【摘 要】
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化石燃料的过度开发和能源需求的加大减少了燃料的储存量。据统计,每年化石燃料的燃烧会产生约150亿吨二氧化碳（CO2）和30至7000万吨甲烷（CH4）,助长了全球变暖。厌氧发酵是一种可再生能源（H2和CH4）生产的途径之一,可以实现高有机负荷率和低污泥形成。本研究通过水热合成法将磁铁矿纳米颗粒（Fe3O4 NPs）负载于还原氧化石墨烯（r GO）薄片上,成功地制备了磁铁矿还原氧化石墨烯纳米复合材料
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化石燃料的过度开发和能源需求的加大减少了燃料的储存量。据统计,每年化石燃料的燃烧会产生约150亿吨二氧化碳（CO2）和30至7000万吨甲烷（CH4）,助长了全球变暖。厌氧发酵是一种可再生能源（H2和CH4）生产的途径之一,可以实现高有机负荷率和低污泥形成。本研究通过水热合成法将磁铁矿纳米颗粒（Fe3O4 NPs）负载于还原氧化石墨烯（r GO）薄片上,成功地制备了磁铁矿还原氧化石墨烯纳米复合材料（Fe3O4-r GO NCs）。并将其与Fe3O4 NPs作为外源添加剂添加到厌氧发酵产能系统中,以改善厌氧发酵制氢和产甲烷效果。研究内容主要包括:（1）为了探究Fe3O4 NPs和Fe3O4-r GO NCs对暗发酵中生物H2生产的影响。本研究将不同浓度的Fe3O4 NPs（10-400 mg/L）和Fe3O4-r GO NCs（10-400 mg/L）添加到暗发酵制氢反应器中,以增强暗发酵制氢性能。当两种材料的添加量均为100 mg/L时,G2（Fe3O4 NPs）和G3（Fe3O4-r GO NCs）反应器的最佳生物H2产量分别为198.30 m L/g葡萄糖和225.60 m L/g葡萄糖,比G1（空白组）提高了42.97%和62.65%。Fe3O4 NPs和Fe3O4-r GO NCs均能促进丁酸型发酵并改变微生物细胞形态,但Fe3O4-r GO NCs的强化效果较好。微生物群落结构分析表明,添加Fe3O4 NPs的反应器中Clostridium-sensu-stricto-1的丰度从37.77%增加到40.58%;添加Fe3O4-r GO NCs反应器中Clostridium-sensu-stricto-1的丰度从37.77%增加到44.02%。以上结果表明,在添加Fe3O4-r GO NCs的反应器中Clostridium-sensu-stricto-1更占优势。（2）为了探究Fe3O4 NPs和Fe3O4-r GO NCs对厌氧发酵过程中丁酸盐降解产甲烷的影响。本研究将不同浓度的Fe3O4 NPs（50-400 mg/L）和Fe3O4-r GO NCs（50-400 mg/L）添加到厌氧产甲烷反应器中,以增强产甲烷性能。当Fe3O4 NPs的添加量为100 mg/L时,R2中最佳甲烷产量为162.38 m L/g COD,比R1（空白组）高出25.99%;当Fe3O4-r GO NCs的添加量为100 mg/L时,R3中最佳甲烷产量为179.75 m L/g COD,比R1高出39.48%。可溶性代谢产物分析结果表明,添加Fe3O4NPs和Fe3O4-r GO NCs均能促进丁酸盐降解。微生物群落分析结果表明,Fe3O4 NPs和Fe3O4-r GO NCs的添加均能够改善微生物的群落结构。产甲烷菌中的Anaerolineaceae、Syntrophomonas、Proteiniphilum和Methanobacterium丰度均有所提高。（3）为了探究Fe3O4 NPs和Fe3O4-r GO NCs对厌氧发酵过程中丙酸盐降解产甲烷的影响。本研究将不同浓度的Fe3O4 NPs（50-400 mg/L）和Fe3O4-r GO NCs（50-400 mg/L）添加到厌氧产甲烷反应器中,以增强产甲烷性能。当Fe3O4 NPs的添加量为200 mg/L时,B2中最佳甲烷产量为137.13 m L/g COD,比B1（空白组）高出15.84%;当Fe3O4-r GO NCs的添加量为200 mg/L时,B3中最佳甲烷产量为150.00 m L/g COD,比B1高出26.72%。可溶性代谢产物分析结果表明,添加Fe3O4NPs和Fe3O4-r GO NCs均能促进丙酸盐降解。微生物群落分析结果表明,Fe3O4 NPs和Fe3O4-r GO NCs的添加均能够改善微生物的群落结构。产甲烷细菌门水平上的Anaerolineaceae和Christensenellaceae＿R-7＿group以及产甲烷古菌门水平上的Methanobacterium的丰度均得到了提升。
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