《微生物能源》PPT课件.ppt

第六章 微生物在能源上的应用 第一节 沼气发酵 第二节 乙醇发酵 第三节 煤炭脱硫 第四节 微生物絮凝剂,沼气多产生于污水处理厂、垃圾填埋场、酒厂、食品加工厂、养殖场等。沼气是在厌氧条件下由有机物经多种微生物的分解与转化作用后产生的可燃气体，属于生物质能范畴，主要成分是甲烷和二氧化碳，其中甲烷含量约为5070，二氧化碳含量为3040(容积比)，还含有少量的硫化氢、氮、氧、氢等气体，约占总含量的1020。甲烷在空气中遇火燃烧，转变成二氧化碳和水，并释放出热量，其化学反应方程式为： CH4+202=2H2O+CO2+890kJmol,第一节 沼气发酵,从环保角度讲，沼气中的甲烷是一种作用强烈的温室气体，其导致温室效应的效果是二氧化碳的32倍，因此，有效控制沼气排放已成为环保领域关注的重要问题之一。从能源角度讲，沼气是性能良好的燃料，燃气热值约为2198MJm3(甲烷含量60%、二氧化碳等其他含量为40)时，属中等热值燃料，因此，开发利用沼气不仅有助于温室效应的减轻和生态良性循环，而且可替代部分石油、煤炭等化石燃料。,近年来我国随着国民经济的快速发展，已建成大、中型沼气池近千座，形成年产沼气数亿立方米的能力。由于这些气源相对稳定、供气量大(如规模较大的污水处理厂、垃圾填埋场一般日产沼气为1万m3以上，中型的沼气工程日产气也可达数千立方米)，采用燃气装置进行沼气发电，是国际上趋同的技术路线。,（一）沼气发酵原理及发酵条件 1. 原理 沼气发酵又称为厌氧消化、厌氧发酵或甲烷发酵，是指有机物质(如人畜家禽粪便、秸秆、杂草等)在一定的水分、温度和厌氧条件下，通过种类繁多、数量巨大且功能不同的各类微生物的分解代谢，最终形成甲烷和二氧化碳等混合性气体(沼气)的复杂生物化学过程。,（1） 沼气发酵的三个阶段 液化阶段。在液化阶段，复杂有机物(纤维素、蛋白质、脂肪等)在兼性微生物及少数厌氧微生物的酶催化作用下降解至基本结构单位或简单有机酸、醇等。 产酸阶段。液化产物被微生物吸收到菌体内，并在胞内酶的催化作用下，将它们转化为低分子化合物，如乙酸、丙酸、丁酸及乳酸等，还有乙醇、甲醇以及氢等。乙酸数量最大，约占80。,产甲烷阶段。经过前两个阶段的分解作用后，有机溶液中产甲烷的基质已很丰富以及产氨细菌的活动，使氨态氮浓度不断增高，使发酵液中的氧化还原电势降低。为产甲烷细菌提供了适宜的环境条件，促使产甲烷细菌迅速生长繁殖，将乙酸、甲酸、甲醇、氢气及二氧化碳等转化为甲烷。产甲烷菌的营养物质与产甲烷基质都是来自各类分解菌对有机物进行分解而形成的代谢产物。分解菌不断地提供乙酸、H2、CO2和NH3等基质，产甲烷菌则利用这些物质进行代谢活动并产生甲烷，使产甲烷菌与不产甲烷菌的生长和产甲烷与产酸都达到平衡。,（ 2） 沼气制取的基本条件 保证沼气池能够持续产气要满足以下基本条件： 保证沼气池的密闭性 在有机物质发酵产生沼气的过程中，起主导作用的厌氧细菌(群)需要严格厌氧，不能在有氧环境中生存，所以沼气池应保证严格的密闭性。当沼气池施工完毕，池体各部位达到一定强度后，应检验沼气池是否漏水和漏气。,观察池内各部位的抹灰层有无开裂和脱落现象，表面有无蜂窝和明显毛细孔，并敲击表面有无空洞声。若有蜂窝和明显毛细孔，应继续刷浆，孔洞和开裂部位要敲掉重做。此外，还应注意导气管和池体连接必须牢固。总之，修建一个严格密闭、隔绝空气的沼气池，以保证严格的厌氧环境，对沼气池稳定产气十分关键。,发酵原料应保持合适的碳氮比 发酵原料是产生沼气的物质基础，产沼气细菌从原料中需吸取的主要营养物质是碳元素、氮元素和一些无机盐等。碳元素多来源于碳水化合物，是细菌进行生命活动的主要能量来源；氮元素多来源于蛋白质、亚硝酸盐和氨等无机盐类，是制造细菌细胞结构、细菌细胞原生质和遗传物质的主要成分。在细菌的生命活动中，其利用碳素的速度比其利用氮素的速度快2030倍，因此，发酵液中碳素和氮素应维持适当的比例。试验证明，在其他条件都具备的情况下，碳氮=(2030)1是满足正常发酵的最佳比例，而碳氮比高于或低于这一比例，都会使发酵速度下降。,保持适宜和稳定的发酵温度 沼气发酵是一种喜温发酵，温度对沼气的产生有很大影响。