随着城市污泥总量的日趋增加,发展行之有效的污泥处理处置技术成为环境工程领域亟待突破的瓶颈。城市污泥厌氧发酵产挥发性脂肪酸(VFAs)是实现污泥无害化处理和资源化利用的有效途径。本文利用城市污泥作为底物,对厌氧发酵产酸的关键影响因素进行了实验和数学模型研究。分别针对污泥厌氧发酵产酸过程中的pH、污泥浓度、底物C/N比控制展开了研究,通过实验获得产酸量较高的参数条件,发展了参数估计方法并建立了较好的数学模型,最后将基于实验室小试实验条件下建立的厌氧消化1号模型(ADM1)在生产规模的污泥厌氧发酵产酸示范工程中进行了验证。全文主要的研究结果如下：(1)利用城市污泥热碱预处理液在不同pH条件下进行了厌氧发酵产酸实验。分别在pH为5.0,7.0和10.0条件下,通过实验并计算出污泥中可溶性蛋白质及碳水化合物和颗粒态难溶性蛋白质及碳水化合物的溶解速率,应用AQUASIM2.0软件拟合,发现可溶性蛋白质和碳水化合物溶解规律符合Monod方程形式而颗粒态难溶性蛋白质和碳水化合物的溶解符合Contois形式在此基础上修正了ADM1中复合底物的水解过程,结果表明修正的ADM1模型能很好的模拟不同pH条件下的污泥厌氧发酵产酸结果,其拟合优度R2值均大于0.99。(2)系统地研究了pH对污泥发酵产酸的影响,测定并模拟了pH从3.0到12.0不同值下各种VFAs的产量。结果表明,当发酵过程初始pH值从酸性提升到碱性的过程中,各种短链脂肪酸的产量均呈增长趋势,说明碱性发酵更利于酸的累积。由于不同pH对污泥水解速率这个产酸关键步骤的影响较大,从而修正了水解动力学速率,提出了动力学常数和pH的正相关线性函数关系。结果表明,该线性函数能很好的估计出以污泥为厌氧消化底物过程中不同pH下的水解过程Monod半饱和常数,为其它研究提供参考数值。(3)对传统的粒子群算法(FSO)进行了改进,加入了具有物化意义的平衡因子k,使之更适合生化系统参数估计。应用改进后的粒子群算法估计了ADM1模型中的关键动力学常数如Monod常数、水解速率等,并在ADM1模型中进行验证,结果证明所估计的动力学常数能够很好地模拟所需结果。(4)研究了污泥不同初始浓度对厌氧发酵产酸的影响。随着污泥浓度从15g/L提高到35g/L,总酸的产率也呈增加的趋势。通过敏感性分析,确定了影响不同浓度下产酸效率的关键动力学参数即水解常数和Monod最大比吸收速率,并对不同污泥浓度下产酸动力学模型的关键常数进行了参数估计,得出的参数代入ADM1模型,得到的模型数据和实验数据的拟合较好。针对浓度对水解动力学参数的影响,应用matlab软件拟合了线性关系方程,阐述了浓度和水解速率的函数关系,得出蛋白质的水解速率与浓度正相关,而碳水化合物的水解速率与浓度反相关。(5)在不同的C/N比条件下进行了污泥厌氧发酵产酸实验,并测定不同条件下的各种VFAs的产量。采用改进粒子群算法对ADM1模型中的关键参数进行了估计,经敏感性分析,确定了Monod最大比吸收速率、半饱和值、产物了理论参考对底物的产率等3种参数对产酸速率具有较大影响。应用修正后的动力学参数对ADM1模型在不同C/N比调控下污泥厌氧发酵产酸结果进行了模拟。结果表明,模拟产酸数据和实测数据误差较小,说明修正ADM1模型能够很好地描述污泥厌氧发酵中C/N比条件对利用Matlab软件通过回归分析和函数拟合构建了C/N比-关键酶活-酸产量之间的多项式函数模型,发现所建立的二元三次多项式模型的拟合优度R2均大于0.9,且残差平方和较小,因此判定二元三次多项式更适合描述C/N-关键酶-酸产量活的数学关系。建立了关键酶活、C/N比和产酸量三因素间的曲面模型,该模型能够很好地描述污泥厌氧发酵中C/N比条件对关键酶和产酸类型的影响,能进一步预测C/N比所对应的酶活和产酸发酵类型,为今后的实验研究及工程放大提供参考依据。(6)针对高含固污泥厌氧发酵模式下污泥发酵液中存在较高浓度的自由氨抑制情况,分别在30L小试规模的序批式和半连续厌氧发酵产酸运行条件下测定了VFAs以及氨氮的浓度,并对ADM1进行了修正。ADM1在AQUASIM 2.0软件平台上运行。将三种形式的氨氮抑制动力学方程形式,即简单抑制形式,Monod抑制形式以及无抑制形式分别整合进入ADM1模型,测试模拟结果与实验结果之间的拟合程度。在MATLAB7.0软件平台上,将改进的PSO算法用于参数估计。在改进的ADM1里,乙酸的半饱和常数蜒为0.025 kgCOD/m3,最大比吸收速率km,ac为12.51 kgCOD/kgCOD·d,氨氮的抑制常数巧_眦为0.02。结果表明,氨氮的简单抑制动力学形式可以很好的模拟VFAs的产生,但是Monod抑制形式更适合于pH在10.0条件下的半连续运行状态下的产酸发酵。(7)在前期研究基础上,针对修正后的ADM1模型进行了工程规模的验证。结合无锡某污水处理厂日处理规模为3m3的污泥(85%含水率)产酸发酵示范工程,对高浓度污泥条件下工程的启动和运行过程中的产酸特征以及其他指标进行了分析和验证。主要包括：探究污泥厌氧发酵的工程启动和运行全过程VFAs;应用己修正ADM1和估计出的动力学参数模拟了VFAs的产量、SCOD、总氮及氨氮浓度,应用前期估计的水解、抑制动力学参数所估计模型数据,与实验数据的误差较小,说明参数可以应用到污泥厌氧发酵产酸工程大规模实施中,对污泥发酵资源化实践起到推动作用。