微生物催化电解促进剩余污泥产甲烷新型工艺及定向调控

A breakthrough of enhanced carbon conversion and methane production from waste activated sludge (WAS) is one of inprovement targets on WAS disposal and recycling.However, two limiting aspects have to be considered to make it. Firstly, low pH is aroused soon for volatile fatty acids (VFAs) accumulation in primary phase of a two-phase anaerobic digestion (TPAD) process. Acidification is harmful both to acetogenesis and methanogenesis. Secondly, carbon sources of <C2 (CO2, acetic acid) are most favorable to methanogens, but substrates of >C3 are difficult to be converted. Bioelectrochemical enhanced TPAD for CH4 production is a noval process, which is coupled with bioelectrolysis functions of bio-anodic organic removal and cathodic reduction.Excess H+ is removed rapidly on the surface of downside cathode, as well as dissolved O2 and hevay metals, to maintain methanogen activaties. VFAs of >C3 are consumed by exoelectrogens on upside bio-anode after most C2 substrates are prior utilizated by methanogens, and electrons are recovered to H2 on downside cathode as substrates for hydrogenotrophic methanogenesis. Moreover, high-efficiency pretreatment will be tested to increase VFAs production in order to improve final methane production in new system. Relationship of microbial community structures and reactor performances are tried to uncover by functional gene analysis. Feedback information will guide the process improvement and optimization in future.

突破性提高碳转化率和甲烷能源气回收率是城市剩余污泥资源化的研究焦点，目前有两方面的限制需要尝试突破。（1）水解产酸阶段挥发酸积累是两相厌氧消化产甲烷工艺的双向限制因素，过量质子对产酸菌和产甲烷菌都产生抑制；（2）C2以下的碳源（乙酸、CO2）对甲烷产量有决定影响，C3以上的挥发酸难以高效转化为甲烷。微生物催化电解促进污泥产甲烷耦合系统新思路在两相厌氧工艺基础上引入生物阳极转化有机质和阴极还原功能，工艺运行借助下置阴极电化学特性快速消耗进入体系的部分质子，以及消除溶解氧和重金属抑制增加产甲烷菌活性，上置阳极电子传递菌转化产甲烷菌无法利用的C3以上挥发酸回收生物电子用于阴极氢气合成为产甲烷菌增加氢气底物。同时优化污泥预处理方法增加挥发酸（乙酸）产量，进而实现整个耦合工艺污泥产甲烷转化率的提高。借助功能基因技术对功能菌群动态进行分析为工艺优化运行提供调控指导。

该项目的研究工作主要解决了微生物电解-厌氧耦合过程的污泥的预处理方法与微生物电解污泥分步产氢/产甲烷的匹配与优化，为耦合系统构建及直接污泥处置提供了试验支持。基于微生物电催化促进微生物电子传递过程的剩余污泥梯级利用工艺原理，针对剩余污泥中的复杂有机碳源普遍存在的“发酵障碍”问题，构建了生物电极主导的有机碳源梯级利用工艺，开发了厌氧发酵-微生物电解耦合工艺系统，揭示了微生物电解对污泥中复杂碳源转化的电子传递作用和网络功能关系，这为处理剩余污泥更加有效回收能源提供新的尝试有很大研究意义。基金标注相关研究成果发表论文16篇，其中一作/通讯作者10篇，其他作者6篇，最高IF 6.217。. 围绕剩余污泥有机质梯级利用资源化方向，重点在微生物电解促进厌氧产甲烷机制和污泥厌氧发酵-微生物电解耦合产甲烷工艺方面取得了创新成果。针对传统污泥厌氧发酵过程大分子有机碳无法快速产甲烷的限制，提出了微生物电化学实现有机碳快速转化为电子进而提高嗜氢产甲烷菌产甲烷的促进原理。成功构建微生物电解-厌氧消化耦合反应器两套，申请专利3项，已授权2项。. 厌氧发酵-微生物电解产甲烷耦合工艺实现了发酵残液小分子有机质的高效利用。通过污泥预处理方法选择和废弃生物质外加碳源的调质优化，强化了污泥发酵产酸的提升作用；通过调控微生物电解系统的辅助电压，优化了系统的电子回收率和能量收益；与传统厌氧发酵工艺相比，耦合工艺中剩余污泥碳源转化效率提高3倍，产甲烷速率提高2倍。. 揭示了厌氧发酵菌-电极电子传递菌-产甲烷菌在耦合系统中对碳源转化的内在关联，通过电子传递功能菌群驯化和微生物电化学工艺调控证明了新型耦合系统可以大幅度提高污泥中复杂碳源的生物转化性，这为处理剩余污泥更加有效回收能源提供新的尝试有很大研究意义。相关成果发表在Biotechnology for Biofuels（IF 6.04）和J. Power Sources.（IF 6.217）上。