针对我国农村秸秆焚烧、丢弃造成的污染问题和我国能源紧缺的现状，开展农作物秸秆关键技术研究，实现秸秆高效生产清洁能源（生物燃气）和有机肥具有重要意义。本论文从秸秆的预处理工艺、厌氧消化工艺、混合发酵工艺、沼气脱硫等方面着手解决秸秆沼气存在的启动慢、效率低等弊端，实现秸秆的高效利用。并进一步研究了秸秆预处理机理和厌氧消化过程中微生物群落变化趋势。本研究分为三个部分：　　第一部分：秸秆预处理及发酵工艺研究。以沼气日产量、甲烷含量为检测指标，以沼气累积产量和甲烷累积产量为目标，进行了秸秆预处理、湿发酵工艺和混合配比研究，为沼气工程提供参考依据。⑴研究了NaOH、复合菌剂、汽爆、蛋白酶、果胶酶、木聚糖酶、混合酶等多种因素单独或复合预处理效果及工艺，优化后的预处理工艺为5‰的自制菌剂预处理6天（含水率约65％）、再用秸秆干重2％的NaOH常温下预处理3天（含水率约80％），通过复合预处理的实验组前40天的沼气累积产量比未预处理的对照组提高了45.65％，最高日产气率达1.16L/L.d。研究了秸秆预处理前后的组分、表面结构、元素含量等变化情况，结果表明预处理部分降解了秸秆中的各种组分，从而破坏了秸秆致密结构、增加了比表面积，从而促进了后续微生物的分解效率。⑵对秸秆发酵工艺（粒度、接种物添加量、温度、C/N、发酵TS）进行了单因素实验、PB实验和响应面优化，优化后的发酵工艺参数为1％的自制菌剂+2％的NaOH预处理、35℃中温发酵、发酵TS为8～10％、C/N为25∶1、细粉碎（筛孔直径6 mm）、接种物添加量30％。优化工艺下每克玉米秆可产甲烷103ml。⑶研究了各种秸秆和畜禽粪便的混合配比，结果表明不同配比将影响沼气产量，较优的配比为:玉米秆/猪粪约5/5～3/7;玉米秆/鸡粪约7/3～5/5;麦秆/猪粪约1/9～5/5;麦秆/鸡粪约3/7～7/3;稻草/猪粪为1/9;稻草/鸡粪约1∶9～5∶5。小麦/猪粪中温混合发酵最高日产气率达2.46 L/L.d，远高于纯秸秆最高日产气率。以玉米秆和猪粪为代表进行了不同温度发酵，结果表明温度越高，前期产气率越高，55℃最高日产气率达2.73 L/L.d，累积曲线斜率更陡，更早达到平缓期，但到发酵末期的累积产量相差不大。　　第二部分:沼气原位控硫研究。针对混合发酵中添加大量畜禽粪便，导致沼气中H2S含量较高，现有脱硫存在弊端，开发了原位控硫剂。⑴从88种试剂中筛选出甲醛作为SRB的抑制剂，添加量为0.03％，可使沼气中H2S浓度平均减少40.9％。并从5中铁盐中筛选出氯化亚铁作为H2S去除剂，使沼气中H2S浓度减少72％。⑵原位控硫剂的组成为甲醛+氯化亚铁，投加频率为1次/天，随工程进行搅拌，添加量为4 g/g H2S，工程示范可使沼气中H2S含量下降到10 ppm以下，去除率达98％以上。　　第三部分：小试装置产沼气及其微生物群落变化趋势。⑴10L发酵罐实验表明:秸秆、秸秆+猪粪厌氧发酵（以下简称两种发酵）的甲烷含量曲线相似，混合发酵的沼气累积产量(139L)和最高日产沼气量(11.68L)均高于纯秸秆（分别为98 L和7.78 L），分别提高了42.2％和50.1％。⑵454焦磷酸测序及分析表明玉米秆产沼气系统和“玉米秆+猪粪”混合发酵系统的古菌多样性均随着发酵时间的推移而逐渐增加，混合发酵的古菌多样性及其变化幅度均大于纯秸秆。主要古菌都归属于甲烷杆菌纲(Methanobacteria)、热源体纲(Thermoplasmata）和甲烷微菌纲(Methanomicrobia)。两种系统中的细菌多样性在整个发酵期内比较稳定，波动较小:丰度最大的5个门都包含拟杆菌门、变形菌门和厚壁菌门;但在丰度最大的10个OTU方面有较大的差别。