沼氣發酵

沼氣發酵是一個複雜的生物化學過程，具有以下特點 ^[1]  ：

（1）參與發酵反應的微生物種類繁多，沒有應用單一菌種生產沼氣的先例，在生產和試驗過程中需要用接種物來發酵。

（2）用於發酵的原料複雜，來源廣泛，各種單一的有機質或混合物均可作為發酵原料，最終產物都是沼氣。此外，通過沼氣發酵能夠處理COD質量濃度超過50000mg/L的有機廢水和固體含量較高的有機廢棄物。

（3）沼氣微生物自身能耗低，在相同的條件下，厭氧消化所需能量僅佔好氧分解的1/30~1/20。

（4）沼氣發酵裝置種類多，從構造到材質均有不同，但各種裝置只要設計合理均可生產沼氣。

（5）產甲烷菌要求在氧化還原電位-330mV以下的環境生活，沼氣發酵要求在嚴格的厭氧環境中進行。

沼氣發酵是指各種固態的有機廢物經過沼氣微生物發酵產生沼氣的過程。一般可大致分為三個階段 ^[1]  ：

由於各種固體有機物通常不能進入微生物體內被微生物利用，因此必須在好氧和厭氧微生物分泌的胞外酶、表面酶（纖維素酶、蛋白酶、脂肪酶）的作用下，將固體有機質水解成相對分子質量較小的可溶性單糖、氨基酸、甘油、脂肪酸。這些相對分子質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。 ^[1] 

各種可溶性物質（單糖、氨基酸、脂肪酸），在纖維素細菌、蛋白質細菌、脂肪細菌、果膠細菌胞內酶作用下繼續分解轉化成低分子物質，如丁酸、丙酸、乙酸以及醇、酮、醛等簡單有機物質；同時也有部分氫、二氧化碳和氨等無機物的釋放。但在這個階段中，主要的產物是乙酸，約佔70%以上，所以稱為產酸階段。參加這一階段的細菌稱為產酸菌。 ^[1] 

由產甲烷菌將第二階段分解出的乙酸等簡單有機物分解成甲烷和二氧化碳，其中二氧化碳在氫氣的作用下還原成甲烷。這一階段稱為產氣階段，或稱為產甲烷階段。 ^[1] 

一般認為，從各種複雜有機物的分解開始到最後生成沼氣，共有五大生理類羣的細菌參與，它們是發酵性細菌、產氫產乙酸菌、耗氫產乙酸菌、食氫產甲烷菌和食乙酸產甲烷菌。五羣菌構成一條食物鏈，根據其代謝產物的不同，前三羣細菌共同完成水解酸化過程，後兩羣細菌完成產甲烷過程。 ^[1] 

可用於沼氣發酵的有機物種類繁多，如禽畜糞便、作物秸稈、食物及酒精加工廢物等，其主要化學成分包括多糖類（如纖維素、半纖維素、澱粉、果膠質等）、脂類和蛋白質。這些複雜有機物大多不溶於水，必須首先被髮酵性細菌所分泌的胞外酶分解為可溶性的糖、氨基酸和脂肪酸後，才能被微生物吸收利用。發酵性細菌將上述可溶性物質吸收進入細胞後，經發酵作用將其轉化為乙酸、丙酸、丁酸和醇類，同時產生一定量的氫氣及二氧化碳。沼氣發酵時發酵液中乙酸、丙酸、丁酸的總量稱為總揮發酸（TVA）。在發酵正常的情況下，總髮揮酸中以乙酸為主。蛋白類物質分解時，除生成產物外，還會有氨額硫化氫產生。參與水解發酵過程的發酵性細菌種類繁多，已知的就有幾百種，包括梭狀芽孢桿菌、擬桿菌、丁酸菌、乳酸菌、雙歧桿菌和螺旋菌等。這些細菌多數為厭氧菌，也有兼性厭氧菌。 ^[1] 

在沼氣發酵過程中，甲烷的形成是由一羣高度專業化的細菌—產甲烷菌引起的。產甲烷菌包括食氫產甲烷菌和食乙酸產甲烷菌，它們是厭氧消化過程食物鏈中的最後一組成員，儘管它們具有各種各樣的形態，但它們在食物鏈中的地位使它們具有共同的生理特性。它們在厭氧條件下將前三羣細菌代謝的終產物，在沒有外源受氫體的情況下，把乙酸轉化為氣體產物甲烷和二氧化碳，使有機物在厭氧條件下的分解作用得以順利完成。 ^[1]