产甲烷菌的生长和繁殖对温度要求较高，最适宜温度绝大多数在30以上，理想的温度为35，沼气的发酵温度范围为860，在此范围内，沼气产量可随着温度的升高而增加。沼气发酵温度可分为高温、中温和低温三类。一般认为4560为高温发酵，3045为中温发酵，而农村家用沼气池多采用低温发酵(也叫常温发酵或自然发酵)，温度为825。常温发酵的产气量往往随气温变化而变化，很不稳定。,另外，厌氧细菌不能承受过度的温度波动，一天内允许的温度波动不能超过1。在农村，采取将沼气池建在地下的方法，沼气池内的温度波动可保持在这个范围内。春季和冬季的环境温度低，对沼气池可采取一些保温措施，如在沼气池周围设置保温层，在沼气池上覆盖保温材料(作物秸秆和杂草等)，还可利用太阳能加热等。,保持适当的料液浓度 在沼气发酵过程中，控制适当的料液浓度，可以有效地提高产气率，料液太稀和太浓对产气都不利。料液含水太多会降低沼气池单位容积产气率，不能充分利用沼气池的有效容积；料液中含水过少，则会造成有机酸的大量积累，使发酵作用受到阻碍。沼气发酵液的浓度应随季节变化而有所不同。春、秋季节发酵液浓度应稍大，为1015；夏季发酵液浓度可以低一点，为89；冬季寒冷，发酵液浓度应在1520。对农村家用沼气池来说，沼气发酵最合适的料液浓度是79。,发酵原料应进行堆沤预处理 为了加快原料的发酵速度、增加沼气产量，原料应进行预处理，尤其是麦秸、谷草、玉米秆等纤维性物质，必须进行堆沤预处理。堆沤前，要先将原料铡短，分层放在坑内，每层厚约50cm，两层之间撤一层25的石灰或草木灰，再泼洒一些人畜粪尿或污水，表面用稀泥封闭。夏季一般堆沤710d ，冬季堆沤1个月左右。堆沤后的发酵原料，表皮蜡质受到破坏，加快了纤维素的腐烂分解，增大了与甲烷菌等细菌的接触面，加快了在沼气池中发酵分解的速度。, 保持适宜的酸碱度 沼气发酵的适宜酸碱度为中性偏碱(pH=78.5)。为了保持沼气发酵所需的酸碱环境，在进料及整个发酵期间，要经常观察和调节发酵液的酸碱度。 为保证沼气制取能够稳定地进行，除需注意上述技术要点外，还应采取一些其他措施，如经常搅动池液、合理加料和采用正确的加料方法，在沼气池内适量添加一些能促使有机物质分解并提高产气的添加剂(纤维酶类、尿素、稀土元素等)，防止工业废水和农药(主要是含有农药的作物秸秆)进入沼气池等。总之，保证沼气制取的基本条件，对沼气池稳定产气是十分重要的。,（二）沼气发酵微生物 沼气发酵微生物是人工制取沼气最重要的因素，只有存在大量的沼气微生物，并保证各种类群的微生物的基本生长条件，发酵原料才能在微生物的作用下转化为沼气。,1. 沼气微生物种类 沼气发酵是一种极其复杂的微生物作用和化学反应过程，这一过程的发生和发展是五大类群微生物生命活动的结果。它们是：发酵性细菌、产氢产乙酸菌、耗氢产乙酸菌、食氢产甲烷菌和食乙酸产甲烷菌。这些微生物按照各自的营养需要，起着不同的物质转化作用。从复杂有机物的降解，到甲烷的形成，是微生物群分工合作和相互作用的结果。,（1） 不产甲烷菌 在沼气发酵过程中，不能直接产生甲烷的微生物统称为不产甲烷菌。不产甲烷菌能将复杂的大分子有机物变成简单的小分子量的物质。它们的种类繁多，现已观察到的包括细菌、真菌和原生动物三大类，其中以细菌种类最多，目前已知的有18个属51个种，随着研究的深入和分离方法的改进，还在不断发现新的种群；根据微生物的呼吸类型可将其分为好氧菌、厌氧菌、兼性厌氧菌三大类型。,其中，厌氧菌数量最大，比兼性厌氧菌、好氧菌多100200倍，是不产甲烷阶段起主要作用的菌类；根据作用基质来分，可划分为纤维分解菌、半纤维分解菌、淀粉分解菌、蛋白质分解菌、脂肪分解菌和其他一些特殊的细菌，如产氢菌、产乙酸菌等。,（2） 产甲烷菌 在沼气发酵过程中，利用小分子量化合物形成沼气的微生物统称为产甲烷菌。如果说微生物是沼气发酵的核心，那么产甲烷菌又是沼气发酵微生物的核心，产甲烷菌是一群较特殊的微生物，它们对氧和氧化剂非常敏感，适宜在中性或微碱性环境中生存繁殖。它们依靠二氧化碳和氢气生长，并以废物的形式排出甲烷，是对生长物质要求最简单的微生物。,2. 产甲烷菌的特性 （1）产甲烷菌的生长要求严格的厌氧环境。如甲烷八叠球菌暴露于空气中时会很快死亡，其数量半衰期仅为4min。 （2）产甲烷菌的食物简单，将H2CO2、甲酸、甲醇和乙酸等少数几种底物代谢为甲烷，其中乙酸是厌氧消化器中最重要的产甲烷前驱体物质。 （3）产甲烷菌适于生长的pH值在中性范围，如甲酸甲烷杆菌最适生长的pH值为6.67.8。,（4）产甲烷菌生长缓慢。产甲烷菌以产酸菌代谢产物为食，如乙酸、甲酸、H2CO2、等结构简单且含能量少的物质，又生活于严格厌氧条件下，其代谢产物甲烷中含很高能量，生长繁殖缓慢。所以，在发酵启动时，需加入大量甲烷菌种。 产甲烷菌在自然界广泛分布，如土壤、湖泊、沼泽、反刍动物(牛羊等)的肠胃道、淡水或碱水池塘污泥中、下水道污泥、腐烂秸秆堆，牛马粪以及城乡垃圾堆中都有大量的产甲烷菌存在。由于产甲烷菌的分离、培养和保存都有较大的困难，迄今为止，所获得的产甲烷菌的纯种不多。,3. 沼气发酵微生物的作用及特点 (1） 作用 在沼气发酵过程中，不产甲烷菌与产甲烷菌相互依赖，互为对方创造维持生命活动所需的物质和适宜的环境条件；同时又相互制约，共同完成沼气发酵过程。主要表现在下列几个方面：,不产甲烷菌为产甲烷菌提供营养。原料中的碳水化合物、蛋白和脂肪等复杂有机物不能直接被产甲烷菌吸收利用，必须通过不产甲烷菌的水解作用，使其形成可溶性的简单化合物，并进一步分解，形成产甲烷菌的发酵基质。一方面不产甲烷菌通过其生命活动为产甲烷菌源源不断地提供合成细胞的基质和能源；,另一方面，产甲烷菌连续不断地将不产甲烷菌所产生的乙酸、氢和二氧化碳等发酵基质转化为甲烷，使厌氧消化中不致有酸和氢的积累，不产甲烷菌也就可以继续正常的生长和代谢。由于不产甲烷菌与产甲烷菌的协同作用，使沼气发酵过程达到产酸和产甲烷的动态平衡，维持沼气发酵的稳定运行。,不产甲烷菌为产甲烷菌创造适宜的厌氧生态环境。在沼气发酵启动阶段，由于原料和水的加人，在沼气池中随之进入了大量的空气，这显然是对产甲烷菌有害的，但是由于不产甲烷菌类群中的好氧和兼性厌氧微生物的活动，使发酵液的氧化还原电位(氧化还原电位越低，厌氧条件越好)不断下降，逐步为产甲烷菌的生长和产甲烷创造厌氧生态环境。,不产甲烷菌为产甲烷菌清除有毒物质。在以工业废弃物为发酵原料时，其中往往含有酚类、苯甲酸、氰化物、长链脂肪酸和重金属等物质，这些物质对产甲烷菌是有毒害作用的，而不产甲烷菌中有许多菌能分解和利用上述物质，这样就可以解除对产甲烷菌的毒害作用。此外，不产甲烷菌发酵产生的硫化氢(H2S)可以与重金属离子作用，生成不溶性的金属硫化物而沉淀下来，从而解除了某些重金属的毒害作用。,不产甲烷菌与产甲烷菌共同维持环境中适宜的酸碱度。在沼气发酵初期，不产甲烷菌首先降解原料中的淀粉和糖类等，产生大量的有机酸。同时，产生的二氧化碳也部分溶于水，使发酵液的酸碱度(pH)下降。但是，由于不产甲烷菌类群中的氨化细菌迅速进行氨化作用，产生的氨(NH3)可中和部分有机酸。同时，由于甲烷菌不断利用乙酸、氢和二氧化碳形成甲烷，而使发酵液中有机酸和二氧化碳的浓度逐步下降。通过这两类群细菌的共同作用，就可以使pH稳定在一个适宜的范围。因此，在正常发酵的沼气池中，pH始终能维持在适宜的状态而不用人为的控制。,(2) 特点 理论和实践证明，沼气发酵过程实质上是多种类群微生物的物质代谢和能量代谢过程，在此过程中，沼气发酵微生物是核心，其发酵工艺条件的控制都以沼气发酵微生物学为理论指导。具有以下特点： 分布广，种类多。沼气微生物在自然界中分布很广，特别是在沼泽、粪池、污水池以及阴沟污泥中，存在有各种各样的沼气发酵微生物，种类达200300种，它们是可利用的沼气发酵菌种的源泉。,繁殖快，代谢强。在适宜条件下，微生物有很高的繁殖速度。产酸菌在生长旺盛时，20min或更短的时间内就可以繁殖一代，产甲烷菌繁殖速度较慢，约为产酸菌的115。微生物所以能够出现这样高的繁殖速度，主要因为它们具有极大的表面积和体积比值，例如直径为1m的球菌，其面积和体积的比值为6104，所以它能够以极快的速度与外界环境发生物质交换，具有很强的代谢能力。,适应性强，容易培养。与高等生物相比，多数微生物适应较强，并且容易培养。在自然条件下，成群体状态生长的微生物更是如此。例如，沼气池里的微生物(主要是厌氧和兼性厌氧两大菌群)在1060条件下，可以利用多种多样的复杂有机物进行沼气发酵。