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在污水生物处理过程中，一部分有机质被氧化为二氧化碳和水（碳质氧化过程），另一部分则用于合成新细胞（生物质）。因此，传统污水生物处理工艺面临高能耗和温室气体排放等严峻问题。事实上，这种生物质是一种潜在的能源物质，通过厌氧消化等手段可以实现能量回收（碳质利用过程）。通过调控有机质转化，使其从原本以碳质氧化过程为主转变为以碳质利用过程为主，有利于实现污水处理过程的节能低碳与能量回收。基于此，本文对不同有机组分的代谢过程及其能量循环与碳足迹水平进行研究，并探索强化有机组分转化的机制及定向调控策略，为面向能源高效利用的污水处理新工艺提供理论与技术支持。 采集北京、天津地区三个城镇污水处理厂细格栅后的污水，调查其有机组分赋存特征。结果表明，污水中颗粒态有机组分浓度最高，其次为超胶体态、溶解态和胶体态;各类别有机组分中，蛋白质类组分所占比例最高（46.9％-48.3％），并且在不同粒径级别下均为占优组分，而糖类（4.7％-11.0％）和脂类(3.4％-11.8％)占比相对较低。 为此，选取乙酸(HAc)、丙酸(HPr)、可溶性淀粉(SolS)和牛血清蛋白(BSA)作为代表性有机组分，利用混合呼吸仪、活性污泥模型及生命周期理论研究其代谢过程、能量循环与碳足迹水平。研究发现，不同类别有机组分的代谢过程差异明显，并且对污水处理过程的能量循环以及碳足迹水平具有显著性影响。在四种有机组分中，以乙酸为底物的活性污泥系统(HAc-ASP)其氧消耗量和CO2排放量均最低，具有最高的化学能转化率和能量回收潜能，能量净输出为0.198kWh·m-3，其碳足迹值为-72.6gCO2·m-3。而以牛血清蛋白为底物的活性污泥系统(BSA-ASP)其能量净输出最低（0.032kWh·m-3），碳足迹值为132.4gCO2·m-3。因此，在污水进入好氧单元前，将其有机质（尤其是蛋白类）转化为乙酸将有利于实现污水处理过程能源高效利用。 以BSA为基质，研究了热碱预处理强化蛋白质产乙酸的效能与机制。结果表明，热碱预处理BSA在pH9条件下发酵，乙酸产率达到0.390±0.016g·g-pro-1，是未经处理BSA在pH7条件下发酵的2.29倍。通过蛋白质结构分析和发酵体系微生物群落结构分析发现，热碱预处理可使蛋白质分子发生有效解旋与破碎，蛋白质的二级结构与化学结构均遭到破坏;另一方面，pH9的发酵条件可提高细菌中碱杆菌属(Alcaligenes)、泰氏菌属（Tissierella）、假单胞菌属（Pseudomonas）、嗜蛋白菌属（Proteiniborus）等水解发酵功能菌含量，并抑制产甲烷古菌活性，有利于乙酸的产生和积累。 在上述研究基础上，以污泥有机质为对象，开展了高效乙酸化的定向调控策略研究。提出了热碱预处理协同接种嗜蛋白产乙酸菌（Proteiniphilum acetatigenes）的高效乙酸化调控策略，使污泥有机质乙酸化效能显著提高，乙酸产率达到0.411±0.011gCOD·gCOD-1。