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随着经济的迅猛发展,能源短缺、环境污染问题日益突出,渐渐成为各国关注的焦点。加快畜禽粪便集中处理、秸秆资源化利用,即可以解决能源短缺问题,又能避免污染环境,具有广阔的开发和应用前景。近年来,利用畜禽粪便与秸秆混合厌氧共发酵技术有所突破,取得了一定的进展。然而,采用的传统厌氧发酵工艺存在着技术壁垒,即缺乏高效利用有机废弃物能源化、资源化的新技术,又缺乏厌氧工艺参数优化与生物相分段调控相结合的组合调控方法。尤其在一些高寒地带,受发酵温度、运行成本制约,厌氧发酵技术难以推广。因此开发一种可以快速降解有机废弃物,使之实现资源化、无害化的新技术迫在眉睫。围绕东北寒区沼气应用中的低温系统难以稳定运行、产气效能低下等问题,试验开发一套两段式厌氧发酵工艺,使得产酸相、产甲烷相实现分离调控。同时以农业废弃物玉米秸秆和牛粪为混合原料,开展了以利用混合底物共发酵产甲烷特性研究。通过优化配伍表,筛选影响混合底物厌氧发酵的生态因子,指导启动运行两段式厌氧发酵装置,并模拟冬季沼气应用实际工况考察其运行效能,结合微生物学研究确立厌氧发酵高效运行的低温边界条件。在此低温条件下,探索优化两段厌氧发酵技术调控策略及微生物特性,并指导实际应用,综合评价其效能。通过混合底物厌氧共发酵产甲烷效能的研究,获得了主要生态因子及微生物菌系对有机废弃物厌氧消化的影响。试验验证了温度、TS%、C/N是影响沼气发酵的重要因素,并获得了牛粪和玉米秸秆混合低温厌氧发酵的最佳运行参数为:一体式厌氧发酵装置为T=25℃,C/N=25,TS=17.6%;产酸最佳参数为T=25℃,C/N=27,TS=12%,同时发现,通过定向群体富集驯化低温（25℃）沼气发酵的复合菌系,获得最佳产甲烷复合菌系为第10代的微生物菌群。考察了产酸/产甲烷（CSTR-ACSTR）两段式厌氧反应器不同温度的运行效能及微生物群落结构变化。试验表明,进行相分离分段调控,有利于系统的稳定运行和参数筛选。中温35℃,产酸发酵48 d效率最好,获得了较高挥发酸浓度及SCOD浓度,分别为4521 mg/L、26039 mg/L;产甲烷相能高效稳定运行,容积产气率最高可达1226 mL/L reactor·d,VS去除率超过50%。梯度降温过程发现,当温度25℃时,产酸相及产甲烷相仍能实现稳定运行;温度20℃,产酸相水解速率放缓,产甲烷效率急速下滑,挥发酸含量下降了29.6%,含量为1270 mg/L,产气量较25℃下降了54.1%,产气量最高只有720 mL。采用Miseq测序技术对CSTR-ACSTR运行稳定期的微生物群落结构及多样性的进行分析,发现35℃、30℃、25℃温度下系统具有相同的优势菌群,优势细菌类菌纲为Clostridia、Bacteroidia和Betaproteobacteria,20℃时优势细菌类菌纲过渡为synergistia、Gammaproteobacteria为主;产甲烷相35℃、30℃、25℃温度下的优势细菌类菌属为Methanobacterium、Methanobrevibacter、Methanoculleus和Methanospirillum,且微生物群落结构丰富多样性较好,温度降至20℃时,细菌类菌属Methanobacterium消失,同时菌属Methanospirillum、Methanobrevibacter、Methanoculleus的相对丰度均小于2%,产甲烷相微生物群落结构对低温更敏感。针对北方寒地沼气应用现状,对产酸/产甲烷相两段式厌氧反应器低温25℃的调控策略进行研究。试验发现在该温度下,对于产酸发酵系统,选取HRT=24 d作为工艺运行参数,以pH=7、TS%=12%、C/N=27:1来启动运行产酸相,运行效果最佳,稳定期指示因子表现为:pH为6.37±0.6,ORP为-210 mv,VFA浓度2520±80mg/L,SCOD接近20000 mg/L;对于产甲烷阶段,选取HRT=40 d,OLR=3.0 kg VS/m3·d作为工艺运行参数,以产酸系统RT=24的发酵液为营养,接种沼气发酵复合菌系,启动运行产甲烷相,产气性能最佳,稳定运行期表现:沼气产量为3743mL/d,容积产气率为831.7 mL/Lreactor·d,VS去除率为49.1%,甲烷含量占比58.0±1.3%。通过Miseq高通量测序进行群落结构分析发现,Acinetobacter、Proteiniphilum、Pseudomonas、Lactococcus是产酸相稳定运行期的优势细菌菌属,占到总细菌序列的50.8%;产甲烷相稳定运行期的优势细菌菌属为Synergistaceae、Peptostreptococcaceae、Christensenellaceae、Trichococcus、Pseudomonas,占细菌总序列的（32.2%）,同时产甲烷相的优势古菌属以Cenarchaeum、Methanobacteriaceae、Methanobacterium为主。考察了产酸/产甲烷两段式厌氧消化的实际应用及综合性能评价。结果表明,CSTR-ACSTR示范工程中,实现了全年稳定运行,经济效益和生态效益良好。采用参数控制及工程调控,系统运行稳定,耐冲击力强,冬季产酸发酵系统温度27℃,VFA浓度超过2600 mg/L,SCOD浓度超过18000 mg/L;产甲烷相受冲击影响不大,冬季厌氧系统稳定运行时产气量约为1500 m3/d,容积产气率可达0.75m3/m3digester·d,VS去除率约为40%。应用Super Decisions 2.1软件对CSTR-ACSTR工程进行综合效益评价,构建了基本评价体系,将容积产气率、CO2和SO2减排量等16个指标进行权重比较,通过计算分析将其赋值,得出CSTR-ACSTR工程综合效益评价结果为4.340。评价等级为优秀,说明该工程经过调控具有良好运行效果和应用前景。