對於沼氣發酵，可以下這樣的定義：它是一個生物的過程，其中有機物質在無氧的情況下，經嫌氣性細菌的作用，被轉變成甲烷和二氧化碳氣體。
自然界的植物不斷吸收太陽輻射的能量，借助於葉綠素，將二氧化碳和水經光合作用合成有機物質，從而把太陽能儲備起來。動物吃了植物以後，約有一半的能量又隨糞便排泄出體外。沼氣就是利用人畜糞便、動植物遺體的生物能轉換而得到的可燃氣體。
人的糞便、動植物遺體，以及其他一些有機物質怎樣轉變成可燃氣體——沼氣的呢？糞便等有機物質必須經發酵過程，才能得到沼氣。沼氣發酵過程，大體上要經過三個階段。
1.液化階段。一些微生物的胞外酶，如纖維素酶、澱粉酶、蛋白酶和脂肪酶等，對有機物質進行體外酶解，將多糖水解成單糖或二糖，將蛋白質分解成多肽和氨基酸，將脂肪分解成甘油和脂肪酸。通過酶解，固體有機物轉化成為可溶於水的物質。這些液化產物可以進入微生物細胞，並參與微生物細胞內的生物化學反應。這就是第一階段。
2.產酸階段。上麵說的這些液化產物進入微生物細胞後，在胞內酶的作用下，進一步轉化成小分子化合物，如低級脂肪酸、醇等。其中主要是揮發酸，包括乙酸、丙酸和丁酸，乙酸比例最多，約占80％。這是第二階段。液化階段和產酸階段，是一個連續反應過程，統稱為不產甲烷階段。
3.產甲烷階段。將第二階段的產物，進一步轉化為甲烷和二氧化碳。在這個階段中，產氨細菌大量活動，從而使氨態氮濃度增加，氧化還原反應降低，為甲烷細菌提供了適宜的環境，甲烷細菌的數量大大增加，開始大量產生甲烷。這是沼氣發酵的最後階段。
人工製取沼氣，最關鍵的問題是創造一個適合沼氣細菌進行正常生命活動，包括沼氣細菌的生長、發育、繁殖、代謝等所需要的基本條件，如溫度、濕度、酸度等，所以，沼氣發酵是在特定的沼氣池中進行的。
沼氣發酵過程管理在沼氣製取過程中，除了科學地控製溫度、選取原料、投料，清除阻害物質外，還必須做好以下工作。
第一，必須做到幹物質和水的比例要適當。產生沼氣的原料必須有適量的水分才有利於沼氣的形成。這是由於沼氣細菌吸收養分，排泄廢物和進行其他生命活動，都需要有適當的水分。但是如果原料中幹物質含量過少，也會使發酵原料汙泥濃度相對減少，產氣率降低，不能充分發揮發酵池的作用；而如果幹物質含量過多，則會造成攪拌和進料困難，還會造成毒性物質濃度過高。實踐表明，原料的幹物質含量以5％～8％最為適宜，幹物質含量低於1％時，用通常的方法很難使其發酵。發酵濃度夏天可以小一些，冬天可以大一些。目前農村沼氣池發酵液的濃度一般都不夠，這是影響沼氣產量的一個重要原因。
第二，農作物秸稈必須先經過堆漚才能入池。麥稈、稻草、玉米稈等，表皮上有一層蠟質，如果不作堆漚處理就入池，水分不易透過蠟質層進入秸稈內部，纖維素很難腐爛分解，不能被甲烷細菌利用，而且會浮在液麵形成結殼。經過堆漚的秸稈，表層蠟質受到破壞，可以加快纖維素的腐爛，增加了原料與沼氣細菌的接觸麵，使細菌生長旺盛，有利於成氣。堆漚方法：將秸稈鍘短，分層堆製，潑些人畜糞尿、沼氣糞水或汙泥等，夏天堆漚7～10天，冬天堆漚30天左右就可以了。
第三，控製酸堿度（pH值）。沼氣發酵液的酸堿度，對沼氣細菌的活性有很大影響，可以影響沼氣的產量和質量（甲烷含量）。實踐得知，沼氣發酵最適宜的pH值是6.8～72，即在中性範圍內合適。農村的家庭用小沼氣池，通常將混合原料入池發酵，原料中既有易於偏酸的物質（如秸稈、青雜草等），又有易於偏堿的物質（如人糞尿），因而在發酵的全過程中不需再用酸、堿調節pH值。
