我國(guó)市政污水處理廠的日處理規(guī)模已超2×108 m3，市政污水的能耗高達(dá)2.5GW(按每m3污水處理能耗0.3kWh計(jì)算)。污水中蘊(yùn)含的能量中，約50%以化學(xué)能(有機(jī)物COD)的形式轉(zhuǎn)入剩余污泥，因此，回收利用污泥COD的能量對(duì)降低市政污水處理行業(yè)的能耗和碳排放至關(guān)重要。厭氧消化(anaerobicdigestion，AD)是實(shí)現(xiàn)污泥減量化、穩(wěn)定化和能量回收的主流技術(shù)之一。目前，我國(guó)已建成并運(yùn)行的市政污泥厭氧消化工程處理規(guī)模超9000t∙d-1(按80%含水率的脫水污泥計(jì))，但僅占我國(guó)需處理市政污泥總量的7%左右，與英國(guó)(75%)、美國(guó)(60%)、歐盟國(guó)家(30%~50%)的差距明顯。這表明，污泥厭氧消化亟需高效的過(guò)程強(qiáng)化(processintensification，PI)技術(shù)以提高甲烷產(chǎn)率。
電產(chǎn)甲烷是一種基于微生物電解池(microbialelectrolysiscell，MEC)促進(jìn)有機(jī)物降解和產(chǎn)甲烷的PI技術(shù)。在較低的外加電壓條件下，陽(yáng)極電活性微生物(electroactivebacteria，EAB)氧化分解有機(jī)物產(chǎn)生電子、質(zhì)子和二氧化碳(CO2)，同時(shí)，陰極微生物可通過(guò)直接或間接電子傳遞的途徑。MEC-AD可加速污泥有機(jī)物水解、顯著提高甲烷產(chǎn)率，并實(shí)現(xiàn)沼氣生物品位升級(jí)，從而與傳統(tǒng)AD工藝相比有較大的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。在MEC-AD中，陽(yáng)極EAB與陰極產(chǎn)甲烷古菌通常以氫氣為電子載體或依靠直接胞外電子傳遞機(jī)制進(jìn)行種間電子傳遞。此外，EAB與產(chǎn)甲烷古菌亦可利用具有導(dǎo)電性或氧化還原活性的碳材料，以提高產(chǎn)甲烷過(guò)程的種間電子傳遞效率。這些非溶解性的粒狀材料易與微生物形成活性顆粒，能進(jìn)行厘米級(jí)別的遠(yuǎn)距離電子傳遞，遠(yuǎn)超依靠擴(kuò)散機(jī)制的可溶性電子載體/穿梭體(例如甲酸、核黃素、綠膿素等，電子傳遞距離1~100μm)。
有研究表明，基于生物質(zhì)中低溫(300~500℃)熱解過(guò)程形成的生物炭可通過(guò)富含醌基的表面官能團(tuán)進(jìn)行電子交換或內(nèi)部類石墨結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電碳層進(jìn)行直接電子傳遞。YIN等發(fā)現(xiàn)，通過(guò)在MEC-AD體系中投加適量的污泥基生物炭，污泥揮發(fā)性固體(VS)去除率提高了17.9%，甲烷產(chǎn)量提高了24.7%。然而，在更接近實(shí)際應(yīng)用的連續(xù)式MEC-AD體系中，投加污泥炭是否具有長(zhǎng)期促進(jìn)效果，以及如何影響體系內(nèi)微生物群落結(jié)構(gòu)和產(chǎn)甲烷代謝途徑，仍有待進(jìn)一步探索。
基于上述原因，本研究擬構(gòu)建并在連續(xù)進(jìn)料運(yùn)行模式下運(yùn)行污泥MEC-AD系統(tǒng)，以污泥熱解制備的生物炭為碳材料，研究投加污泥炭對(duì)污泥MEC-AD產(chǎn)甲烷的改善情況。在確定了最佳外加電壓之后，考察污泥炭在不同有機(jī)負(fù)荷條件下對(duì)甲烷產(chǎn)率和體系穩(wěn)定性的提高程度。最后，利用宏基因組手段分析體系內(nèi)微生物種群結(jié)構(gòu)與特定代謝功能，以揭示污泥炭提高MEC-AD甲烷產(chǎn)率的微生物學(xué)機(jī)制，為污泥炭強(qiáng)化MEC-AD技術(shù)應(yīng)用于污泥厭氧消化處理工藝提供參考。
1、材料與方法
1.1 供試原料
