基于强化种间电子直接传递的高效厌氧生物处理新工艺机理研究

Energy recovery from wastewater is a new development trend in the field of wastewater treatment in recent years, anaerobic biological treatment is one of the core technology of wastewater energy recovery. Based on the novel mechanism of microbial interspecies direct electron transfer during anaerobic methanogenesis process, the effect of enhanced interspecies electron transfer on performance and stability of anaerobic reactor(UASB) , characteristics of interspecies electron transfer during anaerobic sludge granulation, and its influence on microbial population structure and function regulation are investigated in this project. Furthermore, the process mechanism of novel anaerobic biological treatment is revealed according to enhancement of direct microbial interspecies electronic transfer. This project has important academic significance and potential application value for innovative development of new efficient anaerobic biological treatment process and improvement of energy recovery efficiency from wastewater.

废水能源化资源化是近年来国内外废水处理领域发展的新趋势，厌氧生物处理是实现废水能源回收的核心技术。项目基于厌氧产甲烷过程微生物种间电子直接传递的新机制，在UASB反应器水平上研究强化种间电子传递对厌氧工艺性能与稳定性影响、厌氧污泥颗粒化过程种间电子传递特征以及污泥微生物种群结构功能调控机制，揭示UASB污泥颗粒化过程与种间电子直接传递互作机制，阐明基于强化种间电子直接传递的高效厌氧生物处理新工艺的过程机理。这对创新开发高效厌氧生物处理新工艺、提高废水能源资源回收效率具有重要学术意义与潜在应用价值。

项目基于厌氧产甲烷过程微生物种间电子直接传递的新机制，聚焦“厌氧产甲烷过程种间电子传递强化”与“厌氧污泥颗粒化”互作过程，开展了基于强化种间电子直接传递的高效厌氧生物处理新工艺机理研究，取得以下成果：. 创新研发了磁铁矿、生物炭强化厌氧生物处理新工艺。启动了多组UASB反应器，研究发现生物炭可作为内核加速厌氧污泥颗粒化，其完整系数、疏水性分别达0.931、0.16，高于对照组的0.824、0.09；不同质量、粒径磁铁矿对UASB运行性能影响研究发现，投加10 gFe·L-1微米级磁铁矿，可缩短反应器饥饿、酸化恢复时间，其污泥具有较高底物转化活性，IC为0.74，明显高于对照组的0.68，赋予反应器在高气-水剪切力条件下高效稳定性能与抗负荷冲击能力。. 探明了厌氧污泥颗粒化过程电子传递特征。随着污泥颗粒化，磁铁矿、生物炭-颗粒污泥导电性、电子传递系统活性明显提升。生物炭-颗粒污泥导电率达23.29 μS·cm-1，为对照污泥2.0倍；磁铁矿-颗粒污泥导电率达25.59 μS·cm-1，为对照污泥2.17倍，同时污泥电子传递系统活性（ETS）增至181.66 μg·mg-1·h-1，高出对照污泥25.73%。研究还发现，磁铁矿存在可代替部分胞外细胞色素的作用，强化有效的电子传递。.揭示了磁铁矿协同强化厌氧污泥颗粒化与DIET的微生物学机理。研究发现磁铁矿促进污泥胞外蛋白分泌、提升污泥疏水性，进而强化厌氧污泥颗粒化；参与CO2还原产甲烷、胞外电子传递的F420、核黄素等组分明显增加，且具有较高的氧还活性；同时富集Geobacter、Desulfovibrio、Methanothrix、Methanosarcina等潜在DIET互营菌，表明磁铁矿在强化污泥颗粒化的同时，富集功能菌以分泌电化学活性EPS、强化DIET过程。. 初步探索了基于DIET的厌氧产甲烷过程调控机制。研究发现主流嗜乙酸产甲烷途径（嗜乙酸产甲烷菌Methanosaeta）受抑制时，投加磁铁矿有利于生物电网络形成，富集具有较强耐受能力的DIET互营菌群（Desulfovibrionales和Methanosarcina），强化嗜乙酸产甲烷途径，进而抵抗不利环境影响、提高厌氧反应器运行性能。. 研究成果为开发高效厌氧生物处理新工艺提供科学原理与技术依据。