有时经过驯化培养后的微生物可以加快这种反应，从而更有效地达到生产能源和保护环境的目的。,第二节 乙醇发酵 乙醇是一种清洁能源，其特点为产能效率高、燃烧过程不产生有毒的CO、污染程度低，可通过微生物大量发酵、生产基质种类多、资源丰富、成本相对较低。据不同产能工艺经济技术的比较分析表明，乙醇很可能是未来的石油替代物。 乙醇发酵作为一种传统工艺，过去大多采用糖蜜、淀粉作为原料，在酵母菌的作用下进行厌氧发酵产生。近年来采用有机废物作为乙醇发酵原料，已成为国际上研究的热点，并取得重大进展。,（一）乙醇发酵微生物 乙醇发酵是葡萄糖在乙醇发酵微生物的作用下转化成乙醇的过程。由于淀粉、纤维素 半纤维素等多聚物不能直接进入细胞，只有通过酶或其他方法预处理形成双糖、单糖之后，才能被利用，发酵产生乙醇。所以乙醇发酵过程包括原料多糖降解产生单糖与双糖以及糖发酵生成乙醇两大过程。,在自然界里，能过进行乙醇发酵的微生物种类很多，但真正得到广泛应用的主要是酵母菌；霉菌和细菌主要用作淀粉的糖化。近30年来，研究者发现，一些细菌也能直接进行乙醇发酵，但至今尚未用于大规模生产。 1.酵母菌 乙醇生产中常用酵母有酿酒酵母、葡萄汁酵母和栗酒裂殖酵母等。他们均属于兼性厌氧菌。,酿酒酵母是国内外普遍使用的乙醇发酵菌种，生产菌株有Rasse、RasseX、K字酵母、南洋1300和1308等，能利用葡萄糖、麦芽糖、半乳糖、蔗糖及1/3棉子糖发酵产生乙醇，不能利用乳糖、蜜二糖发酵产生乙醇，不同化硝酸盐。 葡萄汁酵母能发酵葡萄糖、麦芽糖、半乳糖、蔗糖及全棉子糖产生乙醇，不同化硝酸盐，能稍微利用乙醇。许多研究者用它作为乙醇发酵研究的出发菌株。,栗酒裂殖酵母能发酵葡萄糖、麦芽糖、蔗糖、棉子糖产生乙醇，但不能利用乳糖、半乳糖和蜜二糖。以半纤维素水解液进行乙醇发酵，其发酵速度和发酵效率比酿酒酵母好。 新近的研究表明，假丝酵母、毕赤酵母等能直接利用木糖发酵产生乙醇，是半纤维素乙醇发酵的新菌种资源。,2.霉菌 霉菌在乙醇发酵中应用有两个发面，一是有些霉菌本身能进行乙醇发酵，可作为乙醇发酵菌种；二是霉菌能产生高活性的淀粉酶和纤维素酶，用来水解淀粉和纤维素产生单糖。 根霉是具有高活性的淀粉酶，酿酒工业中用它作为淀粉糖化菌。生产与研究中所用的主要菌种有：匐枝根霉、米根霉、华根霉、少根根霉等。,曲霉如淀粉酶、蛋白酶、果胶酶等酶系，工业上用它作为糖化酶、蛋白酶、果胶酶、柠檬酸生产菌种，同时也应用于甾组化合物转化。乙醇发酵中，常用菌种有：黑曲霉、宇佐曲霉、泡盛酒曲霉、米曲霉及黑曲霉的变异菌种。 木霉同样有多种酶系，尤其是纤维素酶活性很高，它还用于柠檬酸生产，核黄素合成和甾体转化。代表菌种有康氏木霉和绿色木霉，其中绿色木霉及其变种被广泛应用于纤维素酶的生产，目前世界闻名的菌株有T.reesiQM9411和T.reesiRut-NG-14。木霉对以纤维素为原料的乙醇生产而言，具有特别重要的意义。,3.细菌 多年来，枯草芽孢杆菌，如枯草杆菌BH7658及其变异菌种等只限于生产液化性淀粉酶，用于淀粉质乙醇发酵的糖化。20世纪70年代，人们开始研究利用细菌进行糖质原料与纤维原料的乙醇发酵。 运动发酵单胞菌是迄今为止唯一通过ED途径进行糖代谢产生乙醇的厌氧菌。它是Linder从墨西哥Pulgue酒（植物浆汁发酵而成）中分离得到的，革兰氏阳性，能利用葡萄糖、果糖、蔗糖发酵生成乙醇、二氧化碳，耐乙醇能力117130g/L,但它不能利用麦芽糖、乳糖。,其生长速率、底物消耗速率、产物生成速率都高于酵母，细菌产率则低于酵母，因此具有实际利用价值。正常发酵温度为3637，比酵母发酵温度高67，适宜于高温发酵。 美国麻省理工学院（MIT）研究人员发现热解纤维梭菌能利用细微素发酵产生乙醇。国内也有一些单位研究细菌直接发酵纤维素产生乙醇，蹦筛选获得产乙醇的细菌菌株。,（二）乙醇发酵工艺及应用 根据乙醇发酵所用的原料不同，其发酵过程主要有下列几个工序：原料的准备；原料的处理，其中糖质原料可直接利用，而淀粉和纤维素原料需先进性酸或酶水解转化成糖质；制醪；发酵和蒸馏。从发酵方式来分，分为分批式、半连续式和连续式三种乙醇发酵工艺。 下面以纤维素和半纤维素类原料乙醇发酵为例介绍有关工艺及其应用。,1.