脱水污泥中温微生物电解产气及金属离子的影响机制

At present sludge from wastewater treatment to be properly managed and utilized is a serious problem in China. Dewatered sludge were explored as raw material for Microbial Electrolysis Cell(MEC)to degrade organic matters while producing biogas. The factors influencing biogas production in MEC during mesophilic anaerobic digestion were studied and key factors were highlighted. Variations of the microbial compositions, biological activity, microbial community diversity and interactions between methanogens and exoelectrogens were discussed. Meanwhile, degradation behaviors of various organic matters of dewatered sludge in MEC were investigated to illustrate the mechanism of integration of mesophilic anaerobic digestion with MEC. The role of metal ions in MEC can be illustrated through the analysis of the influences of metal ions concentrations (Al3+、Fe2+、Ca2+、Mg2+、Ni2+、Zn2+、Mn2+、K+) on the performance and microbial community. The form transformation and removal of heavy metals during MEC process were evaluated. The results provided a theoretic basis for the process application.

在我国当前污泥处理和资源化问题突出的背景下，以城镇污水厂脱水污泥为对象，利用MEC技术实现污泥稳定并同步产气（氢气/甲烷）。通过中温厌氧消化条件下，MEC反应器产气规律及影响因素研究，确定影响MEC产气的关键指标，深入探讨产电菌和产甲烷菌在此过程中活性与群落结构的变化及相互影响规律，探讨脱水污泥有机物在MEC反应器中的降解历程，揭示中温微生物电解脱水污泥的有机物降解规律及反应机理。通过研究污泥中不同金属离子（Al3+、Fe2+、Ca2+、Mg2+、Ni2+、Zn2+、Mn2+、K+）浓度对MEC处理效能和微生物群落结构的影响，提出金属离子对MEC过程的影响机制，确立MEC反应器对重金属离子的稳定效果，为该工艺的理论构建和技术应用提供科学依据和技术支撑。

我国多数污水处理厂产生的污泥未经稳定化处理，针对性地研发污泥稳定化新技术是污泥安全处置的迫切需求。.针对污水污泥有机物的特点，研发了微生物电解池（microbial electrolysis cell，MEC）技术，探讨了该技术对污泥有机物的降解效能和规律以及产电和产气特性，并对不同反应条件下微生物群落的变化进行了研究。.污泥浓度、缓冲液浓度和外加电压对MEC效能有显著性影响；搅拌速度对MEC效能影响不大。采用预处理技术破解污泥，可以有效提高MEC处理效能。原泥、碱性发酵预处理污泥和超声+碱预处理污泥的回路电流密度峰值为7.9、25.1和13.4A/m3，平均产气速率为2.5、17.0和9.2×10-3 m3/(m3·d)。碱性发酵预处理和超声+碱预处理与MEC联用时，总VSS去除率为82.9%和65.4%。.剩余污泥有机物主要是HPI（hydrophilic fraction，HPI）、HPO-A（hydrophobic acid，HPO-A）和TPI-A（transphilic acid，TPI-A）类物质， HPI优先降解。剩余污泥有机物主要由类蛋白物质和溶解性微生物代谢产物构成，两种物质可被MEC有效降解，并且，预处理可强化剩余污泥荧光强度的削弱。.碱预水解-MEC联用处理脱水污泥时，增大外加电压可强化脱水污泥中有机物的去除，并且碳水化合物被优先降解，最高去除率可达64.27%（0.9V），脱水污泥中蛋白质难以降解。MEC处理脱水污泥的平均库伦效率为75.6%，平均阴极氢气回收率仅为17.63%，后者是导致MEC氢气产率低的主要原因。.剩余污泥为接种物培养的MEC反应器阳极生物膜主要由杆菌、球菌和絮状物质构成，阳极生物膜的微生物多样性低于剩余污泥，表现出优势菌群的富集。阳极中的Proteobacteria、Firmicutes和Bacteroidetes等是主要的产电菌门，以原泥和超声+碱预处理污泥为底物的优势菌属相似且分布均匀，主要有Acetoanaerobium、Thauera、Proteocatella、Alkaliflexus和Tissierella等；以碱性发酵预处理污泥为底物的优势菌属则相对集中，主要由Desulfuromonas和Acetoanaerobium构成，其中的Desulfuromonas菌属丰度高达44.7%，是主要的产电菌属。