生物质能是绿色环保的可再生能源,加快生物质能开发利用,不仅可以解决化石燃料大量消耗引起的能源短缺,还能改善日益严重的环境污染问题。采用厌氧发酵制氢烷气是一种低成本且可持续的气态生物燃料生产方法,在相对温和的反应温度（35～55°C）和环境压力下,厌氧微生物可以将微藻和木质纤维素类生物质废弃物降解为生物燃气。然而,生物质致密的细胞壁结构限制了微生物对胞内有机质的可及性,阻碍了小分子底物的跨膜传递,导致易降解碳源和氮源的缺乏与微生物活性的下降,严重制约了生物质的有效生化转化。通过水热水解方法有望实现胞内有机质的快速析出解聚,但呋喃类和酚类化合物等水解副产物对微生物具有较强的抑制作用,会改变底物厌氧代谢路径,导致氢烷气得率降低。本文围绕生物质水热水解与厌氧发酵制氢烷过程开展深入研究,旨在揭示有机质水热析出解聚特性对微生物生化转化的影响规律,明确水解副产物对微生物的毒性抑制作用及微生物脱毒原理,掌握生物质热化学/生化转化制氢烷过程强化方法。本文首先针对生物质有机质传递受限及微生物生化转化效率低等问题,开展了生物质胞内碳水化合物、蛋白质和油脂水热析出与解聚特性研究,明确了水解残渣细胞形态、官能团和有机质组分的演变规律,及其对菌/酶底物传递和生化转化的影响规律。其次,针对液体酸水热催化易对设备造成酸腐蚀且催化剂难于回收等问题,构建了具有结合和催化功能结构域的固体酸水热反应体系,以实现固体酸对底物的有效吸附和定向水解,获得了固体酸水热催化反应动力学特性。针对呋喃类和酚类化合物等典型生物质水解副产物,探索了水解副产物的微生物代谢降解机制,明确了水解副产物对厌氧发酵制氢烷的抑制规律,掌握了呋喃类化合物发生“醛–醇–酸”生化转化的关键限速步骤及其微生物脱毒原理,揭示了模型化合物单糖/氨基酸的水热副反应特性,阐明了复杂水解副产物连续厌氧发酵的降解转化特性及微生物协同作用原理。开展了产氢发酵水力停留时间对生物质酸化程度及制氢特性的影响规律研究,提出了生物质水热水解与产氢发酵深度酸化强化厌氧转化的原理和方法。在实验数据的基础上,构建了生物质厌氧氢烷联产全生命周期评估体系,明确了厌氧发酵制氢烷的能量收支及环境效应。本文获得的主要结论如下:（1）生物质胞内蛋白的水解析出和解聚作用弱于碳水化合物,在140°C,10 min和0.5%～1%v/v H2SO4的水热反应条件下,富碳淀粉类生物质的多糖水解效率高达100%,而富氮微藻生物质的可溶性蛋白得率仅为初始含量的65.8%。稀酸水热催化会破坏生物质细胞结构,形成的多孔颗粒增加了微生物与底物接触的比表面积,为菌/酶提供了有效物质传递通道。微藻水解残渣C=N伸缩振动峰强度更大,美拉德副反应更加显著。此外,在稀酸水热催化条件（0.5%v/v HNO3）下,氮配位作用会导致酰胺、胺类及脂肪胺类化合物的热化学转化,而有机酸甲酸催化将促进脂肪族酯的形成,更有利于生物质胞内油脂析出。水热反应过程添加液体酸催化剂均导致水解残渣在170～220°C的低温度区间内呈现快速热解失重,对应的不稳定小分子化合物更易跨膜传递至微生物细胞内部,保障了发酵初始阶段细胞生长的能量需求,促进了底物的高效厌氧生化转化。（2）以β-环糊精和聚氯乙烯为原料,采用热解炭化-磺化方法制备的吸附型碳基固体酸催化剂是具有一定石墨化结构的无定形芳香碳片,碳前驱体存在大量的脂肪侧链和桥键结构。磺化作用可通过氧化和取代烷基侧链以引入羟基和羧基等亲水结合基团及磺酸基催化基团,但磺化过程会造成大量微孔和中孔坍塌并降低其比表面积,影响水热反应的物质传递并限制了催化位点与反应物分子的有效接触,氯基结合位点的引入对提升底物分子与催化位点的吸附,促进有机质热化学反应转化至关重要。