纤维原料制乙醇 纤维素乙醇发酵主要有三种工艺：水解-发酵、混合糖化发酵和直接发酵。 （1）水解-发酵 该工艺纤维素的酶水解和糖化液的乙醇发酵在不同发酵反应器进行。纤维素酶的生产主要以去木质素的纤维素做碳源，玉米浆做氮源，添加适量的营养盐后，在30及PH4.8条件下通风培养，过滤所得的酶液即可作用于纤维素的水解。,在目前研究的水平，木霉纤维素酶可将95以上的纤维素转化成糖，再经酵母发酵约95葡萄糖转化为乙醇，发酵成熟醪的乙醇含量可达10.3。 Kling采用BIOFERM S/A生产的酶制剂，对预处理后甘蔗渣进行了糖化实验，其最适条件为：PH4.8，温度50，酶/底物比为25FPU/克原料，适量的-糖苷酶具增效作用。酶解底物发酵工艺的优化条件研究发现在PH5.5，温度30，压榨酵母接种量1.5时，发酵的率可达94。,（2）混合糖化发酵 混合糖化发酵是将纤维素原料竟预处理制成木浆，加纤维素酶水解后，直接接入酵母进行发酵。该工艺具有操作简单、节省糖化设备投资等优点。 在纤维素混合糖化发酵乙醇中一个重要问题是酵母菌和酶之间的协调，即细胞溶解所释放物质影响酶活，酶制剂组分对酵母菌细胞的溶解而降低细胞活性。,因此，该工艺的应用有局限性。为解决这一问题，筛选耐热耐酶菌株有一定意义。Szczodrak等筛选到7株同时糖化和发酵纤维素的耐热酵母菌种，在40下，对原料的利用率大100，其中脆壁克鲁维酵母FT23和豆孢酵母CCY51-1-1两个菌株在43和46时，竟48h发酵，原料利用率仍达83和63以上。这些能在4046条件下生长、发酵，耐纤维素酶的酵母菌株，为混合糖化发酵生产乙醇带来了希望。,随着固定化细胞的出现，尤其是共固定化技术，将纤维酶产生菌与乙醇发酵菌经行细胞共固定，Hartmeior和Hangerkal等人研究共固定纤维素酶与酵母细胞乙醇发酵过程，提出能使酶与细胞相协调的供氧、PH、温度、营养等条件。此外，-D-葡萄糖苷酶与运动发酵单胞菌共固定进行纤维素乙醇发酵也有研究报道。,（3）直接发酵工艺 美国麻省理工学院最早开展纤维素直接发酵产乙醇的研究，发现热解纤维梭菌直接发酵纤维素产生乙醇，但发酵液中，乙醇浓度低于10g/L。最近有研究报道，将两种耐热厌氧菌株进行纤维素的混合乙醇发酵，一种菌株为热解纤维梭菌，另一个菌株是热解糖好热厌氧杆菌。前者将纤维素、半纤维素分解，并将产生的六碳糖转化为乙醇、乙酸和乳酸；后者将产生的五碳糖转化为乙醇，从而提高了乙醇的产率，生成的乙醇和乙酸比例提高的101。,2.半纤维素乙醇发酵 半纤维素水解所产生的糖中，木糖占一半以上，甚至高达60。长期以来，认为木糖不能被酵母转化为木酮糖，通过EMP途径发酵生成乙醇，故称它为不发酵性糖。20世纪70年代末，木糖乙醇发酵获得了突破性的进展。加拿大和美国的两位华裔教授几乎同时提出，采用木糖异构酶的方法可将木糖异构生成木酮糖，再在D-木酮糖激酶发生磷酸化，可生成5-磷酸木酮糖，进入EMP途径，生成3-磷酸甘油醛，并进一步转化成乙醇。其生化途径为： D-木糖 木糖醇 D-木酮糖 5-磷酸木酮糖 6-磷酸葡萄糖 丙酮酸 酒精,微生物发酵生产乙醇的展望 微生物发酵生产乙醇的原料很多，包括淀粉类、糖类、纤维素类。其中纤维素类原料是地球上储量十分丰富的可再生资源。每年全世界职务纤维素生成量高达1.551011t。还有大量的工厂废纤维垃圾等等。据估计，我国每年农作物秸秆产量达（3.33.8）108t，如按1Kg纤维素生产0.28L乙醇计，年生产乙醇高达900多亿升，所以开发利用潜力巨大。,我国是煤炭大国，20世纪末煤炭消费量为14亿t，含硫量大于2的高硫煤约占20左右。煤中的可燃硫经燃烧生成SO2，对人体粘膜肺部有刺激作用，是引起酸雨的主要物质。因此开发煤炭脱硫技术是减少和防止煤中硫对大气污染的有效方法。,第三节 煤炭脱硫,（一）煤生物脱硫及其机理 1. 煤中硫的存在状态 煤中含硫化合物可以分为两类，即无机硫化合物和有机硫化合物。无机硫以黄铁矿硫(FeS2)为主要成分；有机硫主要存在于煤大分子结构中，与碳结合在一起，煤中的有机硫主要以巯基(-SH)或硫醇、单硫链(-S-)、多硫链(-Sx-)和噻吩基(C4H4S-)、等形式存在(图7.3-1)，二苯并噻吩(DBT)是煤炭中含量较高的一类有机硫化合物，并被用作模式化合物。