农作物秸秆是一类重要的木质纤维素生物质,其量大面广且可生物降解,适合作为沼气工程的大宗原料。秸秆主要由纤维素、半纤维素和木质素等组成,各组分之间在空间结构上相互作用形成抗生物降解屏障从而难于降解。基于此特点,现有单相厌氧发酵工艺普遍存在固体浓度不宜过高、运行时浮渣结壳严重,且沼液产生量大、沼渣附加值低等诸多难题,因此,本论文针对这些问题,基于相分离工艺对青贮秸秆和干秸秆厌氧发酵的代谢调控和预处理手段进行有益探索,并阐明秸秆水解液的产甲烷潜力,为后续的应用提供重要的理论和技术支撑;采用水热炭化技术制备可作为燃料、功能性吸附材料、炭基肥等用途的炭基材料,并对水热炭化水相组分中复杂有机物进行能源化转化,实现资源的综合利用,为拓宽其高值化利用途径,改善工程经济性提供重要的思路。主要研究内容和结论如下:（1）首先以青贮秸秆为研究对象,采用渗滤床反应器（LBR）作为产酸相反应装置,研究pH调控策略（控制pH为6,7和8）对底物降解的影响,并对产酸代谢规律进行探索。结果表明,pH=8时可显著提高木质纤维素的降解程度（P＜0.05）,在水力停留时间（HRT）7d内总固体物质（TS）和挥发性固体物质（VS）的去除率分别为35.3%和64.8%,与其它调控条件和对照相比,挥发性脂肪酸（VFAs）的最大浓度达到19.34 g/L,对应产率为0.31 g/g VS。从产酸代谢途径上分析为混合酸型,占主导地位的有机酸按浓度高低分别为乙酸、丙酸和丁酸。通过高通量测序技术揭示产酸发酵体系处于不同酸碱度时的微生物菌群结构和多样性特征,确定微生物与pH变化、底物的对应关系,在pH=8时优势细菌分别为拟杆菌门 Bacteroidetes（34.23%）、厚壁菌门 Firmicutes（26.70%）、放线菌门Actinobacteria（11.53%）和变形菌门Proteobacteria（9.52%）。这些关键功能微生物在厌氧发酵过程中对于有机物的降解和短碳链有机酸的形成发挥着重要的作用。在产甲烷相升流式厌氧污泥床（UASB）中,青贮秸秆在pH=8条件下的产酸相液相末端产物当有机负荷率（OLR）≤ 8 g COD/L·d时可以得到高效转化,COD去除率可达到80%以上。产酸菌中氧化、降解有机酸的Proteobacteria（14.18%）和Bacteroidetes（11.16%）明显增加,在OLR逐渐增加过程中,由于产酸发酵液中丙酸浓度高于其他原料发酵体系,产酸细菌中出现丙酸氧化型细菌Syntrophobacter应对丙酸的降解,但丙酸降解速率慢会导致累积对微生物的活性产生抑制,高浓度丙酸的存在不利于运行负荷的继续提升。当OLR为10 g COD/L·d,出水中乙酸和丙酸浓度升高,产气骤降。当UASB在8 g COD/L·d时,产甲烷菌中乙酸营养型甲烷鬃毛菌Methanosaeta占据主导地位,这说明乙酸代谢是甲烷产生的主要途径,以乙酸等混合有机酸为主的进水有利于乙酸营养型产甲烷菌的进一步富集,同时含有氢营养型甲烷杆菌Methanobacterium,这些古菌与Syntrophobacter等产酸菌协同作用实现氢分压和乙酸浓度的降低,促进有机酸高效转化。通过计算,青贮秸秆在此两相工艺中甲烷产率为143.4 mL CH4/g VS。（2）在上述研究基础上,以干秸秆为原料,采用不同浓度（2,4和6g/L）的乙酸和丁酸等不同碳链长度有机酸对其进行预处理,考察替代无机酸的有机酸在120℃水热条件下对木质纤维素结构和组分变化的影响,并对固、液相产物进行分析表征。结果表明,预处理时高浓度有机酸对底物破坏的严重程度（Severity factor,SF）相对较高,产酸过程VFAs的产率随着初始有机酸浓度增加反而降低,2 g/L乙酸/丁酸对干秸秆预处理后渗滤产酸效果最佳,最高VFAs产率分别为0.172 g/g VS（乙酸处理组）和0.189 g/g VS（丁酸处理组）,这是由于初始浓度有机酸及代谢产物对产酸代谢关键酶产生反馈抑制。