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为解决在高氨氮、高有机负荷废弃物厌氧消化中，因中间代谢产物积累而引发的氨、酸抑制，造成厌氧消化系统失稳、运行效率低、甲烷品质下降，厌氧消化周期延长等问题。本研究采用沉淀法和浸泡法工艺，在300℃、500℃和700℃热解温度条件下，制备玉米秸秆附铁生物炭，在此基础上，进行生物炭介导的高氨氮、高有机负荷底物厌氧消化特性及代谢机理研究。旨在(1)通过优化附铁生物炭理化特性，筛选出在高氨氮负荷、高有机负荷厌氧消化体系中能显著提升水解酸化效率、提高产甲烷效率、提升产甲烷品质的附铁生物炭；(2)明确附铁生物炭介导高氨氮负荷厌氧消化体系氨、酸解抑增效机理。(3)明确附铁生物炭介导高有机负荷厌氧消化产甲烷特性与机理。(4)明确附铁生物炭添加对高有机负荷厌氧消化体系中微生物群落结构演替的影响。主要研究内容和结果如下：
(1)随着热解温度的上升，生物炭得率呈下降趋势，比表面积、总孔容增大，平均孔径下降。其中，采用浸渍法制备的附铁生物炭上铁沉积物负载率为8.47%~22.89%，要高于沉淀法制备的附铁生物炭上的铁沉积物负载率3.69%～17.19%；附铁生物炭的比表面积(16.8906~133.6287m2/g)显著大于原生生物炭(4.8601~6.9150m2/g)。500℃热解条件下采用沉淀法制备的附铁生物炭的总孔容0.2167cm3/g较同等热解温度下制备的原生生物炭而言提高10倍；生物炭具有较好的氨氮吸附能力，对料液中氨氮的吸附量介于2.01mg/g~9.23mg/g之间，且在20min内快速达到吸附平衡。随着热解温度的升高，氨氮去除率下降。其中300℃浸渍法制备的附铁生物炭氨氮去除率18.79%，且对氨氮的吸附主要集中在20min~40min时间段。
(2)高氨氮负荷下，附铁生物炭的添加能够加快厌氧消化底物中有机质转化成乙酸的速率，提高乙酸产率，加快乙酸分解速率；提高丙酸代谢能力，有效缓解丙酸积累；促进丁酸快速分解为乙酸，强化乙酸代谢途径，显著提升丁酸代谢速率，有效防止丁酸积累。其中，500℃热解温度浸渍法制备的附铁生物炭添加组在1400mg/L高氨氮负荷下乙酸平均代谢速率162.9mg/L·d，丙酸平均代谢速率63.9mg/L·d，丁酸平均代谢速率60.9mg/L·d，有效防止酸抑制现象的发生；高氨氮负荷下，厌氧消化进入产甲烷阶段的时间整体延迟。附铁生物炭介导厌氧消化，可显著提升厌氧消化系统稳定性，减少高氨氮负荷对甲烷产量的影响，维持较高的甲烷产率，加速甲烷化进程。其中，500℃热解温度浸渍法制备的附铁生物炭添加组产甲烷峰值235.5NmL/day，累计甲烷产量1159.9NmL，厌氧消化第9d累计甲烷产量达到总甲烷产量的80%。
(3)附铁生物炭介导高有机负荷厌氧消化，可有效缓解中间产物代谢所引发的氨、酸抑制，增强消化料液缓冲能力，显著提高有机底物的降解能力，提高发酵原料利用效率；厌氧消化中，附铁生物炭添加组pH值平稳维持在6.5~7.2的范围之内，氨氮去除率21.7%~23.7%，COD去除率64.88%~66.75%、TS降解率29.35%~35.14%、VS降解率53.78%~60.64%，较原生生物炭添加组均有提升；500℃热解温度浸渍法制备附铁生物炭介导高有机负荷厌氧消化，能够显著提高甲烷产量，提升甲烷品质，提高产甲烷速率，缩短产气周期，加速甲烷化进程。累计产甲烷量3927.1NmL，平均甲烷含量157.1NmL/day，甲烷峰值390.2NmL/day，厌氧消化水力滞留期25d。
(4)500℃热解温度浸渍法制备附铁生物炭介导厌氧消化，能够显著提升高有机负荷厌氧消化产甲烷效率(98.4%)及产甲烷潜力(96.9mL/g·VS )；采用ModifiedGompertz和Logistic模型作为附铁生物炭介导高有机负荷厌氧消化产甲烷预测模型，结果一致认为：500℃热解温度浸渍法制备附铁生物炭介导厌氧消化，能够显著促进高有机负荷厌氧消化原料利用率、提升甲烷品质、提高产甲烷速率、缩短产甲烷滞留期及厌氧消化周期。其中，ModifiedGompertz模型曲线拟合结果回归分析R2值0.9970，预测结果与实测结果相对偏差8.2%。Logistic模型曲线拟合结果R2值0.9964，预测结果与实测结果相对偏差2.3%。采用Logistic模型进行预测结果精准度较ModifiedGompertz模型提高6.0%。
(5)基于16SrRNA基因测序技术，从细菌/古菌时间演变机制和空间结合位点生长规律角度，研究500℃浸渍法制备的附铁生物炭介导高有机负荷厌氧消化对体系中微生物群落结构演替的影响。500℃浸渍法制备的附铁生物炭的添加使得厌氧消化产甲烷高峰期细菌群落复杂程度降低，有利于优势菌群富集。同时增加古菌群落多样性，加强厌氧消化微生物结构稳定性。有利于铁还原菌(IRB )中狭义梭菌属1(Clostridium_sensu_stricto_1 )、甲烷八叠球菌(Methanosarcina )和甲烷杆菌(Methanobacterium)在500PBC-Fe上的选择性定植。甲烷鬃毛菌(Methanosaeta)和甲烷短杆菌(Methanobrevibacter)则更易富集在添加有附铁生物炭组的厌氧污泥等表面结构疏松的区域。同时，500℃浸渍法制备的附铁生物炭，作为厌氧消化种间电子传递的载体物质可强化微生物间的互营共生，丰富厌氧消化系统的代谢类型，由单一的乙酸利用型厌氧消化，转变成乙酸利用型和氢营养型共存的两种甲烷转化方式。
