沼氣發酵過程

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(wei) 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(wei) 沼氣，10%被沼氣微生物用於(yu) 自身的消耗。發酵原料生成沼氣是通過一係列複雜的生物化學反應實現的。

有機物質轉化為(wei) 沼氣需要三個(ge) 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(wei) 沼氣可劃分為(wei) 液化、產(chan) 酸和產(chan) 甲烷三個(ge) 階段。

    一是液化階段。液化階段也稱為(wei) 水解階段，這一階段是在微生物的作用下把不溶於(yu) 水的固態形狀有機物質轉變成可溶於(yu) 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、澱粉酶、蛋白質酶和脂肪酶等，通過對有機物質進行體(ti) 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(nei) 被進一步分解利用。

    二是產(chan) 酸階段。液化階段產(chan) 生的各種可溶性物質（單糖、氨基酸、脂肪酸）進入細胞內(nei) 後，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(nei) 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(ge) 階段主要是生成各種揮發性的脂肪酸，主要的產(chan) 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(chan) 物。所以稱該階段為(wei) 產(chan) 酸階段。

    液化階段和產(chan) 酸階段是一個(ge) 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(chan) 生二氧化碳和氫。這兩(liang) 個(ge) 階段隻產(chan) 生合成甲烷的基質，如乙酸、丁酸、醇、二氧化碳、氫等，不產(chan) 生甲烷，因此也稱為(wei) 不產(chan) 甲烷階段。不產(chan) 甲烷階段可以看成是一個(ge) 原料加工階段，即將複雜的有機物質轉變成可供產(chan) 甲烷細菌利用的物質，滿足產(chan) 甲烷菌進行生命活動的需要。在不產(chan) 甲烷階段起作用的微生物種類很多、數量很大，並因發酵原料不同而存在著很大差異。其中專(zhuan) 性厭氧細菌數量大，比兼性厭氧細菌和好氧細菌多100～200倍，是這個(ge) 階段起主要作用的菌類。產(chan) 氫細菌是不產(chan) 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(cong) 沼氣池汙泥中富集和分離出不同種和屬的產(chan) 氫細菌。

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

沼氣發酵三個(ge) 階段的相互作用

    在沼氣發酵過程中，三個(ge) 階段是相互依賴和連續進行的，同時也是相互銜接和相互製約的。其具體(ti) 表現為(wei) ：發酵初期大量產(chan) 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(chan) 氣量和氣體(ti) 中甲烷含量上升並達到高峰。這一連鎖反應完成之後的一段時間內(nei) ，PH值、氧化還原電位、產(chan) 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(ge) 生化因子都有明顯變化，它們(men) 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(ge) 發酵處於(yu) 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(hui) 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(hui) 造成酸堿度、產(chan) 氣量和產(chan) 氣成分發生變化，打破平衡，影響產(chan) 氣。不過沼氣微生物對環境也有一定的適應能力，隻要環境因素的變化不超過一定的範圍，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(wei) 調節，隻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複時，才需采取必要的人為(wei) 調節措施。

固體(ti) 物質與(yu) 沼氣發酵之間的關(guan) 係

    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(wei) 微生物提供能量，致使固體(ti) 有機物質液化進展很慢，往往成為(wei) 沼氣發酵的限速步驟。固體(ti) 物質液化的快慢直接影響沼氣生成的速度。固體(ti) 物質的液化程度對產(chan) 氣量也有直接影響。多數發酵原料，尤其是各種農(nong) 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(chan) 上應采用農(nong) 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(chan) 量。農(nong) 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、豆製品廢液等，內(nei) 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(ge) 小時或幾個(ge) 小時，因此，也就沒必要進行預處理。