液化阶段和产酸阶段是一个连续过程。它是在厌氧条件下,经过多种微生物的协同作用,将原料中的碳水化合物、蛋白质和脂肪等分解成简单的小分子化合物,同时产生二氧化碳和氢。这个阶段只产生合成甲烷的基质,如乙酸、丁酸、醇、CO2、H2等,不产生甲烷,因此称为不产甲烷阶段。它可以看成是一个原料加工阶段,即将复杂的有机物转变成可供产甲烷细菌利用的物质,满足产甲烷菌进行生命活动的需要。在不产甲烷阶段起作用的微生物种类很多、数量很大,并因发酵原料不同而存在着很大差异。其中专性厌氧细菌数量最大,比兼性厌氧细菌和好氧细菌多100~200倍,是这个阶段起主要作用的菌类。需要指出的是:产氢细菌是不产甲烷阶段微生物中一个很重要的类群。大量资料表明:在沼气发酵中,CO2 还原成CH4,必须有H2作为电子载体,其反应式为:CO2+4H2→CH4+2H2O。中国科学院成都生物研究所已成功从沼气池污泥中富集和分离出不同种和属的产氢细菌。
三、成甲烷阶段 这个阶段是在产甲烷细菌作用下,将不产甲烷阶段所产生的合成甲烷基质转变成甲烷。这个阶段形成甲烷的反应可用下式表示:
(一)由挥发酸形成甲烷:
2CH3CH2CH2COOH+2H2O+CO2→4CH3COOH+CH4
(丁酸) (水)(二氧化碳)(乙酸)(甲烷)
CH3COOH→CH4+CO2
(二)由醇与CO2形成甲烷
如:2CH3CH2OH+CO2→2CH3COOH+CH4
(乙醇)(二氧化碳)(乙酸)(甲烷)
4CH3OH→3CH4+CO2+2H2O
(甲醇)(甲烷)(二氧化碳)(水)
(三)氢还原CO2成甲烷
CO2+4H2→CH4+2H2O
(二氧化碳)(氢)(甲烷)(水)
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。如果平衡遭到破坏,沼气发酵将受到影响甚至停止。通过对农村沼气池的测定,可以看出沼气发酵有这样一个过程:发酵初期大量产生挥发酸,在挥发酸浓度迅速增高的同时,氨态氮浓度急剧上升。氨态氮浓度达到高峰时,挥发酸浓度下降、氧化还原电位降低,产气量和气体中甲烷含量上升并达到高峰。这一连锁反应完成之后的一段时间内,pH值、氧化还原电位、产气量和甲烷含量等都基本稳定,而挥发酸浓度明显下降。上述变化说明:农村沼气发酵过程中,各个生化因子都有一个明显变化,但它们彼此又相互依赖和相互约束,达到液化、产酸和产甲烷阶段的动态平衡。
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