第四，攪拌。沼氣細菌與物料均勻接觸才能保證正常發酵。在無攪拌的發酵池中，發酵料分成三層：上麵是浮渣層，物料多，菌種少，pH值較低，浮渣層厚而堅固，有機物料聚集於此，得不到應有的消化；中間是物料稀、菌種少的溶液層；下麵是沉積物層，菌種多，物料也多，是產生沼氣的主要部位，但由於低層的水壓較高，所產沼氣在較高壓力下溶解於發酵液中，不易釋放出來，影響進一步發酵，此時各層溫度不同，上下溫差往往超過3℃，對甲烷細菌有刺激作用。所以經常攪拌沼氣池內的發酵液很有好處。
第五，勤進料，勤出料。每隔7天左右進出料一次。加料時應先出料，後進料，原則上要做到出多少，進多少，以保持儲氣間容積的相對穩定。
第十節 沼氣池有哪些類型
沼氣池的種類很多：水壓式沼氣池、浮罩式沼氣池、塑料沼氣池等。
1.水壓式沼氣池
沼氣發酵池是製取沼氣的最基礎的設備，目前已有很多類型的發酵池，例如水壓式沼氣池、浮動氣罩式沼氣池、塑料薄膜氣袋式沼氣池等。我國沼氣池的建設達到了相當的科學水平，以結構簡單、造價低廉在世界上處於第一位。
我國從20世紀30年代就開始研究水壓式沼氣，是該領域發展較早的國家，所以世界上將這種沼氣池結構稱為“中國式沼氣池”。這種沼氣池數量居世界之最，這項技術已為第三世界國家所采用。近20年來，經過反複研究改進，一般認為，以“圓、小、淺”（圓柱形、小型、淺池）為主要特點，直管進料、活動蓋的“中國式”水壓式沼氣池，比較適合在各國農村廣泛使用。
水壓式沼氣池的形式很多。例如，按水壓箱的布置可分為頂反式和側反式；按池的幾何形狀可分為圓柱形、長方形、球形、橢球形等。經過實踐，“圓、小、淺”沼氣池的優點較多，應用比較廣泛。這種沼氣池是由發酵間和儲氣間兩部分組成，以發酵液液麵為界，上部為儲氣間，下部為發酵間。隨著發酵間不斷產生沼氣，儲氣間的沼氣密度便相應地增大，使氣壓上升，同時把發酵料液擠向水壓箱和使發酵間與水壓箱的液麵出現位差，這個液位差，就是儲氣間的沼氣壓力，兩者處於動平衡狀態。這種過程叫做“氣壓水”。
當使用沼氣時，沼氣逐漸輸出池外，池內氣壓慢慢減小，水壓箱的料液又流回發酵間，使液位差維持新的平衡。這個過程就叫“水壓氣”。如此不斷地產氣、用氣，沼氣池內外的液位差不斷地變化，這就是水壓式沼氣池的基本工作原理。
從技術上來說，它具有結構緊湊的特點，發酵與儲氣合成一體，利用液位差調節沼氣的壓力，使輸氣和用氣方便，造價比其他沼氣池便宜。
水壓式沼氣池，一般用水泥建造池子，所以農村中又通俗地叫它為“水泥沼氣池”，這樣可以區別以其他材料為主建造的沼氣池。
水壓式沼氣池也存在著一些缺點，如土方開挖量大，施工技術要求高，出料比較困難，產氣率偏低，一般產氣率為10％～15％，寒冷地區越冬困難。我國的一些農村把水壓式沼池建成的“三結合”的沼氣係統，即把沼氣池、豬圈、廁所三者建在一起，充分利用人畜糞便，自動入池，源源不斷地補充發酵原料。
2.浮罩式沼氣池
浮罩式沼氣池在印度建造得比較多，最簡單的一種是發酵池與氣罩一體化。基礎池底用混凝土澆製而成，兩側為進料管和出料管，池體呈圓柱狀。浮罩大多數用鋼材製成，或用薄殼水泥構件。發酵池產生沼氣後，慢慢將浮罩頂起，並依靠浮罩的自身重力，使氣室產生一定的壓力，便於沼氣輸出。
這種沼氣池可以一次性投料，也可以連續投料，它的特點是所產沼氣壓力比較均勻。印度多采用植物性垃圾和牲畜糞便為發酵料，實際上是屬於幹發酵工藝，產氣率比較高。近年來，我國也在推廣幹發酵方法，並在水壓式沼氣池的基礎上，建造起分離式浮罩沼氣池，它的發酵間與水壓式沼氣池相仿，但盡可能縮小儲氣間體積，然後另做一個浮罩氣室，用管道把兩部分連接起來。這種結構特別適合大型沼氣池。可避免儲氣間漏氣，並獲得穩定壓力的沼氣，對多用戶集體供氣非常方便和有利。
