随着城市化进程加速与工业发展，有机废水排放量激增，若未经有效处理直接排放，将导致水体富营养化、溶解氧耗尽等生态问题，威胁水生生态系统平衡。厌氧污水处理技术通过厌氧微生物的代谢作用，将有机污染物转化为甲烷（CH₄），实现“污染治理-能源回收”协同，符合“双碳”目标下生态环境保护与资源循环的需求，已广泛应用于生活污水、畜禽养殖废水、食品加工废水等处理场景。
一、材料与方法
（一）实验装置与核心设备
本研究核心实验设备为博清生物三气培养箱，配套设备包括：500mL血清瓶、气相色谱仪、高效液相色谱仪、实时荧光定量PCR仪及高通量测序平台。
（二）实验用水与接种污泥
1、模拟生活污水：参照《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918-2002）配置，水质指标如下：COD=500±20mg/L，NH₃-N=35±5mg/L，TP=5±1mg/L，pH=7.0±0.2，采用葡萄糖、蛋白胨、KH₂PO₄、NH₄Cl等试剂配制。
2、接种污泥：取自某市污水处理厂厌氧消化池，取回后经35℃预处理72h，污泥基本性质：VSS/SS=0.72，MLVSS=4500±200mg/L。
（三）实验设计
实验采用批次实验模式，将模拟污水与接种污泥按体积比3:1加入血清瓶（工作体积 300mL），用1mol/L HCl或NaOH调节初始pH至7.0±0.2，密封后通入高纯N₂（99.999%）10min驱氧，随后放入博清生物三气培养箱，设置3组温度-气体组合实验，每组3次平行，实验周期30d，具体设计如下：
（四）监测指标与方法
1、常规水质指标：每3d取样，参照《水和废水监测分析方法》（第四版）测定COD、VFA。
2、产气性能：采用排水法计量日产甲烷量，气相色谱仪分析CH₄纯度。
3、微生物群落分析：实验结束后取污泥样品，采用CTAB法提取总DNA，通过16S rRNA基因高通量测序分析群落结构，测序数据通过QIIME2进行质控与注释，基于OTU（操作分类单元）分析物种相对丰度。
二、结果与分析
（一）不同实验条件对COD去除效能的影响
各实验组COD去除率随时间的变化趋势。实验前10d，所有组COD去除率快速上升，随后进入稳定期（15-30d）。稳定期内：
1、CK组COD去除率为73.6%±2.1%，主要因纯 N₂氛围下系统pH易下降（最低至6.2），抑制产甲烷菌活性；
2、T1组（中温+80% N₂+20% CO₂）COD去除率达92.3%±1.5%，较CK组提升18.7%，且pH稳定在6.8-7.2，推测CO₂通过与H₂O 反应生成HCO₃⁻，增强了系统pH缓冲能力，避免VFA积累导致的酸抑制；
3、T2组（中温+75% N₂+20% CO₂+5% H₂S）COD去除率为88.5%±1.8%，略低于T1组，但显著高于CK组，说明低浓度H₂S未对功能微生物产生明显抑制，且可能通过硫循环促进有机物降解；
4、T3组（高温+80% N₂+20% CO₂）COD去除率为85.7%±2.0%，低于T1组，可能因高温下CO₂溶解度下降（较35℃降低约30%），导致pH缓冲能力减弱，VFA积累量（112.3±6.5 mg/L）高于T1组。
（二）不同实验条件对产甲烷性能与 VFA 积累的影响
产甲烷量与VFA浓度是反映厌氧系统稳定性的核心指标。
1、T1组产甲烷量最高，CH₄纯度达68.5%±1.2%，VFA浓度最低，表明20% CO₂的加入优化了产甲烷菌的代谢环境，促进VFA转化为CH₄；
2、CK组产甲烷量仅228.4±10.5mL/g・CODₙₑ，VFA浓度高达156.4±8.9mg/L，酸抑制效应显著；
