马铃薯被认为是全世界的五种主粮之一。作为马铃薯的最大生产国家，中国有约七分之一的马铃薯用于淀粉。在马铃薯淀粉加工过程中，大约有12%-20%的原料被浪费，并主要以废水的形式排放。马铃薯淀粉加工废水（PSPW）是典型的成分复杂的高浓度废水，如果处理不当而排放，会导致受纳水体的富营养化和人体健康等严重问题。另一方面，高浓度PSPW可用于生产可再生能源（如甲烷等），是全球能源供给的有益补充。为此，厌氧消化（AD）被认为是处理PSPW的经济有效的技术。然而，PSPW的厌氧生物处理，需要进一步的优化，而其污染物去除机制也需要更深入的研究，为强化污染物的去除效能和能源回收效率提供指导。本文构建了升流式活性污泥床（UASB）反应器和间歇曝气式序批反应器（intermittentlyaeratedsequencingbatchreactor，IASBR），并将两者串联形成了UASB-IASBR联合工艺用于PSPW的处理和能源回收。论文通过有机负荷（OLR），包括进水化学需氧量（COD）和水力停留时间（HRT）的调控，评价了UASB和UASB-IASBR联合工艺的运行效能，并构建了数学模型对UASB的厌氧消化过程进行了模拟，以实现厌氧消化的优化控制。为了解UASB处理PSPW的微生物学机理，分析了厌氧活性污泥中的功能菌群及其变化特征。为进一步提高厌氧活性污泥的活性和产甲烷效能，论文还探讨了零价铁（ZVI）对UASB厌氧活性污泥产甲烷性能和微生物群落结构的影响。　　接种5.6gVSS/L好氧活性污泥后，UASB在35℃下启动并持续运行。在启动过程中，OLR从初始的1.5kgCOD/m3?d逐渐提高到了4.23kgCOD/m3?d，期间HRT也由48h降低到了24h。在112d的启动阶段，UASB的COD去除率、沼气产量和沼气中的甲烷体积百分数分别从87%、3.4L/d和56.2%增加到了92%、17.4L/d和84.5%。为了解PSPW在UASB中的厌氧消化速率和程度，借助于批式培养研究了厌氧活性污泥的过程动力学特征。结果表明，随着初始COD浓度从6.59g/L（P1）到13.19g/L（P2）再到21.1g/L（P3）的不断提高，活性污泥培养的对数期（?）也从4.75d延长到了5.13d，说明UASB在较高的OLR下，需要较长的HRT方能取得良好的处理效果。以Gompertz对P1、P2和P3厌氧消化过程的模拟结果显示，厌氧活性污泥的底物降解速率常数k随着OLR的改变而改变，最大产甲烷速率（Rmax）分别可达38.03、48.90和57.31mL/gVSS?d，产甲烷潜势（Mo）分别为468.76、511.50和504.34mLCH4/gVSS。　　以厌氧活性污泥对PSPW的厌氧消化速率和降解程度评估结果为指导，对UASB进行了进水COD浓度和HRT的调控运行。结果表明，在OLR2.70-13.27kgCOD/m3?d范围内，UASB对COD去除率可维持在92.0%-97.7%之间，而甲烷和沼气的比产速率分别从0.48和0.90m3/m3?d升高至2.97和4.28m3/m3?d。其中，OLR为3.65kgCOD/m3?d时的COD去除率最高，为97.7%左右。当有机负荷继续增加到13.27kgCOD/m3?d后，COD去除率则下降到了92.0%。采用IASBR对UASB的出水做进一步处理，在运行周期为8h的条件下，即便UASB的进水COD浓度高达20g/L，IASBR出水中COD浓度平均仅为285mg/L，说明UASB-IASBR组合工艺能够高效去除废水中的COD。尽管UASB出水的pH在7.23-9.32范围波动，IASBR中的NH4+-N氧化率并未受到明显影响。IASBR在稳定运行时期，其TN平均去除率达到了92.9%，出水中残留的TN只有57.7mg/L左右。　　为揭示UASB处理PSPW的机制，对反应系统的活性污泥微生物群落进行了分析，并通过改进的数学模型对反应器的运行特征进行了模拟。从UASB污泥床的不同高度（上层、中层、下层）采集活性污泥，利用细菌的16SrRNA高通量测序技术对反应系统的微生物群落进行了分析。结果表明，在污泥床上层、中层和下层的活性污泥中，细菌的优势种属有显著差别，分别为Levilinea（14.68%）、Methanosaeta（25.31%）和CandidatusCloacamonas（21.48%）。与上层污泥相比，底层和中层污泥中的胞外聚合物浓度较高，污泥中富集了大量杆形和球形产甲烷细菌，如Methanosaeta和Methanosarcina等。分析发现，UASB污泥床中的功能菌群沿反应器高度呈现分层分布，是PSPW中的有机污染物得到逐级降解的微生物学基础。　　分别对三层前馈反向传播人工神经网络（BP-ANN）模型和多元非线性回归（MnLR）模型进行校正，并分别用于UASB处理PSPW的沼气产量、甲烷产量和COD去除率的模拟和评估。结果发现，BP-ANN模型的模拟效果比MnLR的更好，获得的沼气产量、甲烷产量和COD去除率相关指数（R2）分别为0.98、0.98和0.84，可用于UASB的过程控制和优化。　　为进一步提高PSPW的产甲烷率，通过UASB厌氧活性污泥的培养，考察了零价铁（ZVI）对PSPW厌氧消化过程中微生物群落结构、产甲烷能力和动力学特征的影响。产甲烷速率常数（k）的分析结果表明，ZVI对UASB厌氧活性污泥的微生物群落结构和产甲烷性能有显著影响。ZVI剂量分别为0、1、4、10和20g/L时，废水厌氧消化的?分别为6.24，5.62，4.46，4.20和4.59d，说明ZVI的投加有利于污染物的快速降解。在最佳ZVI剂量10g/L条件下，AD系统的COD去除率可高达97.51%，活性污泥的Mo也达到了630.6mLCH4/gVSS，较对照系统提高了64.7%。16SrRNA的高通量测序结果及分析表明，Chloroflexi、Firmicutes、Euryarchaeota、Bacteroidetes、Proteobacteria和Synergistetes是UASB厌氧活性污泥中的主要菌门。投加ZVI后，乙酸营养型产甲烷菌Methanosaeta显著增加，而Bacteroides、Thermovirga、Caldisericum、Ethanoligenens和Aminobacterium等菌属的数量显著减少。其中，在最佳ZVI剂量10g/L下，Chloroflexi菌门中的Levilinea菌群增加了3倍。显然，ZVI可以诱导厌氧活性污泥微生物群落的改变，使之更有利于强化PSPW的水解酸化和产甲烷作用。　　综上所述，UASB-IASBR工艺是一种经济高效的马铃薯淀粉加工废水处理技术，微生物群落在UASB中的分层分布特征，有效提高了有机污染物在系统中的降解效率和甲烷产率。利用校正的BP-ANN模型能够很好地模拟UASB的运行特征，可用于厌氧消化的过程控制和优化。投加ZVI可有效刺激厌氧活性污泥活性，提高厌氧消化系统的污染物去除效能和产甲烷效率。