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【摘要】：污水處理產業面對著“節能降碳”的技術需求,亟待開發一系列新型低能耗的污水處理工藝系統。在這些工藝系統中,厭氧產甲烷是實現污水能源回收的重要技術手段之一,通過從原污水或污水處理伴生物(污泥)中回收甲烷,轉化為熱能或電能并供給其他處理工段,將可能實現整個處理工藝的低碳節能。但是現有厭氧產甲烷技術普遍存在著低濃度低溫條件下效能下降、對抑制因素敏感、啟動周期較長等技術瓶頸,而造成問題的核心因素在于產甲烷功能菌群對環境因素敏感度高酒精檢測儀,在不利環境條件(如低進水濃度、低溫、存在抑制因子)下生長代謝速率緩慢,難以富集。在厭氧消化系統中“引入微生物電化學系統”和“引入導電材料”是兩種對厭氧微生物群落(特別是產甲烷菌群)可產生影響的工藝強化方法。本文將就這兩種強化方法對厭氧微生物群落結構以及產甲烷菌群富集過程的影響展開分析,并在此基礎上,將兩種方法應用于現有厭氧生物處理技術,提高其產甲烷效能,實現污水能源回收的強化。首先,分別在閉路條件(RCC)和開路條件(ROC)下啟動了兩組單極室微生物電解電池(ETrobial electrolysis cell,MEC)反應器,用以模擬有(無)微生物電化學反應影響的厭氧消化體系。

結果發現,與ROC相比,RCC的化學需氧量(CheETal oxygen demand,COD)去除率和產甲烷速率分別提高了38%和1.4倍。利用動力學模擬工具追蹤功能菌群在電極表面的富集過程氫氣報警器,發現引入微生物電化學反應可以限制發酵產酸菌群對載體空間的競爭并定向富集嗜氫型產甲烷菌群和電化學活性菌群。通過對啟動后的ROC和RCC體系建立了厭氧消化過程的電子平衡分析發現甲烷,引入微生物電化學反應可以影響發酵產物組成比例,導致流向乙酸和氫氣的電子比例由54%提高至72%,而滯留在丙酸和丁酸中的電子比例由36%降低至18%;此外,微生物電解過程致使約16%的電子由乙酸轉移至氫氣,并進而在嗜氫產甲烷菌作用下生成甲烷,這促使體系的產甲烷效能得到了顯著提高。其次甲烷,考察了施加外電壓和添加偶氮染料酸性橙(Acid orange 7,AO7)這兩種操作條件對含有導電載體的厭氧生物膜體系在微生物群落結構和產甲烷效能方面的影響。結果發現,采用導電石墨顆粒載體可以誘導產甲烷菌與胞外電子傳遞菌之間直接種間電子傳遞(Direct interspecies electron transfer,DIET)過程的形成。在HRT為6 h條件下,與不導電載體相比,采用導電載體的體系中生物質產甲烷活性提高了8.3倍,產甲烷速率提高了3.8倍。

在采用導電載體的基礎上進一步施加外電壓,會顯著影響產甲烷菌群落結構,而添加AO7則顯著影響細菌群落結構,富集多種具有胞外電子傳遞功能的菌屬,兩種條件都可以對產甲烷效能產生一定促進作用。同時施加兩種操作條件,則會形成協同作用,篩選富集脫硫球莖菌屬(Desulfobulbus),腸球菌屬(Enterococcus),產甲烷八疊球菌(Methanosarcina),脫硫單胞菌屬(Desulfuromonas)等與DIET型產甲烷過程相關的功能菌屬,強化體系的產甲烷效能,與無AO7和外電壓的對照組相比,其生物質的產甲烷活性提高了1.5倍,而體系產甲烷速率提高了1.4倍。最后,將微生物電解電池與厭氧升流式污泥床(Up-flow anaerobic sludge bed,UASB)工藝相結合,構建了UASB-MEC耦合反應器,并對微生物電化學單元的關鍵工藝參數和電極與厭氧污泥的耦合方式開展了優化研究。結果發現增大陰陽極的尺寸比例、施加0.9 V外電壓以及采用金屬鎳網作為陰極三種操作條件可以顯著提高微生物電化學單元的電化學性能和產甲烷效能,而電極處于污泥床層上方(水相中)的反應器構型更具優勢性。利用優化后的UASB-MEC耦合反應器處理剩余污泥產酸發酵液,結果與無電化學單元的對照UASB反應器相比,其甲烷速率和甲烷產率分別提高了53%和86%,啟動周期由45天縮短至22天。

將普通厭氧生物濾池反應器中的填料替換為導電石墨顆粒,并在啟動階段施加外電壓和AO7刺激,構建了改良型厭氧生物濾池工藝。該工藝處理模擬污水時甲烷,在水力停留時間(Hydraulic retention time,HRT)為4 h條件下,產甲烷速率和甲烷產率分別達到了0.2 m3/(m3·d)和0.13 m3/kg COD。當底物切換為生活污水后,工藝平均產甲烷速率和甲烷產率分別為0.04 m3/(m3·d)和0.06 m3/kg COD,與普通厭氧生物濾池相比,分別提高了42倍和13倍。實驗結果證明了通過“引入微生物電化學系統”和“引入導電材料”這兩種方法強化厭氧產甲烷效能的應用可行性,為實現污水的能源回收提供了新的技術思路。

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