复杂有机物在厌氧消化过程中,除了有一部分用于微生物生长和产生一些难降解的有机物,大部分有机物会转化为甲烷。当产甲烷过程受到抑制后,混菌厌氧发酵同样会产生一些其他的有价值的产物(如醇类,挥发性脂肪酸等生物燃料)。但是,所产生的生物燃料浓度和纯度都不能达到生产的直接要求,需要进一步的分离纯化才能够被后续的工艺所利用。所以,本论文对混菌厌氧发酵(MCF)代谢产物的调控进行了一系列研究,即通过调控温度,pH,氨根离子浓度等一系列相关参数,可定向调控混菌厌氧发酵的代谢产物,以提高其浓度和纯度,为MCF体系产脂肪酸和甲烷应用于实际提供技术指导和理论依据。主要内容和结果包括:1.将污泥厌氧消化体系的温度从高温上升到超高温,开发出一段式原位污泥厌氧消化的工艺,实现了污泥水解和产甲烷过程在同一体系中连续进行。研究结果表明,在55℃-65℃的温度范围内获得了稳定的产甲烷性能,在温度为65℃的条件下,获得了208.51±13.66 mL/g VS的最大甲烷产量,并且得到最大水解率(33%)和酸化率(27.1%)。然而,进一步升温至70℃并未相应地改善产甲烷的性能。微生物群落分析表明,与乙酸氧化过程高度相关的菌群Coprothermobacter在较高温度下占据着主要地位,且随着温度的升高,产甲烷古菌的优势种群从嗜乙酸产甲烷菌Methanosarcina转变为嗜氢产甲烷菌Methanothermobacter。该研究结果表明,一段式污泥厌氧消化可以实现在高温条件(65℃)下稳定产甲烷,从而可以减少常规的高温预处理环节,有效降低处理成本。2.研究了污泥停留时间(SRT)对高温条件下(65℃)一段式污泥厌氧消化的影响。结果表明,最佳SRT为6天,此时甲烷产量达到最大值(186.16 mL/g VS)。同时,发现SRT的变化对水解和VS的分解率几乎没有影响。较长的SRT促使更多难降解中间产物的生成,从而减弱了酸化程度,最终导致甲烷产量较低。微生物群落分析显示,温度为65℃时不同SRT条件下的甲烷生成均是由厌氧乙酸氧化细菌和嗜氢产甲烷菌协同作用完成的。另外,从经济角度来看进料污泥的浓度高于23 g/L时,产生的能量可以抵消高温维持消耗的能量。3.以半连续流模式运行MCF,以混合污泥(初沉污泥和好氧污泥)为发酵底物,旨在提高挥发性脂肪酸(VFAs)的产量。在130天的运行周期中,采用逐步提高pH的方式使其从7升高至10。结果表明,在pH为8.9时获得最大酸化率(21%),从而导致VFAs产量最大化(423.22±25.49 mgCOD/gVSS),而在pH为9.9条件下污泥水解率达到最大(42%)。高pH值条件下(>7)有利于污泥有效释放蛋白质,碳水化合物,Buliding blocks(腐殖酸中间产物)和低分子量(LMW)中性物质。在更高的pH条件下(>9),低分子质量(LMW)的溶解性有机物(DOMs)比高分子质量(HMW)的DOMs释放更多。在pH9.9条件下,有利于HMW-DOMs的水解,但是并没有提高LMW-DOM的酸化率。微生物群落分析表明,Actinobacteria和Proteobacteria的相对丰度随着pH的升高而增加,这可能是导致在pH 9.9条件下的得到最大水解率的原因。在pH 8.9时,Clostridia(59.16%)的相对丰度最大,同时在此条件下酸化率达到最大(21%)。这表明Clostridia的相对丰度与酸化程度呈正相关关系。随着pH的增加,Euryarchaeota的相对丰度从58%显著下降到2%。4.乙酸是一种重要的工业化学品,通过混菌厌氧发酵(MCF)从废弃物中生产高浓度、高纯度的乙酸是具有经济效益的途径。本论文,研究了水力停留时间(HRT)对豆腐加工废水(TPW)在超高温条件下(70℃)通过MCF稳定产乙酸的影响。结果表明较长的HRT(>3天)导致较少乙酸的产生,而在较短的HRT(3天)下可以实现了高浓度乙酸稳定产生,产量为0.57g-COD/g-CODTPW。微生物群落分析表明,在HRT为3天和5天两种条件下,嗜氢产甲烷菌(主要是Methanothermobacter)占据古菌的比例均为90%左右。然而,当HRT从5天降至3天时,主要的乙酸降解菌Coprothermobacter从35.74%降至10.58%,这意味着长HRT能够有利于乙酸降解菌的生长。研究结果表明,HRT是在超高温MCF中保持TPW稳定产乙酸的关键因素。5.研究发现高氨根离子浓度可以定向调控MCF产高纯度丙酸,以甘油为发酵底物进行研究。补料分批实验显示当氨根离子浓度大于2.9 g/L时,对乙酸和丙酸的降解均会产生抑制。在另外一组补料分批实验中,丙酸产量和COD转化率分别为22.6 g/L和0.45 g-COD/COD-甘油,其中丙酸的纯度高达96%。批次实验结果显示,在甘油浓度分别为2.78,4.38和5.56 g/L时,丙酸产量分别为0.3±0.05,0.32±0.01 和 0.34±0.03g-COD/g-COD,丙酸的纯度高达 91%-100%。微生物群落分析表明,在不同的甘油浓度条件下,细菌群落以Firmicutes门为主。然而,当甘油的浓度从2.78 g/L增加到5.56 g/L时,Methanosaeta的相对丰度从46%下降到6%,从而导致乙酸降解速率的下降。