一 沼气厌氧发酵机理

有机物厌氧消化是一个错综复杂的微生物生化过程。一般参与沼气发酵的微生物分为三类微生物：发酵性细菌、产乙酸菌和产甲烷菌。相应地，根据三类微生物的不同作用将沼气发酵的生化过程分为三个阶段。

二 沼气厌氧发酵影响因素

(1) 严格的厌氧环境。参与厌氧消化的核心菌群——产甲烷菌是专性厌氧菌，它们在生长、发育、繁殖、代谢等生命活动中都需要严格隔绝氧气。

(2) 原料的碳氮比。在其他条件都具备的情况下，适宜的碳氮比可以使厌氧消化在合适的速度下进行。

(3) 发酵温度。温度对甲烷菌活性有很大的影响,并最终影响甲烷产量。

(4) 酸碱度。产甲烷菌对pH值的要求非常严格，pH值的微小波动有可能导致微生物代谢活动的终止。

(5) 酶浓度。微生物分泌的酶是一类具有特殊催化能力的蛋白质，它具有引起和加速底物分解的能力，对有机物的分解转化过程起着至关重要的作用。酶浓度越高，反应进行得越快。

(6) 底物浓度。当其它条件恒定时，底物浓度很低时反应初速度与底物浓度成正比，当底物浓度达到一定限度，随浓度提高，反应速度不再增加，此时的底物浓度为该底物的饱和常数。

三 沼气工程运行调控

要使沼气发酵持续高效运行，除发酵装置结构和功能合理外，还需对厌氧消化过程进行调控，使各个影响因子达到最优，他们之间共同配合才可以促进沼气厌氧消化的高效进行，提高产气率。

1. 氧化还原电位Eh

体系中的氧化还原电位（Eh）比溶解氧浓度能更全面地反映发酵液所处的厌氧状态。在中温厌氧消化时,Eh应低于-380mV～300mV，高温厌氧消化时，Eh应为-600mV～500mV。因此，沼气工程的消化反应装置必须是严格密闭的。

2. 配料启动

在沼气发酵中，要获得较高的装置产气率和原料转化率，必须有质优量足的沼气微生物和碳氮比适宜的发酵原料。

沼气发酵的前提条件是要接入含有发酵微生物的接种物。当接种量少时，厌氧消化起始时间延长，产甲烷的速度变慢，而且有可能造成酸的积累，从而使沼气厌氧消化失败。

从营养学和代谢作用角度看，沼气发酵微生物消耗碳的速度比消耗氮的速度要快25～30倍。因此，在其它条件都具备的情况下，原料碳氮比例配成25～30：1可以使沼气发酵在合适的速度下进行。各种有机物质所含碳素和氮素的量有很大差异。农作物秸秆含碳多，含氮少，碳氮比值大。相反，粪尿等含氮多，含碳少，碳氮比值小，为氮有机物。配料启动或发酵过程中进料时，要根据原料种类调控。

工程实践中，沼气发酵启动时，接种物：原料：水以1：2：5的比例配料，其中，接种物一般需要添加10%以上。启动原料采用适宜碳氮比的纯净牛粪、马粪、羊粪，或者一半猪粪搭配一半牛马粪。启动原料进入发酵装置前，应在含水率60%～70%左右的条件下堆沤3～6天，并加盖塑料薄膜封闭，以聚集热量和富集菌种。

3. 负荷调控

沼气工程的负荷常用容积有机负荷表示,即单位体积沼气装置每天所承受的有机物的数量,通常以COD kg/(m3d)为单位。沼气工程的负荷通常用发酵原料浓度来体现，适宜的干物质浓度有利于沼气微生物吸收养分、排泄废物和生存繁殖。适宜的干物质（TS）浓度为4%～10%。干物质浓度随温度的变化而变化，一般夏季为6%左右，冬季为8%～10% 。冲洗污水量较大的养殖场沼气工程，宜对粪便及其污水采用清、浊分流处理，采用两套沼气生产系统：高浓度（TS 6～10%），中温厌氧消化；低浓度（1%～2%），常温厌氧消化。

4. 温度调控

研究发现，在10℃～60℃范围内，沼气均能正常发酵产气。在这一温度范围内，一般温度愈高，微生物活动愈旺盛，产气量愈高。发酵温度低于10℃，微生物休眠，产气很少，达不到使用的目的。厌氧消化过程中,通常在两个温度下甲烷菌活性较高，即中温37℃和高温55℃,在这两个温度下易于获得高甲烷产量。

沼气工程运行中，可以采用太阳能、工厂余热或沼液回流来调节发酵原料的厌氧消化温度。调节过程中要注意，温度不能调得太高，温度越高产杂质气体也越多,在一定程度上抑制了厌氧微生物的代谢生长,进而影响沼气和甲烷的生产,同时热能损耗越大,发酵产能经济性也降低。因此,温度调节时要兼顾消化效率和产能效益。

5. 酸碱度调控

厌氧消化的酸碱度在pH值6～8之间都可产气，其最适pH值为6.8～7.4。过酸过碱的料液都会影响产气，pH值6.4以下、7.6 以上都对产气有抑制作用。pH值在5.5以下,产甲烷菌的活动则完全受到抑制。

在沼气工程启动和运行过程中，影响pH值变化的因素主要有3点：①发酵原料中含有大量有机酸，如果在短时间内大量投入这类原料，就会引起发酵装置内pH值的下降。②进料中混入大量强酸或强碱。③发酵装置启动时投料浓度过高，接种物中的产甲烷菌数量又不足时，以及在发酵装置运行阶段突然升高负荷，使产酸与产甲烷的速度失调而引起挥发酸的积累。

沼气工程在正常的启动或运行过程中，一旦发生酸化现象应立即停止进料，分情况进行调节。①如果酸化程度不大，靠发酵装置内的甲烷菌逐渐分解积累的有机酸使pH值逐渐恢复正常；②如pH值在6.0以上，可适当投入石灰水、Na2CO3溶液或NH4HCO3溶液加以中和；③如果pH值在6.0以下，则应在调整pH值的同时，大量投入接种污泥，以加快pH值的恢复。

6. 强化搅拌

搅拌可以加大微生物与发酵料液的接触面积。除此之外，经常搅拌沼气发酵装置内的发酵原料，不仅可以使沼气微生物的生活环境不断更新，实现发酵罐中的物料、微生物以及温度的均匀化，还可以打破上层结壳，使中、下层所产生的附着在发酵原料上的沼气，由小气泡聚积成大气泡，并上升到气箱内。

工程实践中，常用的搅拌方法有三种:机械搅拌，在反应器上安装机械搅拌器；沼气回流搅拌，将沼气抽出来然后又从池底部冲进去，产生较强的气体回流达到搅拌目的；发酵液回流搅拌，将发酵液抽出然后从底部冲入沼气池内，产生较强的液体回流，从而实现搅拌。

7. 吐故纳新

在沼气工程运行中，建立与沼气发酵微生物数量及活性相适应的新陈代谢机制是维持沼气工程持续产气和应用的重要前提。沼气工程一旦启动，加入沼气发酵装置的发酵原料，经过沼气发酵微生物的分解利用，逐渐地被消耗或转化。如果不及时补充新鲜原料，沼气微生物就会“吃不饱”、“吃不好”，产气量就会下降。为了保证沼气微生物有充足的“食物”，并进行正常的新陈代谢，使产气正常而持久，就要连续不断地补充新鲜原料。