沼气发酵又称为厌氧消化、厌氧发酵，是指有机物质(如人畜家禽粪便、秸秆、杂草等)在一定的水分、温度和厌氧条件下，通过各类微生物的分解代谢，最终形成甲烷和二氧化碳等可燃性混合气体(沼气)的过程。
沼气发酵菌群、工艺控制和处理系统方面的问题导致发酵过程不稳和效率不高。针对这个常见问题，我们将通过元基因组手段解析菌群相互作用和代谢，建立基于反应器操作、活性菌群变化和功能基因表达的多尺度过程控制方法，以及发展原料预处理、科学配伍和两相联产氢气甲烷等工艺来提高系统效率！
据有关材料估计，生物质能将成为未来可持续能源系统的重要组成部分，到本世纪中叶，采用新技术生产的生物气、燃料乙醇、生物柴油等新能源将占全球总能耗的40%以上！
沼气发酵是涉及多菌群相互作用的非线性复杂系统(见图1)[16].纤维素、蛋白质和脂肪酸等复杂有机物首先在严格厌氧菌Bactericidessp.,Clostridiasp.及兼性厌
示意图氧菌Streptococcisp.等作用下降解成小分子，产酸菌进而将小分子转化成挥发性脂肪酸(VolatileFattyAcids,VFAs)，VFAs被产氢产乙酸菌转化为乙酸和氢气，最后，氢气、二氧化碳和VFAs的混合物在以乙酸为底物的Methanosaetasp.和Methanosarcinasp.及以氢和甲酸盐为底物的Methanobacteriumformicium,Methanococusjannaschii等甲烷菌作用下生成甲烷[16].不产甲烷菌和甲烷菌相互依赖，又相互制约.不产甲烷菌为甲烷菌创造适宜的氧化还原条件，清除有毒物质，甲烷菌对VFAs和氢气的利用为不产甲烷菌解除了反馈抑制.甲烷的形成与菌群互营密切相关，采用传统纯培养方法很难准确反映群落结构和代谢关系，而且其中绝大部分的微生物是不可培养的[17].元基因组学为研究沼气发酵复杂系统提供了新的有力手段[18]，群落中的所有微生物基因组的总和称为元基因组，不经分离培养，直接提取其中的所有DNA建立元基因组文库，通过DNA种类和数量分析，解析微生物群落结构[17].表2比较了指纹图谱、核酸杂交、基因克隆文库等分子生物学方法的优缺点及其在沼气发酵系统菌群研究中的应用，可总结为3个方面：(1)菌群多样性研究和目标菌群如产甲烷菌的动态监测；(2)新菌的发现；(3)多菌的互营关系及代谢功能研究。
发酵过程控制3.2.1控制参数温度和pH是调控发酵菌群、强化产气的重要手段.果蔬废物产甲烷研究表明，与20和35℃相比，55℃下产气量提高%和41%，但过高的温度(60℃)将抑制产甲烷菌活性，不利于产气[34].研究者[35]也尝试培养低温产甲烷菌群，以使常温条件或寒冷地区产沼气成为可能.丙酸不利于产气，控制pH则可以避免丙酸产生[36].混合方式可分为物理强化和工艺强化，搅拌和气循环是常见的物理强化手段，同时，工艺调节也能加强传质，如污泥回流、出水循环和沥出液循环等.在动物废物厌氧消化过程中，气循环、搅拌和污泥回流都能在高负荷下加强传质，促进沼气生产[37]，污泥回流一方面能促进循环，一方面又能使反应器内活性生物量维持在较高水平，因而比搅拌和气循环效果更好.沥出液循环常用于处理固体垃圾的渗漏床反应器中，而出水循环更多在废水处理的UASB中用于加强传质[11].接种物是影响产气的重要因素，高温污泥能强化纤维原料的水解过程，加强后续产气.反刍动物瘤胃液也增强了纤维素降解产气过程的效率[38]，这与其引入了较强的纤维分解菌有关.