搅拌是提升高悬浮固体废水厌氧消化（沼气发酵）效率的一项重要措施,相比水力搅拌和机械搅拌,沼气搅拌在能耗、成本和实用性方面更具有发展潜力。但是沼气搅拌易受产气量影响,并且需要防爆鼓风机、安全阀等复杂的安全设施。针对沼气搅拌存在的问题,本文提出了用空气代替沼气进行搅拌的设想。本论文首先通过不同搅拌方式（空气搅拌、沼气搅拌、机械搅拌和不搅拌）下畜禽粪污沼气发酵产气性能对比试验,验证空气搅拌的可行性。然后通过不同搅拌方式对厌氧消化过程水解、产酸和产甲烷阶段物质转化、微生物群落结构和产能代谢影响的研究,揭示空气搅拌提升沼气发酵产气效率的机制以及沼气发酵系统内微生物代谢特征。最后通过不同空气搅拌条件下混合程度、氧化还原电位、CH4含量和产气速率的实时变化以及空气搅拌后系统恢复时间的研究,确定空气搅拌时间、强度和频率等关键工艺参数。主要结论如下。（1）通过不同搅拌方式下猪场粪污沼气发酵对比试验,证明了空气搅拌可以提高粪污厌氧消化产气效率,与沼气搅拌、机械搅拌和不搅拌相比,空气搅拌分别提升容积产气（甲烷）率6.4%、14.1%和19.6%,空气搅拌提升硫化氢（H2S）去除率63.1%-70.4%,提升溶解性COD去除率2.2%-9.5%,并且有利于提高沼气发酵过程的稳定性。（2）气体搅拌增强了底物与微生物之间的传质效率,在相同输入功率条件下,机械搅拌达到均匀混合的时间为10 min,而气体搅拌可将该时间缩短到1.5 min。同时,空气搅拌创造了瞬时的微氧环境,使得厌氧和好氧生物活性共存在一个反应器内。促进了颗粒性有机物的水解,对颗粒性有机物的水解效率比沼气搅拌、机械搅拌和不搅拌分别提高了1.7-11.4%、7.7-23.8%和21.0-29.1%。空气搅拌促进促进了VFAs的降解,特别是丙酸的降解提高了93.0%。通过ADM1模型模拟VFAs代谢速率,获得空气搅拌反应器的丙酸最大比降解速率（Km＿pro）为0.64 h-1,显著高于不搅拌反应器的0.54 h-1。空气搅拌提高传质和建立的微氧环境对甲烷产量提升的贡献率分别为62.9%和37.1%。（3）空气搅拌促进了微生物之间的互营关系。16S rRNA基因MiSeq测序表明,空气搅拌显著改变了微生物群落结构,提高了葡萄糖降解菌（Propionimicrobium）、丙酸互营氧化菌（Smithella）和耐氧产甲烷菌（Methanocorpusculum和WSA2）的相对丰度。丙酸氧化的主导途径由甲基丙二酰辅酶A（MMC）途径转变为热力学上更有利的Smithella途径,从而加速了丙酸代谢。（4）以猪场粪污为原料进行空气搅拌参数优化,结果表明了搅拌强度是空气搅拌最重要的影响因素,搅拌强度和搅拌时间存在显著的交互作用。最优的空气搅拌条件是每次搅拌的通空气量为100 mL L-1,搅拌强度（即通空气流速）为66.7 mL-1 L-1 min-1,每天搅拌3次,每次搅拌1.5 min。当每次搅拌时间超过3 min时,由于有效产甲烷时间的缩短会导致总的甲烷产量低于未搅拌条件下的甲烷产量。