這種沼氣池的優點是能充分利用發酵池容積，壓力小而穩定，防漏問題較易解決。由於池和罩是互不相連的兩部分，因此沒有頂蓋工程，舊有的糞池隻要稍加改造，加上浮動氣罩就可以成為沼氣池，管理也比較方便。
這種沼氣池的主要缺點是建造浮動氣罩的材料不易解決，至今還未找到既便宜又堅固、能在農村普遍使用的浮動氣罩的建造材料，目前采用的是鋼絲水泥罩、陶缸、硬塑料板罩、鋼板罩、廢汽油桶等。
3.塑料沼氣池
20世紀70年代，我國台灣省研製了一種紅泥塑料，並開始用於沼氣發酵池方麵。這種紅泥塑料，實際上是一種改性聚氯乙烯塑料，在煉製過程中添加了鋁廠廢渣——紅泥和適量的抗老化劑等，使塑料的強度和壽命大大增加，而且成本比較低廉。這種材料後來被大量生產，除用於沼氣池外，還用於太陽能的利用、建築、家具等許多地方。
煉鋁後的殘餘物經過篩分、幹燥和細磨後，就得到合格的紅泥粉。然後與聚氯乙烯樹脂及各種添加助劑一起製成紅泥塑料沼氣池膜體。以上生產過程可在塑料加工廠進行，也可在建沼氣池的附近建紅泥塑料廠進行生產。
近幾年來，在我國的遼寧、湖南、四川、江蘇、福建、廣東等地，都先後生產了紅泥塑料，有紫紅色的，也有灰色、黑色的。加工成的沼氣池，有半塑式的和全塑式的，還有用塑料軟板製成的整體式塑料沼氣池。一般使用效果較好，產氣率普遍比水壓式沼氣池高，而且出料方便，施工容易，造價也較低，使用壽命可在3～5年，紅泥塑料膜可以更換回收。
紅泥塑料膜還可以用於改造舊式水泥沼氣池。我國推廣農村沼氣的初期，曾用紅泥塑料膜改修水壓式沼氣池。
此外，紅泥塑料膜還能用以做成儲氣袋，將沼氣儲存起來使用。特別是當夏天產氣多的時候，有的家庭沼氣往往用不完，也可儲存起來作動力用。
那些用氣不多的用戶，或者臨時性用戶，可以采用袋式沼氣池，這就是把紅泥塑料做成口袋式，裝進高發酵料（牛、馬糞等），安上輸氣管，紮緊袋口，即可像石油氣液化罐一樣提供燃料氣。發酵完以後，將沼氣渣水倒出作肥料，重新換上新料。這種袋式沼氣池，對遊動牧民十分方便。但目前還在試驗中，關鍵是要提高塑料袋的拉伸強度和氣密性（即密封性）。並選擇較好的修補膠，以適應用戶維修的需要。
紅泥塑料膜潛在的更大用途是作為城市垃圾處理的覆蓋膜。它可以將大量的有機垃圾包裹起來，進行厭氧發酵產生沼氣供民用，同時縮小垃圾的體積，便於進一步處理，以保護環境不受汙染。
紅泥塑料沼氣池為什麼產氣率高呢？這是因為紅泥塑料是一種深色塑料，可以直接吸收太陽能的輻射，利用太陽能加溫，使發酵間處於較高的溫度，有利於甲烷菌的活動。當然，也由於塑料的氣密性好，沼氣池漏氣少。
第十一節 什麼是氫能
400多年前，瑞士科學家巴拉塞爾把鐵片放進硫酸中，發現放出許多氣泡。當時，人們並不知道這種氣體。1776年，英國化學家卡文迪許對這種氣體發生了興趣，並發現它非常輕，隻有同體積空氣的6.9％，與此同時他還發現這種氣體和空氣混合後，一點火就會發生爆炸，以後又在器具上發現留有小水珠，反複試驗後，他得出水是這種可燃氣體和氧的化合物的結論。法國化學家拉瓦錫經過詳盡研究，於1783年正式把這種物質取名為氫。
氫氣一誕生，它的“才華”就初步展現出來了。氫最初的用途是法國化學家布拉克於1780年，把氫氣注入豬的膀胱中，製造了世界上第一個最原始的氫氣球。俄國著名學者門捷列夫於1869年，整理出化學元素周期表，赫然位列第一的就是氫元素。此後從氫出發，尋找其與其他元素之間的關係，這就為眾多元素的發現打下了基礎，從此人們對氫的研究和利用就更科學化了。
