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厌氧消化（anaerobic digestion,AD）是常用的获得生物质能源及处理有机废物的技术手段。由于有机废物大多是复杂大分子,AD过程中水解通常是限速步骤,且当AD系统中产酸速率高于产甲烷时,挥发性有机酸（volatile fatty acid,VFA）会大量积累,出现系统不稳定,产气效率降低等问题。因此,在实际应用中,AD反应器常以低有机负荷率（organic loading rate,OLR）进料,以维持系统的稳定,但其产气效率不高。同时,随着发酵工艺的提升,发酵工程得到迅速发展的扩大应用。但随之大量的沼渣沼液也产生,其在实际生产中依然面临着环境污染与如何合理利用的问题。因此,如何促进底物水解,准确监测AD过程,增强系统稳定性,提高产气率,实现沼液沼渣无害化处理,是AD应用中亟需解决的重要问题。本论文针对上述问题,主要开展三方面研究,第一为底物微氧预处理,比较不同微氧预处理方式在促进底物降解,调节产酸,维持AD过程稳态及促进产气等方面的异同,确定适宜的微氧预处理方式及处理时长;第二为设计指导AD过程补料的生物传感器,以VFA为桥梁,建立AD系统和微生物电化学系统的联系,设计生物传感器,监测AD过程,指导进料,确定适宜的补料策略;最后,通过室内盆栽实验和大田试验,探讨沼液沼渣作为生物肥料应用的可行性。主要的研究结果如下:（1）微氧预处理结果表明微氧预处理的不同方式均可使厌氧发酵底物牛粪（cow manure,CM）、玉米秸秆（corn straw,CS）和餐厨垃圾（food waste,FW）的p H不同程度升高,其中有机负荷（organic loading,OL）为30 g VS/L的FW的p H可从3.28提升至6.4。（2）在（1）的基础上,进一步分析微氧预处理对FW这类底物发酵特性的影响,研究发现:FW经不同微氧预处理方式处理3 d后,其化学需氧量（chemical oxygen demand,COD）增高达43-190%;微氧间歇预处理（微氧2 h/d、4 h/d、6 h/d）过程中VFA逐渐积累,但低于对照组产酸,而微氧持续预处理（微氧24h/d）过程中VFA含量降低;各微氧间歇预处理组的还原糖、蛋白质和铵态氮浓度的峰值分别出现在预处理后第1 d、第3 d和第1 d;不同微氧预处理后的FW厌氧消化累积产气量以4 h/d微氧间歇预处理方式较好,且在处理4 d后的样品最高,比静置组高近800 m L。（3）基于微生物燃料电池（microbial fuel cell,MFC）的生物传感器设计研究表明:在以FW为底物的AD中,当挥发性脂肪酸（volatile fatty acid,VFA）浓度在18.41-41.43 m M内变化时,对应的沼气生产率（biogas production rate,BPR）为0.15-0.31 L/L/d,在此范围内二者呈线性相关,相关系数R~2＞0.98;以AD发酵液作为MFC阳极底物时,MFC电压（10-67 m V）与VFA浓度（0.9-41.77 m M）呈正相关,R~2=0.97,在此线性范围内,MFC电压低于18 m V时,沼液中VFA浓度小于7 m M,产气量下降;因此,设定生物传感器的18 m V作为厌氧消化过程中的补料指示点。（4）利用自制生物传感器指导厌氧消化过程补料的研究结果表明:在连续的AD过程中,以生物传感器指导底物添加的实验组的单位产气率最高,为525m L/g VS,而常规的3 d和7 d间隔补料对照组的单位产气率分别为344和387m L/g VS,比对照组分别高34.5%和26.3%;微生物群落结构在新的补料策略下更为稳定,进行底物降解和甲烷形成的主要微生物类群Prevotella和Methanoscarcina的相对丰度显著提高,分别是对照组的6倍和1.5倍;根据此研究结果设计的便携式生物传感器,可用于室外环境户用沼气池的监测及进料指导。（5）利用AD剩余的沼液沼渣作为生物肥料,评价其肥效与应用潜力,研究表明:沼液以低添加比例（5-20%）能提高番茄种子发芽率,促进芽长增长,而30%以上的添加比例会产生抑制;10-20%的沼液添加量能促进番茄叶绿素、糖和蛋白的合成,并提高生物量;土壤中N含量最大值出现在沼液添加比例为20%时;低沼渣添加量（CH1组）的高粱产量指标显著高于对照组;AD剩余物作为肥料时,稀释后沼液（1:5-1:10）及低添加量的沼渣对作物有促进作用。总之,在厌氧消化前,对底物进行微氧预处理可有效促进底物水解,缓解VFA积累、预防酸抑制、调控AD系统酸积累导致的不稳定,提高产气量;在厌氧消化过程中,基于微生物燃料电池设计的生物传感器可用于AD系统补料指导,该补料策略不仅维持了AD体系的稳定,而且提高了底物单位产气率;厌氧消化后产生的沼液沼渣有作为生物肥料应用的潜在价值。