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本研究以柳枝稷、小麦秸秆、玉米秸秆三种木质纤维素为原料,采用亚临界水预处理（SWP）技术,基于甲烷发酵液循环利用和预处理残渣乙醇发酵后回用,建立两组（SW、SC）原料替换下的乙醇-甲烷联产闭路循环（BMS-CC）工艺,探究生物质原料替换对双发酵闭路循环工艺及燃料产量的影响,以期为今后实际生产应用提供参考。主要研究内容及结论如下:1.亚临界水预处理:两组工艺各30批次循环预处理液总还原糖含量、残渣得率均以原料变换（Cycle 12）为分界点分两阶段,而在同一原料循环阶段内较为稳定。当柳枝稷被分别替换为小麦秸秆、玉米秸秆后,SW、SC两组残渣得率整体增大,平均残渣得率（%）分别由55.85和56.54增大为70.62和72.56;预处理液总还原糖含量整体降低,平均总还原糖（mg/L）分别由2067和1805降低至700和633。原料替换后两组SWP残渣主要成分相对含量均明显增大,SW组纤维素、半纤维素、木质素平均含量（%）在原料替换前后分别为32.55和43.03,8.14和14.27,12.11和13.33;SC组纤维素、半纤维素、木质素平均含量（%）在替换前后分别为32.60和42.43,7.47和13.82,12.56和14.45。试验条件下,纤维素、半纤维素、木质素平均去除率（%）分别为,柳枝稷:6.74、13.60、8.77;小麦秸秆:3.62、8.00、7.32;玉米秸秆:3.72、9.34、7.27。SWP较多地去除了生物质中木质素,促使部分半纤维素溶出,且保留了大部分纤维素,与小麦秸秆、玉米秸秆相比,SWP对柳枝稷作用效果更显著。2.乙醇发酵:两组残渣酶解后葡萄糖浓度变化不同,均以原料替换（Cycle 12）为分界点分两阶段。柳枝稷替换为小麦秸秆时,两阶段葡萄糖平均浓度（g/L）分别为11.43和11.18,酶解率（%）分别为32.16和23.63;替换为玉米秸秆时,两阶段葡萄糖平均浓度（g/L）分别为13.73和10.05,酶解率（%）分别为38.17和18.26。SW、SC两组各30批次葡萄糖平均浓度（g/L）分别为11.27和10.43,酶解后葡萄糖含量水平SW组比SC组高。原料替换前后两组乙醇产量变化不同。SW、SC两组平均乙醇浓度（g/L）分别为6.14和5.12;替换前（Cycle 1～11）,两组同为柳枝稷,平均浓度（g/L）分别为6.51和6.84,乙醇转化率（%）分别为108.20和102.49,乙醇产量差异不大;原料替换后（Cycle 12～30）,SW、SC两组平均浓度（g/L）分别为5.94和4.22,乙醇转化率（%）分别为104.34和97.40,乙醇产量均降低,且SC组乙醇产量降低更显著。3.甲烷发酵:厌氧发酵产气周期基本可分三阶段,即快速增长期（0～2 d）、缓慢增长期（2～8 d）及稳定期（8 d以后）。SW组各批次产气过程相似,基本都经历三个阶段,原料替换后无明显差异;而SC组可分两类,一类是三阶段过程,产气量较高,另一类是只包含快速增长期（0～2d）和稳定期（2d以后）的两阶段过程,产气量普遍较低。原料替换前后SW、SC两组总产气量（mL）分别为1027和1172,704和775;甲烷浓度（%）分别为44.18和51.06,44.55和48.32;甲烷产量（mL）分别为490.20和599.23,315.24和373.33,虽然替换后总还原糖含量均显著降低,但三个产量指标均增大,表明菌群逐渐被驯化,产甲烷能力提升。整个BMS-CC中发酵后剩余还原糖基本均在200 mg/L,与发酵前还原糖水平无关,表明产甲烷菌在利用底物合成甲烷时存在阈值。此外,乙醇发酵废液渣回用对甲烷产量有促进作用。4.甲烷发酵体系菌群分析:16S rDNA测序表明,两组发酵体系物种丰度、群落多样性均较高,优势菌群存在演替。根据OUT水平上PCA分析和发酵体系优势菌群变化分析,两组不同阶段群落演替规律不同。SW组与原始污泥群落（Y）相比,随循环增加群落差异和变化显著,而工艺末期（SW.27～30）差异较小,说明经长期发酵驯化后,发酵体系菌群结构相似且趋于稳定;SC组中,原始污泥菌群、原料替换阶段（SC.11～14）、工艺末期（SC.26～30）群落结构差异较大,但临近批次群落结构较为相似,表明BMS-CC过程中菌群逐渐演变并最终形成较稳定群落结构。两组发酵体系中产甲烷菌群差异较大,SW组中主要是氢气利用型产甲烷菌（甲烷杆菌属）,而SC组中两种类型产甲烷菌Methanobacterium（H2/CO2利用型）和Methanosaeta（乙酸利用型）同为优势菌,表明底物利用和产甲烷主要途径不同致使甲烷产量变化不同。此外,属水平优势菌群功能分析显示,甲烷发酵涉及三类菌:发酵性菌群,如纤维素、葡萄糖、芳香族化合物等降解菌;酸化菌群,如 Anaerolinea、Bacteroides、Pseudobutyrivibrio、Syntrophobacter 等;产甲烷菌群如Methanobacterium、Methanosaeta、Methanolinea等;同时也鉴别到变形菌门Syntrophorhabdus、Syntrophus、Dechloromonas三种降解芳香族化合物的菌群。5.预处理液及甲烷发酵液GCMS分析:两组各批次预处理液中化合物种类多（平均150多种）、类型多,按主要物质官能团均可归为十类,即呋喃类、酮类、酚类、芳香族、醇类、醛类、酸类、酯类、烃类以及其它类（胺、酰胺、酰肼、醚等）,表明样品成分在类型上无明显差别。试验条件下SWP主要降解产物为酚类、酯类、醛类及酮类物质,SC组较高的呋喃类物质为两组预处理液主要差异。SWP中木质素降解产生大量芳香性毒物如苯酚类、醛类等,但经甲烷发酵后液体各类别（除酯类、烃类）化合物数量、相对含量大幅减少,且每经过一个甲烷发酵周期,主要成分类别基本变为酯类、烃类及酚类物质;随循环增加,其余各类物质不同程度被微生物代谢利用或反应消耗,如 2,3-dihydro-Benzofuran、2-Methoxy-4-vinylphenol、Vanillin、2,4-Di-tert-butylphenol、Apocynin、2,4-dimethoxy-Phenol、2,6-dimethoxy-Phenol 等抑制物在发酵后显著减少,循环过程中并未大量积累,表明虽然发酵体系中仍积累着抑制物（芳香族、氨氮类等）,但发酵菌群经过驯化具备了一定毒物适应力。