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由于环境保护及可持续发展的需求，废水资源化利用正在成为一个研究热点。鉴于此，本课题开展了甘蔗糖蜜废水资源化利用发酵制2-苯乙醇的研究。首先，通过重复批式培养策略筛选到能耐受6g/L2-苯乙醇的微生物混合培养物。其次，结合过程参数优化，在温度35℃，pH7.0和空气流量0.8vvm的条件下，获得了988mg/L的最大2-苯乙醇生产。随后，在内气升式环流反应器中执行2-苯乙醇连续生产，在水力停留时间为4天时，最高2-苯乙醇产量能达到838mg/L（相对得率8.4mg/g-COD）。最后，利用rDNA PCR-DGGE技术，解析了微生物混合培养物的群落结构演变及功能特征。为阐明微生物混合培养物应对非生物参数改变增强2-苯乙醇生产的协同作用机制，研究采用GC-MS和LC-MS/MS技术，定性定量鉴定了102种胞内代谢物；结合PCA及PLS多变量统计分析，按照VIP得分，指出11种差异代谢物Phe、USFA18、PYR、Tyr、Trp、Glu、Pro、ACE、LAC、Thr和Leu是具有增强2-苯乙醇生产能力的潜在靶调控因子。进一步，通过执行理性补料试验，分批组合补料后2-苯乙醇的产量由补料前的988mg/L增加到1627mg/L，提高了64.7%。连续定期间隔组合补料后，在反应器稳定运行阶段平均2-苯乙醇产量较补料前提高了71.7%，达1437mg/L，相对得率提高了58.3%，平均为13.3mg/g-COD，COD去除率提高了9.3%，平均达83.7%，较补料前明显具有更高浓度的2-苯乙醇生产及有机负荷去除率。经过资源化利用，甘蔗糖蜜废水的COD已经由原始的130g/L明显降低至21g/L，但仍有较高浓度的COD及色度残留，因此，研究进一步对发酵出水进行深度处理。经过UASB一级厌氧处理，COD有效去除率可达83.8%，最高甲烷产量能达367mL/g-COD。经过AF二级厌氧处理，COD去除率为94.3%，最终出水COD为197mg/L，可达国家二级排放标准（GB8978-1996）。经过BAF深度曝气处理，除氨氮外，出水COD、BOD、SS及pH均能达到国家一级排放标准（GB8978-1996）。最后，研究采用UASB+AF+BAF组合装置对发酵出水进行连续处理，经过40d的运行，耦合装置表现出较独立反应器更高的性能，各项出水指标均达到国家一级排放标准（GB8978-1996）。