隨著城市化進程加速與工業發展，有機廢水排放量激增，若未經有效處理直接排放，將導致水體富營養化、溶解氧耗盡等生態問題，威脅水生生態系統平衡。厭氧污水處理技術通過厭氧微生物的代謝作用，將有機污染物轉化為甲烷（CH?），實現“污染治理-能源回收”協同，符合“雙碳”目標下生態環境保護與資源循環的需求，已廣泛應用于生活污水、畜禽養殖廢水、食品加工廢水等處理場景。
一、材料與方法
（一）實驗裝置與核心設備
本研究核心實驗設備為博清生物三氣培養箱，配套設備包括：500mL血清瓶、氣相色譜儀、高效液相色譜儀、實時熒光定量PCR儀及高通量測序平臺。
（二）實驗用水與接種污泥
1、模擬生活污水：參照《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB 18918-2002）配置，水質指標如下：COD=500±20mg/L，NH?-N=35±5mg/L，TP=5±1mg/L，pH=7.0±0.2，采用葡萄糖、蛋白胨、KH?PO?、NH?Cl等試劑配制。
2、接種污泥：取自某市污水處理廠厭氧消化池，取回后經35℃預處理72h，污泥基本性質：VSS/SS=0.72，MLVSS=4500±200mg/L。
（三）實驗設計
實驗采用批次實驗模式，將模擬污水與接種污泥按體積比3:1加入血清瓶（工作體積 300mL），用1mol/L HCl或NaOH調節初始pH至7.0±0.2，密封后通入高純N?（99.999%）10min驅氧，隨后放入博清生物三氣培養箱，設置3組溫度-氣體組合實驗，每組3次平行，實驗周期30d，具體設計如下：
（四）監測指標與方法
1、常規水質指標：每3d取樣，參照《水和廢水監測分析方法》（第四版）測定COD、VFA。
2、產氣性能：采用排水法計量日產甲烷量，氣相色譜儀分析CH?純度。
3、微生物群落分析：實驗結束后取污泥樣品，采用CTAB法提取總DNA，通過16S rRNA基因高通量測序分析群落結構，測序數據通過QIIME2進行質控與注釋，基于OTU（操作分類單元）分析物種相對豐度。
二、結果與分析
（一）不同實驗條件對COD去除效能的影響
各實驗組COD去除率隨時間的變化趨勢。實驗前10d，所有組COD去除率快速上升，隨后進入穩定期（15-30d）。穩定期內：
1、CK組COD去除率為73.6%±2.1%，主要因純 N?氛圍下系統pH易下降（最低至6.2），抑制產甲烷菌活性；
2、T1組（中溫+80% N?+20% CO?）COD去除率達92.3%±1.5%，較CK組提升18.7%，且pH穩定在6.8-7.2，推測CO?通過與H?O 反應生成HCO??，增強了系統pH緩沖能力，避免VFA積累導致的酸抑制；
3、T2組（中溫+75% N?+20% CO?+5% H?S）COD去除率為88.5%±1.8%，略低于T1組，但顯著高于CK組，說明低濃度H?S未對功能微生物產生明顯抑制，且可能通過硫循環促進有機物降解；
4、T3組（高溫+80% N?+20% CO?）COD去除率為85.7%±2.0%，低于T1組，可能因高溫下CO?溶解度下降（較35℃降低約30%），導致pH緩沖能力減弱，VFA積累量（112.3±6.5 mg/L）高于T1組。
（二）不同實驗條件對產甲烷性能與 VFA 積累的影響
產甲烷量與VFA濃度是反映厭氧系統穩定性的核心指標。
1、T1組產甲烷量最高，CH?純度達68.5%±1.2%，VFA濃度最低，表明20% CO?的加入優化了產甲烷菌的代謝環境，促進VFA轉化為CH?；
2、CK組產甲烷量僅228.4±10.5mL/g?COD??，VFA濃度高達156.4±8.9mg/L，酸抑制效應顯著；
