摘要
厌氧消化具有资源回收效率高，环境影响程度低等特点，被认为是未来污泥生物处理技术的重要发展方向。然而污泥中复杂的絮状结构和细胞壁往往限制了污泥有机物的释放，使得水解酸化成为厌氧消化产甲烷的“限速”步骤。另外，传统的种间氢传递(IHT)代谢方式效率缓慢，代谢平衡容易被破坏。如何打破“限速”步骤并强化种间电子传递成为污泥厌氧消化新技术的研究重点。通常使用多种预处理手段促进污泥的水解酸化，然而预处理可能会引入抑制因素不利于后续甲烷生成，同时需要考虑额外的能量消耗和成本投入。已有研究表明，厌氧体系中引入零价铁(ZVI)可以有效减轻不利因素的影响，提升厌氧消化效率。另外，铁氧化物一方面可以通过异化铁还原增强有机物降解，可以尝试“替代”传统预处理强化水解酸化，另一方面可以参与直接种间电子传递(DIET)，强化胞外电子转移效率，开辟了强化厌氧消化的新渠道。 针对上述存在问题，本论文首先在常规厌氧消化器中引入过氧化钙(CaO2)预处理结合ZVI，探究其协同作用效果及机理;其次利用磁铁矿替代预处理步骤，结合ZVI，构建新型两阶段厌氧发酵模式，探究进一步降低成本和最大化甲烷生成的可能;最后利用含铁污泥制备出富含铁氧化物和官能团的含铁污泥基生物炭，期望能够有效提高胞外电子传递效率，改善污泥厌氧消化。主要研究内容及结果如下: (1)CaO2预处理被证实是提升水解效率的有效方法，然而随后的厌氧消化进程受到生产残留物(如活性自由基团和氨氮)的影响。为了研究CaO2预处理结合ZVI在污泥厌氧消化中的作用，将CaO2预处理、零价铁以及其组合分别应用于污泥厌氧消化器中。结果表明CaO2预处理和添加ZVI的反应器具有最佳的性能，与仅添加了CaO2和ZVI的消化处理相比，甲烷产量分别提高了9.7％和13.8％，污泥减量分别提高了4.0％和6.0％。进一步机理分析表明，ZVI能够增强电子传递系统(ETS)和辅酶F420活性，从而降低残留活性自由基团和氨氮对产甲烷菌的抑制作用。微生物群落分析表明，ZVI能够富集耐氨性更强的氢营养型产甲烷菌。本研究提供了一种预处理耦合铁材料强化剩余污泥厌氧消化的有效方案。 (2)利用磁铁矿“替代”预处理步骤，结合ZVI构建了新的两阶段厌氧消化模式。简单来说，在水解酸化阶段投加磁铁矿，在产甲烷阶段投加零价铁。结果表明，与仅含磁铁矿和零价铁的反应器相比，新模式中甲烷产量分别提高了10.2％和18.1％，COD去除分别提高了7.9％和10.9％。在新型消化模式中，磁铁矿可以通过异化铁还原作用增强有机物分解和酸化，提供更多的可利用底物，同时避免了磁铁矿和产甲烷菌竞争电子，ZVI通过刺激酶活性和富集氢营养型产甲烷菌促进了甲烷生成，进而强化了剩余污泥厌氧消化。 (3)根据以上研究结果，利用含铁污泥热解制备得到含铁污泥基生物炭。为了阐明温度对该生物炭性质的影响，表征了不同温度下含铁污泥基生物炭的性质并将其应用于剩余污泥厌氧消化。结果表明，600℃下制备生物炭存在更丰富的官能团和更良好的电子传递能力，能够有效提升微生物胞外电子传递效率，进而提升厌氧消化效率。本研究也为含铁污泥的处理和再利用提供了一种新的思路。
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