隨著城市化進(jìn)程加速與工業(yè)發(fā)展，有機(jī)廢水排放量激增，若未經(jīng)有效處理直接排放，將導(dǎo)致水體富營養(yǎng)化、溶解氧耗盡等生態(tài)問題，威脅水生生態(tài)系統(tǒng)平衡。厭氧污水處理技術(shù)通過厭氧微生物的代謝作用，將有機(jī)污染物轉(zhuǎn)化為甲烷（CH?），實(shí)現(xiàn)“污染治理-能源回收”協(xié)同，符合“雙碳”目標(biāo)下生態(tài)環(huán)境保護(hù)與資源循環(huán)的需求，已廣泛應(yīng)用于生活污水、畜禽養(yǎng)殖廢水、食品加工廢水等處理場景。

一、材料與方法

（一）實(shí)驗(yàn)裝置與核心設(shè)備

本研究核心實(shí)驗(yàn)設(shè)備為博清生物三氣培養(yǎng)箱，配套設(shè)備包括：500mL血清瓶、氣相色譜儀、高效液相色譜儀、實(shí)時(shí)熒光定量PCR儀及高通量測序平臺(tái)。

（二）實(shí)驗(yàn)用水與接種污泥

1、模擬生活污水：參照《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18918-2002）配置，水質(zhì)指標(biāo)如下：COD=500±20mg/L，NH?-N=35±5mg/L，TP=5±1mg/L，pH=7.0±0.2，采用葡萄糖、蛋白胨、KH?PO?、NH?Cl等試劑配制。

2、接種污泥：取自某市污水處理廠厭氧消化池，取回后經(jīng)35℃預(yù)處理72h，污泥基本性質(zhì)：VSS/SS=0.72，MLVSS=4500±200mg/L。

（三）實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)采用批次實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ剑瑢⒛M污水與接種污泥按體積比3:1加入血清瓶（工作體積 300mL），用1mol/L HCl或NaOH調(diào)節(jié)初始pH至7.0±0.2，密封后通入高純N?（99.999%）10min驅(qū)氧，隨后放入博清生物三氣培養(yǎng)箱，設(shè)置3組溫度-氣體組合實(shí)驗(yàn)，每組3次平行，實(shí)驗(yàn)周期30d，具體設(shè)計(jì)如下：

（四）監(jiān)測指標(biāo)與方法

1、常規(guī)水質(zhì)指標(biāo)：每3d取樣，參照《水和廢水監(jiān)測分析方法》（第四版）測定COD、VFA。

2、產(chǎn)氣性能：采用排水法計(jì)量日產(chǎn)甲烷量，氣相色譜儀分析CH?純度。

3、微生物群落分析：實(shí)驗(yàn)結(jié)束后取污泥樣品，采用CTAB法提取總DNA，通過16S rRNA基因高通量測序分析群落結(jié)構(gòu)，測序數(shù)據(jù)通過QIIME2進(jìn)行質(zhì)控與注釋，基于OTU（操作分類單元）分析物種相對(duì)豐度。

二、結(jié)果與分析

（一）不同實(shí)驗(yàn)條件對(duì)COD去除效能的影響

各實(shí)驗(yàn)組COD去除率隨時(shí)間的變化趨勢(shì)。實(shí)驗(yàn)前10d，所有組COD去除率快速上升，隨后進(jìn)入穩(wěn)定期（15-30d）。穩(wěn)定期內(nèi)：

1、CK組COD去除率為73.6%±2.1%，主要因純 N?氛圍下系統(tǒng)pH易下降（最低至6.2），抑制產(chǎn)甲烷菌活性；

2、T1組（中溫+80% N?+20% CO?）COD去除率達(dá)92.3%±1.5%，較CK組提升18.7%，且pH穩(wěn)定在6.8-7.2，推測CO?通過與H?O 反應(yīng)生成HCO??，增強(qiáng)了系統(tǒng)pH緩沖能力，避免VFA積累導(dǎo)致的酸抑制；

3、T2組（中溫+75% N?+20% CO?+5% H?S）COD去除率為88.5%±1.8%，略低于T1組，但顯著高于CK組，說明低濃度H?S未對(duì)功能微生物產(chǎn)生明顯抑制，且可能通過硫循環(huán)促進(jìn)有機(jī)物降解；

4、T3組（高溫+80% N?+20% CO?）COD去除率為85.7%±2.0%，低于T1組，可能因高溫下CO?溶解度下降（較35℃降低約30%），導(dǎo)致pH緩沖能力減弱，VFA積累量（112.3±6.5 mg/L）高于T1組。

（二）不同實(shí)驗(yàn)條件對(duì)產(chǎn)甲烷性能與 VFA 積累的影響

產(chǎn)甲烷量與VFA濃度是反映厭氧系統(tǒng)穩(wěn)定性的核心指標(biāo)。

1、T1組產(chǎn)甲烷量最高，CH?純度達(dá)68.5%±1.2%，VFA濃度最低，表明20% CO?的加入優(yōu)化了產(chǎn)甲烷菌的代謝環(huán)境，促進(jìn)VFA轉(zhuǎn)化為CH?；

2、CK組產(chǎn)甲烷量僅228.4±10.5mL/g?COD??，VFA濃度高達(dá)156.4±8.9mg/L，酸抑制效應(yīng)顯著；

3、T2組產(chǎn)甲烷量略低于T1組，可能因5% H?S對(duì)產(chǎn)甲烷菌的輕微抑制，但VFA濃度仍低于CK組，說明系統(tǒng)仍保持較高穩(wěn)定性；

