矿石燃料的日益枯竭和能源需求的快速增长加快了人们从废弃有机物中回收生物能源的研究步伐。作为一种成功应用的能源回收技术，有机污染物的厌氧消化产甲烷技术在实现能源回收和可持续利用方面取得了突破性进展。虽然该技术在近几年取得了长足的进步，但是仍有许多瓶颈问题限制该技术的进一步发展。本论文以膨胀颗粒污泥床（Expanded granular sludge bed， EGSB）为核心，构建出了 EGSB-SBR耦合生物处理工艺，处理甜菜工业制糖废水（beet sugar industrial wastewater，BSIW），实现了废水处理及能源气体甲烷的回收。本研究所用反应器实现了253 mL/g COD的甲烷产生速率，同时取得了86%的高甲烷含量。为了使出水达标，EGSB与好氧序批式反应器相结合，最终获得了总磷、总氮、BOD和可溶性COD的去除率分别为71.4%，97.3%,97.7%和99.3%。　　微生物在有机污染物的厌氧处理过程中有着重要的作用。微生物之间的协同合作实现了污染物通过多种途径厌氧转化为甲烷。然而，许多特定条件下厌氧反应器内部微生物群落结构和分布的相关研究仍然较为匮乏，而此部分研究对进一步提高厌氧反应器的性能至关重要。基于Miseq PE3000的高通量测序技术，本文研究了反应器中底物、中部和顶部的微生物群落结构。研究结果表明反应器内的微生物群落结构在反应器内部未发生显著的变化。这一结果将有助于EGSB中污染物分区去除和三相分离器的设计工作。在此设计中，水解、酸化和产甲烷过程及这三个过程的组合将分别作为第一、第二和第三阶段过程。　　纳米材料在消费品和工业产品中的大量应用促使人们去关注其对环境的影响。这同时促进了人们研究纳米材料对自然和工程化厌氧污水处理过程中微生物群落结构的影响。在本研究中，探究了铁氧化物纳米材料(iron oxide nanoparticles， IONPs; Fe2O3-750 mg/L）和多壁碳纳米管(multi-walled carbon nanotubes，MWCNTs-1500 mg/L）对 BISW处理效能的影响。含有IONPs和 MWCNTs及空白反应器的厌氧消化系统在发酵18h后甲烷产生量最高，分别达到306.8,233.1 and220.0 mL CH4/g-COD。加入 IONPs和MWCNTs分别促进了35%和20%的甲烷产生。该结果显示，协同代谢的微生物群落中可能存在着直接电子传递的通道，而 IONPs和MWCNTs起到在产乙酸菌和产甲烷菌之间进行电子传递中间体的作用，实现了菌间的直接电子传递过程。此外，IONPs对群落中 Bacteroidetes具有富集作用，而 MWCNTs对Proteobacteria和 Firmicutes的生长具有促进作用。扫描电子显微镜和激光共聚焦实验结果表明这些纳米材料和微生物的胞外聚合物联系紧密。　　在三个EGSB中进一步研究了IONPs和MWCNTs对活性污泥特性的影响。含有IONPs的反应器在62天后甲烷产率达到最大，即214.4 mL/g-COD，而含有MWCNT及空白反应器在66天后甲烷产率分别达190.5和198.5 mL/g-COD。显然，IONPs诱导产生了更多的生物气和甲烷。厌氧消化74天后，添加IONPs和MWCNTs及空白反应器分别产生了25.1,21.9和20.1 m3/kg-VSS的甲烷气体。IONPs诱导产生了比 MWCNTs和对照组更高的甲烷产率。在培养期内，含有MWCNT和 IONP的反应器分别比空白反应器多产生12.6%和28.9%的CH4。这可能是由于 IONPs和 MWCNTs可用做产酸菌向产甲烷菌进行电子传递的通道。　　MWCNTs主要促进系统细菌的生长，而 IONPs促进了其中古菌的生长。此外，扫描电子显微镜和激光共聚焦实验结果显示厌氧污泥产生的胞外聚合物可以与 IONPs和MWCNTs产生结合。这可为细菌提供保护，避免纳米材料对细胞膜的损伤毒性。这一结果将有助于理解纳米材料介入复杂环境条件时厌氧微生物的适应性，同时为利用 IONPs和MWCNTs促进厌氧体系产甲烷过程提供重要理论基础。