该固体酸对纤维二糖的吸附效率为45.8%,可有效促进α–1,4和β–1,4糖苷键的断键解聚,且具有单糖目标产物的定向水解能力。但是,该固体酸对α–1,1糖苷键的破坏相对较弱,在催化α,β–1,2糖苷键水解时易造成果糖的过度解聚。该固体酸催化葡萄糖生成和降解反应速率常数随温度增加而增大,其反应活化能分别为98.6和80.6 k J/mol,相比于液体酸和无吸附位点的常规碳基固体酸催化剂分别降低11.4%～45.3%和40.3%～44.4%。（3）呋喃类水解副产物糠醛的微生物降解过程为“糠醛–糠醇–糠酸”的生化转化路径,制氢抑制作用主要发生在“醛–醇”转化阶段,而相关酶和微生物的缺失导致“醇–酸”转化成为关键限速步骤,产氢发酵96 h后仍有49%～70%的糠醇未降解。低分子量且脂溶性高的糠酸可能更易通过易化扩散的方式传递至细胞内部,利用乙酸型代谢路径促进发酵制氢,其最大氢气得率提高6%～15.3%。酚类水解副产物香草醛对厌氧发酵的抑制作用强于糠醛,会显著改变微生物的代谢路径,乙酸和丁酸等典型可溶性代谢物浓度最高下降64.5%和49.7%。通过两阶段厌氧氢烷转化可显著削弱水解副产物对后续甲烷发酵的抑制作用,与直接甲烷发酵相比,最大甲烷得率增加105%～263%,产甲烷峰值速率提高78.5%～204%。（4）目标水解产物单糖/氨基酸的热化学降解主要通过羰基和氨基之间的美拉德副反应实现,而焦糖化反应或脱氨基作用导致的直接热分解影响较小。美拉德副反应进程与溶液p H值密切相关,在稀酸水热催化条件下（1%H2SO4,v/v）,中间小分子化合物（如5-HMF）向聚合物（如类黑素）的转化将被有效抑制。该反应过程形成的复杂水热副产物会影响连续产氢发酵稳定性,微生物结构的不断变化导致易变的发酵模式和较大的产氢波动。此外,稀硫酸处理液中的硫酸根离子会促进硫还原菌的生长及对底物的竞争,导致后续甲烷发酵停滞。水热副产物的生化转化伴随氢气的生成,从而提高了氢营养型和混合营养型产甲烷菌的相对丰度,乙酸营养型产甲烷菌的生长受限。（5）提高水热水解强度并延长产氢发酵时间可提升生物质水解液酸化程度与氢气得率,当水解底物经12～144h产氢发酵时,生物质酸化率由15.5%增加至78.5%,最大氢气得率由87.2提高至223.1mL/g VS。产氢发酵生物质深度酸化会改变单糖等目标底物的降解转化路径,影响可溶性代谢物的成分分布,乙酸浓度的增加促进了后续厌氧发酵制甲烷,最大产甲烷速率提高10%。此外,生物质水解强度的增大和酸化程度的提高将甲烷发酵延滞期缩短55.8%～67.6%,将峰值产气时间提前61.4%～71.7%,与单阶段甲烷发酵相比,两阶段厌氧氢烷转化的整个发酵周期将下降60%～72.5%。生物质水热水解及产氢发酵深度酸化可在相对较短的发酵周期内达到最大的能量转化潜力。（6）在上述实验研究基础上构建了微藻及餐厨垃圾厌氧氢烷联产系统,全生命周期评价发现系统净能比为0.24,总温室气体排放量为173.15g CO2-eq/MJ,可实现温室气体减排49.01g CO2-eq/MJ。微藻培养、餐厨垃圾预处理及氢烷燃气提纯对系统能量收支与环境效应起决定作用,系统输出对微藻生长速率、桨轮运行效率及总燃气得率的改变具有显著敏感性。此外,能量回收再利用与发酵废水回流补充营养物对微藻能源项目至关重要,上述过程的缺失将导致系统净能比增加1.75～1.88倍。