对沼气进行提纯净化可获得生物天然气,其大规模应用不仅有助于缓解天然气供应的不足,亦可实现能源利用过程中的CO₂的近零排放。沼气提纯的关键在于沼气中CO₂的低成本分离,而沼气CO₂化学吸收法作为目前可大规模应用的技术之一,其关键在于如何大幅降低富CO₂吸收剂溶液（富液）的热再生能耗。舍弃能耗最大的富液再生过程,采用只保留CO₂吸收过程的吸收剂不循环工艺进行沼气CO₂分离,理论上可大幅降低系统能耗和CO₂分离成本。但吸收剂不循环工艺中,CO₂吸收剂并不重复使用,因而不能选用常规的化工吸收剂,必须选择量大且低廉的吸收剂,同时还需要考虑富液的应用特性。基于此,本文提出利用生物质厌氧发酵产沼气后所产生的弱碱性沼液作为CO₂吸收剂,在吸收剂不循环工艺中吸收沼气CO₂,并将富CO₂沼液应用于农业之中,理论上可实现极低成本的CO₂分离和CO₂的安全存储。但单位体积沼液CO₂吸收容量有限,需要在保证富CO₂沼液农业安全利用特性的前提下对其CO₂吸收性能进行强化。基于此,本文主要从沼液自身CO₂吸收容量性能强化机制、基于沼液的可再生氨水的CO₂吸收性能强化机制及融合两者特性的联合工艺等方面进行了研究。主要研究结论如下:在沼液自身CO₂吸收性能强化机制研究中,研究了沼液减压解吸、外源生物质灰添加和沼液减压浓缩等机制对沼液CO₂吸收性能强化性能及富CO₂沼液植物生理毒性的影响。结果表明,77°C、40 k Pa下对沼液进行减压解吸脱除原沼液中携带的原生CO₂后,沼液的CO₂净携带量可提升至0.125 mol/L,为原沼液的3.18倍,且富CO₂沼液的植物生理毒性更低。同时,沼液中CO₂解吸反应的活化能与同氨氮浓度的碳酸氢铵溶液的活化能相当,证明沼液中CO₂的解吸主要为碳酸氢铵分解,也间接证明了沼液的CO₂吸收机理主要源于其中自由氨与CO₂的化学反应。在沼液中添加生物质灰可增加沼液的净CO₂携带量、保证对植物较低的生理毒性及降低沼液COD和浊度等水质参数。添加200 g/L棉花秸秆灰可使沼液净CO₂携带量增加至0.156 mol/L,约为原沼液的6倍。对沼液进行减压浓缩会造成沼液中氨氮损失,因而不能提升沼液CO₂吸收性能,但为CO₂吸收性能强化提供了新思路:在沼液减压浓缩过程中将分离的氨氮进行冷凝回收,可获得可再生氨水作为CO₂吸收剂,可大幅提升沼液基吸收剂的CO₂吸收性能。针对沼液自身CO₂吸收性能提升幅度有限的问题,提出了从沼液中分离回收可再生氨水并用于CO₂分离的新思路,从而大幅提升沼液基吸收剂的CO₂吸收性能。通过减压膜蒸馏技术可从沼液中回收获得可再生氨水,因而需要研究沼液中氨氮的脱除特性、可再生氨水的高浓度回收富集及可再生氨水的CO₂吸收反应动力学等问题。沼液氨氮分离研究表明,沼液p H值是影响氨分离特性最主要的因素,提高p H值可同时增加氨氮传质系数和氨氮分离因子;减压膜蒸馏分离沼液氨氮过程中,氨的总传质系数与水通量之间的关系可以用一个典型的―S‖型曲线来描述,这说明可通过增加水的传质通量来提升氨氮的传质系数,使氨氮高效脱除,但是由于温度极化和浓度极化等影响,存在一个最大氨传质系数。因此通过操作参数的优化可同时获得较高的传质系数和氨分离因子。回收富集的可再生氨水与沼液氨氮浓度、减压时间等因素相关,当沼液氨氮浓度为0.07-0.28 mol-N/L时,富集的可再生氨水中氨氮浓度可达0.4-2.4 mol-N/L,且p H值为10.7-11.5,表明自由氨为可再生氨水的主要活性成分;可再生氨水的CO₂吸收容量可达0.987 mol-CO₂/mol-NH3;除无机碳（主要由CO₂吸收后产生）外,可再生氨水的杂质成分主要由乙醇、乙酸、丙酸、丁酸等组成,其总浓度最高可达0.026mol-C/L。可再生氨水的CO₂吸收反应动力学研究表明,25°C条件下,2 mol-N/L可再生氨水与CO₂之间的二级反应动力学常数约为4306 L/（mol·s）,略低于相同条件下新鲜氨水的反应动力学常数（⁴772 L/（mol·s））。由于杂质的影响,可再生氨水对CO₂的吸收速率要比新鲜氨水低4.67%-17.31%,尤其是当氨氮浓度低于1 mol-N/L时表现得更加明显。杂质成分对可再生氨水的CO₂吸收传质速率影响大小排序为:丁酸>乙酸>乙醇>CO₂。在沼液基可再生吸收剂的CO₂吸收特性研究基础上,对可再生吸收剂在吸收剂不循环工艺中的沼气CO₂分离性能进行了研究,并考虑了传统填料吸收塔和新型中空纤维膜接触器两种CO₂吸收装置。在填料吸收塔吸收装置中,8oC、微正压时,可再生氨水对沼气CO₂的分离性能优于相同摩尔浓度的Na OH溶液,但弱于乙醇胺（MEA）吸收剂。采用0.5、1和2 mol-N/L的可再生氨水作为CO₂吸收剂时,可将沼气中CH₄体积分数分别提升至90%、95%和98%以上,表明可再生氨水可以直接用于现有的化学吸收法沼气提纯设备中。在中空纤维膜接触器中的沼气CO₂分离研究表明,以0.3 mol-N/L的可再生氨水为吸收剂时,沼气流速200 m L/min和吸收剂流速50 m L/min下可以获得高的沼气提纯性能（提纯后CH₄浓度⁹0%）,但操作参数和膜参数等对CO₂分离特性有较大影响。同时,在膜接触器中使用低浓度可再生吸收剂对沼气进行提纯时,需要根据实际情况合理选择操作参数和膜接触器相关参数。综合沼液和可再生氨水的CO₂吸收与农业应用优势,提出了以可再生氨水为纽带的沼液氨氮回收和沼气提纯联合工艺。当回收获得的可再生氨水中自由氨的含量和沼气中CO₂的含量相当时,可使用吸收剂不循环工艺对同一沼气工程中的沼气达到较优的提纯效果并生产碳酸氢铵肥料。沼液经过氨氮脱除后对植物的生理毒性降低,有利于进一步的农业灌溉利用。CO₂排放特性研究表明,从沼液中回收可再生氨水用于CO₂捕集时,当可再生氨水浓度在10 g-N/L以上,且氨回收过程中消耗的热能和电能在生产过程中排放的CO₂量均等于或低于全球平均值时,氨水回收过程中的CO₂释放量低于氨水的CO₂吸收量,可实现CO₂净负排放。研究结果表明,本文所提出的沼液基可再生吸收剂及CO₂吸收工艺有望为低成本沼气CO₂分离和储存研究提供一种新的思路,同时也可为沼液营养物质回收和CO₂净负排放技术开发提供一定的参考。