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针对目前奶牛场牛粪产量巨大、处理效率低及沼气发酵产气率低等问题。研发新的搅拌式固定床沼气发酵工艺,阐明以牛粪为原料的搅拌式固定床工艺高产沼气的运行机制,有效的提高牛粪的资源化利用程度。以牛粪为沼气发酵原料,研究料液浓度(TS)、温度、碳氮比(C/N)、搅拌转速、pH值和水利停留时间(HRT)对甲烷生成的影响。利用响应面-满意度函数结合的方法得出最终优化方案是：TS8%, HRT10d,温度39℃,C/N 25：1。在优化条件的基础上,对固定床生物膜不同参数测定与产气量分析可知,生物膜在发酵过程中第一个HRT 10d为不断累积的过程,生物膜不稳定,在第二个HRT 15d相对稳定。利用16S rRNA基因克隆技术研究固定床的生物膜及发酵料液中微生物多样性及动态变化,结果表明,细菌优势类群有：Pseudomonas (26%-18%)、Clostridium (21%-13%)和Bacteroidetes (16%-12%)及未培养细菌(31%-25%)。Pseudomonadaceae在发酵料液中第一个HRT逐渐变小。在生物膜整个发酵过程中菌群稳定。Clostridium在生物膜中第一个HRT逐渐变小,在发酵料液中整个发酵体系中稳定。Bacteroides在发酵料液和生物膜中第一个HRT逐渐增加。细菌优势菌群在第二个HRT中稳定。各个时期发酵料液和生物膜中古菌包括有甲烷粒菌(Methanocorpusculum)、甲烷八叠球菌(Methanosarcina)、甲烷袋状菌(Methanoculleus)、甲烷鬃菌(Methanosaeta)、甲烷盘菌(Methanoplanus)、产甲烷菌(Methanobacterium)、亚硝化暖菌(Nitrosocaldus)及未培养古菌。其在生物膜和发酵料液中菌群多样性也存在差异。运用冗余分析(RDA)研究不同发酵时间生物膜中细菌和古菌菌群结构与生物膜特性及甲烷产率的相关性。生物膜中细菌菌群变化与化学需氧量(COD)、生物膜含水率及胞外聚合物(EPS)的相关性较大。生物膜中古菌菌群变化与EPS、COD及总有机碳的相关性较大。生物膜COD对甲烷产率的影响最大。RDA二维排序图显示,生物膜中细菌和古菌菌群随着发酵的不断进行而演替变化,在第二个HRT菌群结构变化相对稳定。本试验针对搅拌式固定床运行工艺及生物膜的高效运行机理解析,该工艺可提高甲烷产率,并在第一个HRT中载体生物膜不稳定,在第二个HRT相对稳定,生物膜基本形成。