3、T2组产甲烷量略低于T1组，可能因5% H₂S对产甲烷菌的轻微抑制，但VFA浓度仍低于CK组，说明系统仍保持较高稳定性；
4、T3组（高温）产甲烷量低于T1组，与高温下CO₂缓冲能力下降导致的VFA积累一致。
（三）不同实验条件对微生物群落结构的影响
高通量测序结果显示，各实验组微生物群落结构存在显著差异，核心功能微生物（产甲烷古菌）的相对丰度与处理效能呈正相关：
1、CK组：产甲烷古菌相对丰度仅17.3%，优势菌为Methanospirillum，该菌对酸敏感，导致系统抗冲击能力弱；
2、T1组：产甲烷古菌相对丰度提升至38.6%，优势菌为Methanosarcina与 Methanobacterium。其中，Methanosarcina可利用乙酸、甲醇等多种底物产甲烷，抗酸能力强；Methanobacterium可利用H₂/CO₂产甲烷，与系统中20% CO₂的供给形成适配；
3、T2组：产甲烷古菌相对丰度为32.1%，Methanosarcina占比提升至65.3%，Methanobacterium占比降至18.5%，解释了其产甲烷量略低于T1组的现象；
4、T3组（高温）：产甲烷古菌相对丰度为29.8%，优势菌为Methanothermobacter，但因CO₂缓冲不足导致的VFA积累，其丰度仍低于T1组的Methanosarcina。
三、讨论
厌氧污水处理的核心是“微生物-环境因子-处理效能”的协同适配，而精准调控环境因子是解析该协同机制的前提。本研究通过博清生物三气培养箱的多参数控制能力，明确了以下关键结论：
1、CO₂的调控作用：中温条件下，20% CO₂的加入通过两点机制提升系统效能：①作为pH缓冲剂，维持HCO₃⁻/CO₂平衡，避免VFA积累导致的酸抑制；②作为产甲烷菌的碳源，促进其生长与代谢，使产甲烷古菌丰度提升21.3%。
2、低浓度H₂S的影响：5% H₂S未对系统产生显著抑制（COD去除率仍达88.5%），反而通过筛选出更耐受H₂S的产甲烷菌，维持了系统稳定性。这提示在实际工业废水（如含硫废水）处理中，可通过博清生物三气培养箱模拟不同H₂S浓度，优化工艺参数以适应复杂水质。
3、温度与气体的交互效应：高温（55℃）下，CO₂溶解度下降导致缓冲能力减弱，即使通入20% CO₂，VFA浓度仍高于中温组，说明温度会影响气体组分的作用效果。博清生物三气培养箱的温度-气体联动控制功能，可精准捕捉这种交互效应，为不同气候区厌氧处理工艺的温度适配提供实验依据。
对比传统厌氧实验设备，博清生物三气培养箱的优势体现在：①避免了厌氧手套箱操作繁琐、无法长期培养的问题；②解决了血清瓶实验中气体浓度随反应进程变化的缺陷（实时补充气体）；③多参数同步调控能力可解析单一因子的独立作用，提升实验结果的可靠性。然而，本研究为批次实验，后续可利用该设备构建连续流厌氧系统，模拟实际工程的长期运行，进一步验证参数优化效果。
博清生物三气培养箱可通过精准控制温度与气体组分，构建稳定的厌氧微环境，为环境科学与生态研究中厌氧污水处理的机制解析提供标准化实验平台。
中温（35℃）条件下，气体组分为N₂/CO₂=80/20时，厌氧系统效能最佳：COD去除率达92.3%，产甲烷量达325.6 mL/g・CODₙₑ，产甲烷古菌相对丰度提升至38.6%，显著优于传统纯N₂厌氧系统。
低浓度H₂S（5%）可通过筛选耐受型功能微生物，维持系统稳定性；温度会影响气体组分的作用效果，中温下CO₂的pH缓冲能力更显著。
博清生物三气培养箱在厌氧污水处理的微环境调控、功能微生物响应及工艺参数优化研究中具有重要应用价值，可为实际厌氧处理工程的高效稳定运行提供理论与技术支撑。
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