一 沼氣厭氧發(fā)酵機(jī)理
有機(jī)物厭氧消化是一個(gè)錯(cuò)綜復(fù)雜的微生物生化過(guò)程。一般參與沼氣發(fā)酵的微生物分為三類(lèi)微生物：發(fā)酵性細(xì)菌、產(chǎn)乙酸菌和產(chǎn)甲烷菌。相應(yīng)地，根據(jù)三類(lèi)微生物的不同作用將沼氣發(fā)酵的生化過(guò)程分為三個(gè)階段。
二 沼氣厭氧發(fā)酵影響因素
(1) 嚴(yán)格的厭氧環(huán)境。參與厭氧消化的核心菌群——產(chǎn)甲烷菌是專(zhuān)性厭氧菌，它們?cè)谏L(zhǎng)、發(fā)育、繁殖、代謝等生命活動(dòng)中都需要嚴(yán)格隔絕氧氣。
(2) 原料的碳氮比。在其他條件都具備的情況下，適宜的碳氮比可以使厭氧消化在合適的速度下進(jìn)行。
(3) 發(fā)酵溫度。溫度對(duì)甲烷菌活性有很大的影響,并最終影響甲烷產(chǎn)量。
(4) 酸堿度。產(chǎn)甲烷菌對(duì)pH值的要求非常嚴(yán)格，pH值的微小波動(dòng)有可能導(dǎo)致微生物代謝活動(dòng)的終止。
(5) 酶濃度。微生物分泌的酶是一類(lèi)具有特殊催化能力的蛋白質(zhì)，它具有引起和加速底物分解的能力，對(duì)有機(jī)物的分解轉(zhuǎn)化過(guò)程起著至關(guān)重要的作用。酶濃度越高，反應(yīng)進(jìn)行得越快。
(6) 底物濃度。當(dāng)其它條件恒定時(shí)，底物濃度很低時(shí)反應(yīng)初速度與底物濃度成正比，當(dāng)?shù)孜餄舛冗_(dá)到一定限度，隨濃度提高，反應(yīng)速度不再增加，此時(shí)的底物濃度為該底物的飽和常數(shù)。
三 沼氣工程運(yùn)行調(diào)控
要使沼氣發(fā)酵持續(xù)高效運(yùn)行，除發(fā)酵裝置結(jié)構(gòu)和功能合理外，還需對(duì)厭氧消化過(guò)程進(jìn)行調(diào)控，使各個(gè)影響因子達(dá)到最優(yōu)，他們之間共同配合才可以促進(jìn)沼氣厭氧消化的高效進(jìn)行，提高產(chǎn)氣率。
1. 氧化還原電位Eh
體系中的氧化還原電位（Eh）比溶解氧濃度能更全面地反映發(fā)酵液所處的厭氧狀態(tài)。在中溫厭氧消化時(shí),Eh應(yīng)低于-380mV～300mV，高溫厭氧消化時(shí)，Eh應(yīng)為-600mV～500mV。因此，沼氣工程的消化反應(yīng)裝置必須是嚴(yán)格密閉的。
2. 配料啟動(dòng)
在沼氣發(fā)酵中，要獲得較高的裝置產(chǎn)氣率和原料轉(zhuǎn)化率，必須有質(zhì)優(yōu)量足的沼氣微生物和碳氮比適宜的發(fā)酵原料。
沼氣發(fā)酵的前提條件是要接入含有發(fā)酵微生物的接種物。當(dāng)接種量少時(shí)，厭氧消化起始時(shí)間延長(zhǎng)，產(chǎn)甲烷的速度變慢，而且有可能造成酸的積累，從而使沼氣厭氧消化失敗。
從營(yíng)養(yǎng)學(xué)和代謝作用角度看，沼氣發(fā)酵微生物消耗碳的速度比消耗氮的速度要快25～30倍。因此，在其它條件都具備的情況下，原料碳氮比例配成25～30：1可以使沼氣發(fā)酵在合適的速度下進(jìn)行。各種有機(jī)物質(zhì)所含碳素和氮素的量有很大差異。農(nóng)作物秸稈含碳多，含氮少，碳氮比值大。相反，糞尿等含氮多，含碳少，碳氮比值小，為氮有機(jī)物。配料啟動(dòng)或發(fā)酵過(guò)程中進(jìn)料時(shí)，要根據(jù)原料種類(lèi)調(diào)控。
工程實(shí)踐中，沼氣發(fā)酵啟動(dòng)時(shí)，接種物：原料：水以1：2：5的比例配料，其中，接種物一般需要添加10%以上。啟動(dòng)原料采用適宜碳氮比的純凈牛糞、馬糞、羊糞，或者一半豬糞搭配一半牛馬糞。啟動(dòng)原料進(jìn)入發(fā)酵裝置前，應(yīng)在含水率60%～70%左右的條件下堆漚3～6天，并加蓋塑料薄膜封閉，以聚集熱量和富集菌種。
3. 負(fù)荷調(diào)控
沼氣工程的負(fù)荷常用容積有機(jī)負(fù)荷表示,即單位體積沼氣裝置每天所承受的有機(jī)物的數(shù)量,通常以COD kg/(m3d)為單位。沼氣工程的負(fù)荷通常用發(fā)酵原料濃度來(lái)體現(xiàn)，適宜的干物質(zhì)濃度有利于沼氣微生物吸收養(yǎng)分、排泄廢物和生存繁殖。適宜的干物質(zhì)（TS）濃度為4%～10%。干物質(zhì)濃度隨溫度的變化而變化，一般夏季為6%左右，冬季為8%～10% 。沖洗污水量較大的養(yǎng)殖場(chǎng)沼氣工程，宜對(duì)糞便及其污水采用清、濁分流處理，采用兩套沼氣生產(chǎn)系統(tǒng)：高濃度（TS 6～10%），中溫厭氧消化；低濃度（1%～2%），常溫厭氧消化。
