可再生能源需求的不断增加使沼气发酵技术重新焕发出生机,成为最具应用前景的绿色能源技术之一。沼气发酵是有机物在无氧条件下通过一系列微生物的代谢作用而产生甲烷的过程,具有经济性、有效性和可行性,可从多个层面上解决废物问题,降低了有机污染物对环境和人类健康的危害。依据固体含量的不同,沼气发酵可分为干式发酵和湿式发酵两种类型。其中,干式发酵系统的物料浓度远高于湿式发酵,可回收大量沼气和营养丰富的肥料,可用于动物粪便、作物残体、生活垃圾和污泥等多种废弃物的处理和资源化,具有消化器容积负荷高、能耗低、营养物质流失少、不产生渗滤液、沼渣易处理,且系统运行性能好等突出优点。近年来,干式发酵因其经济性和简易性而在全世界范围内引起了越来越多的关注。然而,干式发酵也存在一些制约因素,主要不足是系统启动需要的接种物多、发酵过程缓慢、混合搅拌困难、固体停留时间长等。因此,提高系统的运行效能是这一技术得以推广应用的关键。　　诸如畜禽养殖粪便等固体有机废弃物在污染控制和资源回收方面意义重大,但在如尼泊尔之类的发展中国家推广应用沼气发酵技术受到了很大程度的限制。例如,在尼泊尔南部地区,土地资源不足、水资源匮乏、牲畜肥料短缺,以及大量渗滤液的产生和消化液的处置,都成为限制沼气发酵技术推广的障碍。而在尼泊尔中部和北方地区,低温和水资源短缺也是需要考虑的问题。针对尼泊尔在发展沼气技术中面临的以上问题,本文以牛粪为基本底料,对干式发酵和低温发酵工艺进行了系统研究。　　研究首先考察了物料浓度对中温(35℃)和高温(55℃)沼气发酵过程的影响。结果表明,在35℃条件下,牛粪和水的比例分别为1:1、2:1和1:0的系统,其牛粪(湿重)的产甲烷量分别为0.333、0.340和0.345LCH4/gVSr,VS去除率分别为50.01％、53.50%和56.33%,COD去除率分别为54.99%﹑57.73%和61.35%。而在55℃条件下,三种比例的发酵系统的产甲烷量分别为0.351﹑0.362和0.374LCH4/gVSr,VS去除率分别为53.43%、57.41%和60.52%,COD去除率分别为58.37%,61.79%和65.36%。对比试验研究发现,湿式发酵尽管加入了水,而且高温可能加速了启动过程和底物的生物降解速度,但其总产气量和产甲烷量与干式发酵并无显著差异,而且在相同的有机负荷下需要更大容积的反应器。可见,干式发酵在能源回收、节约资源和投资方面更具优势。为了提高干式发酵的能源回收率,减少停留时间,本研究探讨了单相序批式混合反应器处理未稀释牛粪的运行特征。结果表明,有无搅拌系统沼气发酵性能影响显著,搅拌系统的甲烷产量为0.358LCH4/gVSr,比不搅拌系统的产气量高出7.50%,而且有机物的去除率增加了9.73%。研究发现,较高的真细菌和古细菌多样性保证了系统运行的稳定性。　　为进一步提高牛粪干式沼气发酵的效能,从微生物营养平衡和猪粪及污水厂剩余污泥的合理处理处置角度出发,本文进行了牛粪与污水厂剩余污泥或猪粪的混合发酵实验。结果表明,牛粪与污泥干式共发酵表现出了正面的协同效应。当牛粪和污泥以2:3的质量比混合时效果最好,在35℃条件下,甲烷产量、VS去除率和COD去除率分别比牛粪单独发酵增加了5.73%-14.12%、5.04%-15.35%和4.35%-11.61%。当牛粪与猪粪混合进行共发酵时,理想的质量比为3:2,在35℃条件下,甲烷产量、VS去除率和COD去除率分别比牛粪单独发酵增加了5.10%-18.01%、2.03%-12.95%和2.98%-12.52%。在牛粪和猪粪共发酵过程中,微生物组成基本没有变化。牛粪与剩余污泥或猪粪共发酵,提高了系统的沼气发酵性能和污染物去除能力,这一协同作用可能是微生物营养平衡、系统缓冲能力增强、有毒物质减少、生物多样性增加等多方面因素综合作用的结果。　　比较经济的有机固体废弃物的沼气发酵,在寒冷地区仍然是一个挑战。鉴于耐冷菌群同时富含耐冷的低温菌和中温菌,可起到强化甲烷发酵系统在低温条件下的效能这一认识,本文研究了低温(15℃)和中温(35℃)接种物对未稀释牛粪在低温条件下沼气发酵的影响。结果表明,在15℃条件下,含低温接种物的反应器比含中温接种物的反应器的甲烷产量提高了28.28%,VS去除率提高了28.60%。低温适应菌由于包含较多经低温驯化的微生物而强化了系统的启动和运行效能。对于不同比例低温接种物结果显示,50%低温接种物的发酵系统,其比产甲烷量最高。　　综上所述,牛粪的干式沼气发酵是行之有效的,搅拌可以提高沼气产量和底料的生物降解程度,牛粪与剩余污泥或猪粪的干式共发酵较牛粪单独发酵更为有效,系统更加稳定。耐冷菌群的接种,可用于解决低温沼气发酵效率低的问题。