二、沼氣的發現與發酵
意大利物理學家A.沃爾塔于1776年在沼澤地第一個發現了沼氣。1916年俄國人Β.П.奧梅良斯基分離出了第一株甲烷菌（但不是純種）。目前世界上已分離出的甲烷菌種近20株。世界上第一個沼氣發生器（又稱自動凈化器）是由法國人L.穆拉于1860年將簡易沉淀池改進而成的。1925年在德國、1926年在美國分別建造了備有加熱設施及集氣裝置的消化池，這是現代大中型沼氣發生裝置的原型。第二次世界大戰后，沼氣發酵技術曾在西歐一些國家得到發展，但由于廉價的石油大量涌入市場而受到影響。后隨著世界性能源危機的出現，沼氣又重新引起人們重視。1955年新的沼氣發酵工藝流程——高速率厭氧消化工藝產生。它突破了傳統的工藝流程，使單位池容積產氣量（即產氣率）在中溫下由每天1立方米容積產生0.7～1.5m3沼氣，提高到4～8m3沼氣，滯留時間由15天或更長的時間縮短到幾天甚至幾個小時。
中國于1980年首次分離甲烷八疊球菌成功。20世紀20年代初期羅國瑞在廣東省潮梅地區建成了第一個沼氣池，隨之成立了中華國瑞瓦斯總行，以推廣沼氣技術。中國農村戶用沼氣池的數量達1300萬座。而高速率厭氧消化工藝生產性試驗裝置已在糖廠和酒廠正常運行。
（一）沼氣的發酵條件
沼氣發酵是指多種微生物分解有機物產生甲烷的過程。如果想使沼氣發酵正常進行，并獲得較高產氣量，那么就必須保證沼氣細菌進行正常生命活動（包括生長、發育、繁殖、代謝等）所需要的基本條件。制取沼氣必須還要有沼氣細菌才行，這就像發面需要酵母菌一樣。如果沒有沼氣細菌的作用，沼氣池內的有機物本身是不會轉變成沼氣的。
糞坑底污泥、下水道污泥、沼氣發酵的渣水、沼澤污泥和豆制品作坊下水溝污泥中普遍存在含有優良沼氣菌種的接種物，新建沼氣池可以到這些地方去收集菌種，這些含有大量沼氣發酵細菌的污泥稱為接種物。沼氣發酵加入接種物的操作過程稱為接種，新建沼氣池頭一次裝料，如果不加入足夠數量含有沼氣細菌的接種物，常常很難產氣或產氣率不高，甲烷含量低，無法燃燒。另外，加入適量的接種物，可以避免沼氣池發酵初期產酸過多而導致發酵受阻。一般投入的新鮮發酵原料本身帶有的菌種很少，如果不預先富集和加入沼氣菌種，將會遲遲不產氣或者產氣很少，即使產氣所產沼氣中甲烷含量也很少。接種物太少，不利于產氣，因此在新池啟動或老池大換料時，一定要添加一定量的接種物。
但是，接種物過多，又會占去沼氣池的有效容積，影響產氣量。經實踐，加入接種物的數量一般應占發酵料液總重量的10%～30%為宜，對于中溫和高溫沼氣發酵，我們還要注意沼氣菌的馴化培養等問題，以便適應相應的發酵溫度。
（二）沼氣發酵微生物
沼氣發酵微生物只是一個統稱，它包括發酵性細菌、耗氫產乙酸菌、產氫產乙酸菌、食氫產甲烷菌、食乙酸產甲烷菌五大類群。五大類群細菌構成一條食物鏈，從各群細菌的生理代謝產物或它們的活動對發酵液p H值的影響來看，沼氣發酵過程可分為水解、產酸和產甲烷階段。前三類群細菌的活動可使有機物形成各種有機酸，因此，我們將其統稱為不產甲烷菌。后兩類群細菌的活動可使各種有機酸轉化成甲烷，因此，將其統稱為產甲烷菌。
不產甲烷菌能將復雜的大分子有機物變成簡單的小分子量的物質。它們的種類繁多，根據作用基質來分，有纖維分解菌、半纖維分解菌、淀粉分解菌、蛋白質分解菌、脂肪分解菌和一些特殊的細菌，如產氫菌、產乙酸菌等。