固体废弃物特别是纤维类固体废弃物的厌氧处理是当今的热点和难点，其限速步骤在于纤维的水解，解决办法之一就是筛选和驯化有利于强化纤维分解的高温厌氧菌群.预处理是强化纤维类原料沼气发酵过程的另一重要手段，可分为物理、化学和生物预处理3种.物理处理主要是利用机械、热等方法改变纤维结构.Zhang等[39]研究表明，研磨和切碎均能促进秸秆的产气速率和产气潜能的发挥.汽爆也是一种高效的预处理方法，能增强可溶性组分，提高纤维的可及性，从而强化秸秆原料的产气过程[40].化学预处理使用较为普遍，Luo等[41]的研究表明，30d的氢氧化钠预处理能降低秸秆纤维素和半纤维素组分，沼气产率提高达75%.Cheng等[42]提出用微波强化酸/碱预处理过程，min的预处理就能大幅提高药渣发酵过程中沼气产率，预处理过程无需高压条件.潘亚洁等[43]提出利用白腐菌进行生物预处理，制备容易被厌氧细菌发酵的降解液，提高产气效率.不同原料的营养成分如C/N比存在较大差异，联合消化可以在消化物料间建立起一种良性互补，提高产气率.在市政固体垃圾发酵中，粪便的加入使有机物降解率提高到69%74%，产气量达m3/t[44].通常秸秆C/N比为():1，禽畜粪便含氮量高，而最适合厌氧消化的C/N比大约为30:1，因此粪便与秸秆、垃圾等废弃物联合消化往往能取得较好效果.我国秸秆产量巨大，通过秸秆、粪便和生活垃圾配伍，能提高沼气发酵效率，缓解当前农村沼气发酵原料不足的问题.
工艺过程基于沼气发酵的产酸产甲烷代谢过程和反应器级数，可将发酵工艺分为单相工艺和两相工艺.单相工艺中，水解、产酸和产甲烷在一个反应器中完成，具有工艺简单、操作容易、投资相对较低、工程技术相对成熟等诸多优点，从而在生物燃气发酵过程中得到了极为广泛的应用，据统计，现有工艺中90%左右为单相工艺.单相工艺的最大缺点就是工艺必须兼顾不同菌群，从而导致过程效率较低，同时产酸菌代谢较快，容易引起酸积累，系统的抗冲击性能较差.两相运行为弥补单相工艺的不足提供了思路，成为发展的新方向.两相工艺适于各种易降解废水和固体有机废弃物、有毒废水等的处理.果蔬废物、粪便、高浓度有机废水等快速分解引起的酸积累问题，有毒物质对产甲烷菌的毒害问题都在两相工艺中得到了不同程度的解决[45,46].在产酸反应器中，产甲烷菌处于休眠或半休眠状态，产甲烷反应器则通过长的停留时间培养产甲烷优势菌群，从而分开强化产酸和产甲烷过程，提高效率和稳定性[45].两相工艺可以在两相中设置不同的温度，高温下强化水解过程，灭活致病菌，中温稳定产气[46].厌氧分级系统(AnaerobicPhasedSolidsDigesterSystem,APSDS)是一种新型两相固体废弃物处理系统，有机废弃物在第一相水解产酸，然后在第二相产甲烷反应器中转化为甲烷，水解和产甲烷反应器可以自由组合，在一个系统上进行批式/半连续/连续操作[39]，并于年建立了一个m3的中试工程，日处理垃圾8t，产气m3.值得注意的是，第一相中产酸产氢、第二相产甲烷的新两相工艺可以同时获得氢气和甲烷[47].两相工艺的过程控制缺乏工程处理经验，分步过程也使基建、工程和运行难度增高，投资较大[48]，目前90%以上的沼气工程都采用工程技术成熟、投资低的单相工艺[12].但两相工艺在效率和稳定性上具有优势，两相联产氢气甲烷新工艺也体现了很好的应用前景.
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