同时,不同碳链长度的有机酸也影响产酸代谢途径,从产酸液相末端产物中可以看出,乙酸处理组产生以乙酸为主的渗滤液,而丁酸处理组中乙酸和丁酸浓度相差不大;不同类型有机酸预处理后的产酸液相末端产物经UASB分解代谢,均表现出较好的甲烷转化效率,有机负荷率（OLR）高达12g COD/L·d,继续升高则由于过量有机酸对产酸菌和产甲烷菌的活性均产生抑制,导致产气率骤降。通过与干秸秆产甲烷潜力（BMP）进行比较,干秸秆甲烷产率为94.7 mLCH4/g VS和98.9 mLCH4/g VS,可达到产甲烷潜力的67.1%和70.0%。本研究结果可为有机酸水热技术用于木质纤维素两相工艺的预处理阶段提供重要的参考依据。（3）参照纤维素乙醇的工艺路线,研究以秸秆水解液为原料制备生物燃气的工艺。着重研究厌氧污泥为接种物,ISR为0.5:1、1:1和2:1等不同接种比例时水解液厌氧发酵特性,并阐明气、液相产物分布规律。结果表明,高浓度水解液快速降解,在接种经验值ISR为1:1甚至2:1时仍无法保证正常产气,出现不同程度有机酸累积。在ISR为0.5:1时,VFAs产率最高,且甲烷产率可忽略不计,可作为产酸发酵接种比例。VFAs成分分析表明,丁酸含量最高,其次是乙酸和丙酸。基于水解液易酸化的特性,提出此类原料最为合适的两相厌氧发酵工艺。探讨利用来源广泛、容易获取的好氧污泥（AeS）替代厌氧污泥（AnS）的可行性,对两者接种后的产酸代谢途径和有机酸产率进行比较。HRT为5 d时,AnS接种时VFAs产率要高于AeS,产率分别为0.38 g/g COD和0.32 g/g COD,产酸相液相产物中有机酸对应的COD值占总COD的89.3%,说明有机酸的反馈抑制导致水解液中糖类物质未完全转化。在此基础上,分析两种接种物中微生物菌群的结构及其演变交替规律。结果显示,AnS和AeS具有不同的细菌群落组成,但核心的功能性菌群均包含Firmicutes、Chlorobi、Choloroflexi和Bacteroidetes。与接种物相比,经过水解液产酸代谢后发酵液中的细菌群落都发生显著变化,具有降解大分子物质功能的Firmicutes在所有细菌种类中占据绝对优势,AeS和AnS一样,表现出较好的产酸代谢效果。在产甲烷过程中,在OLR≤ 12 g/L·d时,产酸阶段获得的VFAs和糖的发酵液可以有效地转化为甲烷,AnS和AeS分别作为接种物时,甲烷产率最终可达到279.5 mL CH4/g COD和270.1 mLCH4/g COD。（4）采用热化学手段水热炭化（HTC）技术处理高含水率的沼渣以制备炭基材料。选择180℃,210℃,240℃不同温度对青贮秸秆发酵固体残渣进行水热处理,对水热炭的得率和基本理化特性进行分析,并结合SEM、BET、FTIR、XRD等对水热炭的结构和功能性官能团的分布加以表征,水热炭化水相组分利用厌氧发酵进行有效碳源的能量回收。研究结果表明,在180℃下水热炭得率最高,但各项性能参数并不具备优势。而在210℃和240℃下制备的水热炭热值与沼渣相比分别增加了 14.2%和16.6%,与吸附能力密切相关的比表面积分别为34.8 m2/g和27.1 m2/g,而且孔径分布经测试主要为介孔结构。FTIR进一步证明,通过脱水、脱羧、缩聚和芳香化等反应获得富含含氧官能团和芳环结构的水热炭。与此同时,在该温度下产生的水热炭化废水（HTCWW）主要包括短碳链有机酸、酚类和杂环化合物。通过梯度负荷批次实验研究发现,当初始负荷≤ 8 g COD/L时,由于易于微生物利用的VFAs、糖等物质浓度增加,导致甲烷产量呈上升趋势,分别达到275.9 mL CH4/g COD去除和277.6 mL CH4/g COD去除。但随着负荷继续增加毒性物质浓度升高,甲烷产率随之下降,有机酸无法消耗并呈现上升趋势,在微生物群落中发现酚类物质降解菌如Advenella和Pseudomonas等丰度增加明显,但细菌和古菌整体水平的多样性有所下降。通过对VFAs、氨氮等抑制性因素的分析,并结合胞外聚合物（EPS）分布和荧光强度以及微生物种群结构、多样性特征,我们得出由于HTCWW中特征污染物对微生物产生的毒性/抑制作用,HTCWW适用的初始负荷宜控制在≤8 g COD/L。综上所述,通过水热炭化和厌氧发酵的耦合可以实现沼渣的能源化利用,有效回收其中的碳源能源,这一结果为拓宽沼渣的利用途径提供有力支撑。