在能源和环境问题的双重压力下,开发利用可再生的清洁能源尤为重要。生物质能作为一种可再生的新能源日益受到重视。在各种利用生物质的方法中,进行微生物发酵制沼气是一种较为有效的途径。然而,在利用生物质发酵制沼气的同时,也产生了大量的沼液,沼液含水率较大,不易运输和处理,而沼液以及沼渣中富含各种氨基酸,正是做有机肥料的基质。如何在保证沼气产量和沼肥质量的前提下,实现沼气相沼气沼肥耦联生产的发酵工艺生态化,已成为亟需要解决的重要课题。本文着眼于生态型发酵气肥耦联生产工艺及其应用模式研究,研制出温室隧道式气肥联产装置,并完成了生产性运行实验研究;进行了生态型发酵温室系统能量平衡分析,绘出生态型发酵温室系统的能流图,优化出生态型发酵经济温度;开展了生态型发酵沼液沼渣的预处理技术及其肥效相关实验研究;针对位于南水北调中线工程水源保护区的河南省西峡县农业产业区域特色,提出西峡县猕猴桃产区生态发酵气肥联产技术及其应用模式,主要研究结果如下:(1)研制出一种生态型发酵沼气气肥联产装置-温室隧道式气肥联产装置,对高效沼气气肥联产装置的结构和功能进行了优化和研究,对气肥联产装置的发酵单元、太阳能温室、辅助加热单元等进行了设计和优化。设计的温室隧道式气肥联产装置,发酵单元有效容积1000m3,将智能化太阳能温室与隧道式发酵系统相结合,提高沼气发酵温度,采用原料回流与气体搅拌提高原料利用率,池容产气率达到0.8m3/m3·d,原料产气率达到0.3m3/kg,发酵周期30天,月产沼气1800m3。(2)对生态型发酵温室进行热平衡分析,建立以沼气技术为纽带的生态型发酵沼气工程温室能量流动的数学模型,通过对整个系统能量流动过程进行模拟研究,从理论上确定该系统的能量流动的稳定性。尽可能提高太阳能和辅助能量转化利用效率,以增加温室系统的产出。通过温室热平衡的分析和计算,可以发现系统结构是否合理和生产过程中的薄弱环节,从而提出改进措施。(3)依据能量守恒定律和物料平衡原理,核算加热成本,对生态型沼气反应器进行系统分析,建立生态型发酵经济温度的数学模型,确定出经济效益最优化时的温度,即经济发酵温度,为生态型发酵沼气工程运行的PID控制提供科学参考。(4)提出沼液产品加工工艺和沼渣制肥工艺,提出采用负压蒸发的办法浓缩沼液,设计了相应的负压蒸发装置,并进行了相关的实验研究。结果表明:在加热浓缩沼液时,期望沼液温度越低越有利于避免沼液中氮磷钾等元素的流失,同时真空度越大,越容易蒸发,当真空度在0.065Mpa时沼液的浓缩率可达到26.5%。采用所提出的沼渣制肥工艺所制得的有机肥产品合格。(5)基于生态农业产业系统的价值链分析,结合实际情况构建了基于价值链的生态型猕猴桃产区气肥联产模式,既实现气肥联产的功能性、又保障猕猴桃生产的品质和经济性,为生态农业的开展提供了崭新的创新模式参考,实现气肥联产系统和猕猴桃种植系统以及农业大生产系统、环境大系统的良性协调运行。实际运行分析表明:生态猕猴桃的气肥联产设计合理,原料预处理考虑周密得当,产气集中,运行稳定,管理方便,是一种适合规模化运行和推广的创新模式;施用沼肥后的猕猴桃营养价值较高;采用生态发酵模式可带来较好的经济和社会效益。