氫是位於元素周期表之首，原子序數為1，在常溫常壓下為氣態，在超低溫高壓下又可成為液態。作為能源，氫有以下特點：
1.所有元素中，氫重量最輕。在標準狀態下，它的密度為8.99千克每立方米；在-252.7℃時，可成為液體，壓力若將增大到數百個大氣壓時，液氫又可變成金屬氫。
2.所有氣體中，氫氣的導熱性最好。氫氣的導熱係數是大多數氣體的10倍，因此氫在能源工業中是極好的傳熱載體。
3.氫是自然界中存在最普遍的元素。除空氣中含有氫氣外，它主要以化合物的形式存在於水中，而水是地球上分布最廣的物質，因此它構成了宇宙質量的75％，據估計，如果把海水中的氫全部提取出來，它所產生的熱量是現在地球上所有化石燃料放出的熱量的9000倍。
4.氫的發熱值高。除核燃料外，氫的發熱值是所有化石燃料、化工燃料和生物燃料中最高的，為142351千焦/千克，是汽油發熱值的3倍。
5.氫燃燒性能好，點燃快。氫與空氣混合時有很大的可燃範圍，而且燃點高，燃燒速度快。
6.燃燒時最清潔。氫並沒有毒，與其他燃料相比，氫燃燒除生成水和少量氮化氫外不產生汙染環境的物質。少量的氮化氫經有效處理也不會汙染環境，而且燃燒生成的水還可繼續製氫，反複循環使用。
7.氫能利用的形式多。氫，既可以通過燃燒產生熱能，在熱力發動機中產生機械功，又可作能源材料用於燃料電池，或轉換成固態氫作為結構材料。用氫氣代替煤和石油不需對現有的技術設備作重大的改進，隻需對現有的內燃機稍加改裝便可使用。
8.氫的第三種形態金屬——氫化物。氫，可以以氣態、液態或固態金屬氫化物的形式出現，它能適應貯運及多種應用環境的不同要求。
這一係列的特點得出氫是一種理想的新的能源。
全世界在20世紀70年代初，麵臨著嚴重的能源危機。人們便把燃燒值巨大的氫作為首選能源。如今，許多科學家認為，氫有可能在世界能源舞台上成為一種非常重要的二次能源。法國偉大的科幻小說家朱利·凡爾納於1870年在他的著作《神秘島》中大加讚賞氫作為燃料的優點，並寫出了他的預言即氫是未來的能源，是理想的燃料。如今，這美好的幻想正一步步地變成現實。
第十二節 氫能能用於發電嗎
利用氫能發電主要有兩種方法。一種是組成氫氧發電機組，采用火箭型的內燃發動機，構成常規電網的調峰電站。因為這種發電機組開停方便，在電網低負荷時還可吸收多餘的電來進行電解水，生產氫和氧，到高峰負荷時再用所得的氫和氧燃燒發電，使電網得到調節。氫氧發電機組也可同磁流體發電聯合，並利用液氫冷卻發電裝置，以提高機組功率。
另一種是利用氫能發電，就是將氫作為燃料，通過燃料電池發電。以氫作為燃料比任何其他燃料更適用於燃料電池，也可簡化燃料電池。因為燃料電池的基本原理就是水電解的逆反應。20世紀70年代以來，各種燃料電池技術發展迅速，第一代磷酸鹽型的燃料電池早已商業化運行，日本已建有4500千瓦和11000千瓦的實用電站，發電成本快接近常規火電。第二代融熔碳酸鹽型燃料電池也基本過關，已有10千瓦級小型發電裝置，效率已達55％，發電成本也與第一代差不多。第三代固體氧化物型燃料電池，發電效率可達60％，發電成本可望更低，目前正在加緊研究。
燃氫的燃料電池，從技術上不會比以上幾種類型的燃料電池難，隻要解決廉價製氫問題，即可在上述燃料電池的基礎上順利過渡。因此，許多國家都把燃料電池大發展的希望寄托在氫燃料電池上。燃料電池不僅可以用在建立發電站，也可作為車船等移動交通工具的動力，更可廣泛用於工程所需的移動電源。