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生物质厌氧发酵制取沼气技术是一种清洁可再生能源技术,对农作物秸秆、畜禽粪便等废弃物的资源化处理和利用具有重要的意义。但是单一原料进行厌氧发酵时由于生物降解性低、营养成分不均衡等会导致厌氧发酵过程不稳定。玉米秸秆(CornStover,CS)等木质纤维素类生物质具有复杂的木质纤维素结构,不易降解,厌氧发酵产气周期长。鸡粪(ChickenManure,CM)等高氮原料在单独厌氧发酵过程中会产生游离氨和铵离子,抑制产甲烷菌的活性,不利于厌氧发酵产沼气。而原料混合厌氧发酵是将两种或多种具有互补特性的发酵底物混合后同时厌氧发酵来解决单一底物降解的局限性,在改善发酵特性、提高反应系统的运行稳定性的同时,还可以缓解原料的缺乏,确保原料的持续供应。因此开展混合厌氧发酵的研究对促进厌氧发酵产沼气具有重要意义。本研究基于玉米秸秆与鸡粪的混合厌氧发酵,进行了批式厌氧发酵和半连续厌氧发酵实验,通过对玉米秸秆进行预处理、调节混合发酵底物的配比、添加尿素以及添加生物炭的调控方法,改善厌氧发酵的特性,为混合厌氧发酵制取沼气技术及农业废弃物的资源化利用的研究和推广奠定理论基础。本研究的主要内容及研究成果如下:(1)在生化产甲烷潜力(Biochemicalmethanepotential,BMP)装置中进行玉米秸秆和鸡粪批式混合中温厌氧发酵,对玉米秸秆进行尿素预处理和NaOH-H_2O_2预处理,研究了秸秆预处理对不同挥发性固体(Volatilesolids,VS)比(1:0、2:1、1:1、1:2、1:3、0:1)的混合厌氧发酵产沼气的特性及动力学。结果表明,秸秆预处理可以促使混合厌氧发酵产生协同作用,CS(NaOH-H_2O_2预处理)/CM的比例为2:1、1:2、1:3,CS(尿素预处理)/CM的比例为1:1、1:2时存在协同效应,比不预处理时的累积甲烷产量提高了6.54%–24.65%。NaOH-H_2O_2预处理对混合厌氧发酵的促进效果优于尿素预处理。NaOH-H_2O_2预处理的玉米秸秆与鸡粪的比例为1:3时的累积甲烷产量最高,为332.7mL/gVS;尿素预处理的玉米秸秆与鸡粪的比例为1:2时的累积产甲烷量最高,为319.7mL/gVS。ModifiedGompertz模型可用于拟合及预测混合厌氧发酵的累积甲烷产量(R~2=0.9845–0.9988)。(2)在连续搅拌罐反应器(Continuousstirredtankreactor,CSTR)中进行玉米秸秆和鸡粪半连续混合中温厌氧发酵,对玉米秸秆进行尿素预处理和NaOH-H_2O_2预处理,通过改变混合发酵底物中玉米秸秆的比例,研究了玉米秸秆与鸡粪的配比(VS比0:1、1:3、1:2、1:1)对半连续厌氧发酵稳定性的影响,结果表明,鸡粪单独半连续厌氧发酵系统在第50天以后的比甲烷产量(Specificmethaneproduction,SMP)仅为0.06L/gVS,运行过程中发酵液的总氨氮浓度最高达到7000mg/L以上,总挥发性脂肪酸含量累积达到6000mg/L以上,系统出现了较强的氨抑制和有机酸积累,不能持续稳定运行。在该系统中添加预处理的玉米秸秆能够缓解氨抑制和有机酸积累,促进系统恢复产甲烷,维持厌氧发酵系统稳定性。NaOH-H_2O_2预处理的玉米秸秆与鸡粪的配比为1:3时SMP最高,为0.33mL/gVS,尿素预处理的玉米秸秆与鸡粪的配比为1:2时SMP最高,为0.31mL/gVS。但是当预处理的玉米秸秆在混合发酵底物中的比例过高时(1:1),由于混合发酵原料中较高的木质纤维素含量,发酵原料的可降解性降低,影响厌氧发酵过程的水解速率,造成发酵不充分,导致产气量降低。