摘要
我国城市化的持续推进伴随着市政污水产量的逐年增加，城市污水处理厂在处理污水的过程中不断吸附病原体、有机污染物等有害物质，最终富集到污泥中，严重威胁生态环境健康。厌氧消化作为一种相对成熟且应用广泛的技术，能够有效实现污泥的资源化、稳定化、无害化以及减量化。但有机物降解率低、水解酸化受限以及种间氢传递（IHT）效率缓慢等因素使得传统污泥厌氧消化产沼气的能力受到“限速”。为突破“限速”瓶颈，在“以废治废”的原则下，本研究以油茶壳为原料制备磁性生物炭，按一定比例投加于污泥厌氧消化系统中，从产气性能和微生物群落多样性层面分析磁性生物炭作为添加剂对产沼气过程的影响机制。本研究的具体结论如下： （1）通过扫描电子显微镜分析可知，磁性生物炭呈现出比原生生物炭更致密的细孔结构。在磁化改性过程中，生物炭的比表面积和孔隙体积减小，这可能是氧化铁晶体堵塞了生物炭的原始孔隙。X射线衍射结果表明，生物炭经磁化改性后的主要成分由无定形炭变为磁性氧化铁和铁。同时生物炭含氧官能团的增加有利于强化电子传递进程。 （2）添加磁性生物炭能更好地促进污泥厌氧消化产沼气性能。投加量为40mg/gTS时的促进作用最强，其累计产沼气量为439.71mL/gVSadded，与空白组（309.20mL/gVSadded）相比，沼气产量增加了42.21%。同时，当磁性生物炭的添加剂量达到80mg/gTS时，污泥厌氧消化产沼气性能出现抑制。 （3）在整个污泥厌氧消化期间，所有装置的pH都维持在6.93~7.46之间，没有出现明显的酸积累现象。磁性生物炭的加入促进了污泥厌氧消化的水解过程，总固体（TS）降解率达到28.99%~46.13%，挥发性总固体（VS）降解率达到49.42%~63.81%，溶解性化学需氧量（sCOD）、可溶性蛋白和可溶性多糖的去除率都得到了不同程度的提升。各装置中的挥发性短链脂肪酸（VFAs）浓度先升高后降低，主要代谢产物为乙酸。此外，通过对系统中铁元素形态的追踪发现，由于可溶性Fe3+作为电子供体不断被还原成Fe2+，其浓度远低于可溶性Fe2+。 （4）16SrRNA扩增子测序技术揭示了磁性生物炭的添加对污泥中微生物群落多样性的影响。结果显示磁性生物炭能有效促进沼气产量的原因是其对Methanosaeta（甲烷丝毛菌属）、Methanobacterium（甲烷杆菌属）和Methanosarcina（甲烷八叠球菌属）等产甲烷古菌的富集。
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