摘要
厌氧消化技术（Anaerobic digestion，AD）是一种生物处理技术，可以在处理处置剩余污泥（Waste-activated sludge，WAS）的同时，产生甲烷等能源气体，有效实现剩余污泥的资源回收。然而，污泥停留时间长，厌氧反应过程复杂和甲烷产量低等缺点也限制了AD的大规模应用。介导材料在AD中的投入，可以显著提升厌氧消化反应器的甲烷产率和稳定性。本研究将通过分析不同介导材料对于厌氧消化产甲烷效能的影响，制备新型掺氮载铁功能碳材料（Fe3O4@N-BC），构建基于 Fe3O4@N-BC 介导的厌氧微生物产甲烷代谢系统，揭示 Fe3O4@N-BC 对于剩余污泥厌氧消化系统的影响机制，在厌氧消化反应器中建立起基于 Fe3O4@N-BC 介导的种间电子传递（Mediated interspecies electron transfer，MIET）路径，从基因水平上阐明Fe3O4@N-BC促进厌氧产甲烷的机制。 首先探究不同介导材料对厌氧消化系统的促进作用。Fe3O4是典型的铁系介导材料，随着Fe3O4粒径的减小或者其投量的增加，AD过程的甲烷累积产量都能得到提升。Fe3O4的最优工况为粒径为 0.1 μm，投量为2 g/L，其甲烷累积产量达到最大值 653 mL/g VSS，较对照组提升 1.12 倍。Fe2+的浸出和氧化并不是甲烷产量提高的原因。而生物炭（Biochar，BC）则是典型的碳基材料，BC粒径的持续缩小则会增强其吸附作用，使得污泥发酵液中的有机底物迅速下降，抑制微生物的生长繁殖，进而造成厌氧消化过程的停滞。当 BC 粒径为 125 μm，投量为5 g/L 时，甲烷累积产量达到最大值 566 mL/g VSS，较对照组（288 mL/g VSS）高出 0.96 倍。 为了有机结合铁系介导材料与碳基介导材料的优点，同时减小其缺点带来的影响，基于Fe3O4和BC的最优粒径与投量，制备得到复合介导材料Fe3O4@N-BC，其最优粒径为 125 μm，当投量为 5 g/L 时，甲烷累积产量达到最大值 624 mL/g VSS，较对照组（227 mL/g VSS）高出 1.75 倍（高于单独 Fe3O4或 BC 的 1.12 倍和 0.96倍）。Fe3O4晶体颗粒呈簇状沉积在Fe3O4@N-BC表面。Fe3O4@N-BC中N元素主要以吡咯氮的形式存在，在进行电子传递时更为高效。而Fe元素有Fe2+和Fe3+两种价态，可以通过 Fe2+和 Fe3+之间的来回变化在 Fe3O4晶体中形成电子传递的通道，进而促进厌氧消化过程中的MIET过程。同时，Fe3O4@N-BC相比于BC含有更多大量能与水形成氢键的-NH2基团，在增强Fe3O4@N-BC亲水性的同时，N原子还能通过强化电子离域和提供孤对电子促进电子在材料中的传递。Fe3O4@N-BC的电子接收能力（Electron accepting capacity，EAC）和电子贡献能力（Electrondonating capacity，EDC）相比于 BC 分别提升 1.57 倍和 2.24 倍，电导率提升 5.40倍，能够促进厌氧消化过程中的MIET，进而提升甲烷的产量与产率。 为了探究 Fe3O4@N-BC 在连续流反应器中的功效以及其对反应器稳定性的影响，在升流式厌氧污泥床（Upflow anaerobic sludge bed，UASB）反应器进行改变剩余污泥停留时间的四阶段实验。Fe3O4@N-BC 通过提升 α-葡萄糖苷酶和蛋白酶等水解酶的活性，加快发酵液中溶解性多糖（Soluble polysaccharides，SPS）和溶解性蛋白（Soluble protein，SPN）等复杂有机物的消耗，并将其转化为以乙酸和丙酸为主的挥发性脂肪酸（Volatile fatty acids，VFAs）。同时，Fe3O4@N-BC 也能提升辅酶 F420 浓度和电子传输系统（Electron transfer system，ETS）活性，加快对VFAs的消耗，进而增加甲烷产率与产量。随着剩余污泥停留时间的缩短，Fe3O4@N-BC通过促进生物膜的形成，抵抗升流剪力增加带来的微生物量流失，进而增加污泥浓度。在群落结构上，Fe3O4@N-BC可以提升微生物的多样性，通过生态位的重叠的提高增强厌氧消化系统的稳定性。 Fe3O4@N-BC能够富集金黄杆菌属（Chryseobacterium）等水解细菌，通过促进群体效应，增加胞外聚合物（Extracellular polymeric substances，EPS）的分泌，有利于微生物附着在 Fe3O4@N-BC 表面和生物膜的形成。而生物膜使得不同微生物之间形成相对固定和紧密的位置，促进厌氧微生物之间的MIET。EPS中的导电蛋白和电子穿梭体可以直接充当电子媒介，协同 Fe3O4@N-BC 表面的含氮官能团以及Fe3O4颗粒建立厌氧微生物之间的MIET通路。产氢产乙酸菌产生的电子，经由Fe3O4@N-BC的介导作用，传递给以甲烷鬃菌属（Methanothrix）为主的产甲烷菌，通过甲烷吩嗪氧化还原酶将F420转化为F420H2，进而将CO2还原生成CH4。由于 MIET 过程的存在，Fe3O4@N-BC 在增加甲烷产量的同时也增加甲烷在生物气的的占比，进而提升AD产生的生物气的品质和经济价值，有利于实现剩余污泥厌氧消化的产业化和经济转型。
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