目前,我国对天然气的需求量随着社会经济的快速发展而急剧攀升,沼气作为一种清洁的可再生能源,是化石能源的重要替代能源。然而,沼气中的高二氧化碳含量限制了它作为燃料的价值。如何有效的对沼气进行提纯净化使其达到生物天然气的标准从而作为理想的天然气替代能源,是当前研究的热点。沼气升级在去除二氧化碳的同时将沼气转化为生物甲烷。与原沼气相比,生物甲烷具有更高的热值和更广泛的应用。并且生物甲烷可直接注入现有的天然气网中,解决了沼气的运输和储存问题。此外,生物甲烷也可以用来代替化石燃料作为车辆燃料,从而进一步减少二氧化碳的排放量。本文以玉米秸秆作为发酵底物,在原位提纯和混合提纯系统中,利用外源氢气将沼气中的二氧化碳转化为甲烷。探究不同发酵浓度（TS=5%、10%和15%）在不同外源氢气通入量（H2:CO2=4:1、5:1和6:1）（V:V）和不同发酵系统中的产气和产酸特性,以确定合适的反应条件;根据不同条件下氢营养型产甲烷菌利用氢气和二氧化碳的发酵表现,解析沼气中各组分的变化规律;利用高通量测序探究外源氢气的通入对于厌氧发酵系统中微生物群落结构的影响。主要研究结论如下:（1）当系统发酵浓度较低（TS=5%）时,原位提纯系统和混合提纯系统均表现出出色的耗氢产甲烷能力,各加氢试验组沼气中的甲烷含量均可以达到90%以上。随着发酵浓度的增加,当TS为10%和15%时,相同外源氢气通入量的情况下,混合提纯系统对于沼气中甲烷含量的提高要优于原位提纯系统,该过程原位提纯系统中甲烷的最高值为78.9%和83.6%,而混合提纯系统沼气中甲烷含量最大值达到95.7%和96.5%,且均出现在外源氢气通入量H2:CO2=4:1（V:V）时。（2）外源氢气的通入使得厌氧发酵系统中的甲烷产量显著提高,不同发酵浓度的厌氧发酵系统在外源氢气通入量H2:CO2=5:1（V:V）时,对于甲烷产量的提高最为明显。各试验组在加氢阶段相较于对照组累计甲烷产量提高20%以上,当TS=5%时可以到达到41.2%。在混合提纯系统中,不同发酵浓度的试验组累计甲烷产量相较于对照组分别提高了40.2%、36.4%和38.1%。与原位提纯系统相比,随着发酵浓度的增加混合提纯系统对厌氧发酵系统的甲烷产量提高更加显著。（3）外源氢气的通入使得厌氧发酵系统的p H值均有所增加,随着发酵浓度的增加外源氢气的通入对于厌氧发酵系统p H值的影响逐渐降低,且混合提纯系统相比于原位提纯系统,相同工况下混合提纯系统沼气发生相（R1）的p H值变化更为稳定。（4）原位提纯系统和混合提纯系统的沼气发生相（R1）在整个厌氧发酵过程中挥发性脂肪酸的变化无太大的差异。相较于对照组,外源氢气的通入对于厌氧发酵中乙酸浓度的变化无显著影响,丙酸和丁酸的浓度下降的幅度有所减缓,这是由于外源氢气的通入导致厌氧发酵系统中液相中氢分压的提高所致。（5）原位提纯系统和混合提纯系统的沼气发生相（R1）中外源氢气通入减少了细菌群落的丰富度,提高了细菌群落的多样性。厚壁菌门和拟杆菌门主要的优势菌门,在各样品中相对丰度占比在61.93%-78.49%。细菌属水平上产氢产乙酸菌属Clostridium＿sensu＿stricto＿1和Terrisporobacter为厌氧发酵系统中主要的优势菌属。混合提纯系统提纯相（R2）中细菌群落的丰富度和多样性都有所下降;厚壁菌门和拟杆菌门为主要的优势菌门;Clostridium＿sensu＿stricto＿1和vadin HA17是细菌属水平上主要的优势菌属。（6）原位提纯系统和混合提纯系统沼气发生相（R1）中,外源氢气的通入增加了古菌群落的丰富度,降低了古菌群落的多样性;广古菌门（Euryarchaeota）和泉古菌门（Crenarchaeota）是古菌门水平上主要的优势菌门,其中广古菌门的相对丰度占81.17%-92.02%。属水平上,外源氢气的通入使得甲烷杆菌属的相对丰度增加成为第一优势菌属,此时各试验组中氢营养性产甲烷菌相对丰度之和分别为48.89%、56.70%和47.82%。混合提纯系统提纯相（R2）中古菌群落的丰富度和多样性有所增加,且随着外源氢气的通入各试验组中氢营养型产甲烷菌的相对丰度之和分别为66.00%和65.32%,其中甲烷杆菌属是绝对的优势菌属,相对丰度超过了40%。