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的过程。沼气发酵系统基于沼气发酵原理，以能源生产为目标，最终实现沼气、沼液、沼渣的综合利用。

沼气发酵是一个复杂的生物化学过程，具有以下特点：

（1）参与发酵反应的微生物种类繁多，没有应用单一菌种生产沼气的先例，在生产和试验过程中需要用接种物来发酵。

（2）用于发酵的原料复杂，来源广泛，各种单一的有机质或混合物均可作为发酵原料，最终产物都是沼气。此外，通过沼气发酵能够处理COD质量浓度超过50000mg/L的有机废水和固体含量较高的有机废弃物。

（3）沼气微生物自身能耗低，在相同的条件下，厌氧消化所需能量仅占好氧分解的1/30~1/20。

（4）沼气发酵装置种类多，从构造到材质均有不同，但各种装置只要设计合理均可生产沼气。

（5）产甲烷菌要求在氧化还原电位-330mV以下的环境生活，沼气发酵要求在严格的厌氧环境中进行。

沼气发酵是指各种固态的有机废物经过沼气微生物发酵产生沼气的过程。一般可大致分为三个阶段：

由于各种固体有机物通常不能进入微生物体内被微生物利用，因此必须在好氧和厌氧微生物分泌的胞外酶、表面酶（纤维素酶、蛋白酶、脂肪酶）的作用下，将固体有机质水解成相对分子质量较小的可溶性单糖、氨基酸、甘油、脂肪酸。这些相对分子质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。

各种可溶性物质（单糖、氨基酸、脂肪酸），在纤维素细菌、蛋白质细菌、脂肪细菌、果胶细菌胞内酶作用下继续分解转化成低分子物质，如丁酸、丙酸、乙酸以及醇、酮、醛等简单有机物质；同时也有部分氢、二氧化碳和氨等无机物的释放。但在这个阶段中，主要的产物是乙酸，约占70%以上，所以称为产酸阶段。参加这一阶段的细菌称为产酸菌。

由产甲烷菌将第二阶段分解出的乙酸等简单有机物分解成甲烷和二氧化碳，其中二氧化碳在氢气的作用下还原成甲烷。这一阶段称为产气阶段，或称为产甲烷阶段。

一般认为，从各种复杂有机物的分解开始到最后生成沼气，共有五大生理类群的细菌参与，它们是发酵性细菌、产氢产乙酸菌、耗氢产乙酸菌、食氢产甲烷菌和食乙酸产甲烷菌。五群菌构成一条食物链，根据其代谢产物的不同，前三群细菌共同完成水解酸化过程，后两群细菌完成产甲烷过程。

可用于沼气发酵的有机物种类繁多，如禽畜粪便、作物秸秆、食物及酒精加工废物等，其主要化学成分包括多糖类（如纤维素、半纤维素、淀粉、果胶质等）、脂类和蛋白质。这些复杂有机物大多不溶于水，必须首先被发酵性细菌所分泌的胞外酶分解为可溶性的糖、氨基酸和脂肪酸后，才能被微生物吸收利用。发酵性细菌将上述可溶性物质吸收进入细胞后，经发酵作用将其转化为乙酸、丙酸、丁酸和醇类，同时产生一定量的氢气及二氧化碳。沼气发酵时发酵液中乙酸、丙酸、丁酸的总量称为总挥发酸（TVA）。在发酵正常的情况下，总发挥酸中以乙酸为主。蛋白类物质分解时，除生成产物外，还会有氨额硫化氢产生。参与水解发酵过程的发酵性细菌种类繁多，已知的就有几百种，包括梭状芽孢杆菌、拟杆菌、丁酸菌、乳酸菌、双歧杆菌和螺旋菌等。这些细菌多数为厌氧菌，也有兼性厌氧菌。

在沼气发酵过程中，甲烷的形成是由一群高度专业化的细菌—产甲烷菌引起的。产甲烷菌包括食氢产甲烷菌和食乙酸产甲烷菌，它们是厌氧消化过程食物链中的最后一组成员，尽管它们具有各种各样的形态，但它们在食物链中的地位使它们具有共同的生理特性。它们在厌氧条件下将前三群细菌代谢的终产物，在没有外源受氢体的情况下，把乙酸转化为气体产物甲烷和二氧化碳，使有机物在厌氧条件下的分解作用得以顺利完成。