摘要
通过厌氧生物产甲烷是实现污水中有机污染物资源化的主要途径之一。针对传统厌氧生物技术处理废水过程中产甲烷效率低的问题，本论文提出采用具有p-型共轭结构的聚苯胺（Polyanilien，PANI）为导电介质，强化废水厌氧生物处理体系中直接种间电子传递（Directinterspecieselectrontransfer,DIET），提高有机物经厌氧生物产甲烷速率进而实现废水高效资源化。 首先，采用界面化学氧化法制备了杆状PANI材料，其具良好的导电率（0.74S/cm），较高的亲水性和等电点（pH=7.3）及稳定的化学结构，这些理化性质确保了PANI可作为厌氧生物体系中优良电子传递介质。考察了投加PANI对厌氧污泥系统产甲烷性能的影响，优化得到PANI适宜投加量为600mg/L，此时可将厌氧污泥系统产甲烷速率提升1.8倍。投加PANI的厌氧污泥体系中，乙酸最大积累量可达4.25mmol/L，且体系中丙酸和丁酸积累量较对照组低，说明投加PANI可促进厌氧污泥对有机物降解能力；同时厌氧污泥中能够参与DIET过程的Clostridiumsensustricto细菌和Methanosaeta古菌的丰度分别由12.8%和17.3%提高至51.6%和36.2%。由此可知，PANI可促进厌氧污泥通过DIET和乙酸营养型产甲烷过程，这是PANI促进厌氧生物产甲烷的主要原因。 本文证明了PANI导电性为其促进厌氧污泥产甲烷的主要性质。为了进一步厘清PANI的导电率与促进厌氧污泥产甲烷之间的关系，本文通过材料设计的手段，分别通过化学法和模板法实现了对PANI导电率在5×10-4~21.2S/cm范围内的调控。通过对比投加不同导电率PANI的厌氧污泥体系产甲烷速率可知，PANI的导电率与促进厌氧污泥产甲烷速率非正相关。当PANI导电率在5×10-4~3.1S/cm时，产甲烷速率随着PANI导电率的升高而升高；但当导电率超过3.1S/cm时，厌氧污泥产甲烷速率则随着PANI导电率升高而降低。在适宜的导电率区间内，PANI对厌氧系统微生物具有良好的生物相容性，且较高导电率有利于厌氧污泥中具有DIET能力的Clostridiumsensustricto细菌和Methanosaeta古菌富集生长，当PANI导电率为1.1S/cm和3.1S/cm时，Clostridiumsensustricto的丰度由空白对照组的4%提升至16.9%和28.4%，Methanosaeta的丰度由空白对照组的31.9%提升至36.5%和53.1%，进而提高了厌氧污泥中胞外电子的转移效率。但当导电率超过3.1S/cm时，投加的PANI会导致污泥中微生物死亡并分泌大量胞外聚合物，增大微生物胞外电子传递到PANI的距离从而降低电子传递效率。 为了进一步提高厌氧污泥体系中胞外电子在导电PANI界面的转移效率，本文采用Fe2O3对PANI进行表面改性。结果表明，投加Fe2O3/PANI复合材料的厌氧污泥体系产甲烷量为分别投加Fe2O3和PANI的厌氧污泥体系产甲烷量之和的1.5倍，说明Fe2O3和PANI两组分对厌氧污泥产甲烷具有协同促进产作用。通过分子动力学模拟计算可知，Fe2O3表面改性的PANI复合材料与F420酶之间的结合能较单纯PANI下降了2KJ/mol，说明Fe2O3可提高胞外电子在PANI界面转移效率，这是Fe2O3/PANI复合材料协同促进厌氧污泥产甲烷的主要原因。 最后，本文构建了基于导电PANI强化的UASB体系，考察该系统长期运行的性能。考察了进水COD浓度对系统运行和产甲烷性能的影响，结果表明，当进水COD浓度不超过15000mg/L时，UASB产甲烷速率随着体系中投加PANI的导电率的升高而增大，且UASB中的电子利用率最高可提升至95.5%。当进水COD在稳定在6000mg/L时，考察了进水COD冲击对UASB稳定运行的影响，结果表明，当受到进水水质冲击时，投加PANI的UASB恢复稳定的时间较对照组短，说明PANI强化的UASB体系具有更强的抗冲击负荷的能力。投加PANI强化了代谢有机物产乙酸相关生物酶的活性，促进了UASB中的Anaerolinea,Trichococcus和Proteiniphilum这三种细菌互营生长从而提高有机物降解产乙酸，降低了系统中丙酸和丁酸的积累从而维持反应器的稳定运行。此外，PANI的投加也有利于UASB中Clostridiumsensustricto细菌和Methanosaeta古菌富集生长，强化UASB中DIET效率进而提高产甲烷效率。
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