随着我国城市污水处理厂建设力度加大，导致污泥产量激增，污泥的处理处置问题日益突出。厌氧消化是实现污泥稳定化、无害化、减量化、资源化重要工艺之一，在降解有机物的同时可以产生再生能源，在解决污泥处理处置问题方面有着很大的发展潜力。然而厌氧消化技术在我国并不普及，建成的厌氧消化系统能够正常运行的并不多。本研究从厌氧消化工艺原理出发，以城市污水厂的剩余污泥为研究对象，提出温度分级-生物分相（Temperature Staged and Biologically Phased, TSBP）厌氧消化工艺，通过同时控制温度和停留时间来实现产酸相和产甲烷相的分离。并结合污泥集中处理的思路，开发适用于高含固率污泥的热碱联合预处理+TSBP厌氧消化工艺，使高含固率污泥能够更容易水解酸化，进而提高整个TSBP系统的厌氧消化能力。通过间歇试验和半连续试验，分别研究温度和停留时间对污泥产酸相处理效果的影响。研究结果表明，在25~60oC范围内温度对水解和酸化反应的影响不同。污泥的水解效果随着温度升高而水解作用增强，而温度高于45oC时挥发性脂肪酸（VFAs）浓度并没有继续增长。当产酸相温度为45oC时，在2~6d的停留时间范围内停留时间为4d时比较合适。在产酸相反应器运行工况确定的基础上，建立污泥TSBP厌氧消化系统，将其系统产气量以及有机物降解率等方面与单相系统进行比较。研究结果表明，在产酸相温度为45oC、停留时间为4d，产甲烷相反应器温度为35oC、停留时间为16d时TSBP系统运行情况较好。TSBP厌氧消化系统甲烷产量和VS去除率分别能达到754mLCH4/d和51.3%，高于中温单相系统的408mLCH4/d和46.0%。通过扫描电镜对反应器内微生物形态进行分析表明在TSBP系统中通过对温度和停留时间的控制成功实现了产酸菌和产甲烷菌生物相的基本分离。将TSBP系统应用于含固率为8%左右的污泥厌氧消化中，在工艺前端增加热碱预处理技术。通过批式试验对热碱预处理进行条件参数优化研究，结果表明投加KOH溶液将污泥初始pH调节至11.0后，在80oC下持续加热30min能够明显促进污泥水解反应。而热碱预处理后的污泥在水解酸化间歇试验中产生的溶解性有机物浓度（SCOD）和VFAs浓度均明显高于未预处理的污泥。同时KOH热碱预处理后的污泥在经过水解酸化反应后污泥细胞壁破裂现象明显且经过预处理的污泥在水解酸化后的产甲烷潜力明显高于未预处理的污泥。将热碱预处理技术与TSBP厌氧消化系统相结合，高含固率污泥热碱预处理+TSBP厌氧消化系统的甲烷产量和有机物去除率均明显高于单相系统。依据小试试验结果，建立高含固率污泥TSBP厌氧消化系统的示范工程。并着重对整个系统从能量平衡的角度进行计算和分析，从经济性方面来评价本工艺的推广和应用潜力。经过对系统进行能量平衡核算，TSBP系统能够实现能量自给自足。