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目前,我国秸秆理论资源量为8.4亿吨,可收集资源量约为7亿吨。由于缺乏有效的处理方式,约有2.47亿吨的秸秆被废弃或直接焚烧,不仅污染了环境,更是对资源的极大浪费。我国同时也是生猪养殖大国,2012年统计数据显示,生猪粪污产生量近30亿吨,合理有效地处置秸秆及畜禽粪便已成为当务之急。本论文选择玉米秸秆和生猪粪便为混合原料,采用固态产酸和液态产甲烷两阶段厌氧消化新工艺,研究了两阶段厌氧消化的反应机理、影响因素、关键工艺参数及微生物群落结构动态变化规律。论文研究成果可为玉米秸秆与猪粪混合原料固-液两阶段厌氧发酵工艺开发与应用提供理论依据和技术支撑。论文分析了13种木质纤维素原料的理化特性和产甲烷潜力,研究发现累积沼气产量、累积甲烷产量与木质纤维素类原料的半纤维素含量呈显著的正相关关系(p<0.05);与木质素含量呈显著的负相关关系(p<0.05);而与原料的可溶性糖含量、VS/TS含量、TOC含量、TC含量以及C/N无明显的相关关系。其中玉米秸秆的产沼气潜力最高,其沼气产率与甲烷产率分别为478.6Nml/gVS与252.2Nml/gVS。猪粪的沼气产率与甲烷产率分别为617 Nml/gVS和337Nml/gVS,最大产甲烷速率为39.7 Nml/(g·d)VS。玉米秸秆与猪粪混合后,可使发酵原料C/N和含水率更适合厌氧消化。论文得出固体产酸发酵的工艺优化条件为:猪粪与秸秆原料配比为2:1,沼液回流量25%,沼液回流间隔时间12~24h。静态固体产酸过程在6~10d为高峰期,20d以后维持在较低水平。固体产酸消化为乙酸型发酵,消化产物VFA中乙酸占有机酸60%以上,丙酸浓度低于1.0g/L,适合于产甲烷厌氧消化。液态产甲烷反应的实验结果显示,在相同pH水平下,35℃厌氧消化的沼气产率高于55℃;相同消化温度下,当pH高于7.0时,沼气产率随pH的升高而降低。实验结果得出,pH为7.0,35℃为液态产甲烷发酵的最适参数。中温消化中,乙酸营养型甲烷鬃毛菌属Methanosaeta为优势菌属,主要通过乙酸氧化生产甲烷,在中低pH(6.5~7.5)下相对丰度高于>70%;高温消化中,Methanosarcina甲烷八叠球菌属为优势菌属,在pH为7.0~7.5时相对丰度在60%以上,除可利用乙酸合成甲烷外,还可利用H2和CO2生成CH4,但速率较低,使高温消化甲烷产量低于中温消化甲烷产量;游离氨的增加是甲烷产率降低的主要原因,对于高含氮有机废弃物厌氧消化,不宜采用高温厌氧消化。通过连续动态试验,得出两阶段厌氧混合发酵的最佳猪粪与秸秆原料比、沼液回流比、沼液回流间隔时间、固体产酸反应器有效容积与液体产甲烷反应器有效容积比、固体消化停留时间,液态消化阶段的有机负荷、水力停留时间等最佳工艺参数。试验结果还显示,沼液回流对调节产酸消化体系pH具有明显作用,沼液回流量和回流间隔时间是调控固体产酸消化的重要参数。沼液回流参数也受液体产甲烷消化参数影响,是耦合两阶段厌氧消化,减少沼液排放的关键;通过对两阶段厌氧消化过程中不同阶段种群结构的分子生物学试验检测发现,固态产酸阶段细菌和古菌优势种群随着消化时间的延长存在明显的演替,其中厚壁菌门(Firmicutes)、变形菌门(Proteobacteria)、拟杆菌门(Bacteroidetes)与浮霉菌门(Planctomycetes)为细菌中优势种群;古菌以氢营养型的甲烷细菌属为优势种群。产甲烷阶段,细菌和古菌群落结构较稳定。其中厚壁菌门为细菌中的优势种群;氢营养型的甲烷杆菌属、甲烷囊菌属与乙酸营养型的甲烷八叠球菌属为优势种群。论文采用的固态物料的产甲烷潜力压力测定法,具有操作简单,结果稳定的特点;采用的车库式固体酸化反应器和改进CSTR高效耦合的两阶段厌氧消化工艺,有利于提高反应器容积产气率,减少沼液排放。利用玉米秸秆和猪粪混合厌氧消化,能够提高沼气产量和反应器运行稳定性。试验结果显示通过工艺参数优化,可实现两阶段沼气厌氧消化稳定运行。