我国生物质资源储量巨大,但存在利用率低下且极易造成环境污染等问题。秸秆厌氧发酵产气技术是秸秆资源化利用的重要且有效的途径,但由于秸秆本身的结构其分子结构中存在大量高键能的氢键在分解过程中难于被破解,造成厌氧发酵反应效率低下。为了最大限度地利用生物质原料转化成更为清洁的能源,在利用前要尽可能地对其进行预处理。生物预处理可有效破坏秸秆内部稳定的晶体结构并使其结构中的氢键尽可能断裂,分解成为更多可易利用的小分子有机物。同时在其预处理分解过程中,由于存在大量微生物代谢作用而伴随着可观的生物热的产生。虽然目前国内外对复合菌预处理技术有较多研究,但相关的代谢产生热量的利用却鲜有涉及。与此同时针对复合菌预处理后的玉米秸秆相关的厌氧发酵特性、产气效果研究及反应条件优化并未开展。针对该预处理原料产生的生物热高效利用的预处理与厌氧联合发酵设备的设计和研究还有待开展,相关的反应特性和反应效果研究还未有涉及。基于上述问题,利用实验室自行设计并完成的30L预处理发酵装置和自动化厌氧发酵装置对相关问题进行试验与探究。选择对发酵影响较大的预处理方式、发酵反应温度、反应器搅拌速率以及试验碳氮比四个方面进行单因素试验,探究并寻找其在单一条件变化的情况下产气特性。设置试验周期为30天,在整个实验周期中,分别记录实验过程中的日产气量、累计产气量、甲烷含量与反应液的pH值,分别就各因素对厌氧发酵产气效果的影响进行分析。试验结果表明:有效的复合菌预处理可大幅提高玉米秸秆厌氧发酵的产气,复合菌预处理试验组较其它试验组的累积产气量高出19%左右,发酵过程产酸累计现象不明显,产出气体中存在50%以上的甲烷气体;一定的搅拌对发酵过程具有明显的促进作用,转速为45r/min累计产气量其余转速条件下累计产气量高出最少7.58%。玉米秸秆在反应各温度条件下进行厌氧发酵产沼气总量比较为:35℃>40℃>30℃>45℃>25℃,反应为温度35℃时产气高峰到来更加迅速,累计产气量比其它试验温度条件高出15.5%;产出气中甲烷含量比其它试验温度条件高出8.65%。反应在碳氮比为25:1时的产气效果明显优于其它组,甲烷含量相对较高,无酸抑制现象出现。在响应面优化厌氧发酵产气的前期单因素试验表明,经复合菌预处理的玉米秸秆在碳氮比为25:1,搅拌速率为45r/min,温度为35摄氏度的实验条件下,厌氧发酵产沼气的产气率最高。采用Box-Behnken模型优化得出复合菌预处理玉米秸秆厌氧反应最佳的试验条件为:温度为38.2℃、C/N为26.6:1、搅拌速率为47.2r/min。最佳条件下反应实际产气率为408.5mL·g^-1TS,各反应因素对试验的影响程度依次为:温度>C/N>搅拌速率。经过热分析与计算得出反应总输入热量值为4.74MJ,总输出热量值为4.65MJ,误差在允许范围内反应过程的总体热量平衡。对于本研究设计的联合发酵反应系统而言在只考虑单次实验的情况下,每次实验结束利用的预处理环节的生物热可为厌氧发酵环节加热系统预计可节约至少16.2MJ的热能。结合以上实验和研究的相关数据和规律,在实现系统的物料连续和产热连续且最大限度的利用预处理环节微生物产出的热量的基础上,对反应系统及厌氧发酵罐体设备进行设计并得到系统模型与罐体结构与尺寸数据。本研究对接下来中试的相关设备搭建和基于所搭建设备的实验探究与验证提供重要参考。