采用厌氧产甲烷技术去除废水和废弃物中的高浓度有机污染物,既能有效降低环境负荷,又能获得沼气和回收生物质能源,同时满足社会和环境健康、可持续发展的要求。然而在厌氧消化过程中,中间产物挥发酸(VFAs)的产生和消耗不平衡,极易导致高浓度VFAs的积累,pH值下降,抑制产甲烷菌的活性,造成系统稳定性变差,极大地抑制了甲烷转化的过程。本研究以增强反应系统的稳定性和提高甲烷产量为目的,将低压电场引入厌氧消化反应器中,通过电化学辅助微生物厌氧系统克服热力学障碍,消除VFAs累积产生的抑制作用,提升反应器性能。本文分为三部分试验,考察低压电场和生物电极对VFAs降解转化效率的影响;探究产甲烷型微生物电解池(Microbial electrolysis cells,MEC)在高氨氮负荷条件下的VFAs降解转化效率;利用颗粒电极MEC处理高浓度啤酒废水。前两部分实验根据反应器内是否有石墨毡电极(GF)、在开路(OC)或闭路(CC)条件下操作标记各反应器为:R1(Ti+CC),R2(GF+CC);R3(GF+OC)。研究结果如下:(1)以单一乙酸钠为反应底物确定单室MEC中磷酸盐缓冲溶液(PBS)的作用,其结果表明PBS的存在有助于降低反应器的欧姆内阻、加快质子转移速率,提高底物的分解效率;从一级动力学分析可知电流刺激可以有效地提高底物降解效率。确定PBS浓度后,以混酸为反应底物考察低压电场的作用,结果显示含有生物电极的反应器在闭路操作时,其丁酸的降解率提高了12%(反应开始的24h),但是电流刺激对丙酸的降解并没有明显的作用。此外,对应闭路操作下的反应器产甲烷量相比开路操作提升了35%。高通量测序的结果表示电流的刺激有助于Methanosarcina和Geobacter的富集,推断可能通过促进直接种间电子转移(DIET)从而加快底物的消耗和甲烷的产生。(2)研究探究了产甲烷型MEC在高氨氮负荷条件下反应性能。结果表明较低的氨氮负荷并没有对VFAs的降解产生显著的阻碍;当氨氮负荷为4 g/L时,各反应器中VFAs的降解开始出现抑制,但是R3中丁酸和丙酸的降解率相比R1和R2高了10-70%;当氨氮负荷升高至6 g/L时,各反应器中VFAs的降解被大幅抑制且无明显差别。另外,甲烷产量的趋势为R2>R3>R1且不随氨氮负荷的变化而变化。生物群落方面,在氨氮负荷下,没有电流刺激时Methanobacterium是主要的产甲烷菌;但是在低压电场的刺激下,嗜乙酸型产甲烷菌Methanosaeta的含量较高且随着氨氮负荷的升高而增加。(3)利用不同粒径大小的活性炭为生物电极,探究了颗粒电极MEC对高浓度啤酒废水的厌氧消化降解效果的影响。结果表明,适当的电流刺激能增强上流式厌氧反应器处理高浓度啤酒废水的能力,提高底物转化效率及甲烷含量。当外电压从0.5V升高至1.0V时,填充颗粒活性炭(10-20目)的反应器内底物转化能力几乎完全被抑制,而填充粉末活性炭(80-100目)的反应器内TOC转化效率降低了25%,甲烷产量降低了56%。两组反应器性能的对比说粒径较小的活性炭能增强反应器内抗有机负荷冲击的能力,且粉末活性炭比颗粒活性炭更有助于反应器的稳定运行。生物群落的分析显示古菌群落主要分布在活性炭的的内部核心区,保证了添加有活性炭的反应器的在面对水力和负荷冲击时仍可保持稳定的高处理效率。另外,电流刺激促使了嗜氢产甲烷菌在活性炭内部的大量富集从而极大地促进了产甲烷过程。相比颗粒活性炭,粉末活性炭内部紧密结合层中大量的Methanosarcina。由于Methanosarcina代谢产甲烷途径的多样性,它的存在有助于提高反应器的稳定性及应对外界干扰的能力。故而,不同粒径活性炭对微生物种群的富集具有一定的选择性,因此可以通过对此参数进行优化来改良厌氧生物反应器,从而提高系统的效率和稳定性。