摘要
废纸造纸具有节约木材资源、污染小等优点，契合清洁化生产的理念与要求，因此越来越受到关注。但是在废纸回用过程中，无机盐在系统中不断累积，导致水中Ca2+含量过高，在废水厌氧处理时易造成颗粒污泥钙化，严重影响废水处理效率。对于提升厌氧处理效率的问题已经得到了广泛的研究，近年来发现，导电碳材料是一类可以有效提升污泥产甲烷性能的添加剂。但是钙化影响污泥活性以及添加导电碳材料改善污泥活性在微观层面的机制仍不清晰，且导电碳材料是否能使钙化污泥的活性得以恢复尚未被广泛研究。因此，本研究借助纳米CT技术与高通量测序技术，探究了钙化如何通过影响污泥微观结构与微生物群落结构来影响其厌氧活性。在此基础上，采用多壁碳纳米管、物理法单层石墨烯与导电炭黑这三种导电碳材料作为添加剂强化厌氧反应，同样从微观角度阐述其作用机制。主要结论如下： （1）分别取钙化与未钙化厌氧颗粒污泥进行厌氧活性、微观结构与微生物群落结构的对比。结果显示，与未钙化污泥相比，钙化污泥的密度略有增大，有机物占比和胞外聚合物的含量分别降低了24.68%和27.11%。在钙化污泥中，一部分无机晶体沉积在污泥表面堵塞了孔隙，限制了传质速率；另一部分无机晶体以方解石的形态沉积在污泥内部，挤压了生物量的空间，降低了生物量密度。钙化污泥中主要的水解发酵菌丰度略有下降，Methanosaeta（产甲烷丝菌）的丰度降低了34.02%。此外，钙化还降低了污泥的产甲烷潜力。这些因素使得钙化污泥的累积产甲烷量与比产甲烷活性分别降低了26.82%与16.23%。 （2）在未钙化厌氧颗粒污泥的反应器中添加不同导电碳材料进行短期的培养。结果显示，添加多壁碳纳米管使累积产甲烷量与比产甲烷活性分别提高了10.23%和17.53%，将未钙化污泥中的钙沉积减少了5.32%，孔隙率增大了7.52%。添加物理法单层石墨烯分别将污泥的日产甲烷量与有机物占比提高了9.89%与6.26%。添加导电炭黑对污泥的比产甲烷活性没有明显的促进作用，Choloflexi（绿弯菌门）的丰度较对照组降低了26.56%，但其对KEGG（KyotoEncyclopediaofGenesandGenomes）基因通路与甲烷相关酶通路丰度的提升作用最明显。 （3）在钙化厌氧颗粒污泥的反应器中添加不同导电碳材料进行短期的培养。结果显示，添加多壁碳纳米管使累积产甲烷量与比产甲烷活性分别提高了20.53%和29.41%，将钙化污泥中的钙沉积减少了32.81%，孔隙率与生物量占比增大了9.88%和22.93%。多壁碳纳米管与导电炭黑的添加使优势菌群从TA06变为了Choloflexi，物理法单层石墨烯的添加使优势菌群变为了Actinobacteriota（放线菌门）。导电炭黑对KEGG基因通路与甲烷相关酶通路丰度的提升作用最明显。
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