为研究厌氧消化失稳过程中热力学特性的变化规律，寻找对厌氧消化失稳具有指示效应的预警因子，揭示厌氧消化过程中物质与能量的转换途径，本研究开展了多组实验室规模的杂交狼尾草中温半连续厌氧消化实验，通过分别阶梯性提高有机负荷或氨氮浓度，诱导有机负荷过载或氨氮抑制的失稳发酵体系，对消化过程中的气相、液相指标进行监测，并计算关键产甲烷反应的吉布斯自由能变。通过对比分析热力学指标与传统预警参数的预警时间，提出了以厌氧消化关键生化反应的吉布斯自由能变值作为预警指标的热力学预警方法，结合物质流分析法建立了物质流和能量流分析模型，对厌氧消化制备生物燃气过程进行了能效分析。
　　在阶梯性提高有机负荷的实验中，发现杂交狼尾草中温半连续厌氧消化能够承受的最大容积负荷为3.0g VS/(L·d)，反应体系稳定时甲烷标态产率为259.36～272.48mL·gVS-1，甲烷回收率为75.17％～79.53％。在OLR为4.0g VS/(L·d)下运行时，有机负荷过载，系统失稳直至产气停止;在阶梯性提高氨氮浓度的实验中，发现每次提高氨氮浓度后，均受到了氨抑制风险，产气几乎停止，在TAN为2000mg/L运行时，产气可恢复到正常水平，而在TAN为5000mg/L下运行时反应体系彻底失稳。在TAN为3000、4000mg/L下发生氨抑制时均产生了一定程度的氨氮耐受性，沼气日平均产率分别恢复到对照实验组水平的65.8％和52.5％。
　　在有机负荷过载导致的失稳过程中，丁酸、丙酸和戊酸产甲烷总反应的吉布斯自由能变，在有机负荷为3.0g VS/(L·d)及4.0g VS/(L·d)运行时均出现两次显著上升，指示系统能够承受的最大有机负荷及过载有机负荷。吉布斯自由能变可以良好的指示反应器面临的超负荷风险，并且其预警时间不小于任何其他指标。此外，传统预警指标当中丙酸与乙酸浓度、总挥发性脂肪酸浓度与碱度之间的联合指标(TVFAs/PA、TVFAs/TA)同样具有良好的预警潜力，预警时间均为21天。
　　在氨诱导的发酵失稳系统中，SMB、SMP和SMV反应的吉布斯自由能变同样表现出了准确的指示效果，每次提高氨氮浓度后，自由能变值升高，指示氨抑制风险，在反应体系逐步适应后开始下降，但始终保持在对照实验组水平之上，表明相较于对照实验组，氨胁迫的产甲烷反应更难进行。当发酵系统在TAN为5000mg/L下运行时，吉布斯自由能变在反应器完全停止产气的前14天发生显著上升，预警能力不落后于任何其他指标。传统预警参数当中VFAs指标的预警时间同样达到14天，其中丙酸和乙酸浓度曲线的变化幅度相较于丁酸和戊酸更为明显，因此更适用于作为预警参数。
　　物质流分析表明提升有机负荷的实验组在OLR为1.0、2.0、3.0g VS/(L·d)下稳定运行时原料中总固体制备生物燃气的物质转化效率为53.4％～60.7％，C元素流向沼气中的比例分别为62.33％、68.25％和61.81％，均在OLR为2.0g VS/(L·d)下最高。氨胁迫的反应器在TAN为2000、3000和4000mg/L下恢复稳定产气时的物质转化效率分别为63.34％、38.71％和24.28％，C元素分别有63.8％、44.7％和30.7％流入生物燃气当中，物质和元素转化率均随着氨氮浓度的升高而下降。而两实验组中原料所含的N元素均主要流入发酵液当中，进一步合理开发利用发酵液中残留的C、N资源对提高杂交狼尾草物质利用具有重要意义。
　　能量流分析表明提升有机负荷的实验组在OLR为1.0、2.0、3.0g VS/(L·d)下稳定运行时杂交狼尾草制备生物燃气过程的能量转化效率分别为62.74％、64.8％和57.13％，有效能效率分别为60.9％、62.9％和55.7％。热力学效率均在OLR为2.0g VS/(L·d)下最高，而在OLR为3.0g VS/(L·d)下最低，与物质转化率结果相同，从物质传递和能量转化角度说明在该负荷为OLR为3.0g VS/(L·d)下运行时反应器相较于对照实验组已经受到了轻微抑制，而这一结果与吉布斯自由能变曲线的第一次上升互相呼应。氨诱导失稳实验组的能量和有效能转化效率同样随着氨氮浓度的升高而下降，在TAN为2000、3000和4000mg/L分别为63.8％、44.7％和30.7％，有效能有效率分别为62.8％、41.8％和26％。由于厌氧消化过程具有不可逆性，其有效能效率始终低于对应的能量转化效率。
　　本研究创新地将热力学参数应用于厌氧消化过程的失稳预警，证实了关键生化反应吉布斯自由能变作为预警参数的可行性;这一结果从热力学角度为失稳预警提供了新的思路。通过热力学模型对生物燃气制备过程进行物质流分析，考察了发酵底物的物质与元素转换途径，并对过程的能量转换效率和不可逆损失进行评估，为厌氧消化过程的提质增效提供了理论支撑。