沼氣是怎樣發酵的？

    沼氣發酵過程，其實就是微生物的物質代謝和能量轉換過程。在分解代謝過程中沼氣微生物獲得能量和物質，以滿足自身生長繁殖，同時大部分物質轉化為甲烷和二氧化碳。經科學檢測分析表明：有機物質約有90%被轉化為沼氣，10%被沼氣微生物用于自身的消耗。發酵原料生成沼氣是通過一系列復雜的生物化學反應實現的。

有機物質轉化為沼氣需要三個階段

    幾乎所有的有機物質都可以厭氧降解生成沼氣。固態形狀有機物質變為沼氣可劃分為液化、產酸和產甲烷三個階段。

    一是液化階段。液化階段也稱為水解階段，這一階段是在微生物的作用下把不溶于水的固態形狀有機物質轉變成可溶于水的物質。許多微生物能分泌各種胞外酶，在胞外酶的作用下，固態形狀有機物質被水解成分子量較小的可溶性物質。如纖維素酶、淀粉酶、蛋白質酶和脂肪酶等，通過對有機物質進行體外酶解，將多糖水解成單糖或二糖，蛋白質分解成多肽和氨基酸，脂肪分解成甘油和脂肪酸等。這些分子量較小的可溶性物質就可以進入微生物細胞之內被進一步分解利用。

    二是產酸階段。液化階段產生的各種可溶性物質（單糖、氨基酸、脂肪酸）進入細胞內后，在纖維素細菌、蛋白質細菌、脂肪細菌、果膠細菌等各種細菌胞內酶作用下繼續分解代謝轉化成低分子物質，如丁酸、丙酸、乙酸以及醇、酮、醛等簡單的有機物質。這個階段主要是生成各種揮發性的脂肪酸，最主要的產物是乙酸，約占70%以上，同時也有部分氫、二氧化碳、氨和少量的其他產物。所以稱該階段為產酸階段。

    液化階段和產酸階段是一個連續和交叉的過程。它是在厭氧條件下，經過多種微生物的協同作用，將原料中的碳水化合物、蛋白質和脂肪等分解成簡單的小分子化合物，同時產生二氧化碳和氫。這兩個階段只產生合成甲烷的基質，如乙酸、丁酸、醇、二氧化碳、氫等，不產生甲烷，因此也稱為不產甲烷階段。不產甲烷階段可以看成是一個原料加工階段，即將復雜的有機物質轉變成可供產甲烷細菌利用的物質，滿足產甲烷菌進行生命活動的需要。在不產甲烷階段起作用的微生物種類很多、數量很大，并因發酵原料不同而存在著很大差異。其中專性厭氧細菌數量最大，比兼性厭氧細菌和好氧細菌多100～200倍，是這個階段起主要作用的菌類。產氫細菌是不產甲烷階段微生物中很重要的菌群，中國科學院成都生物研究所已成功從沼氣池污泥中富集和分離出不同種和屬的產氫細菌。

    三是產甲烷階段。本階段由產甲烷菌完成，在這個階段產甲烷菌將前一階段產生的低分子化合物如乙酸、甲酸、氫和二氧化碳還原轉變為甲烷。

沼氣發酵三個階段的相互作用

    在沼氣發酵過程中，三個階段是相互依賴和連續進行的，同時也是相互銜接和相互制約的。其具體表現為：發酵初期大量產生揮發酸，在揮發酸濃度迅速增高的同時，氨態氮濃度急劇上升。氨態氮濃度達到高峰時，揮發酸濃度下降、氧化還原電位降低，產氣量和氣體中甲烷含量上升并達到高峰。這一連鎖反應完成之后的一段時間內，PH值、氧化還原電位、產氣量和甲烷含量等都基本穩定，而揮發酸濃度明顯下降。這一情況說明：沼氣發酵過程中，各個生化因子都有明顯變化，它們彼此既相互依賴又相互約束，基質不斷分解，沼氣不斷形成，使整個發酵處于動態平衡狀態。但沼氣微生物對環境的變化也是很敏感的，某些環境因素的變化會使平衡受到影響甚至遭到破壞。如：一次進料過多、溫度突然發生超過2℃的變化、料液中進入某種有毒物質等情況，就會造成酸堿度、產氣量和產氣成分發生變化，打破平衡，影響產氣。不過沼氣微生物對環境也有一定的適應能力，只要環境因素的變化不超過一定的范圍，即使平衡被打破也是暫時的，經過一定時間的自我調節又可達到新的平衡。這種情況一般不需人為調節，只有環境因素變化超過了微生物的承受能力，動態平衡被破壞得不能自行恢復時，才需采取必要的人為調節措施。

固體物質與沼氣發酵之間的關系

    在沼氣發酵過程中，液化階段是由水解反應完成的，這些水解反應多數需要一定的能量。但多數情況下，在沼氣發酵的液化階段不能為微生物提供能量，致使固體有機物質液化進展很慢，往往成為沼氣發酵的限速步驟。固體物質液化的快慢直接影響沼氣生成的速度。固體物質的液化程度對產氣量也有直接影響。多數發酵原料，尤其是各種農作物廢物原料中，固形物質含量高，可溶性成分少，有些表層還有蠟質，因此，在生產上應采用農作物廢物預處理的方法來加快液化階段的進行和提高液化的程度，這樣既能相對加快發酵速度，又能增加沼氣產量。農作物廢物預處理可通過粉碎和堆漚的辦法來完成。

    當然，有些發酵原料如酒糟廢液、合成脂肪酸廢水、豆制品廢液等，內含可溶性有機物質較多，在入池發酵前就已完成了液化階段，其發酵速度非常快，滯留期可縮短到幾十個小時或幾個小時，因此，也就沒必要進行預處理。