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什么是沼气发酵

　　微生物是沼气发酵的核心，只有了解参加沼气发酵的多种微生物活动规律、生存条件及作用，并按照微生物的生存条件、活动规律去修建沼气池，收集发酵原料，进行日常管理，使参加发酵的各种微生物得到最佳的生长条件，才能获得较多的产气量和沼肥，满足生产、生活的需要。

沼气发酵是什么原理

沼气发酵的原理

沼气发酵需要哪些条件

　　（1）充足的发酵原料

　　沼气发酵原料是产生沼气的物质基础，又是沼气发酵细菌赖以生存的养料来源。

　　因为沼气细菌在沼气池内正常生长繁殖过程中，必须从发酵原料里吸取充分的营养物质，如水分、碳素、氮素、无机盐类和生长素等，用于生命活动，成倍繁殖细菌而产生沼气。

　　（2）质优量多的沼气菌种

　　制取沼气必须有沼气细菌才行，这和发面需要有酵母一样，如果没有沼气细菌作用，沼气池内的有机物本身是不会转变成沼气的。所以沼气发酵启动时要有足够数量含优良沼气菌种的接种物，这是制取沼气的重要条件。

　　在农村含有优良沼气菌种的接种物，普遍存在于粪坑底污泥、下水道污泥、沼气发酵的渣水、沼泽污泥、豆制品作坊下水沟中的污泥，这些含有大量沼气发酵细菌的污泥称为接种物。

　　沼气发酵加入接种物的操作过程称为接种，新建沼气池第一次装料，如果不加入足够数量含有沼气细菌的接种物，常常很难产气或产气率不高，甲烷含量低无法燃烧。另外，加入足量的接种物可以避免沼气池发酵初期产酸过多而导致发酵受阻。

　　（3）严格的厌氧环境

　　沼气发酵中起主要作用的是厌氧分解菌和产甲烷菌。

　　它们怕氧气，在空气中暴露几秒钟就会死亡，就是说空气中的氧气对它们有毒害致死的作用。因此，严格的厌氧环境是沼气发酵的最主要条件之一。我们根据沼气细菌怕空气的特性，修建的沼气池除进出料口外必须严格密封，达到不漏水、不漏气，保证沼气细菌正常生命代谢活动和贮存沼气。

　　（4）适宜的发酵温度

　　沼气池内发酵液的温度，对产生沼气的多少有很大影响，这是因为在适宜的温度范围内温度越高，沼气细菌的生长、繁殖越快，产沼气就多；如果温度不适宜，沼气细菌生长发育慢，产气就少或不产气。

　　一般沼气细菌在10～60℃的范围内，均能正常发酵产气。低于10℃或高于60℃都会抑制微生物生存、繁殖，影响产气。

　　沼气发酵可分为三种类型，即常温发酵区（10～26℃）、中温发酵区（28～38℃）、高温发酵区（46～60℃）。农村户用沼气池，一般都采用常温发酵，夏天温度高产气多，冬季池温低产气少。

　　（5）适度的发酵料液浓度

　　沼气池中的料液在发酵过程中需要保持一定的浓度，才能正常产气运行。如果发酵料液中含水量过少、发酵原料过多，发酵液的浓度过大，产甲烷菌又食用不了那么多，就容易造成有机酸的大量积累，结果使发酵受到抑制。

　　如果水过多，发酵液的浓度过稀，有机物含量少，产气量就少。

　　农村沼气池的发酵料液浓度一般采用6%～12%。在这个范围内，沼气的初始启动浓度要低一些，便于沼气池启动。发酵料液浓度随季节的变化而要求不同，一般在夏季，发酵料液浓度可以低些，要求浓度在6%左右；冬季浓度应高一些，为8%左右。

　　（6）适宜的酸碱度

　　沼气发酵细菌最适宜的pH为6.5～7.5，pH在6.4以下或7.6以上都对产气有抑制作用。如果pH在5.5以下，就是料液酸化的标志，其产甲烷菌的活动完全受到抑制。如沼气池初始启动时，投料浓度过高，接种物中的产甲烷菌数量又不足，或者在沼气池内一次加入大量的鸡粪、薯渣造成发酵料液浓度过高，都会因产酸与产甲烷的速度失调而引起挥发酸（乙酸、丙酸、丁酸）的积累，导致pH下降，这是造成沼气池启动失败或运行失常的主要原因。

