摘要
厌氧消化是一种低成本高效益的处理剩余污泥的方法，能够在实现污泥减量化的同时回收以甲烷为主的能源物质，在国内外被广泛应用。然而，不同厌氧微生物之间的代谢不平衡往往会降低厌氧的效率，甚至导致厌氧消化失败。直接种间电子转移是一种更加高效的新型种间电子交换模式，却往往由于缺乏电活性微生物或者待处理废物的低导电性，导致大多数厌氧消化器不容易自发地建立这种高效的电子链接。通过外加电势的方法则可以在厌氧污泥中构建直接种间电子转移的链接从而强化厌氧消化，目前已被广泛的研究报道。但是以电化学的方法提高的甲烷产量并不一定能偶弥补电能的损耗，而且电化学复杂电极装置也进一步限制了它的实际应用。本研究则利用放置于反应器外的动态磁场诱导产生感应电动势，为厌氧反应器引入无源电势，从而促进厌氧消化。 本研究尝试用外源动态磁场强化剩余污泥厌氧消化，剩余污泥中单位质量挥发性悬浮物的甲烷转化效率较对照组提高了34.79%，甲烷总产量提高了65.02%。而剩余污泥分阶段实验的结果表明，动态磁场促进了与呼吸链电子转移相关的酸化和产甲烷两个阶段，而与呼吸链不太相关的溶解和水解两个阶段没有得到增强。而与呼吸链电子转移直接相关的辅酶(NADH/NAD+和F420H2/F420)浓度比也有了明显的增加，说明动态磁场加快了呼吸链的电子传递速率。进而通过产甲烷代谢路径的关键酶和辅酶对产甲烷代谢进行分析，发现动态磁场可以促进产甲烷菌裂解乙酸生成甲烷，这一方式是最主要的产甲烷途径，说明施加动态磁场确实能够有效促进厌氧消化产甲烷。 本研究中，丙酸钠和丁酸钠是污泥厌氧酸化阶段最主要的产物，在丙/丁酸钠厌氧产甲烷的实验基础上进行动态磁场的机理探究。微生物测序结果显示，动态磁场富集了电营养型产甲烷菌(Methanothrix)和放电菌(Exiguobacterium)，而污泥电容电导也得到了提高，说明二者之间可能存在电子转移链接。进一步的分析发现，厌氧污泥在本实验所用动态磁场的作用下产生了0.14mV的感应电动势，电刺激作用使污泥中的蛋白质类物质发生极化，从而加快了电子转移的速率。最后通过同位素动力学测试证实了由于蛋白质极化而促进的呼吸链电子传递。相较于电化学方法，外加动态磁场更加简便且能耗更低，因此将会是一种更加良好的强化厌氧消化的方法。
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