零价铁强化微生物电催化厌氧产甲烷的电子传递机制与调控方法

Accumulation of organic acids often occurs in anaerobic treatment of wastewater with high concentration, which may inhibit methanogenesis, even leading to a failure of the anaerobic treatment. Microbial electrocatalysis of anaerobic methanogenesis system, combining the anodic oxidation in microbial electrolysis cell and direct methanogenesis in anaerobic digestion, is capable of accelerating the organic mineralization and methanogenesis. To further enhance the anodic oxidation, it is necessary to enrich electroactive microorganisms, i.e., iron-reducing bacteria (IRB), and improve the electron transfer efficiency. For this purpose, zero-valent iron (ZVI) is added in a microbial electrocatalysis of methanogenesis system to enhance the anaerobic treatment in this proposal. Fe(III) oxides formed in this system is expected to enrich IRB. Moreover, ZVI may help to improve the electron transfer in terms of cytochrome C and redox mediator generation. Furthermore, ZVI can enhance H2-utilizing methanogenesis in the anode, thus likely to induce the electron transfer between the two electrodes. Based on the above considerations, our studies in this proposal will be focused on the following aspects. (1) Formation of Fe(III) oxides in this ZVI-electrocatalysis of methanogenesis system; (2) Mechanisms and functions of the iron reduction in this coupling system; (3) Mechanisms of the directional electron transfer with ZVI; (4) Control strategies of this ZVI-electrocatalysis of methanogenesis system. By means of the above studies, we expect to reveal the mechanisms in this ZVI enhancing electrocatalysis of methanogenesis, and hope to provide a scientific basis and methodological support for the large-scale application of this novel technology in the near future.

高浓度废水的厌氧处理经常出现有机酸积累，抑制产甲烷甚至导致厌氧失败。微生物电催化厌氧产甲烷结合了生物电解池的阳极氧化和厌氧直接产甲烷的特点，可以加快有机酸矿化和甲烷生成。为了进一步增强阳极氧化，需要富集电活性微生物- - 铁还原菌，提高其电子传递效率。为此，本项目将零价铁置入微生物电催化厌氧产甲烷系统。利用形成的Fe(III)氧化物富集铁还原菌,同时零价铁有可能在细胞色素C、氧化还原介体生成等方面促进电子传递；另外，零价铁可强化阴极嗜氢甲烷化，从而有望诱导电极间的电子传递。根据以上思路，本课题主要开展：(1)零价铁-电催化厌氧产甲烷系统中的铁氧化形成；(2)零价铁-电催化产甲烷的铁还原机制；(3)零价铁强化电极微生物定向转移电子的诱导机制；(4)零价铁-电催化厌氧产甲烷的调控。通过以上研究，揭示零价铁强化电催化厌氧产甲烷的过程机制，为该技术的规模化应用提供科学依据和方法。

高浓度废水的厌氧处理经常出现有机酸积累，抑制产甲烷甚至导致厌氧失败。微生物电催化厌氧产甲烷结合微生物电解池阳极氧化和厌氧产甲烷的特点，可以加快有机酸矿化和甲烷生成。为了进一步增强阳极氧化，需要富集电活性微生物-铁还原菌。为此，本项目将零价铁(或铁氢氧化物)置入微生物电催化厌氧产甲烷系统。主要研究内容有：产甲烷电解池的运行性能与铁(氢)氧化物的影响；零价铁强化微生物定向诱导机制；零价铁-电催化厌氧产甲烷的调控（阴极产氢、阴极产甲酸）。研究发现，铁及铁(氢)氧化物有效提高微生物电催化厌氧污水处理效率，甲烷化产率提高20-40%，有机物分解率提高10-30%。在高效产甲烷的同时，通过调控电极电势或电压，可以实现有机物阳极氧化定向产乙酸，以及阴极产氢和产甲酸。通过以上研究，本课题揭示了零价铁对微生物电催化的强化机理，发现零价铁强化厌氧甲烷化的生物电化学强化原理，形成铁基厌氧污水处理强化技术，有效提高厌氧污水处理水平，并成功应用于实际污水处理工程中。以第一作者或通讯作者发表SCI论文23篇（其中第一标注论文19篇），授权发明专利1项。以本项目主要内容之一的“高浓度废水的厌氧处理技术”被中国石油和化学工业联合会技术鉴定为：取得重要技术突破，总体国际领先。2014年获得中国石油和化学工业联合会”青年科技突出贡献奖“。所培养的1名博士和1名硕士研究生分别获得辽宁优秀博士学位论文和辽宁省优秀硕士论文。