污水处理过程中伴生大量的剩余污泥（WAS），2008年全国剩余污泥产生量高达1800万吨/年（80%含水率），并以每年10%的速度快速增长，其处理处置费用通常占到污水处理总操作成本的20～50%。因此，合理处理处置废水生物处理过程中产生的剩余污泥是急待解决的问题。WAS中蕴含大量有机质，相比较作为废弃物丢弃，完全有潜力成为一种有价值但是低廉的资源利用。如何结合社会效益、经济效益和环保效益最大化地利用污泥中的有机质是今后污泥处理处置技术发展所需考虑的新方向。本研究提出了利用产酸发酵过程将剩余污泥中可利用碳源转化为短链挥发酸的方法，建立了预处理和外碳源调质促进短链挥发酸（SCFAs）转化和蛋白质降解的策略，为剩余污泥资源化利用提供了一条新途径。为了提高WAS中微生物细胞的溶胞率，进一步促进后续的厌氧消化性能，深入探讨了双频率超声、鼠李糖脂和皂苷三种预处理技术方法对污泥中颗粒有机物水解及产酸发酵的促进作用，揭示了各预处理方法对WAS的溶胞机制。研究结果表明，双频超声（28+40kHz）预处理，SCOD浓度达到10810mgCOD/L，是单频超声预处理（28kHz和40kHz）的1.53和1.44倍。采用微生物衍生型表面活性剂（鼠李糖脂，RL）预处理发现，RL能够明显促进污泥的水解和发酵效率，产生的SCFAs浓度达到3840mgCOD/L，是未经预处理产酸量的4.24倍（投加量为0.04g RL/g WAS (TSS)）。微生物群落分析显示，化学和生物表面活性剂预处理的污泥群落结构有较大差异，仅存在于RL样品中的Megasphaera菌与碳水化合物和乳酸发酵产酸相关；Oscillibacter菌与D-葡萄糖和少量戊糖新陈代谢产酸有直接关系。同时，发现RL在污泥发酵系统中原位合成的途径（96h，浓度自初始的880±92增加到1312±7m/L），能够合成RL的Pseudomonas菌在其中分布亦比化学表面活性剂实验组高~1%。采用植物衍生型表面活性剂（皂苷）预处理发现，皂苷能够有效剥离污泥絮体的松散附着型胞外聚合物（LB-EPS）层，进而破碎位于絮体内部的紧密附着层胞外聚合物（TB-EPS）层。在皂苷投加量0.05g/g TSS处理下，SCFAs产量较未经预处理提升了1.56倍。针对WAS发酵过程中碳氮失衡及蛋白质降解率低下的问题，重点研究了秸秆类（玉米和水稻）和箘糠类（双孢菇和香菇）废弃物作为外加碳源，对剩余污泥的调质作用，考察了外碳源添加对污泥发酵产酸的提升作用，尤其是蛋白质转化的促进作用。发现了外碳源投加对颗粒性有机物的水解和溶出有明显的促进作用。玉米和水稻秸秆、香菇和双孢菇菌糠实验组平均SCOD浓度较单独污泥发酵实验组分别提高了3.6、3.8、2.6和2.7倍（SRT10d），发酵体系中可溶性有机物浓度的提高为后续产酸发酵提供更多底物，这也是碳源转化效率较高的原因之一。同时，外碳源添加可以促进污泥中蛋白质的转化，蛋白质的降解底物NH4+-N浓度相对于单独污泥发酵组有明显的增加，秸秆和箘糠类共发酵组的NH4+-N浓度分别增加了~3.7和~1.8倍（SRT8d）。通过红外光谱分析，代表氨基化合物的功能基团峰均有明显的提升（分别在1720、1658、1550和1230cm-1），这也可以从侧面证实污泥中蛋白质的降解。进而发现，外碳源添加对污泥减量（TSS和VSS的降解）程度有明显提升，且秸秆类外碳源组的降解率明显高于箘糠类。利用微生物电解产氢（MEC）体系，考察WAS发酵回收SCFAs的生物可利用性。首先考察了SCFAs浓度对MEC利用双频率超声预处理污泥发酵液（SFL）产氢的影响，发现经磷酸盐缓冲液（PBS）稀释1倍的实验组获得最高的氢气产率（1.2mL H2/mg COD），从WAS中的整体氢气回收率达到了10mmol H2/mg VSS。同时，考察了不同生物表面活性剂存在下，其对MEC利用发酵液中有机物产氢的影响。虽然从部分底物（C4以上挥发酸及蛋白质）利用的情况来看，SDS化学表面活性剂的降解率较高，但是RL生物表面活性剂对C3以下小分子酸及碳水化合物的利用较好。再进一步对氢气产率及能量效率的结果进行比较，从MEC产氢效能上讲，生物表面活性剂要优于两种化学表面活性剂。RL生物表面活性剂实验组获得最高的氢气产率（0.92mL H2/mg COD），SDBS和SDS分别获得0.01和0.75mL H2/mg COD；能量效率分别达到了2.0%（SDBS）、51%（SDS）和64%（RL）。