有机硫和无机硫在煤中的比例因煤炭的种类和产地而异。在高硫商品煤中，有机硫占全硫的4850。,2. 煤炭脱硫与生物脱硫 煤炭的脱硫总体上分为燃烧前脱硫、燃烧中脱硫和燃烧后脱硫三种：燃烧后脱硫又称烟道气脱硫，主要是对燃烧的尾气进行处理，减少有害气体的排放。该法工艺复杂，运转费用比较高。燃烧中脱硫主要是指添加固硫剂技术和炉内喷入钙系脱硫剂的粉煤燃烧技术，不但脱硫效率低，而且还存在易结渣、设备磨损的问题。,燃烧前脱硫又称煤炭脱硫。与燃烧中、燃烧后脱硫相比具有许多潜在优势，并且符合以”预防为主”的环境方针。控制SO2，排放的最直接方法是使用低硫煤，但低硫煤不但产量有限，而且难以达到环境保护的要求。因此，进行煤炭除硫已成为必然趋势。近几十年来，美国、英国、日本、德国、俄罗斯均开发了煤脱硫技术,脱硫方法分为三类：物理脱硫法、化学脱硫法和微生物脱硫法。 （1）物理脱硫法 物理脱硫法是利用煤中黄铁矿性质，如密度、磁性、导电性及其悬浮性差异而使之分离。缺点是不能同时去除煤中有机硫，而且无机硫的晶体结构、大小及分布影响脱硫效果和煤炭回收率。,（2）化学脱硫法 化学脱硫是通过氧化剂把硫氧化，或者是将硫置换达到脱硫的目的。 化学脱硫法多数是针对煤中的有机硫，除硫效率高。但其缺点是多数化学反应是在高温高压下进行，设备费用较高，而且因为反应条件剧烈，可能使煤质发生变化，如使煤的发热量、结焦性、膨胀性遭到破坏，使净化后产品的用途受到限制，难以大规模使用。,（3）生物脱硫法生物法脱硫的原理是利用微生物能够选择性氧化煤中有机或无机硫的特点，去除煤炭中的硫元素，它的优点是SO2，去除率高，且不但能去除煤中无机硫还能去除有机硫，反应条件温和，设备简单，成本低。尽管生物法存在反应太慢的缺点，但是很有潜力，世界上许多国家都进行了大量研究工作。,3. 煤炭脱硫微生物 煤的微生物脱硫是由生物湿法冶金发展而来的。自发现铁氧化硫杆菌能够氧化黄铁矿以来，人们一直致力于寻找一些能够应用于煤脱硫的微生物。目前能去除煤中硫化物的微生物有：专性自养菌，这类菌只能氧化FeS2；兼性自养菌，这类细菌能氧化FeS2和部分有机硫化物；异养菌，这类微生物主要氧化有机硫化合物。,（1）专性自养菌 其中最有效的脱硫菌种是铁氧化硫杆菌和硫氧化硫杆菌。它们可使黄铁矿的溶解速度提高100万倍，并可脱除90以上的FeS2。这类细菌已经用于浸出低品位硫化矿中的金属，如Cu等。,（2）兼性自养菌 主要是一些嗜热兼性自养菌。如能氧化还原铁和硫化物的嗜热(6090)、嗜酸(pHl54.0)的古菌嗜酸热硫化叶菌，能利用简单的有机物作为能源物质，已被广泛应用于从煤中脱去FeS2和部分有机硫化物。用扫描电子显微镜观察表明，该菌细胞表面具有Fe和S的吸附位点，说明这种细菌能选择性的吸附在煤中的FeS颗粒表面，这对随后的氧化是必要的。在美国黄石国家公园的酸性温泉中分离到的嗜热的布氏酸双面菌对于除去煤中FeS2具有很大的应用潜力。,嗜热的兼性化能自养菌与中温的专性自养菌相比在煤脱硫中有以下优点：在高温下作用，可有效减少培养基被污染的机会。兼性自养菌可同时去除煤中的FeS2和有机硫。高温下处理(5080)可以加快由Fe3+引起的FeS2化学氧化速率。Fe3+是微生物氧化煤中FeS2的过程中产生的。,（3）异养菌 有多种微生物可以降解有机硫化物DBT，新近分离到一些细菌，如红球菌、短杆菌和霉菌黑曲霉可以分解DBT。最近从洗煤废水中分离到的酵母和霉菌可降解煤，在煤脱硫方面有潜在应用。国内外报道的用于脱硫的微生物见表7.3-1。,表7.3-1煤炭脱硫微生物,第四节 微生物絮凝剂,絮凝剂是一类可使液体中不易沉降的悬浮颗粒物聚集、沉降的物质。絮凝剂可分为三大类：无机絮凝剂、有机合成高分子絮凝剂和微生物絮凝剂。长期以来，给水和排水处理中使用的絮凝剂主要是以铝系和铁系混凝剂为代表的无机类和以聚丙烯酰胺为代表的合成高分子类。,由于它们具有很高的絮凝活性和较低的生产成本，因而得到广泛使用。但有关研究表明，饮用水摄入过多铝离子的人群中，老年性痴呆症患者比例较高。而丙烯酰胺单体更是具有强烈的神经毒性和致癌作用。因此人们对这两类絮凝剂的使用安全性提出了质疑。现在，在一些发达国家，如美国、日本在许多领域己禁止或限量使用丙烯酰胺絮凝剂。