随着我国城市化进程的加快,污水厂剩余污泥和餐厨垃圾作为两类主要的城市固体废弃物,产量日渐增多。如何有效、经济、安全地实现其资源化、能源化成为我国面临的重大挑战。剩余污泥和餐厨垃圾协同厌氧发酵产沼气发电是克服污泥单独发酵时沼气产气率过低、提升污水厂清洁能源利用率和同时实现这两类固体废弃物稳定化与资源化的有效手段,但沼气输出无法根据需求调控是限制该资源化手段规模化应用的重要原因之一。用电需求导向的沼气供应机制可以为这一问题的解决提供思路,但问题在于剩余污泥和餐厨垃圾协同厌氧发酵是否适合于按需供气仍未得到科学验证。在此背景下,本论文基于室内实验和计算机模拟等方法,系统研究剩余污泥和餐厨垃圾协同厌氧发酵实现按需供气的技术可行性,设计和优化按需供气的实现情景,旨在提高餐厨垃圾和剩余污泥的资源化水平,提升废弃物能源化效率,从而可以为推进“无废城市”战略提供新的研究思路和相关理论依据。首先,针对按需供气机制的主要实现手段灵活产气技术,开展室内实验分析了剩余污泥与餐厨垃圾协同厌氧发酵系统实现灵活产气的技术可行性。实验模拟了灵活产气模式下的脉冲式投料,通过设置不同的投料有机负荷和频率等控制参数,分析其对沼气产量和甲烷含量,以及协同厌氧发酵系统稳定性的影响。此外,论文构建了灵活产气模式下协同厌氧发酵系统沼气产量的预测模型。实验结果表明,各脉冲式投料参数下沼气产气速率均可在投料2小时内达到峰值,证明了剩余污泥和餐厨垃圾作为灵活产气的调节型基质能实现即时产沼气,且脉冲式投料过程中p H、NH3-N与FOS/TAC等厌氧发酵过程参数均在合理区间内波动,说明灵活产气模式的瞬时负荷突增不会影响发酵系统的稳定性。同时,结合沼气输出对脉冲式投料的响应参数核算结果,建议选择1.9 g COD·L-1 d-1作为灵活产气的投料有机负荷,并进一步讨论了如何根据实际发电需求确定最适的投料频率等控制参数。接着,通过对比连续产气和灵活产气模式下的沼气储气容量评估了灵活产气的运行效果。最后,基于实验数据,验证了沼气产量预测模型的准确性和有效性。随后,论文基于利用沼气供给发电同总用电需求的匹配程度设计了完全需求导向和不完全需求导向的沼气供应发电情景,并权衡两种发电情景的成本与收益,利用混合整数线性规划模型求解得到最优的沼气动态用气需求曲线。在此基础上,论文设计和优化按需供气的实现情景以调整协同厌氧发酵系统的沼气生产,使产出的沼气能满足沼气动态用气需求曲线。为此,论文首先构建了协同厌氧发酵系统按需供气机制的概念模型,改进并提出了适用于协同厌氧发酵系统的连续产气和灵活产气混合式按需供气情景,并进一步采用系统动力学模型模拟了混合式按需供气情景下协同厌氧发酵系统的运行及资金净现值。此外,为降低按需供气机制的外部性成本,论文分析了政府的激励政策对按需供气机制的辅助效果,为此模拟了系统在新能源配额交易制度下的运行。资金净现值的核算结果表明新能源配额交易制度可以有效激励按需供气机制,该机制下通过沼气发电可覆盖66%的总电能需求。同时证明了混合式按需供气情景能够综合连续产气和灵活产气两种模式的优势,产生更高的经济效益;其中该混合模式应采取连续产气供给大部分沼气需求,剩余需求通过灵活产气进行补充。此外,根据资金净现值的核算及敏感性分析结果,投料有机负荷是影响系统资金净现值的最重要因素,由此确定了按需供气机制的最优运行参数和激励政策。最后,为更全面地评估剩余污泥和餐厨垃圾协同厌氧发酵按需供气机制的可持续性,论文从“能值”的视角对协同厌氧发酵系统的自然环境资源投入进行了核算,并对系统的安全性风险进行了定量化评估。能值分析的结果表明按需供气引入后系统的可持续发展指数（ESI）增加了55.2%。随后,通过带有约束锥的数据包络模型综合能值分析与安全性风险定量化结果,得到各系统的综合效益排序;结果表明按需供气引入后综合效益的增幅仅为4%,说明按需供气机制下的协同厌氧发酵系统虽然会因沼气储量的扩大带来一定的安全性风险,但是其较低的能值投入和较高的经济产出导致其综合效益仍然最高,这证明了按需供气机制是提高系统可持续性的有效手段。论文研究工作表明调节协同厌氧发酵系统实现按需供气具有技术可行性,且通过适当的情景设计、运行参数优化与激励政策辅助可以实现经济效益与环境效益的双赢。