4、T3組（高溫）產(chǎn)甲烷量低于T1組，與高溫下CO?緩沖能力下降導(dǎo)致的VFA積累一致。

（三）不同實(shí)驗(yàn)條件對(duì)微生物群落結(jié)構(gòu)的影響

高通量測序結(jié)果顯示，各實(shí)驗(yàn)組微生物群落結(jié)構(gòu)存在顯著差異，核心功能微生物（產(chǎn)甲烷古菌）的相對(duì)豐度與處理效能呈正相關(guān)：

1、CK組：產(chǎn)甲烷古菌相對(duì)豐度僅17.3%，優(yōu)勢(shì)菌為Methanospirillum，該菌對(duì)酸敏感，導(dǎo)致系統(tǒng)抗沖擊能力弱；

2、T1組：產(chǎn)甲烷古菌相對(duì)豐度提升至38.6%，優(yōu)勢(shì)菌為Methanosarcina與 Methanobacterium。其中，Methanosarcina可利用乙酸、甲醇等多種底物產(chǎn)甲烷，抗酸能力強(qiáng)；Methanobacterium可利用H?/CO?產(chǎn)甲烷，與系統(tǒng)中20% CO?的供給形成適配；

3、T2組：產(chǎn)甲烷古菌相對(duì)豐度為32.1%，Methanosarcina占比提升至65.3%，Methanobacterium占比降至18.5%，解釋了其產(chǎn)甲烷量略低于T1組的現(xiàn)象；

4、T3組（高溫）：產(chǎn)甲烷古菌相對(duì)豐度為29.8%，優(yōu)勢(shì)菌為Methanothermobacter，但因CO?緩沖不足導(dǎo)致的VFA積累，其豐度仍低于T1組的Methanosarcina。

三、討論

厭氧污水處理的核心是“微生物-環(huán)境因子-處理效能”的協(xié)同適配，而精準(zhǔn)調(diào)控環(huán)境因子是解析該協(xié)同機(jī)制的前提。本研究通過博清生物三氣培養(yǎng)箱的多參數(shù)控制能力，明確了以下關(guān)鍵結(jié)論：

1、CO?的調(diào)控作用：中溫條件下，20% CO?的加入通過兩點(diǎn)機(jī)制提升系統(tǒng)效能：①作為pH緩沖劑，維持HCO??/CO?平衡，避免VFA積累導(dǎo)致的酸抑制；②作為產(chǎn)甲烷菌的碳源，促進(jìn)其生長與代謝，使產(chǎn)甲烷古菌豐度提升21.3%。

2、低濃度H?S的影響：5% H?S未對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生顯著抑制（COD去除率仍達(dá)88.5%），反而通過篩選出更耐受H?S的產(chǎn)甲烷菌，維持了系統(tǒng)穩(wěn)定性。這提示在實(shí)際工業(yè)廢水（如含硫廢水）處理中，可通過博清生物三氣培養(yǎng)箱模擬不同H?S濃度，優(yōu)化工藝參數(shù)以適應(yīng)復(fù)雜水質(zhì)。

3、溫度與氣體的交互效應(yīng)：高溫（55℃）下，CO?溶解度下降導(dǎo)致緩沖能力減弱，即使通入20% CO?，VFA濃度仍高于中溫組，說明溫度會(huì)影響氣體組分的作用效果。博清生物三氣培養(yǎng)箱的溫度-氣體聯(lián)動(dòng)控制功能，可精準(zhǔn)捕捉這種交互效應(yīng)，為不同氣候區(qū)厭氧處理工藝的溫度適配提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

對(duì)比傳統(tǒng)厭氧實(shí)驗(yàn)設(shè)備，博清生物三氣培養(yǎng)箱的優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在：①避免了厭氧手套箱操作繁瑣、無法長期培養(yǎng)的問題；②解決了血清瓶實(shí)驗(yàn)中氣體濃度隨反應(yīng)進(jìn)程變化的缺陷（實(shí)時(shí)補(bǔ)充氣體）；③多參數(shù)同步調(diào)控能力可解析單一因子的獨(dú)立作用，提升實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性。然而，本研究為批次實(shí)驗(yàn)，后續(xù)可利用該設(shè)備構(gòu)建連續(xù)流厭氧系統(tǒng)，模擬實(shí)際工程的長期運(yùn)行，進(jìn)一步驗(yàn)證參數(shù)優(yōu)化效果。

博清生物三氣培養(yǎng)箱可通過精準(zhǔn)控制溫度與氣體組分，構(gòu)建穩(wěn)定的厭氧微環(huán)境，為環(huán)境科學(xué)與生態(tài)研究中厭氧污水處理的機(jī)制解析提供標(biāo)準(zhǔn)化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

中溫（35℃）條件下，氣體組分為N?/CO?=80/20時(shí)，厭氧系統(tǒng)效能最佳：COD去除率達(dá)92.3%，產(chǎn)甲烷量達(dá)325.6 mL/g?COD??，產(chǎn)甲烷古菌相對(duì)豐度提升至38.6%，顯著優(yōu)于傳統(tǒng)純N?厭氧系統(tǒng)。

低濃度H?S（5%）可通過篩選耐受型功能微生物，維持系統(tǒng)穩(wěn)定性；溫度會(huì)影響氣體組分的作用效果，中溫下CO?的pH緩沖能力更顯著。

博清生物三氣培養(yǎng)箱在厭氧污水處理的微環(huán)境調(diào)控、功能微生物響應(yīng)及工藝參數(shù)優(yōu)化研究中具有重要應(yīng)用價(jià)值，可為實(shí)際厭氧處理工程的高效穩(wěn)定運(yùn)行提供理論與技術(shù)支撐。