微生物发酵过程(微生物沼气发酵——万融实验)

Posted 2023-05-26

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微生物发酵过程(微生物沼气发酵——万融实验)

【研究背景】

沼气（marsh gas）是多种有机物在一定的湿度、浓度、酸碱度和隔绝空气的条件下，经过各类厌氧微生物的分解代谢而产生的一种可燃性气体。由于这种气体最先是在沼泽中发现的，所以称为沼气。沼气是一种混合气体，其主要成分是甲烷和二氧化碳，此外还含有少量的氮、氢、氧、氨、一氧化碳和硫化氢等气体。甲烷、氨和一氧化碳是可燃性气体，人们主要利用这部分气体的燃烧来获得能量。1868年，Bechamp提出沼气是由微生物降解有机质而产生的。发酵沼气的微生物是一群种类庞杂、对缺氧程度要求不同的细菌。沼气发酵过程实质上是微生物的物质代谢和能量转换过程，在分解代谢过程中，产沼气微生物获得能量和物质，以满足自身生长繁殖，同时大部分物质转化为甲烷（CH4）和二氧化碳（CO2）。一般认为这个过程大体上分为三个阶段：第一个阶段（水解阶段）是水解性细菌或发酵性细菌将复杂有机物水解或发酵，如将多糖水解成单糖，蛋白质水解成肽和氨基酸，脂肪水解、成甘油和脂肪酸，并进一步降解成各种有机酸，同时产生氢气和二氧化碳；第二个阶段（产酸阶段）主要是由产氢细菌和产乙酸细菌将丙酸、乙酸和乙醇等分解，形成氢和乙酸，间或有二氧化碳形成；第三个阶段（产甲烷阶段）是产甲烷细菌分解乙酸，形成甲烷和二氧化碳，或利用氢还原二氧化碳，形成甲烷，或转化甲酸形成甲烷。沼气发酵的三个阶段是相互依赖和连续进行的，并保持动态平衡。推广和应用沼气，可以充分利用生物质能，有效解决能源短缺的问题，增加土壤有机质，提高土壤肥力，还可以保持良好的生态环境，改善卫生条件等。因此，沼气的发酵与应用是实现物质资源化再利用的一项有重要意义的能源举措。

【实验器材】

1．实验材料牛粪、农作物秸秆。

2．仪器和用具沼气池、沼气压力表、温度计、酸度计、塑料薄膜、灭菌锅等。

【实验设计思路】沼气发酵是微生物对有机物进行代谢的过程。因此，发酵沼气前要对实验材料进行预处理，即进行堆沤处理，常通过材料堆上泼水，用塑料薄膜密封来实现，目的是聚集热量和富集菌种。处理时间随季节变化而不同，一般当堆沤原料温度升高到40～50℃，颜色变成深褐色后，即可投入沼气池进行发酵。视实验材料的不同决定是否加入接种物。接种物可来源于正在运行的沼气池污泥，或将畜禽养殖场、屠宰场污水排放沟内污泥经沉砂和过筛，去掉上清液后，达到2％～5％的悬浮固体含量即可。注意监测发酵时的温度和酸碱度，可通过加入适当温度的水或辅料进行相应的调节。沼气发酵初期所产生的气体主要是二氧化碳等，甲烷含量低，通常不能燃烧。当沼气压力表上的水柱达到400mm高时进行放气试火，待放气一两次后，气体中的甲烷含量达到30％以上时，所产生的沼气就可以点燃使用，检测此时所产生的沼气效率，作为实验结果记录下来。

【研究目标】确定适合微生物沼气发酵的温度、酸碱度和发酵液浓度等条件。