剩余活性污泥(WAS)是污水处理过程中产生的不可避免副产物,因其含有丰富的有机物,已成为廉价资源。厌氧消化产甲烷(CH4)是污泥资源化研究的热点之一。然而,在污泥厌氧消化过程中,有机物水解速率慢、产甲烷菌对环境敏感、污泥中碳氮比(C/N)不足等问题常导致产CH4过程失败。针对以上问题,本课题采用预处理技术加速污泥水解,同时构建厌氧序批式反应器(ASBR)和膨胀颗粒污泥床(EGSB)两相厌氧消化工艺实现污泥连续产酸产CH4。在产酸相,采用ASBR完成污泥中的碳源向短链挥发酸(SCFAs)的转化,并投加餐厨垃圾水解液对C/N进行调控,促进蛋白降解和SCFAs产生。在产CH4相,主要考察EGSB反应器处理污泥酸化液的产CH4效能,研究厌氧颗粒污泥培养驯化过程中,颗粒污泥特性及微生物群落结构的变化。首先,本课题研究了超声+碱、超声+β-环糊精和低温热水解三种预处理技术对WAS的破解效果,揭示其促进WAS溶胞的机理,并通过批次试验确定促进SCFAs积累的最佳预处理参数。结果表明:超声+碱和低温热水解有效地破坏了污泥的EPS结构,使污泥粒径从212μm快速降低至10μm左右;而在超声+β-环糊精预处理过程中,0.3 g/g DS的β-环糊精导致破解污泥重新絮凝,粒径增大至160μm。三种预处理释放的有机物均以蛋白为主,腐殖酸类物质则随β-环糊精投加量的增加而增加。批次产酸试验表明,SCFAs产量与预处理释放的有机物浓度正相关,相应的SCFAs浓度从高到低的顺序为:超声+碱(2543.7 mg/L)>超声+β-环糊精(2281.1 mg/L)>低温热水解(1811.4mg/L)。本课题采用ASBR反应器对预处理污泥进行厌氧产酸研究,考察水力停留时间(HRT)对SCFAs的影响。研究发现,HRT=3 d有利于促进SCFAs的产生,相应的SCFAs浓度维持在2200 mg/L左右,乙酸和丙酸达到65%以上。针对WAS水解酸化过程中C/N不足、蛋白降解率低的问题,本课题采用餐厨垃圾水解液(150℃、30 min)对超声+碱预处理污泥厌氧产酸过程进行调控。研究结果表明,污泥与餐厨垃圾体积比10:1可使SCFAs浓度从2099mg/L提高到7167 mg/L。餐厨垃圾水解液改变了污泥厌氧发酵类型,乙酸和丁酸成为主要产物。对酸化液性质进行分析发现,污泥与餐厨垃圾体积比10:1时,SCFAs所占的比例比未投加餐厨垃圾时提高了1.92倍,而蛋白所占的比例减少了三分之一。这证明适量的投加餐厨垃圾能够促进蛋白的降解,提高产酸效率。餐厨垃圾明显改变了ASBR反应器内水解酸化微生物群落结构。绿弯菌门(Chloroflexi)和变形菌门(Proteobacteria)门类的细菌分别降低至3.17%和8.48%,而拟杆菌门(Bacteroidetes)和厚壁菌门(Firmicutes)门类的细菌则分别提高到了43.3%和30.1%。从纲水平上来说,以降解碳水化合物为主的Bacteroidia、Bacilli和Clostridia增加到了17.61%、13.67%和29.49%。另外,Shannon指数的变化表明,餐厨垃圾水解液提高了微生物的多样性,为反应器的稳定运行创造了条件。采用EGSB反应器,考察污泥酸化液的产CH4效能及微生物群落变化。在厌氧颗粒污泥培养驯化过程中,反应器运行90 d,光滑、密实、球形的成熟颗粒已经形成,此时粒径以0.63-0.8和0.8-1.0 mm的颗粒为主,CH4产率达到0.32 m3/kg COD。宏基因组测序结果表明,真细菌以Firmicutes、Proteobacteria、Bacteroidetes和Chloroflexi四个门类为主。其中,Firmicutes门的食丙酸产氢产乙酸菌属Pelotomaculum和同型产乙酸菌Acetobacterium,以及Chloflexi门的食丙酸、丁酸和乙醇的产氢产乙酸菌长蝇菌属(levilinea)均随酸化液投加量的增加逐渐增强。与此同时,Proteobacteria门的互营杆菌属(Syntrophobacter)受SCFAs影响而减少。当培养驯化完成后,甲烷八叠球菌(Methanosarcina)和甲烷鬃毛菌(Methanosaeta)所占的比例分别升高到54.11%和31.8%,表明这两种菌能够适应高SCFAs环境,是CH4产量提高的主要原因。HRT对EGSB反应器的产CH4效果产生明显影响。在35±2℃、回流比4:1条件下,HRT=12 h是EGSB反应器产CH4的最佳条件。