【摘 要】
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厌氧污水处理是一种能耗低、污泥产生少、可回收能源的适用于高浓度有机废水处理的污水处理方法。目前,一般研究认为,生物炭等导电材料能够通过促进微生物产甲烷过程中的种间电子传递而加速甲烷的生成,但相关研究聚焦于产甲烷途径中的氢型产甲烷途径和电子还原型产甲烷途径,而生物炭等导电材料对乙酸型产甲烷途径的影响机理未得到清楚阐释。本研究关注生物炭对厌氧颗粒污泥中乙酸型产甲烷途径的影响,搭建模拟厌氧反应器,选用以
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厌氧污水处理是一种能耗低、污泥产生少、可回收能源的适用于高浓度有机废水处理的污水处理方法。目前,一般研究认为,生物炭等导电材料能够通过促进微生物产甲烷过程中的种间电子传递而加速甲烷的生成,但相关研究聚焦于产甲烷途径中的氢型产甲烷途径和电子还原型产甲烷途径,而生物炭等导电材料对乙酸型产甲烷途径的影响机理未得到清楚阐释。本研究关注生物炭对厌氧颗粒污泥中乙酸型产甲烷途径的影响,搭建模拟厌氧反应器,选用以乙酸型产甲烷为主的厌氧颗粒污泥;制备剩余污泥生物炭,并进行了三个方面的研究:（1）污泥生物炭（Sludge Biochar,SBC）对厌氧颗粒污泥产甲烷的影响分析;（2）酸洗处理后污泥生物炭（Washed Sludge Biochar,WBC）对厌氧产甲烷的影响分析;（3）WBC对破碎后厌氧颗粒污泥产甲烷的影响分析。本文主要结论如下:（1）SBC7和SBC9的加入抑制了甲烷的产生和底物降解转化:对照组在第10天达到了 2.04 mmol/L而添加SBC7仅有0.5mmol/L,添加SBC9的样品产生的甲烷忽略不计。X射线光电子能谱（X-ray photoelectron spectroscopy,XPS）结果显示:SBC内的重金属、碱金属会随热解温度的升高而上升;pH测定结果表明,相比SBC3和SBC5,SBC7和SBC9的pH分别为9.35和9.48,远远高出产甲烷菌的最适pH。表明较高热解温度的SBC中的金属（类金属）含量和碱度过高,会抑制厌氧产甲烷过程。（2）经过酸洗处理后,生物炭pH和金属含量降低。SBC7和SBC9的pH值由9.35和9.48下降至6.8-7.2区间内;SBC7中的重金属减少了 90.14%,而SBC9中的重金属减少了 56.78%。WBC添加后,体系的产甲烷情况表明,WBC7和WBC9对厌氧产甲烷的抑制作用消失,显著性差异分析表明,WBC添加组与对照组在甲烷产生情况上不存在显著差异（p＞0.05）。进一步验证了高温污泥生物炭中的重金属和较高的pH是抑制作用的主要原因。（3）采用研磨法破坏厌氧颗粒污泥的结构,分析WBC进行破碎颗粒污泥产甲烷的影响。高温WBC的添加对破碎颗粒污泥产甲烷表现出抑制作用。相关性分析指出,电导率与抑制作用有较高相关性（r=0.92,p＜0.05）,表明对于乙酸型为主的厌氧产甲烷体系而言,体系内的电子传递速度会抑制产甲烷过程。综上所述,SBC的重金属含量、pH值和电子传递速度都会影响乙酸为底物的厌氧产甲烷过程。高温SBC的碱度较高,同时伴随重金属和碱金属含量的提升,从而抑制产甲烷过程,而酸洗处理可以减弱和消除抑制。WBC的电导率和增强的电子传递速度会抑制产甲烷过程,改变颗粒污泥原有的群落结构,使与H2代谢相关的微生物相对丰度上升,不利于乙酸为底物的厌氧产甲烷过程。本研究阐明了 SBC的添加在乙酸为底物的厌氧产甲烷体系中的影响,为提高污水厌氧消化工艺的生物能回收效率提供了技术指导与理论支持。
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