沼气工程是一种有效处理有机废弃物的工程技术,尤其是在畜禽粪污处理和高浓度有机污水处理方面效果显著,在国内外得到了大力推广应用。近年来,随着养殖业和农产品加工业向大型化发展以及沼气作为新能源开发利用,我国沼气工程正朝着大型化、产业化方向发展。沼气工程在处理有机废弃物的同时又能够产生清洁能源,处理后的沼液沼渣还可能成为有机肥料。但实际工程中这些废弃物往往不能得到预期的“就地直接利用”,带来很多负面影响：①沼液中含有大量的N、P、K营养元素、生理活性物质(BAC)、数量庞大的微生物菌群以及其它无机离子和极微量的重金属成分等。这些物质成份复杂、含量未知,直接用作肥料灌溉,难以发挥最好的效用,弊大于利;②沼液直接农业利用受季节性影响明显,且由于贮存和运输等原因,没有足够的田地及时消纳,只能直接排放造成环境污染；③沼液、沼渣在农田施用时,没有规范性的技术指导,一旦施用量过大,超过土地承载能力和作物利用能力,便会造成二次污染。因此沼液、沼渣问题已经成为制约规模化沼气工程产业化推广的瓶颈。本文围绕规模化沼气工程存在的沼液、沼渣减量及其高附加值利用等问题开展研究,通过系统分析与测定沼液中的主要组分、生理活性物质及其物理化学和生物学特性；结合沼气工程厌氧发酵液回流工艺和沼液营养物质浓缩与水资源回收技术应用研究,显著减少沼气工程沼液沼渣排放量,有效实现发酵液中营养物质与水资源分离回收；系统考察了沼液作为有机营养液、沼渣作为有机肥和人工基质在农业应用的效果,解决沼液、沼渣的消纳问题,有效提高沼液、沼渣的附加利用价值,对于促进规模化沼气工程的可持续发展具有重要意义。本文取得的主要创新性成果如下：1)本论文通过系统分析与监测,确定了沼液中的主要组分和生理活性物质(Major Components and Bioactive Components,MCBAC)及其物理化学和生物学特性。首次在猪粪沼液中检测和分离出多种促进植物生长的激素类成分及含量：细胞分裂素iPR,含量为0.00194μg/L:赤霉素GA4含量为0.857μg/L,GA19含量为1.47μg/L,GA53含量为0.271μg/L。高等植物的赤霉素含量一般是0.001-1 ng/kg鲜重,沼液中赤霉素浓度达到3个数量级以上；吲哚乙酸(IAA)在植物体内生长素的含量很低,一般每克鲜重为10-100 ng,本研究中检测得知,沼液中IAA含量为332μg/L,比植物中浓度高出了3-30倍,IAA对促进植物生长,诱导花芽分化,促进光合作用方面有显著影响；吲哚甲酸ICA含量为397μg/L；检测出2种杀虫抗菌类成分及含量：8-羟基-3,4-二氢喹啉-2-酮,在沼液中浓度为0.7375 mg/L;3,4-二氢喹啉-2-酮,在沼液中浓度为0.1775 mg/L；并鉴定了吲哚-3-甲酸、8-羟基-3,4-二氢喹啉-2-酮、3,4-二氢喹啉-2-酮的结构式；为解释施用沼液对作物促生抗逆抗虫的机理提供理论依据,为后续开展沼液营养液高值化利用研究提供理论支持。2)在沼液减量化技术研究方面,提出了针对高固含率物料厌氧消化液高回流比的厌氧发酵工艺,解决了回流液对厌氧发酵过程产生抑制影响的关键技术问题,确定了最大回流比；应用碟管式反渗透膜(DTRO)工艺,建立了沼液营养物质浓缩与水资源回收系统,通过试验研究探索了沼液浓缩长期稳定运行的参数与经济性;在上述基础上,总体实现减少沼液排放量达到80%以上,清水实现达标排放或回收利用要求。3)针对沼液营养物质稳定性问题,利用16S rRNA基因克隆文库和PCR-DGGE技术等方法研究了沼液中微生物群落组成、通气状态下沼液中细菌菌群的变化情况。明确了通气会改变沼液中微生物多样性、引起沼液营养物质和激素类物质不稳定的机理,在沼液中添加秸秆原料,利用降解低价煤菌种对沼液进行二次好氧发酵,研制了具有稳定性能(pH值稳定3个月以上)的沼液有机营养液,解决了沼液长期储存及长途运输中营养减少的难题。在多种作物施用试验结果证明能够明显提高作物产量和品质。4)在沼渣人工基质技术及产品开发方面,利用沼渣富含多种营养元素和促生长活性成分,通过栽培对比试验证明了猪粪、鸡粪和牛粪3种原料的沼渣人工育苗基质效果：牛粪沼渣可完全替代草炭,猪粪沼渣和鸡粪沼渣可部分替代草炭,且育苗效果优于草炭、蛭石、珍珠岩配比施用化肥的人工育苗基质。5)在沼肥施用土地承载力评价方面,建立了土柱精确模拟系统,在自然环境下,通过种植不同作物品种和沼肥施用水平,全年监测不同深度土壤渗滤液水质(总氮、硝态氮、氨氮、总磷等)变化,评价沼肥施用的环境风险和土地作物系统消纳沼肥的土地承载力；揭示了不同作物种植形式、气候因素对沼肥土地承载力具有重要影响。