第一阶段（水解阶段）：有机物质（碳水化合物、蛋白质、脂肪等）由发酵细菌（纤维素分解细菌、蛋白质分解细菌、脂肪分解细菌等）的作用，将多糖水解成单糖，蛋白质水解成肽和氨基酸，脂肪水解成甘油和脂肪酸，并进一步降解成各种低级有机酸，如乙酸、丙酸、宜春等 。同时，还声称氢气和二氧化碳 。
第二阶段（产酸阶段）：主要是由产氢细菌和乙酸细菌，将丙酸、乙酸和乙醇等分解，形成氢和乙酸，间或有二氧化碳形成 。
第三阶段（产甲烷阶段）产甲烷细菌分解乙酸，形成甲烷和二氧化碳，或利用氢还原二氧化碳，形成甲烷，或转化甲酸形成甲烷 。在形成的甲烷中，约30%来自氢还原二氧化碳，70%来自乙酸的分解 。
沼气发酵的三个阶段是相互依赖和连续进行的，并保持动态平衡 。在沼气发酵初期，以第一、二阶段的作用为主，也有第三阶段的作用；在沼气发酵后期，则是三个阶段的作用同时进行，到一定时间，保持一定的动态平衡才能持续正常地产气 。
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