水稻和生猪是江西省绿色食品产业链的两大支柱,每年产生大量的产业废弃物——水稻秸秆和生猪粪污,随着集约化种养规模的扩大,二者的高效绿色减量化压力随之增加。作为连接其生物转化上下游链条的中心环节,共厌氧发酵技术仍然面临着木质纤维素底物难降解、底物转化率低、发酵周期长、沼液重金属含量高且治理困难等问题。本论文以稻秆和猪粪为主要原料,首先系统对比了典型的稻秆快速预处理手段对猪粪产气性能和体系重金属钝化的影响,然后选择具有成本和环境效益的生物预处理方式,结合好氧水解评价了相分离厌氧发酵工艺下的全过程重金属和碳素流动,针对好氧水解生物预处理下水解酸化液中溶解性有机物含量不足的问题,提出了全新的好氧与微好氧结合的曝气方式,探索了相关机理,最终基于前期研究结果建立了一种三段式厌氧发酵装置,评价了其在不同水力停留时间下的底物处理效率及相关性能。研究结果如下:（1）采用典型的快速预处理方法处理稻秆后发现,物理预处理仅改变了稻秆的表面性能,而碱处理对于稻秆的物理化学特性改变最为显著,所有的预处理手段均可以提高稻秆单位质量VS的产甲烷率,尤其是涉及碱处理和超声波相结合的预处理组,其稻秆的产甲烷率均超过纯猪粪的125.36 m L/g VS,提升至131.46m L/g VS以上。同时,将稻秆添加至猪粪中可以有效降低厌氧发酵后沼液中重金属Cu和Zn的含量,其中稻秆的表面吸附性能以及厌氧发酵相关微生物代谢活动可能是促进重金属趋于被钝化的重要影响因素,重金属形态演变与产气峰值时间呈现高度相关性,碱处理组中微生物作用对Cu和Zn的钝化贡献分别达到96.4%和85.8%,但经济效益分析结果显示快速预处理并不具备显著的成本优势,同时体系中重金属的钝化与微生物活动相关性更强;（2）基于前阶段结论,采用以微生物活动为主的生物预处理手段,结合好氧水解以解决底物快速处理的难题,设计了固液分离式的好氧水解酸化循环淋滤装置处理稻秆猪粪混合物料,并对不同好氧水解酸化处理时间下的固液部分分别进行产甲烷碳素流动和重金属流动评价。结果显示当进行8天的循环淋滤后,底物降解率达到37.8%,但固液分离工艺下的过度好氧条件导致体系中无机碳含量增加,不利于溶解性有机质的积累。产甲烷潜力实验结果显示,固体产甲烷潜力随着好氧处理时间延长而下降,而液体产甲烷潜力以0.25天最佳,且液体产甲烷显示出更短的发酵周期和延滞期。碳流结果显示水解酸化液的最大碳素分配比仅为7.2%,未实现甲烷高效率转化。此外,经过8天好氧水解酸化后,液相中的重金属Cu和Zn含量分别降低了78.7%和83.6%,结合后续产甲烷的多步处理工艺可以有效降低液相中重金属的含量,且更强的生物活动可以有效增加钝化趋势;（3）基于前阶段结果已实现较高的液相重金属去除率,为提高好氧水解过程中水解酸化液中溶解性有机质的积累,改用淹水状态下的好氧曝气和微好氧结合处理以避免有机物过度消耗。结果发现淹水状态的好氧处理相较于固液分离式可以积累更多溶解性物质,并且在14天的处理过程中,体系先后经历预存有机物溶出、不溶性物质降解和溶解性物质消耗三个阶段,其中第二、第三阶段之间为溶解性物质积累峰值,该时间点出现在好氧曝气四天以及微好氧一天后,其水解酸化液实现了13219 mg/L的VFAs和29157 mg/L的s COD积累,微生物群落多样性分析结果显示真菌Candida和细菌Lactobacillus、Bifidobacterium和Acetobacter对这一阶段的有机酸积累呈主要的积极贡献。此外,发现好氧曝气有助于体系中的氨氮脱除,这为沼液的循环利用提供了潜在可能性;（4）基于上述研究结果,建立了好氧水解、微好氧酸化和厌氧产甲烷的三段式厌氧发酵台面装置和工艺,该工艺采用沼液回流的半连续进出料方式,处理进料固含率为15%的稻秆和猪粪混合物。经过不同的水力停留时间运行后,发现在水解、酸化和产甲烷的水力停留时间分别控制在4天、1天和5天的条件下,可实现21.23%的VS降解率,用于产甲烷的酸化液VFAs和s COD分别达到11987mg/L和17256 mg/L,产甲烷罐的容积产气率达到1665 m L/L/d,并且由于水解和酸化阶段的脱硫、脱氮效果,以及产甲烷罐中嗜氢产甲烷途径的增强,最终的沼气中甲烷含量高、杂质气体少。碳流结果显示该工艺下转移到水解液中的碳素为25.6%,并且最终有6.7%的碳素转化为甲烷,可以在相同的建造容积下实现一段式6倍以上的农业生产废弃物日处理量。综上所述,面对集约化水稻和生猪产业下日益增加的废弃物,为实现稻秆和猪粪共厌氧发酵过程的减量化和绿色化,本论文针对重金属钝化、稻秆好氧水解酸化新工艺以及高效生物转化甲烷等问题展开研究,最终提出了三段式厌氧发酵装置和工艺,为新型高效厌氧发酵装备的应用与开发提供了数据和理论支撑。