Fe3O4纳米颗粒对厌氧消化产氢/产甲烷的促进效应及其机理研究

Anaerobic digestion is widely used in treatment of wastewater, excess activated sludge, municipal waste, crop straw, livestock manure, et al with the functions of environmental protection and energy recovery. Using iron with different morphology and valence state in anaerobic digestion to increase biogas (H2,CH4) production and enhance organic matter degradation simultaneously has attracted many scientists' attention in recent years. However, there are severe drawbacks for introducing the iron in anaerobic digestion system such as lacks concentration control, anion inhibition, poor bioavailability, unstabitily and high cost et al, which limit their industrial applications. According to this problem, Magnetite Nanoparticles, MNPs are introducing in anaerobic digestion system in this research. The enhancing effect of MNPs on biogas production(H2,CH4),and the promotion mechanism of MNPs environmental behaviour on bioavailability based on occurrence state and fate analysis will be investigated in this research.In order to illustrate enhancement mechanism, key enzyme activity, microbial population dynamics and abundance, and biodegradation pathway will be investigated. Carrying out this research will provide a new method and theory basis to increase biogas production in anaerobic treatment.

厌氧消化技术作为兼具环境治理和能源回收功能的综合系统，被广泛的应用于 废水/污泥/生活垃圾处理、农作物秸秆和畜禽粪便发酵等多个领域。在厌氧消化体系中引入不同形态/价态的Fe 以实现有机物降解的同时获得高产量的CH4、H2生物质能一直是该领域的研究热点，然而投加浓度难以控制、阴离子抑制、生物利用度低、化学性质不稳定、成本高等问题严重影响其应用性。本研究针对这一问题而展开，提出在厌氧消化体系内引入Fe3O4 纳米颗粒(MNPs),考察其对于厌氧消化产氢和产甲烷过程的促进效应；基于MNPs厌氧消化过程中的赋存状态和归趋分析，阐述其厌氧环境行为及其对生物利用度的促进机制；基于MNPs 对关键酶活性、微生物种群结构和丰度、底物代谢途径的影响分析，揭示MNPs促进效应机理，进而为提高厌氧消化产气效能提供新的思路和理论依据。

本项目按照项目申请书及计划书中申报的内容进行项目实施，在厌氧体系内引入Fe3O4纳米颗粒(MNPs)，研究了其对于废水厌氧产氢和产甲烷过程的促进效应，揭示MNPs的促进效应机理，如期完成了预期研究内容，取得了一定的研究成果。. MNPs促进厌氧产甲烷的实验结果表明：小粒径MNPs（0-80nm）均能提高COD降解速率，以40~60nmMNPs的促进作用最为明显；投加MNPs有利于形成弱碱性环境并维持适宜的ORP环境；浓度（100-400mg/L）的MNPs可以明显提高比产甲烷速率，并使其在相对长时间内保持在较高水平。MNPs可以向体系中缓慢释放Fe2+/Fe3+，并在微生物协同作用下使体系中Fe2+含量明显提高；添加的MNPs部分可通过吸附、络合反应等方式提高污泥中总铁与生物有效性铁的含量。MNPs可以明显提高特征酶（F420、CoM）含量进而提高产甲烷菌活性；MNPs可以使体系微生物菌落多样性提高，促进优势种发生改变，改变产甲烷菌属丰度，进一步强化Methanolinea优势菌种地位，同时使Methanoregula、Methanosaeta、Methanosarcina含量提高，Methanobacterium含量降低。综上所述MNPs促进产甲烷作用的机理主要是作为种间电子传递载体、提高电子传递效率，改变乙酸降解途径，其次是通过释放Fe2+的方式促进产甲烷过程。. MNPs促进厌氧产氢的实验结果表明：MNPs对葡萄糖的降解速率影响很小，但可促进产酸发酵类型从丁酸型向乙醇型转变。当MNPs在40-60 nm粒径范围，投加浓度为0.018 g/gVSS时，系统产氢性能最佳。MNPs的添加使得污泥中5种化学形态Fe的含量均有所提高，但并没有改变MNPs的反尖晶石结构；MNPs的投加没有影响污泥中有机物官能团的种类，只是影响了有机物官能团的含量。MNPs使系统内的微生物群落丰度以及多样性均有所提高，微生物群落结构也发生了明显的改变，并显著提高产氢细菌的氢化酶和脱氢酶活性。综上所述MNPs的产氢促进机理主要表现在：胞内及胞外的MNPs可以提高氢化酶和铁氧还蛋白的活性，胞外的菌体纳米线会促进葡萄糖穿过细胞壁的运输，同时与MNPs可以增加菌体间电子转移速率，进而提高产氢效能。