生，催化这些反应的微生物就不能获得生长所需的能量，挥发性脂肪酸也不能被降解掉，造成挥发酸积累并产生毒性。然而，如果有产甲烷古菌存在，H2会被迅速代谢掉，氢分压会维持在10-3～10-4大气压以下，产氢产乙酸菌反应就能顺利进行，VFAs也会被快速代谢掉，不至于对厌氧消化产生毒性。这种产氢（H2）微生物和耗氢（H2）产甲烷古菌之间的相互作用是种间氢转移的一个例子。在许多厌氧环境中，种间氢转移是一个关键的调节机制。由于耗氢（H2）产甲烷古菌在这个过程中起着关键作用，因此，人们认为产甲烷古菌推动了复杂有机物生成甲烷和二氧化碳的发酵过程。
但种间氢转移并不局限于厌氧产甲烷的食物链中。在富含硫酸盐、氧化金属或硝酸盐的环境中，厌氧菌可以氧化H2、挥发性脂肪酸和醇类。当存在硫酸盐时，硫酸盐还原菌催化这种反应。在氢气（H2）氧化时，以硫酸盐为电子受体比以CO2为电子受体（如产甲烷过程）在热力学上更易于发生，所以，硫酸盐还原菌对H2的竞争力高于产甲烷古菌对H2的竞争力。因此，在富含硫酸盐的海洋沉积物中，甲烷的生成受到很大限制。以硝酸盐、Fe3+为电子受体的H2氧化也比生成甲烷在热力学上更有利，当这些电子受体存在时，反硝化细菌、铁还原菌对H2的竞争力也会胜过产甲烷古菌。所以在厌氧环境中，当只有CO2作为唯一大量电子受体时，产甲烷才是占主导地位的反应。
第一章基础与理论（）
第一节沼气发酵（）
第二节沼气发酵微生物的分类及功能（）
第三节沼气发酵过程的影响因素（）
第四节沼气发酵功能微生物强化技术（）
参考文献（）
第二章工艺与技术（）
第一节传统沼气发酵工艺（）
第二节第二代沼气发酵工艺（）
第三节第三代沼气发酵工艺（）
第四节组合式沼气发酵工艺（）
参考文献（）
第三章材料与装置（）
第一节防渗土沼气池（）
第二节砖混沼气池（）
第三节钢筋混凝土沼气池（）
第四节钢制沼气发酵罐（）
第五节复合材料沼气池（）
参考文献（）
第四章储存与净化（）
第一节沼气储存（）
第二节沼气净化（）
参考文献（）
第五章设备与控制（）
第一节原料收储装置（）
第二节原料预处理设备（）
第三节原料输送设备（）
第四节沼气发酵罐动密封装置（）
第五节传热设备（）
第六节搅拌设备（）
第七节沼气净化设备（）
第八节沼气发电设备（）
第九节沼渣沼液利用设备（）
第十节过程监控设备（）
第十一节安全设施（）
参考文献（）
温馨提示：请使用泸西县图书馆的读者帐号和密码进行登录