3、T2組產甲烷量略低于T1組，可能因5% H?S對產甲烷菌的輕微抑制，但VFA濃度仍低于CK組，說明系統仍保持較高穩定性；
4、T3組（高溫）產甲烷量低于T1組，與高溫下CO?緩沖能力下降導致的VFA積累一致。
（三）不同實驗條件對微生物群落結構的影響
高通量測序結果顯示，各實驗組微生物群落結構存在顯著差異，核心功能微生物（產甲烷古菌）的相對豐度與處理效能呈正相關：
1、CK組：產甲烷古菌相對豐度僅17.3%，優勢菌為Methanospirillum，該菌對酸敏感，導致系統抗沖擊能力弱；
2、T1組：產甲烷古菌相對豐度提升至38.6%，優勢菌為Methanosarcina與 Methanobacterium。其中，Methanosarcina可利用乙酸、甲醇等多種底物產甲烷，抗酸能力強；Methanobacterium可利用H?/CO?產甲烷，與系統中20% CO?的供給形成適配；
3、T2組：產甲烷古菌相對豐度為32.1%，Methanosarcina占比提升至65.3%，Methanobacterium占比降至18.5%，解釋了其產甲烷量略低于T1組的現象；
4、T3組（高溫）：產甲烷古菌相對豐度為29.8%，優勢菌為Methanothermobacter，但因CO?緩沖不足導致的VFA積累，其豐度仍低于T1組的Methanosarcina。
三、討論
厭氧污水處理的核心是“微生物-環境因子-處理效能”的協同適配，而精準調控環境因子是解析該協同機制的前提。本研究通過博清生物三氣培養箱的多參數控制能力，明確了以下關鍵結論：
1、CO?的調控作用：中溫條件下，20% CO?的加入通過兩點機制提升系統效能：①作為pH緩沖劑，維持HCO??/CO?平衡，避免VFA積累導致的酸抑制；②作為產甲烷菌的碳源，促進其生長與代謝，使產甲烷古菌豐度提升21.3%。
2、低濃度H?S的影響：5% H?S未對系統產生顯著抑制（COD去除率仍達88.5%），反而通過篩選出更耐受H?S的產甲烷菌，維持了系統穩定性。這提示在實際工業廢水（如含硫廢水）處理中，可通過博清生物三氣培養箱模擬不同H?S濃度，優化工藝參數以適應復雜水質。
3、溫度與氣體的交互效應：高溫（55℃）下，CO?溶解度下降導致緩沖能力減弱，即使通入20% CO?，VFA濃度仍高于中溫組，說明溫度會影響氣體組分的作用效果。博清生物三氣培養箱的溫度-氣體聯動控制功能，可精準捕捉這種交互效應，為不同氣候區厭氧處理工藝的溫度適配提供實驗依據。
對比傳統厭氧實驗設備，博清生物三氣培養箱的優勢體現在：①避免了厭氧手套箱操作繁瑣、無法長期培養的問題；②解決了血清瓶實驗中氣體濃度隨反應進程變化的缺陷（實時補充氣體）；③多參數同步調控能力可解析單一因子的獨立作用，提升實驗結果的可靠性。然而，本研究為批次實驗，后續可利用該設備構建連續流厭氧系統，模擬實際工程的長期運行，進一步驗證參數優化效果。
博清生物三氣培養箱可通過精準控制溫度與氣體組分，構建穩定的厭氧微環境，為環境科學與生態研究中厭氧污水處理的機制解析提供標準化實驗平臺。
中溫（35℃）條件下，氣體組分為N?/CO?=80/20時，厭氧系統效能最佳：COD去除率達92.3%，產甲烷量達325.6 mL/g?COD??，產甲烷古菌相對豐度提升至38.6%，顯著優于傳統純N?厭氧系統。
低濃度H?S（5%）可通過篩選耐受型功能微生物，維持系統穩定性；溫度會影響氣體組分的作用效果，中溫下CO?的pH緩沖能力更顯著。
博清生物三氣培養箱在厭氧污水處理的微環境調控、功能微生物響應及工藝參數優化研究中具有重要應用價值，可為實際厭氧處理工程的高效穩定運行提供理論與技術支撐。
