追求污水处理厂对运行“碳中和”目标使得剩余污泥能源转化这一老生常谈话题重获新生。然而，传统中温污泥厌氧消化反应器中有机物能源转化率不高、利用率较低，尤其是甲烷（CH4）含量较低，导致沼气热值偏低，限制了剩余污泥转化能源的工程应用。近年来包括我们在内的一些学者提出利用外源H2固定系统中内源CO2，以此来强化CH4产率及其在生物气中的含量设想。但是，目前对于外源H2介入后对厌氧消化系统CH4增产机理以及对系统影响的研究和认识甚少。本文通过构建能量消耗与产生模型，首先测算了我国污水处理厂实现运行“碳中和”的可能性。然后，对外源H2介入厌氧消化反应后下游产CH4路径变化以H2分压对上游水解与酸化影响进行了实验室小试研究。以物料平衡为基础，将水质与能量指标进行耦合，构建了能量平衡模型与分析函数，用以评价污水处理厂能量消耗与回收之间的平衡关系。经实例污水处理厂实测数据验证分析，本研究所构建模型准确而实用。模型分析表明，我国污水处理厂因较低的进水有机物负荷，实施能量（CH4）回收后能量可以弥补一半以上的能量消耗，同时使CO2间接排放量减少50%以上。当外源H2介入中温厌氧消化反应并增大H2分压后，自养产甲烷菌（HMs）和同型产乙酸菌（HAs）对H2消耗的贡献分别为60%和40%。对两种微生物种群数量和动力学参数的实验亦表明，HMs在厌氧消化系统中的数量比HAs高2个数量级；而且，HAs的亲和系数（Ks）是HMs的近10倍高；但是，HAs的最大反应速率却仅为HMs的1/4左右。实验数据从微观上解释了HAs在低H2分压下（常规厌氧消化系统）所表现出的低耗H2活性之原因。实验还揭示，客观上存在着HMs的CH4产率上限。因此，没必要去通过刻意抑制同型HAs活性而达到促进HMs活性的目的。以完整中温厌氧消化系统为基础，实验研究了外源H2介入对污泥厌氧消化过程过程中上游部分的影响，特别是对挥发性脂肪酸（VFAs）的形成的抑制作用。同时，也实验研究了外源H2最佳投加量和最佳投加方式。最后，对外源H2介入消化系统强化CH4产率的机理进行了理论探讨。在间歇性污泥厌氧消化系统（摇瓶实验）中反应伊始注入0.33atm（分压）外源H2时，CH4增产效果最佳，在生物气中含量达71%。实验表明，外源H2注入明显强化了污泥降解效率，使得VSS降解率提高了10%。实验亦表明，当将H2注入时间点调整到厌氧消化系统反应中段时，CH4产量和含量与反应初期注入效果相同，但是，对污泥降解的促进作用并不明显。