,天然有机高分子絮凝剂作为一种较新的水处理剂，是利用蛋白质、多糖、木质素、几丁质等生物天然高分子，通过化学改性制成。由于天然有机高分子具有无毒且能完全降解的特点，曾一度引起各科研机构的重视，但能真正应用于工业生产的并不多。,微生物絮凝剂（简称MBF)是一类由微生物产生的具有絮凝活性的高分子有机物。主要有糖蛋白、黏多糖、纤维素和核酸等。它具有天然有机高分子絮凝剂的一切优点，而且还有可能通过选育优良菌种，优化发酵及回收过程来降低生产成本，并通过基因工程的手段，使絮凝剂产生菌获得更优良的性状。,（一）微生物絮凝剂的特点及絮凝机理 1. 微生物絮凝剂的特点及产生菌 （1）生物絮凝剂的特点 与无机或有机高分子絮凝剂相比，微生物絮凝剂具有许多独特的性质和特点：,产絮凝剂的微生物种类多、被絮凝的对象广泛微生物絮凝剂能絮凝处理的对象有：活性污泥、粉煤灰、泥水、高岭土、粪尿水、印染废水等。如已研制成的微生物絮凝剂NOC-1在Ca2+存在条件下，对菌体、河水底泥沉淀物、粉煤灰、活性炭粉、膨胀污泥、瓦厂废水、纸浆废水等有极好的絮凝和脱色效果。,微生物絮凝剂具有易降解、无二次污染的特点 微生物絮凝剂是由易于生物降解的多糖、蛋白质、核酸类物质组成。 使用量少、方便、絮凝物易过滤在与现用各类絮凝剂使用同样量下，酱油曲霉AJ7002产生的絮凝剂对活性污泥的絮凝速度最大，而且絮凝沉淀比较容易用滤布过滤。絮凝剂聚丙烯酰胺和藻蛋白酸钠在400mgL。以上的浓度下就会使絮凝沉淀黏稠而不易过滤。拟青霉Il产生的絮凝剂活性也很高，发酵液稀释29后仍可对大肠埃希氏菌(E.coli)细胞表现出絮凝活性。,微生物絮凝剂安全给小白鼠、豚鼠注射红城红球菌的细胞及培养液均不使它们致病。安全性实验显示微生物絮凝剂完全可能用于食品、医药等行业的发酵后处理。 兼有降解、去除有机污染物的特性许多絮凝剂产生菌可降解高分子物质，如诺卡氏菌属可降解塑料添加剂酞酸酯，在降解人工合成的高聚物同时产生絮凝剂。氧化烃棒杆菌可以利用煤油生长并产生絮凝剂，使膨胀污泥活性得到恢复。有的絮凝剂可以使废水脱色。针对不同污水采用特定的絮凝剂，在降解有机物的同时使固体悬浮物凝集沉淀。,（2） 生物絮凝剂产生菌 絮凝剂产生菌种类繁多，在细菌、霉菌、酵母菌、放线菌甚至藻类中都有，至今发现的具有絮凝性的微生物可达数十种。其分布广泛，研究者利用不同的培养条件、测试标准从各种不同的环境如活性污泥、土壤、废水中分离絮凝剂产生菌。目前己报道的部分絮凝剂产生菌如表7.4-1所示。,Ryuichiro Kurane等人从红城红球菌、诺卡氏菌属、棒杆菌属、分枝杆菌属、芽孢杆菌属、假单胞菌属等细菌中，筛选出14种具有絮凝效果微生物，其中絮凝效果最好的是红城红球菌。红城红球菌是一种革兰氏阳性细菌，不仅能够有效地降解磷苯二甲酸酯类化合物，而且产生具有絮凝活性的胞外分泌物，在有钙离子的参与下，能够有效地絮凝各种无机悬浮物和微生物细胞。该胞外分泌物已进一步被研制成微生物絮凝剂NOC-1。,Junji Nakamura等人在214种微生物中筛选到了19株对酵母具有絮凝活性的菌。它们分别来自霉菌、细菌、放线菌和酵母菌。这些菌产生的絮凝剂对酵母菌以及其它微生物具有不同程度的絮凝作用，可以从发酵液中回收微生物细胞。 1985年HTakagi等人研究了拟青霉属H生产的絮凝剂。采用乙醇沉淀和凝胶色谱法精制，得到了称为PF101的絮凝剂。PF101对枯草杆菌、大肠杆菌、啤酒酵母、红血细胞、活性污泥、纤维素粉、羧甲基纤维素、活性炭、硅藻土、氧化铝等均有良好的絮凝效果。,表7.4-1能产生絮凝活性物质的微生物,2. 微生物絮凝剂的组成及絮凝机理 到目前为止，已报道的微生物产生的絮凝物质为糖蛋白、粘多糖、蛋白质、纤维素、DNA等高分子化合物。一般来说，作为微生物絮凝剂的物质分子量多在105道尔顿以上，如假单胞菌C-120产生的絮凝物质是分子量大于2106道尔顿的天然双链DNA。,Takagi筛选到的拟青霉产生的PF-101是由氨基半乳糖以-1，4键相连而成的分子量3105道尔顿的黏多糖。经实验证明，该黏多糖8的单位是N端乙酰化的。