【摘 要】
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厌氧生物处理技术作为一种经济有效的废水处理方式,将污水处理与能源化相结合,得到了广泛关注与应用。废水厌氧生物处理技术在实际应用中存在着启动缓慢、产甲烷效率低等问题,目前利用电场、导电外源介体可有效促进厌氧产甲烷效能。但是这些方法对强化废水厌氧生物处理过程存在着局限性,例如过高的电流（＞20 m A）与交流电易造成厌氧微生物的死亡;过量的外源介体易造成二次污染等。因此为了突破了单一强化方式的限制,进
【基金项目】
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国家重点研发计划项目“城镇污水高效低碳资源化利用技术集成与示范”（2016YFC0401100）；
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厌氧生物处理技术作为一种经济有效的废水处理方式,将污水处理与能源化相结合,得到了广泛关注与应用。废水厌氧生物处理技术在实际应用中存在着启动缓慢、产甲烷效率低等问题,目前利用电场、导电外源介体可有效促进厌氧产甲烷效能。但是这些方法对强化废水厌氧生物处理过程存在着局限性,例如过高的电流（＞20 m A）与交流电易造成厌氧微生物的死亡;过量的外源介体易造成二次污染等。因此为了突破了单一强化方式的限制,进一步提高废水厌氧生物处理效率,本文提出了低电压电场耦合铁-碳复合介体强化废水厌氧生物处理方法。制备了铁-碳复合外源介体,以啤酒废水为研究对象,考察了低电压电场、外源介体、低电压电场耦合外源介体强化废水厌氧生物处理的可能性;并构建了低电压电场耦合铁-碳复合介体强化UASB系统,考察了耦合强化方式对工艺运行效能的影响;对厌氧系统中的微生物群落进行测定,推测不同强化方式的强化机制。利用共沉淀法合成了负载纳米零价铁的颗粒活性炭（GAC-NZVI）外源介体,与活性炭相比,GAC-NZVI的电导率提高了8.66 m S/cm;电子交换容量提高了1.19倍。向厌氧实验系统中添加1000 mg/L GAC-NZVI时,最高甲烷产率和平均甲烷产率可达到212.63±2.12 m L CH4/g-COD和169.86±2.58 m L CH4/g-COD,较对照组分别提高了7.56±4.58%和9.39±0.03%。与未添加粒子的对照组（4.47±1.75 mg/g MLSS,25.69±3.09 mg/g MLSS,6.26±0.13μS/cm）相比,添加GAC-NZVI的反应器中LB-EPS和TB-EPS含量增加至22.43±2.25 mg/g MLSS和62.19±7.30 mg/g MLSS,电导率增加至14.82±0.17μS/cm。GAC-NZVI提高了乙酸型产甲烷菌Methanothrix的相对丰度。促进了对底物乙酸的降解,提高了产甲烷效率。向厌氧系统施加100 mV低电压电场时有效提高了厌氧系统的有机物去除效率和产甲烷效率。COD去除率提高了16.72%;累积甲烷产量提高了23.39±0.28%;平均甲烷产率提高了15.69±0.91%。厌氧污泥中EPS含量提高了235±32.19%;电导率增加至3.17±0.08μS/cm;电流密度为0.82±0.03 A/m~2。古菌Methanothrix与具有种间直接电子传递功能的细菌Geobacter的相对丰度增加,并且100 mV的外部电压可以弥补Geobacter代谢能量的损失,促进了微生物之间的电子传递过程。向施加100 mV低电压电场的厌氧小瓶中添加浓度为1000mg/L的GAC-NZVI粒子,平均甲烷产率由227.72 m L±5.85 CH4/g-COD提高到234.19±1.78m L CH4/g-COD。与对照组（76.60±1.84 mg/g MLSS,71.86±1.76 mg/g MLSS,1.71±0.05μS/cm）相比,GAC-NZVI厌氧小瓶中LB-EPS和TB-EPS含量增加至84.56±1.62 mg/g MLSS和107.29±1.64 mg/g MLSS;电导率增加至2.25±0.02μS/cm。厌氧污泥中乙酸型产甲烷菌Methanothrix和具有DIET能力的Methanobacterium相对丰度提高,促进了产甲烷效率。构建了GAC-NZVI单独以及100 mV低电压电场耦合GAC-NZVI强化废水厌氧UASB处理系统,在有机负荷为2.86 kg COD/（m~3·d）时,耦合强化后厌氧系统甲烷产率提高了16.86±3.09%;污泥中LB-EPS和TB-EPS含量增加至113.45±6.07 mg/g MLVSS和190.08±1.51 mg/g MLVSS,促进了厌氧污泥的絮凝能力,并且当系统进水中外部营养不足时,EPS可作为营养来源,提高了微生物的活性,保证了系统的稳定性。污泥电导率增加至25.24±0.68μS/cm,污泥的电导率随着反应运行时间的增加缓慢下降。通过对微生物群落以及功能基因进行预测发现,微生物多样性和丰度得到提高,具有与产甲烷菌“互营作用”功能的细菌Anaerolineaceae和专性乙酸营养型产甲烷菌Methanothrix相对丰度提高,耦合强化促进了微生物对乙酸的降解。并且随着进水有机负荷的提高,甲烷产率提高。通过饥饿实验发现强化后厌氧微生物对外部环境适应性提高,短期饥饿有利于氢营养型产甲烷菌Methanolinea和Methanobacterium的生长,保证了厌氧产甲烷效率。通过对序批式小瓶实验以及连续流实验的结果对比发现,在相同以及足够的反应时间内,单一强化方法可用来促进厌氧生物处理效率,而耦合强化作用主要体现为提高厌氧生物处理速率。
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