4. 溫度調(diào)控
研究發(fā)現(xiàn)，在10℃～60℃范圍內(nèi)，沼氣均能正常發(fā)酵產(chǎn)氣。在這一溫度范圍內(nèi)，一般溫度愈高，微生物活動(dòng)愈旺盛，產(chǎn)氣量愈高。發(fā)酵溫度低于10℃，微生物休眠，產(chǎn)氣很少，達(dá)不到使用的目的。厭氧消化過(guò)程中,通常在兩個(gè)溫度下甲烷菌活性較高，即中溫37℃和高溫55℃,在這兩個(gè)溫度下易于獲得高甲烷產(chǎn)量。
沼氣工程運(yùn)行中，可以采用太陽(yáng)能、工廠余熱或沼液回流來(lái)調(diào)節(jié)發(fā)酵原料的厭氧消化溫度。調(diào)節(jié)過(guò)程中要注意，溫度不能調(diào)得太高，溫度越高產(chǎn)雜質(zhì)氣體也越多,在一定程度上抑制了厭氧微生物的代謝生長(zhǎng),進(jìn)而影響沼氣和甲烷的生產(chǎn),同時(shí)熱能損耗越大,發(fā)酵產(chǎn)能經(jīng)濟(jì)性也降低。因此,溫度調(diào)節(jié)時(shí)要兼顧消化效率和產(chǎn)能效益。
5. 酸堿度調(diào)控
厭氧消化的酸堿度在pH值6～8之間都可產(chǎn)氣，其最適pH值為6.8～7.4。過(guò)酸過(guò)堿的料液都會(huì)影響產(chǎn)氣，pH值6.4以下、7.6 以上都對(duì)產(chǎn)氣有抑制作用。pH值在5.5以下,產(chǎn)甲烷菌的活動(dòng)則完全受到抑制。
在沼氣工程啟動(dòng)和運(yùn)行過(guò)程中，影響pH值變化的因素主要有3點(diǎn)：①發(fā)酵原料中含有大量有機(jī)酸，如果在短時(shí)間內(nèi)大量投入這類(lèi)原料，就會(huì)引起發(fā)酵裝置內(nèi)pH值的下降。②進(jìn)料中混入大量強(qiáng)酸或強(qiáng)堿。③發(fā)酵裝置啟動(dòng)時(shí)投料濃度過(guò)高，接種物中的產(chǎn)甲烷菌數(shù)量又不足時(shí)，以及在發(fā)酵裝置運(yùn)行階段突然升高負(fù)荷，使產(chǎn)酸與產(chǎn)甲烷的速度失調(diào)而引起揮發(fā)酸的積累。
沼氣工程在正常的啟動(dòng)或運(yùn)行過(guò)程中，一旦發(fā)生酸化現(xiàn)象應(yīng)立即停止進(jìn)料，分情況進(jìn)行調(diào)節(jié)。①如果酸化程度不大，靠發(fā)酵裝置內(nèi)的甲烷菌逐漸分解積累的有機(jī)酸使pH值逐漸恢復(fù)正常；②如pH值在6.0以上，可適當(dāng)投入石灰水、Na2CO3溶液或NH4HCO3溶液加以中和；③如果pH值在6.0以下，則應(yīng)在調(diào)整pH值的同時(shí)，大量投入接種污泥，以加快pH值的恢復(fù)。
6. 強(qiáng)化攪拌
攪拌可以加大微生物與發(fā)酵料液的接觸面積。除此之外，經(jīng)常攪拌沼氣發(fā)酵裝置內(nèi)的發(fā)酵原料，不僅可以使沼氣微生物的生活環(huán)境不斷更新，實(shí)現(xiàn)發(fā)酵罐中的物料、微生物以及溫度的均勻化，還可以打破上層結(jié)殼，使中、下層所產(chǎn)生的附著在發(fā)酵原料上的沼氣，由小氣泡聚積成大氣泡，并上升到氣箱內(nèi)。
工程實(shí)踐中，常用的攪拌方法有三種:機(jī)械攪拌，在反應(yīng)器上安裝機(jī)械攪拌器；沼氣回流攪拌，將沼氣抽出來(lái)然后又從池底部沖進(jìn)去，產(chǎn)生較強(qiáng)的氣體回流達(dá)到攪拌目的；發(fā)酵液回流攪拌，將發(fā)酵液抽出然后從底部沖入沼氣池內(nèi)，產(chǎn)生較強(qiáng)的液體回流，從而實(shí)現(xiàn)攪拌。
7. 吐故納新
在沼氣工程運(yùn)行中，建立與沼氣發(fā)酵微生物數(shù)量及活性相適應(yīng)的新陳代謝機(jī)制是維持沼氣工程持續(xù)產(chǎn)氣和應(yīng)用的重要前提。沼氣工程一旦啟動(dòng)，加入沼氣發(fā)酵裝置的發(fā)酵原料，經(jīng)過(guò)沼氣發(fā)酵微生物的分解利用，逐漸地被消耗或轉(zhuǎn)化。如果不及時(shí)補(bǔ)充新鮮原料，沼氣微生物就會(huì)“吃不飽”、“吃不好”，產(chǎn)氣量就會(huì)下降。為了保證沼氣微生物有充足的“食物”，并進(jìn)行正常的新陳代謝，使產(chǎn)氣正常而持久，就要連續(xù)不斷地補(bǔ)充新鮮原料。
