沼气发酵过程，其实就是微生物的物质代谢和能量转换过程。在分解代谢过程中沼气微生物获得能量和物质，以满足自身生长繁殖，同时大部分物质转化为甲烷和二氧化碳。经科学检测分析表明：有机物质约有90%被转化为沼气，10%被沼气微生物用于自身的消耗。发酵原料生成沼气是通过一系列复杂的生物化学反应实现的。 

    有机物质转化为沼气需要三个阶段

    几乎所有的有机物质都可以厌氧降解生成沼气。固态形状有机物质变为沼气可划分为液化、产酸和产甲烷三个阶段。

    一是液化阶段。液化阶段也称为水解阶段，这一阶段是在微生物的作用下把不溶于水的固态形状有机物质转变成可溶于水的物质。许多微生物能分泌各种胞外酶，在胞外酶的作用下，固态形状有机物质被水解成分子量较小的可溶性物质。如纤维素酶、淀粉酶、蛋白质酶和脂肪酶等，通过对有机物质进行体外酶解，将多糖水解成单糖或二糖，蛋白质分解成多肽和氨基酸，脂肪分解成甘油和脂肪酸等。这些分子量较小的可溶性物质就可以进入微生物细胞之内被进一步分解利用。

    二是产酸阶段。第一阶段产生的各种可溶性物质（单糖、氨基酸、脂肪酸）进入细胞内后，在纤维素细菌、蛋白质细菌、脂肪细菌、果胶细菌等各种细菌胞内酶作用下继续分解代谢转化成低分子物质，如丁酸、丙酸、乙酸以及醇、酮、醛等简单的有机物质。这个阶段主要是生成各种挥发性的脂肪酸，最主要的产物是乙酸，约占70%以上，同时也有部分氢、二氧化碳、氨和少量的其他产物。所以称该阶段为产酸阶段。

    液化阶段和产酸阶段是一个连续和交叉的过程。它是在厌氧条件下，经过多种微生物的协同作用，将原料中的碳水化合物、蛋白质和脂肪等分解成简单的小分子化合物，同时产生二氧化碳和氢。这两个阶段只产生合成甲烷的基质，如乙酸、丁酸、醇、二氧化碳、氢等，不产生甲烷，因此也称为不产甲烷阶段。不产甲烷阶段可以看成是一个原料加工阶段，即将复杂的有机物质转变成可供产甲烷细菌利用的物质，满足产甲烷菌进行生命活动的需要。在不产甲烷阶段起作用的微生物种类很多、数量很大，并因发酵原料不同而存在着很大差异。其中专性厌氧细菌数量最大，比兼性厌氧细菌和好氧细菌多100～200倍，是这个阶段起主要作用的菌类。产氢细菌是不产甲烷阶段微生物中很重要的菌群，中国科学院成都生物研究所已成功从沼气池污泥中富集和分离出不同种和属的产氢细菌。

    三是产甲烷阶段。本阶段由产甲烷菌完成，在这个阶段产甲烷菌将前一阶段产生的低分子化合物如乙酸、甲酸、氢和二氧化碳还原转变为甲烷。

    沼气发酵三个阶段的相互作用

    在沼气发酵过程中，三个阶段是相互依赖和连续进行的，同时也是相互衔接和相互制约的。其具体表现为：发酵初期大量产生挥发酸，在挥发酸浓度迅速增高的同时，氨态氮浓度急剧上升。氨态氮浓度达到高峰时，挥发酸浓度下降、氧化还原电位降低，产气量和气体中甲烷含量上升并达到高峰。这一连锁反应完成之后的一段时间内，PH值、氧化还原电位、产气量和甲烷含量等都基本稳定，而挥发酸浓度明显下降。这一情况说明：沼气发酵过程中，各个生化因子都有明显变化，它们彼此既相互依赖又相互约束，基质不断分解，沼气不断形成，使整个发酵处于动态平衡状态。但沼气微生物对环境的变化也是很敏感的，某些环境因素的变化会使平衡受到影响甚至遭到破坏。如：一次进料过多、温度突然发生超过2℃的变化、料液中进入某种有毒物质等情况，就会造成酸碱度、产气量和产气成分发生变化，打破平衡，影响产气。不过沼气微生物对环境也有一定的适应能力，只要环境因素的变化不超过一定的范围，即使平衡被打破也是暂时的，经过一定时间的自我调节又可达到新的平衡。这种情况一般不需人为调节，只有环境因素变化超过了微生物的承受能力，动态平衡被破坏得不能自行恢复时，才需采取必要的人为调节措施。

    固体物质与沼气发酵之间的关系

    在沼气发酵过程中，液化阶段是由水解反应完成的，这些水解反应多数需要一定的能量。但多数情况下，在沼气发酵的液化阶段不能为微生物提供能量，致使固体有机物质液化进展很慢，往往成为沼气发酵的限速步骤。固体物质液化的快慢直接影响沼气生成的速度。固体物质的液化程度对产气量也有直接影响。多数发酵原料，尤其是各种农作物废物原料中，固形物质含量高，可溶性成分少，有些表层还有蜡质，因此，在生产上应采用农作物废物预处理的方法来加快液化阶段的进行和提高液化的程度，这样既能相对加快发酵速度，又能增加沼气产量。农作物废物预处理可通过粉碎和堆沤的办法来完成。

    当然，有些发酵原料如酒糟废液、合成脂肪酸废水、豆制品废液等，内含可溶性有机物质较多，在入池发酵前就已完成了液化阶段，其发酵速度非常快，滞留期可缩短到几十个小时或几个小时，因此，也就没必要进行预处理。