酱油曲霉AJ7002产生的絮凝剂是由20.9的半乳糖胺、0.3的2-酮葡萄糖酸、27.5的蛋白质组成的分子量大于2105的聚合物，其中，半乳糖胺和葡萄糖胺均非乙酰化的。,而渴望产碱菌KT201产生的Al-201是一种酸性多糖，含有42.5的葡萄糖、36.38的半乳糖、8.52的葡糖醛酸和10.3的乙酸，分子量在2106道尔顿以上。Jim筛选分离出来的曲霉JS-42产生的絮凝剂溶液具有高黏性，糖醛酸、己糖胺和中性糖分别占其组分的30、20和10，其中己糖胺通过形成氨基底物桥在絮凝剂活性中起重要作用。Sakka等人分离得到的假单胞菌产生的絮凝剂对DNA酶敏感，而对于蛋白酶和RNA酶则不敏感，进一步实验证明该絮凝剂为DNA，分子量越大，絮凝活性越强。,3. 微生物絮凝剂絮凝作用的影响因素 微生物絮凝剂的分子大小、结构、形状及所带基团都会影响到絮凝剂的活性。微生物絮凝剂要发挥絮凝作用，必须具备一定的分子量，絮凝剂分子量越大，分子越长，吸附位点越多，则吸附架桥作用越强，即絮凝活性越强。假单胞菌C-120产生的絮凝剂经分析，组成为DNA，只有当DNA分子量大于6.4106道尔顿，才具有絮凝活性，且分子量越大，絮凝活性越高。分子结构对絮凝活性也有影响，分子呈分支状，絮凝活性较链状分子低，侧链越多，活性越低。,pH值影响生物絮凝剂及悬浮颗粒的结构和表面电荷的性质和数量，从而影响到絮凝剂和被絮凝物的相互作用。Nakamura用7种微生物产生的絮凝剂进行的实验表明：在中性偏酸范围内，这些絮凝剂对微生物细胞絮凝效果较好；而在碱性范围内对高岭土絮凝效果好。这些结果也证实了作为聚电解质性质的絮凝剂是通过形成化学键而使微生物细胞或高岭土成为网状絮凝物的。,有些微生物絮凝剂的絮凝能力随着温度的变化而发生显著的变化，这类絮凝剂中往往含有蛋白质或多肽等对温度敏感的物质，在高温下变性引起空间结构改变，从而造成活性位点结构变化，使某些活性基团不再与悬浮颗粒结合。红城红球菌S-1产生的絮凝剂是蛋白质，高温下可变性，在100处理15min，可使其活性下降50。有的絮凝剂对温度不敏感，如拟青霉I-1产生的絮凝剂活性不随温度改变而变化，这是由于该絮凝剂主要是由半乳糖胺构成的聚合物，经高温处理，聚半乳糖胺的结构没有改变，仍能于被絮凝物相结合，因此它的活性不随温度而变化。,二价或三价金属离子的参与对于某些絮凝剂表现絮凝活性是必需的，这些金属离子不仅降低悬浮物的运动电势，减少生物絮凝剂和悬浮物间的排斥力，降低反应的自由能，同时通过化学作用介导微生物絮凝剂分子的各官能团与悬浮物的吸附结合，促进絮凝作用的发生，不同二价离子促进絮凝剂的效果有差异，多以Ca2+、Mg2+的促进效果最佳，三价离子中以Al3+和Fe3+和效果最佳，不同的絮凝剂适宜的离子不同。,（二）微生物絮凝剂的生产过程及其在水处理中的应用 1. 微生物絮凝剂的生产过程 （1） 微生物的培养过程 絮凝剂的产生受到很多因素的影响，如培养基的组成、初始pH值、培养温度、通气状况和混合培养等。一般说来，营养丰富的培养基有利于絮凝剂的产生，但各絮凝剂产生菌之间的营养要求差别很大。红城红球菌S-1以葡萄糖、果糖为碳源，以尿素和硫酸铵为氮源，酵母膏和蛋白氨基酸对细胞生长和絮凝剂产生更为有利。,拟青霉菌SP-I-1能够利用各种碳水化合物有效地生成絮凝剂，如葡萄糖、果糖、甘露糖、蔗糖、淀粉等，而以淀粉为碳源，以酪蛋白的水解物为氮源最有利于絮凝剂的产生。酱油曲霉在以酪蛋白和酵母浸膏作为碳源或氮源的培养基中，大量产生絮凝剂，在培养基中加入有机酸，如2-酮葡糖酸、5-酮葡糖酸、葡萄糖酸、琥珀酸等能够提高絮凝剂的产量，其中2-酮葡糖酸的效果最好。,寄生曲霉AHU-7165只有当培养基中含有一定的酒石酸盐时，才产生絮凝剂。Shih等人筛选到的絮凝剂产生菌地衣芽孢杆菌CCRCl2826不能利用半乳糖、葡萄糖、果糖生产絮凝剂和生长繁殖，相反，谷氨酸、柠檬酸和丙三醇作为碳源则适宜于菌体生长和絮凝剂产生。细胞生长的营养条件往往不同于絮凝剂产生的条件。Kurane发现水不溶性碳源橄榄油显著促进细胞生长，但却减少絮凝剂活性。拟青霉菌SP-I-1培养基中加入酵母膏或肉膏只刺激菌体生长，絮凝剂产量没有变化。,培养基的初始pH对絮凝剂的产生也有影响，过酸过碱均不利于絮凝剂的产生。最适pH一般为中性到偏碱性，红城红球菌的最