產甲烷菌是沼氣發酵的主要成分，是甲烷的產生者，它是沼氣發酵微生物的核心，它們嚴格厭氧，對氧和氧化劑非常敏感，最適宜的p H值范圍為中性或微堿性，它們依靠二氧化碳和氫生長，并以廢物的形式排出甲烷，是生長物質要求最簡單的微生物。
（三）沼氣發酵的優點
1．沼氣發酵后殘渣中有機物含量減少；
2．在沼氣發酵過程中雜草種子和一些病原物被殺滅；
3．消化后殘渣是一種氣味很小的固體或流體，不吸引蒼蠅或鼠類；
4．發酵殘渣可作為飼料；
5．可產生有用的終產物——甲烷，它是清潔而方便的燃料；
6．沼氣發酵在處理有機物可大量地節省曝氣消化所消耗的能量；
7．厭氧活性污泥可保存數月而無需投加營養物，當再次投料時可很快啟動；
8．發酵過程中氮、磷、鉀等肥料成分幾乎得到全部保留，一部分有機氮被水解成氨態氮，速效性養分增加。
（四）液化
能夠用作沼氣發酵原料的有機物種類繁多，如禽畜糞便、作物秸稈、食品加工廢物和廢水，以及酒精廢料等，其主要化學成分為脂類、多糖和蛋白質。其中多糖類物質是發酵原料的主要成分，它包括淀粉、果膠質、纖維素、半纖維素等。這些復雜有機物大多數在水中不能溶解，必須首先被發酵細菌所分泌的胞外酶水解為可溶性糖、肽、氨基酸和脂肪酸后，才能被微生物所吸收利用。脂類物質在細菌脂肪酶的作用下，首先水解生成甘油和脂肪酸，甘油可進一步按糖代謝途徑被分解，脂肪酸則進一步被微生物分解為多個乙酸。發酵性細菌將上述可溶性物質吸收進入細胞后，經過發酵作用把它們轉化為乙酸、丙酸、丁酸等脂肪酸和醇類及一定量的氫、二氧化碳。在沼氣發酵測定過程中，發酵液中的乙酸、丙酸、丁酸總量稱為中揮發酸（TVA）。蛋白質類物質被發酵性細菌分解為氨基酸，又可被細菌合成細胞物質而加以利用，多余時也可以進一步被分解生成脂肪酸、氨和硫化氫等。蛋白質含量的多少，直接影響沼氣中氨及硫化氫的含量，而氨基酸分解時所生成的有機酸類，則可繼續轉化而生成甲烷、二氧化碳和水。
（五）產酸
產氫產乙酸菌：發酵性細菌將復雜有機物分解發酵所產生的有機酸和醇類，除甲酸、乙酸和甲醇外，均不能被產甲烷菌所利用，必須由產氫產乙酸菌將其分解轉化為乙酸、氫和二氧化碳。
耗氫產乙酸菌：耗氫產乙酸菌也稱同型乙酸菌，這是一類既能自養生活也能異養生活的混合營養型細菌。它們既能利用氫氣和二氧化碳生成乙酸，也能代謝產生乙酸。通過上述微生物的活動，各種復雜有機物可生成有機酸和氫氣、二氧化碳等。
（六）產甲烷階段
產甲烷菌含有兩大類群：食氫產甲烷菌和食乙酸產甲烷菌。在沼氣的發酵過程中，甲烷的形成是由一群生理上高度專業化的古細菌——產甲烷菌所引起的，產甲烷菌包括食乙酸產甲烷菌和食氫產甲烷菌，它們是厭氧消化過程食物鏈中的最后一組成員，盡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群細菌代謝終產物，在沒有外源受氫體的情況下把乙酸和H2/CO2。轉化為氣體產生-CH4/CO2，使有機物在厭氧條件下的分解作用以順利完成。目前已知的甲烷產生過程是由以上兩組不同的產甲烷菌所完成的。
由CO2和H2產生甲烷反應為：CO2+4H2—CH4+H2O
由乙酸或乙酸化合物產生甲烷反應為：
CH3COOH—CH4+CO2；CH3COONH4+H2O—CH4+NH4HCO3
產甲烷菌的生理特性：
1．產甲烷菌生長緩慢。
2．產甲烷菌適宜生存在p H值中性條件下。
3．產甲烷菌的生長要求嚴格的厭氧環境。
4．產甲烷菌廣泛存在于水底沉積物和動物消化道等極端厭氧的環境中。
5．產甲烷菌食物簡單產甲烷菌只能代謝少數幾種碳素底物生成甲烷。