厌氧消化技术是提高有机废弃物资源化利用率的关键技术之一。以高含氮有机废物为主要来源的厌氧消化反应器大多受高氨氮抑制的影响,长期处于“抑制的稳定状态”,从而限制了其运行效率及能源转化效率。为了缓解氨氮抑制,生物强化技术可作为极具潜力的解决手段。但选用合适的微生物菌株或菌群尚需进一步摸索。而且,生物强化对厌氧体系甲烷产量、代谢途径、菌群结构等方面的影响也尚不明确。此外,通过修正动力学模型模拟厌氧消化过程,可为优化工况提供理论支持。本文首先对氨氮抑制浓度进行初步确定;接着对缓解氨氮抑制的特定微生物进行筛选;而后考察长期运行厌氧反应器的工艺运行特性,判断强化微生物对产甲烷代谢途径的影响;进而基于实际复杂底物的厌氧反应器,评价生物强化的实际应用潜力,阐明强化微生物对菌群结构、功能基因的影响;最后根据实验数据修正动力学模型,对“生物强化-厌氧”体系进行模拟,并通过动力学参数的分析进一步对产甲烷途径进行初步的量化评价。(1)研究了氨氮对甲烷产量、产甲烷途径、微生物群落的影响。当氨氮浓度分别超过2和5 g NH4+-N L-1时,中、高温反应器的甲烷产量损失超过20%。挥发性脂肪酸数据表明,在中温条件下,氨氮的抑制对乙酸化和产甲烷步骤影响显著,而高温条件下,主要是产甲烷步骤受到抑制。在中温反应器中未发现明显的产甲烷途径转变,而氨氮浓度增加到5 g NH4+-N L-1以上时,高温厌氧生物反应器中的产甲烷途径由噬乙酸产甲烷途径变为噬氢产甲烷途径。在中、高温条件下,尽管厌氧反应器内微生物菌群结构和多样性不同,但微生物群落对氨氮抑制的应激反应是一致的。(2)研究了不同生物强化微生物组合对缓解厌氧消化过程中氨氮抑制问题的影响。选择7株纯菌进行了 13种尝试。添加Methanobrevibacter smithii(MBS)和乙酸氧化菌Syntrophaceticu schinkii对体系进行生物强化是最佳选择,甲烷产量提高了 71.1%,基于产甲烷活性实验(SMA),噬氢甲烷菌的活性明显提高。单独添加兼性噬乙酸产甲烷菌Methanosarcina(MSB)进行生物强化的效果也较好(甲烷产量提高了59.7%),同时,噬乙酸产甲烷菌和噬氢产甲烷菌的活性都得到了增强。同位素示踪实验的结果进一步表明,噬乙酸产甲烷途径和噬氢产甲烷途径的平衡是非常重要的。16S rRNA基因高通量测序结果表明,在14个反应器中,Methanobacterium和Methanosaeta 是优势菌属。Methanobrevibacter和Methanosarcina是非优势菌属,即使添加两者菌属进行生物强化,其相对丰度仍然很低(<2%),但这两种菌属在决定整个微生物群落以及提高厌氧反应器整体性能方面发挥了关键作用。(3)研究了生物强化长期运行的稳定性以及生物强化后全过程产甲烷途径的变化。经过长期运行,生物强化是一种稳定的方法。添加Methanosarcina barkeri(MSB)或 Syntrophaceticu schinkii(SS)+Methanobrevibacter smithii(MBS)进行生物强化后,甲烷产量增加了35%,用Methanosaeta harundina(MSH)+SS+MBS 进行生物强化后,甲烷产量增加了 49%。结果表明,应同时考虑噬乙酸和噬氢产甲烷途径的增强,并选择合适的生物强化组合以达到协同效应。微生物群落分析表明,各反应器中均以Methanosarcina为主,结合SMA和同位素示踪实验结果,表明Methanosarcina在不同反应器中表现的产甲烷途径不同。COG和总功能酶的丰度变化与甲烷产量的变化保持一致。功能酶EC 2.1.1.86与EC 1.2.99.5的比值和功能酶EC 1.2.1.2的相对丰度说明Methanosarcina在MSB中主要加强噬乙酸产甲烷途径,而在MSH+SS+MBS中两种产甲烷途径均增强。(4)向以牛粪和猪粪为基质的厌氧消化反应器中添加混合菌群,探讨其生物强化效果。添加混合菌群对体系进行生物强化会加强厌氧消化反应器的甲烷产量,以牛粪为基质的反应器和以猪粪为基质的反应器在生物强化后,甲烷产量分别提高了 26-39%和25-50%。VFA累积量监测实验和SMA结果表明,添加来源于相同基质反应器的混合菌群对反应器进行生物强化,主要强化了乙酸化和产甲烷步骤;添加混合菌群S-C可以强化酸化、乙酸化和产甲烷步骤。通过对微生物菌群结构的分析,添加混合菌群可以一定程度上增加混合菌群中优势菌种在原体系内的相对丰度。从功能酶和功能基因的角度分析,生物强化后不同产甲烷途径的关键功能酶和功能基因的丰度均增加,说明噬乙酸产甲烷途径和噬氢产甲烷途径的活性均得到加强;同时乙氧基甲基转移酶(EC:2.1.2.1)可能是进一步增强噬乙酸产甲烷途径的“突破口”。通过“微生物-COG功能”贡献度的分析,兼性噬乙酸产甲烷菌Methanosarcina比噬乙酸产甲烷菌Methanosaeta表达出更全面的功能或者在不同功能中表现出更强的活性。(5)基于实验结果对厌氧消化1号模型(ADM1)进行修正,并对“生物强化-厌氧”体系进行模拟预测。对氨氮抑制、生物强化以及乙酸氧化步骤进行修正拓展的ADM1模型对“生物强化-厌氧”体系的预测效果良好(R2>0.96)。修正后的ADM1中,生物强化后km值均增大,说明生物强化主要加强的是微生物对底物的降解速率。同时,在添加混合菌群进行生物强化的过程中,kmsu,krbu,kmpro,kmac和kmh2均增大,表明添加混合菌群对厌氧消化过程中的各降解步骤均有强化效果。修正后的ADM1对来源于不同产甲烷途径的甲烷产量贡献度的模拟结果与前期产甲烷活性结果和微生物菌群结构结果保持了较高的一致性,该预测结果可以初步判断产甲烷途径。从动力学角度对混合菌群强化效果进行分析,发现在以复杂底物为基质的反应器中,加强噬乙酸产甲烷途径是进一步优化体系内甲烷产量的关键瓶颈。本文在明确氨氮抑制浓度后,对高氨氮条件下的厌氧消化产甲烷反应器进行生物强化,实现“抑制的稳定状态”向“高效的稳定状态”的转变,从反应器实际运行性能、微生物生态学、反应动力学等多角度为高含氮有机物高效厌氧产甲烷提供理论依据及技术支撑。