(1)随着热解温度的上升，生物炭得率呈下降趋势，比表面积、总孔容增大，平均孔径下降。其中，采用浸渍法制备的附铁生物炭上铁沉积物负载率为8.47%~22.89%，要高于沉淀法制备的附铁生物炭上的铁沉积物负载率3.69%～17.19%；附铁生物炭的比表面积(16.8906~133.6287m2/g)显著大于原生生物炭(4.8601~6.9150m2/g)。500℃热解条件下采用沉淀法制备的附铁生物炭的总孔容0.2167cm3/g较同等热解温度下制备的原生生物炭而言提高10倍；生物炭具有较好的氨氮吸附能力，对料液中氨氮的吸附量介于2.01mg/g~9.23mg/g之间，且在20min内快速达到吸附平衡。随着热解温度的升高，氨氮去除率下降。其中300℃浸渍法制备的附铁生物炭氨氮去除率18.79%，且对氨氮的吸附主要集中在20min~40min时间段。
(2)高氨氮负荷下，附铁生物炭的添加能够加快厌氧消化底物中有机质转化成乙酸的速率，提高乙酸产率，加快乙酸分解速率；提高丙酸代谢能力，有效缓解丙酸积累；促进丁酸快速分解为乙酸，强化乙酸代谢途径，显著提升丁酸代谢速率，有效防止丁酸积累。其中，500℃热解温度浸渍法制备的附铁生物炭添加组在1400mg/L高氨氮负荷下乙酸平均代谢速率162.9mg/L·d，丙酸平均代谢速率63.9mg/L·d，丁酸平均代谢速率60.9mg/L·d，有效防止酸抑制现象的发生；高氨氮负荷下，厌氧消化进入产甲烷阶段的时间整体延迟。附铁生物炭介导厌氧消化，可显著提升厌氧消化系统稳定性，减少高氨氮负荷对甲烷产量的影响，维持较高的甲烷产率，加速甲烷化进程。其中，500℃热解温度浸渍法制备的附铁生物炭添加组产甲烷峰值235.5NmL/day，累计甲烷产量1159.9NmL，厌氧消化第9d累计甲烷产量达到总甲烷产量的80%。
(3)附铁生物炭介导高有机负荷厌氧消化，可有效缓解中间产物代谢所引发的氨、酸抑制，增强消化料液缓冲能力，显著提高有机底物的降解能力，提高发酵原料利用效率；厌氧消化中，附铁生物炭添加组pH值平稳维持在6.5~7.2的范围之内，氨氮去除率21.7%~23.7%，COD去除率64.88%~66.75%、TS降解率29.35%~35.14%、VS降解率53.78%~60.64%，较原生生物炭添加组均有提升；500℃热解温度浸渍法制备附铁生物炭介导高有机负荷厌氧消化，能够显著提高甲烷产量，提升甲烷品质，提高产甲烷速率，缩短产气周期，加速甲烷化进程。累计产甲烷量3927.1NmL，平均甲烷含量157.1NmL/day，甲烷峰值390.2NmL/day，厌氧消化水力滞留期25d。
(4)500℃热解温度浸渍法制备附铁生物炭介导厌氧消化，能够显著提升高有机负荷厌氧消化产甲烷效率(98.4%)及产甲烷潜力(96.9mL/g·VS )；采用ModifiedGompertz和Logistic模型作为附铁生物炭介导高有机负荷厌氧消化产甲烷预测模型，结果一致认为：500℃热解温度浸渍法制备附铁生物炭介导厌氧消化，能够显著促进高有机负荷厌氧消化原料利用率、提升甲烷品质、提高产甲烷速率、缩短产甲烷滞留期及厌氧消化周期。其中，ModifiedGompertz模型曲线拟合结果回归分析R2值0.9970，预测结果与实测结果相对偏差8.2%。Logistic模型曲线拟合结果R2值0.9964，预测结果与实测结果相对偏差2.3%。采用Logistic模型进行预测结果精准度较ModifiedGompertz模型提高6.0%。
(5)基于16SrRNA基因测序技术，从细菌/古菌时间演变机制和空间结合位点生长规律角度，研究500℃浸渍法制备的附铁生物炭介导高有机负荷厌氧消化对体系中微生物群落结构演替的影响。500℃浸渍法制备的附铁生物炭的添加使得厌氧消化产甲烷高峰期细菌群落复杂程度降低，有利于优势菌群富集。同时增加古菌群落多样性，加强厌氧消化微生物结构稳定性。有利于铁还原菌(IRB )中狭义梭菌属1(Clostridium_sensu_stricto_1 )、甲烷八叠球菌(Methanosarcina )和甲烷杆菌(Methanobacterium)在500PBC-Fe上的选择性定植。甲烷鬃毛菌(Methanosaeta)和甲烷短杆菌(Methanobrevibacter)则更易富集在添加有附铁生物炭组的厌氧污泥等表面结构疏松的区域。同时，500℃浸渍法制备的附铁生物炭，作为厌氧消化种间电子传递的载体物质可强化微生物间的互营共生，丰富厌氧消化系统的代谢类型，由单一的乙酸利用型厌氧消化，转变成乙酸利用型和氢营养型共存的两种甲烷转化方式。