摘要
厌氧消化是同步实现剩余污泥减量和资源/能源回收的重要途径，然而传统厌氧生物技术存在水解效率低、微生物合成代谢能力差等问题，严重限制了厌氧消化技术的应用。鉴于此，本研究提出了采用功能化水凝胶材料提升剩余污泥厌氧生物处理效率，实现能源回收利用及发酵沼液高效降解的强化策略。首先，开发了海藻酸钠/Fe(Ⅲ)凝胶球联合过硫酸盐预处理技术，快速破坏剩余污泥絮体结构并提高挥发性脂肪酸（VFAs）含量，探究其协同作用效果及机理；其次，构建了刃天青/聚苯胺（RZ/PANI）导电性水凝胶-污泥厌氧消化产甲烷体系，通过系统内物质转化规律、电子传递过程阐明强化机理；最后，针对发酵液难降解问题，通过碘氧化铋/氧化石墨烯-聚乙二醇光热型水凝胶（BiOI/GO-PEG）光催化降解发酵液中的难降解物质，为实现污泥厌氧生物处理的全过程管理提供理论依据和技术支撑。主要研究内容如下： 1.厌氧发酵回收VFAs通常受到剩余污泥可生化性差的限制。本研究提出了一种以铁负载海藻酸钠水凝胶球（Fe-SA）活化过硫酸盐（PMS）的新策略来提高厌氧发酵性能。实验结果表明，Fe-SA和PMS共预处理显著提高了VFAs产量。当Fe-SA添加量为4.0mM/gTSS时，最大产酸量可达2013mgCOD/L，相比于单独添加PMS和空白对照组分别提高了93.7%和8.82倍。机理研究表明，Fe-SA能活化PMS产生更丰富的SO4??和?OH等活性自由基，促进了难降解化合物的快速降解。此外，Fe-SA可以加强厌氧发酵系统水解和产酸过程中的关键酶活性（蛋白酶、α-葡萄糖苷酶、磷酸转乙酰化酶和醋酸激酶）。微生物分析表明，Fe-SA独特的三维孔道结构能为微生物提供良好的生长环境，显著提高了发酵微生物的丰度和产酸相关功能基因的表达。本研究证实了Fe-SA水凝胶珠在激活PMS生产VFAs方面的应用潜力，为开发基于高级氧化工艺的厌氧发酵强化技术提供了重要参考。 2.已有研究表明，厌氧体系中添加导电材料可以促进微生物直接种间电子传递（DIET），提高产甲烷效率，而电子穿梭体也被证实可以介导胞外电子传递提升微生物代谢效率。但传统的导电材料和电子梭体类物质使用后会易流失，增加处理成本。因此，本研究以PANI为导电介质负载天然电子穿梭体RZ，构建了基于RZ/PANI导电水凝胶强化的污泥厌氧消化体系。实验结果表明，添加RZ/PANI水凝胶的厌氧体系中，产甲烷总量相比于对照组提高了1.42倍。进一步机理研究表明，RZ/PANI水凝胶能够作为电子通道增强电子传递系统（ETS），提高了DIET过程。同时，RZ/PANI水凝胶有助于提高产酸酶（磷酸转乙酰化酶和醋酸激酶）、辅酶F420等关键酶活性。微生物分析表明，RZ/PANI水凝胶能促进Methanosarcina和Methanosaeta等相关产甲烷菌的富集。本研究提供了一种导电凝胶耦合电子穿梭体强化污泥产甲烷的有效方案，为厌氧消化定向强化提供新的思路。 3.厌氧消化产生的发酵液含有大量的难降解污染物（如木质纤维素、腐殖质和抗生素等），若不经过妥善处理，将对生态环境和人体健康造成威胁。本文通过制备BiOI/GO-PEG复合光热水凝胶，选取土霉素为典型沼液难降解有机物进行光催化降解实验。实验结果表明，BiOI/GO-PEG对土霉素的降解率达到82.4%，展现出良好的催化性能。BiOI/GO-PEG能有效的抑制光生载流子和空穴的复合，提高对太阳光的吸收能力。机理研究表明，?OH和?O2?是光热催化过程中的主要活性自由基。PEG作为相变凝胶材料，可以在间歇光的照射条件下释放潜热，维持催化体系温度，进而提高BiOI/GO-PEG的光催化活性，具有潜在的应用价值。该研究结果可以为光热型凝胶材料在污染物催化降解领域的应用提供了参考。
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