沼氣是怎樣發(fā)酵的？

    沼氣發(fā)酵過程，其實就是微生物的物質(zhì)代謝和能量轉(zhuǎn)換過程。在分解代謝過程中沼氣微生物獲得能量和物質(zhì)，以滿足自身生長繁殖，同時大部分物質(zhì)轉(zhuǎn)化為甲烷和二氧化碳。經(jīng)科學(xué)檢測分析表明：有機(jī)物質(zhì)約有90%被轉(zhuǎn)化為沼氣，10%被沼氣微生物用于自身的消耗。發(fā)酵原料生成沼氣是通過一系列復(fù)雜的生物化學(xué)反應(yīng)實現(xiàn)的。

有機(jī)物質(zhì)轉(zhuǎn)化為沼氣需要三個階段

    幾乎所有的有機(jī)物質(zhì)都可以厭氧降解生成沼氣。固態(tài)形狀有機(jī)物質(zhì)變?yōu)檎託饪蓜澐譃橐夯?、產(chǎn)酸和產(chǎn)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(tài)形狀有機(jī)物質(zhì)轉(zhuǎn)變成可溶于水的物質(zhì)。許多微生物能分泌各種胞外酶，在胞外酶的作用下，固態(tài)形狀有機(jī)物質(zhì)被水解成分子量較小的可溶性物質(zhì)。如纖維素酶、淀粉酶、蛋白質(zhì)酶和脂肪酶等，通過對有機(jī)物質(zhì)進(jìn)行體外酶解，將多糖水解成單糖或二糖，蛋白質(zhì)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(zhì)就可以進(jìn)入微生物細(xì)胞之內(nèi)被進(jìn)一步分解利用。

    二是產(chǎn)酸階段。液化階段產(chǎn)生的各種可溶性物質(zhì)（單糖、氨基酸、脂肪酸）進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)后，在纖維素細(xì)菌、蛋白質(zhì)細(xì)菌、脂肪細(xì)菌、果膠細(xì)菌等各種細(xì)菌胞內(nèi)酶作用下繼續(xù)分解代謝轉(zhuǎn)化成低分子物質(zhì)，如丁酸、丙酸、乙酸以及醇、酮、醛等簡單的有機(jī)物質(zhì)。這個階段主要是生成各種揮發(fā)性的脂肪酸，最主要的產(chǎn)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(chǎn)物。所以稱該階段為產(chǎn)酸階段。

    液化階段和產(chǎn)酸階段是一個連續(xù)和交叉的過程。它是在厭氧條件下，經(jīng)過多種微生物的協(xié)同作用，將原料中的碳水化合物、蛋白質(zhì)和脂肪等分解成簡單的小分子化合物，同時產(chǎn)生二氧化碳和氫。這兩個階段只產(chǎn)生合成甲烷的基質(zhì)，如乙酸、丁酸、醇、二氧化碳、氫等，不產(chǎn)生甲烷，因此也稱為不產(chǎn)甲烷階段。不產(chǎn)甲烷階段可以看成是一個原料加工階段，即將復(fù)雜的有機(jī)物質(zhì)轉(zhuǎn)變成可供產(chǎn)甲烷細(xì)菌利用的物質(zhì)，滿足產(chǎn)甲烷菌進(jìn)行生命活動的需要。在不產(chǎn)甲烷階段起作用的微生物種類很多、數(shù)量很大，并因發(fā)酵原料不同而存在著很大差異。其中專性厭氧細(xì)菌數(shù)量最大，比兼性厭氧細(xì)菌和好氧細(xì)菌多100～200倍，是這個階段起主要作用的菌類。產(chǎn)氫細(xì)菌是不產(chǎn)甲烷階段微生物中很重要的菌群，中國科學(xué)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(chǎn)氫細(xì)菌。

    三是產(chǎn)甲烷階段。本階段由產(chǎn)甲烷菌完成，在這個階段產(chǎn)甲烷菌將前一階段產(chǎn)生的低分子化合物如乙酸、甲酸、氫和二氧化碳還原轉(zhuǎn)變?yōu)榧淄椤?/p>

沼氣發(fā)酵三個階段的相互作用

    在沼氣發(fā)酵過程中，三個階段是相互依賴和連續(xù)進(jìn)行的，同時也是相互銜接和相互制約的。其具體表現(xiàn)為：發(fā)酵初期大量產(chǎn)生揮發(fā)酸，在揮發(fā)酸濃度迅速增高的同時，氨態(tài)氮濃度急劇上升。氨態(tài)氮濃度達(dá)到高峰時，揮發(fā)酸濃度下降、氧化還原電位降低，產(chǎn)氣量和氣體中甲烷含量上升并達(dá)到高峰。這一連鎖反應(yīng)完成之后的一段時間內(nèi)，PH值、氧化還原電位、產(chǎn)氣量和甲烷含量等都基本穩(wěn)定，而揮發(fā)酸濃度明顯下降。這一情況說明：沼氣發(fā)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(zhì)不斷分解，沼氣不斷形成，使整個發(fā)酵處于動態(tài)平衡狀態(tài)。但沼氣微生物對環(huán)境的變化也是很敏感的，某些環(huán)境因素的變化會使平衡受到影響甚至遭到破壞。如：一次進(jìn)料過多、溫度突然發(fā)生超過2℃的變化、料液中進(jìn)入某種有毒物質(zhì)等情況，就會造成酸堿度、產(chǎn)氣量和產(chǎn)氣成分發(fā)生變化，打破平衡，影響產(chǎn)氣。不過沼氣微生物對環(huán)境也有一定的適應(yīng)能力，只要環(huán)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(jīng)過一定時間的自我調(diào)節(jié)又可達(dá)到新的平衡。這種情況一般不需人為調(diào)節(jié)，只有環(huán)境因素變化超過了微生物的承受能力，動態(tài)平衡被破壞得不能自行恢復(fù)時，才需采取必要的人為調(diào)節(jié)措施。

固體物質(zhì)與沼氣發(fā)酵之間的關(guān)系

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

    當(dāng)然，有些發(fā)酵原料如酒糟廢液、合成脂肪酸廢水、豆制品廢液等，內(nèi)含可溶性有機(jī)物質(zhì)較多，在入池發(fā)酵前就已完成了液化階段，其發(fā)酵速度非?？?，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(jìn)行預(yù)處理。