(3)在CSTR装置中进行玉米秸秆和鸡粪半连续混合厌氧发酵,研究了添加尿素和对秸秆进行尿素预处理两种方式对混合厌氧发酵特性的影响,比较了添加尿素和尿素预处理在混合厌氧发酵过程中的效果差异。结果表明,添加尿素能够促进厌氧发酵系统运行稳定性,提高甲烷产量;而添加尿素和对玉米秸秆进行尿素预处理的共同作用会对厌氧发酵产生拮抗效应,使得甲烷产量降低。间歇添加尿素可以弥补玉米秸秆没有进行预处理的障碍,其优势在高有机负荷率(Organicloadingrate,OLR)条件下更明显。在OLR为2.1和6.3gVS/L/d时,间歇添加尿素的反应器(CS/CM-HRT-urea)的容积甲烷产量(Volumetricmethaneproduction,VMP)比尿素预处理的反应器(UPCS/CM)分别高1.94%和14.17%,而在OLR为4.2gVS/L/d时,尿素预处理的反应器的VMP比间歇添加尿素的反应器高1.15%。(4)在CSTR装置中进行玉米秸秆和鸡粪半连续混合厌氧发酵,研究了添加生物炭和对秸秆进行尿素预处理两种方式对混合厌氧发酵特性的影响,结果表明,添加生物炭和对玉米秸秆进行尿素预处理可以强化氨氮/有机酸缓冲体系促进厌氧发酵产沼气,改善木质纤维素的降解,进而提升产沼气的性能。尿素预处理的效果与添加生物炭的效果接近,在中、高OLR条件下,尿素预处理与生物炭添加的协同效应尤其明显。当OLR为4.2和6.3gVS/L/d时,生物炭介导的尿素预处理的玉米秸秆与鸡粪混合厌氧发酵系统运行稳定,VMP分别为2.160和1.616L/L/d,比其他反应器高出32.8%–89.6%和27.8%–96.4%。(5)应用16SrRNA基因测序对生物炭介导的玉米秸秆与鸡粪半连续混合厌氧发酵的发酵液中菌群变化情况进行了研究,结果表明,生物炭添加和对玉米秸秆进行尿素预处理均能够促进微生物的多样性提升,其中优势细菌为厚壁菌门(Firmicutes)和拟杆菌门(Bacteroidota),相对丰度分别在39.52%–85.04%和8.60%–48.93%之间。优势古菌为广古菌门(Euryarchaeota)和盐杆菌门(Halobacterota),相对丰度分别在30.97%–61.52%和16.82%–62.69%之间。优势古菌属为甲烷八叠球菌属(Methanosarcina),甲烷杆菌属(Methanobacterium)和甲烷短杆菌属(Methanobrevibacter),相对丰度分别在15.19%–61.41%,16.69%–40.11%和8.00%–21.03%之间。生物炭添加通过调节发酵液中变形菌门(Proteobacteria)细菌的相对丰度而降低有机酸浓度,通过强化Methanosarcina古菌的耐受性促进厌氧发酵的甲烷产量。生物炭添加和尿素预处理在OLR为4.2gVS/L/d时具有通过改变norank＿f＿＿Bacteroidales＿UCG-001和norank＿f＿＿norank＿o＿＿MBA03细菌的相对丰度而调整菌群结构使其接近低OLR条件下菌群结构的作用,有利于厌氧发酵产甲烷。改变OLR、添加生物炭和尿素预处理均能够改变微生物的群落结构。生物炭添加和尿素预处理能够提高细菌和古菌对高有机负荷的耐受性,UPCS/CM-biochar发酵液中细菌和古菌生长活跃,代谢旺盛,能量利用率高,碳源代谢类别为主要的基因功能类别。本研究应用多种强化方法对玉米秸秆与鸡粪的批式混合厌氧发酵和半连续混合厌氧发酵进行调控,研究表明秸秆预处理技术、增加玉米秸秆在混合发酵底物中的比例、添加外源氮源尿素和添加生物炭都能在不同程度上改善厌氧发酵产沼气特性,调节微生物群落结构,提高混合厌氧发酵系统运行稳定性,从而促进产气。