　　在沼气发酵过程中，pH变化规律一般是：在发酵初期，由于产酸细菌的迅速活动产生大量的有机酸，使pH下降；但随着发酵继续进行，一方面氨化细菌产生的氨中和了一部分有机酸，另一方面甲烷菌群利用有机酸转化成甲烷，这样使pH又恢复到正常值。

　　这样的循环继续下去使沼气池内的pH一直保持在7.0～7.5，使发酵正常运行。所以沼气池内的料液发酵时，只要保持一定浓度的接种物和适宜的温度，就会正常发酵，不需要进行调整。

沼气是怎样发酵的

　　第一战役水解液化，这是发酵的第一阶段。参加这一战役时前面谈到的四大“菌种”全部出动，其任务是将复杂的有机物分解成为较小分子的化合物。

　　它们各自使用自己的独特“攻击武器”——“胞外酶”，专攻击自己的猎物，使之能转化为可溶于水的物质。

　　比如，纤维分解菌，它能专门分泌一种纤维素酶，用它就可使纤维素“土崩瓦解”而溶于水，变为双糖或单糖。蛋白质分解菌则可将蛋白质分解为氨基酸。脂肪分解菌则可将脂肪分解为甘油和脂肪酸。

　　对于用纤维素作主要发酵原料的沼气发酵，纤维分解菌就是这个战役中的主力军，它们的战斗力强弱，直接关系着沼气产量的多少。

　　第二战役产酸，这是发酵的第二阶段。参加这一战役的包括细菌、真菌和原生动物，其“主力军”是产醋酸菌“兵团”，它们的任务就是使第一战役的“战俘”进一步转化为小分子化合物，同时还要产生二氧化碳和氢气。“生力军”是产氢细菌“兵团”，它们的任务就是使那些不能为产甲烷细菌所利用的中间产物进一步转化为乙酸、氢、二氧化碳等物质，以作为产甲烷菌用以生成甲烷的“军需品”，为产甲烷菌提供原料，准备下一阶段的最后战役。

　　第一战役和第二战役是连续进行的，也统称为“不产甲烷阶段”，实际上这是一个甲烷原料的加工阶段。

　　第三战役产甲烷，这是发酵的第三阶段。这一战役的“主力军”就是产甲烷菌“兵团”了。

　　产甲烷菌是一类极其古老而又极其特殊的细菌，它们是沼气发酵过程中微生物食物链中最后一个战斗员，按它们的形态分为球菌、杆菌、八叠球菌和螺旋菌。它们分别把“不产甲烷阶段”的战利品——氢、二氧化碳、乙酸（醋酸）、甲酸盐、乙醇等，都统一生成甲烷和二氧化碳。它们的攻击目标——底物，虽不相同，但最终成果却都能改造成甲烷。

　　整个沼气发酵的“战争”就这样胜利结束了。在这里，立了最后奇功的是产甲烷菌。因此人们把它誉为“核心中的核心”。

沼气发酵包括哪几个阶段

　　沼气发酵主要分为液化、产酸和产甲烷三个阶段进行。

　　沼气发酵过程如图1-6所示。

　　图1-6 沼气发酵过程

　　（1）液化（水解）阶段

　　农作物秸秆、人畜粪便、垃圾以及其他各种有机废弃物，通常是以大分子状态存在的碳水化合物，如淀粉、纤维素及蛋白质等。他们不能被微生物直接吸收利用，必须通过微生物分泌的胞外酶（如纤维素酶、肽酶和脂肪酶等）进行酶解，分解成可溶于水的小分子化合物（即多糖水解成单糖或双糖，蛋白质分解成肽和氨基酸，脂肪分解成甘油和脂肪酸）。这些小分子化合物进入到微生物细胞内，进行一系列的生物化学反应，这个阶段叫液化阶段。

　　（2）产酸阶段

　　液化完毕后，在不产甲烷微生物群的作用下，将单糖类、肽、氨基酸、甘油、脂肪酸等物质转化成简单的有机酸（如甲酸、乙酸、丙酸和乳酸等）、醇（如甲醇、乙醇等）以及CO2、氢气、氨气和硫化氢等，由于其主要的产物是挥发性的有机酸（其中以乙酸为主，约占80%），故此阶段称为产酸阶段。

　　（3）产甲烷阶段

　　产酸阶段完成后，这些有机酸、醇、CO2和氨气等物质又被产甲烷微生物群（又称产甲烷细菌）分解成甲烷和CO2，或通过氢还原CO2形成甲烷，这个过程称为产甲烷阶段。这种以甲烷和CO2为主的混合气体便称为沼气。

　　这一阶段叫产甲烷阶段，或叫产气阶段。

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