沼气作为生物质厌氧发酵后的产物,在为人类提供清洁能源的同时还可以将有机质废物通过其厌氧过程降解而达到无害化处理的目的。随着我国小城镇近年来建设的迅猛发展,小城镇有机垃圾的沼气工程处理方式越来越受到人们的重视。本研究结合“十二五”国家科技支撑项目“寒冷地区中小型城市垃圾干法连续发酵技术集成与示范”,针对北方地区沼气发酵过程的存在的能量投入大、干法发酵过程发酵原料的传质性差等问题,对北方地区有机垃圾沼气干法发酵过程的能量损失和有效增保温措施、以及原料的发酵特性、厌氧菌群分布和改善发酵原料的流动性等关键问题进行了深入地研究。本研究将为北方地区干法厌氧发酵沼气工程的推广应用提供了技术支撑。为了研究我国北方寒冷地区条件下沼气工程运行过程的能量投入产出及能量效益情况,本文针对北方寒冷地区的气候特点,以哈尔滨双城市建立的沼气工程为例,通过对其运行过程中发酵罐体散热、进出料过程能量损失、加温循环管路散热等热量损失计算,得出冬季和全年平均每天的热能损耗分别为14694.4MJ、12185.7MJ；通过分析其采用沼气锅炉、太阳能集热、发电机组余热回收利用等不同增温方式的热利用效率,得出该工程要实现全年平均和冬季每天维持工程正常运转还需增加的能量投入分别为1377.4MJ、3887.2MJ。通过分析其运行过程中能量消耗与产生沼气获得的热能,得出该工程在冬季和全年产生沼气的能量效益分别为48.79%、57.54%。为实现北方寒冷地区沼气工程的稳定运行,研究构建了1套太阳能一发电余热中温厌氧发酵增温系统,并分别对沼气发酵热负荷、发电机组余热回收利用率、太阳能集热装置热效率等关键参数进行了分析,分析表明：该沼气工程全年平均每日热能损耗为6659.2MJ,太阳能—发电余热中温厌氧发酵增温系统全年平均每日集热量为7017.6MJ,全年中只有1、2月份系统需沼气发电机组额外提供378.6kW·h和286kW·h电量增温,该系统可以对全年平均热损耗进行补充并维持工程稳定运行。通过沼气发电机组和太阳能热水系统的结合,既可减小投入,又可根据所需要的增温能量进行适当的调控,在实际应用中具有可操作性和应用的可行性,具有经济性和实用性双重效益。为寒冷气候条件下沼气工程的常年稳定运行提供保障。本文还以城市有机垃圾为发酵原料,研究了厌氧发酵启动阶段与产气阶段微生物菌群结构、数量变化情况与沼气产量之间的关系,测定了在发酵过程中pH值、挥发性脂肪酸(VFA)、氧化还原电位等相关指标。结果表明,启动阶段初期好氧和兼性厌氧细菌属优势菌,其中产酸菌增殖速率高于氨化细菌,是启动阶段降解有机质的主要菌群。随后厌氧细菌快速增殖,日增殖速率由不足20%增长到近100%并保持稳定。厌氧纤维素降解菌在启动阶段增殖较慢,原料中纤维素降解在厌氧发酵后期。原料液VFA中丁酸含量最多,最高浓度4.7mg·mL-1以上,占有机酸总量总量的46%以上,厌氧发酵类型为丁酸发酵型。产甲烷菌在启动阶段初期基本没有增殖,第25d左右达到最大值3.24×1010个/ml,随后产甲烷菌在整个盛产期数量维持在这一数量级上。厌氧纤维素降解菌菌数呈现缓慢增长的趋势,直到投料的第45d才增加到106个/ml。空间上厌氧产酸菌和甲烷菌的数量均是中心部分比边缘部分多,底部比顶部多；厌氧氨化菌数量较多的为中部边缘和中部中心位置；厌氧纤维素降解菌也是底部的菌数较多。另外,挥发性脂肪酸、氨氮浓度的变化趋势在空间上和菌数的变化一致,菌数多的部位,产物也相对较多。为改善厌氧干法发酵的流动性,本文对城市有机垃圾与市政污泥混合固态发酵粘度的前后变化进行了分析。结果表明,原料的配比浓度对粘度有较大影响,污泥浓度越大其粘度也越大,成正比关系,而且发酵前的粘度是发酵后的1-3倍；混合物料在较低温度条件下,温度下降对粘度值的影响较大,而温度较高时,温度变化对粘度值的影响相对变缓；不同含量的有机垃圾与污泥的表观粘度不同,发酵前污泥每增加一份后,物料的粘度增加15,41%,而增加一份的有机物后,物料粘度则降低12.79%；经发酵后的物料中,每增加一份污泥,物料的粘度增加10.26%,而在增加一份有机物后,物料的粘度则降低6.92%;且随着剪切速率的增加表观粘度逐渐降低至最后趋于稳定。