玉米秸秆工业化制沼气是缓解化石能源危机、解决秸秆露天焚烧造成的环境问题、实现其高值清洁资源化的有效途径。针对玉米秸秆直接厌氧发酵制沼气存在发酵速度慢、产气量少和利用率低等问题,本研究从玉米秸秆从收割到产生沼气全环节及工艺角度出发,通过对玉米秸秆制沼气过程中三个关键单元的研究,发现了玉米秸秆失水速率与可生化物质含量变化的相关关系,探索了一种水热反应和发酵产沼气阶段的铁离子共利用、玉米秸秆与生物污泥优化共发酵的方法以提高玉米秸秆厌氧发酵沼气产率。通过采用使收割后的新鲜玉米秸秆快速失水的方法来抑制酶的生理活动,以减少营养物质的消耗和减缓木质纤维化进程,提高后续水解利用效率。通过考察不同失水速率对玉米秸秆组成结构和水解效果的影响,发现快速失水玉米秸秆木质纤维化程度低于缓慢失水玉米秸秆,且在水热反应中纤维素和半纤维素更易水解。在120℃稀酸水解70 min时前者总糖产率比后者高14.8%。XRD分析显示快速失水玉米秸秆结晶度指数低于缓慢失水玉米秸秆,FTIR分析显示快速失水玉米秸秆相对缓慢失水玉米秸秆结晶性纤维素含量低,非定形纤维素含量高,且木质素与半纤维素之间的链接程度较低,快速失水后储存的秸秆更利于后续水解。利用FeCl₃催化水热反应水解玉米秸秆以提高秸秆的可生化性,应用响应曲面法进行实验设计得到在反应温度143℃、FeCl₃浓度0.1 mol/L、反应时间21 min时,水解效果最佳,其水解液中总还原糖浓度达35.56 g/L,糠醛和羟甲基糠醛浓度和为2.76 g/L。研究发现Saeman模型可以很好的预测FeCl₃催化玉米秸秆水热反应中半纤维素的水解。应用阿伦尼乌斯方程计算出木糖和阿拉伯糖反应的活化能分别为112.59和75.23 kJ/mol。玉米秸秆FeCl₃高温催化水解后累积沼气产率从未处理的114.2 mL/gVS上升到123.9 mL/gVS,提高了8.45%。在前两部分研究的基础上,将FeCl₃催化水热反应后的玉米秸秆和低能量密度超声/碱耦合处理的生物污泥共发酵。结果发现,共发酵提高了产气效率,当预处理玉米秸秆和污泥的TS配比为2:1时,总累积甲烷产率达到最大值130.5mL/gVS,为理论最大甲烷累积产率的89.7%。两者在共发酵过程中具有协同作用,协同效率为13.4%⁸4.8%。同时,共发酵提高了系统的缓冲性和稳定性,Fe³⁺提高玉米秸秆可生化性的同时也可作为微量元素被厌氧微生物利用。此外,快速失水玉米秸秆FeCl₃催化水热反应后与超声/碱耦合处理的生物污泥厌氧共发酵,累积甲烷产率比缓慢失水玉米秸秆高17.5%。