MEC-AD裝置進(jìn)料底物為城鎮(zhèn)污水處理廠剩余污泥，取自上海市閔行區(qū)水質(zhì)凈化廠二沉池。污泥取回實(shí)驗(yàn)室后經(jīng)1mm格篩過(guò)濾、高速離心(4000r∙min-1，2min)處理后置于4℃保存?zhèn)溆谩?/span>MEC-AD接種污泥取自實(shí)驗(yàn)室長(zhǎng)期運(yùn)行的污泥高溫厭氧消化罐。剩余污泥與接種污泥的主要理化性質(zhì)見(jiàn)表1。
污泥炭由上述剩余污泥熱解制備而成。污泥于105℃烘干48h，球磨至平均粒徑50μm，然后將污泥顆粒干粉置于管式爐中，在無(wú)氧條件下熱解1.5h，熱解溫度為500℃，熱解期間始終保持氮?dú)庋h(huán)，以保證無(wú)氧環(huán)境。待冷卻至室溫后，污泥炭在去離子水中浸泡72h，離心過(guò)濾后去除上清液以去除有毒有害物質(zhì)，待105℃烘干24h后置于干燥皿內(nèi)備用。污泥炭的主要理化性質(zhì)為，pH7.61、BET比表面積41.8m2∙g-1、總灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)66.5%�；曳值闹饕刭|(zhì)量分?jǐn)?shù)如表2所示，H/C摩爾比與O/C摩爾比分別為0.07與0.11，電子供給能力(EDC)與電子接收能力(EAC)分別達(dá)到0.116與0.754meq∙g-1。
1.2 實(shí)驗(yàn)裝置
MEC-AD反應(yīng)器為單室結(jié)構(gòu)(圖1)，工作體積為1.0L，裝置采用一對(duì)碳?xì)蛛p電極作為陽(yáng)極和陰極，電極之間使用銅線連接，電極尺寸為12cm×8cm，電極板間距為1.5cm，供電采用直流穩(wěn)流穩(wěn)壓電源(遠(yuǎn)方WY3101，杭州)。反應(yīng)器使用循環(huán)水域控溫，采用磁力轉(zhuǎn)子攪拌以獲得良好的傳質(zhì)與傳熱。反應(yīng)器頂部設(shè)有1個(gè)氣體出口和2個(gè)液體進(jìn)出料口。
1.3 實(shí)驗(yàn)方法
MEC-AD反應(yīng)器采用連續(xù)式運(yùn)行模式，每24h進(jìn)行進(jìn)出料1次，實(shí)驗(yàn)期間溫度和攪拌速率分別為(55±1)℃和100r∙min-1。反應(yīng)器啟動(dòng)階段，接種污泥與底物污泥按總固體含量(TS)1∶4的比例加入反應(yīng)器，初始TS為2.0%。在第一階段實(shí)驗(yàn)中，設(shè)有3組反應(yīng)器，水力停留時(shí)間(HRT)為10d，有機(jī)負(fù)荷率(OLR)為2.5g∙(L∙d)-1，污泥炭的初始投加量為18g∙L-1(劑量0.9g∙g-1)。至沼氣產(chǎn)率趨于穩(wěn)定后，污泥炭每24h隨進(jìn)料補(bǔ)充，投加量與初始劑量保持一致。實(shí)驗(yàn)組MEBC0.5和MEBC1.5的外加電壓分別為0.5和1.5V，另設(shè)一組無(wú)外加電壓的對(duì)照組BC。在第2階段實(shí)驗(yàn)中，設(shè)有2組反應(yīng)器，分別是未加污泥炭的對(duì)照組ME和投加污泥炭的實(shí)驗(yàn)組MEBC，它們的外加電壓采用第一階段實(shí)驗(yàn)中的最佳電壓。第2階段實(shí)驗(yàn)條件設(shè)置如表3所示。運(yùn)行周期Ⅰ~Ⅲ的HRT分別為10、5和2.5d，進(jìn)料為剩余污泥。運(yùn)行周期Ⅳ的HRT恢復(fù)至5d；為考察污泥炭對(duì)MEC-AD體系穩(wěn)定性的影響，進(jìn)料為剩余污泥+甘油混合底物(1∶1基于COD)。
1.4 分析方法
總固體含量(TS)、揮發(fā)性固體含量(VS)和化學(xué)需氧量(總COD、SCOD)參照《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥泥質(zhì)GB24188-2009》和《水質(zhì)化學(xué)需氧量測(cè)定HJ828-2017》。
揮發(fā)性脂肪酸使用氣相色譜測(cè)定(GC-2010，島津，日本)。1mL沼液經(jīng)0.45μm膜過(guò)濾后與100μL的3%磷酸溶液混合，確保pH<4.0。測(cè)試條件為：色譜柱DB-FFAP，FID火焰離子化檢測(cè)器，載氣N2流速為30mL∙min-1，進(jìn)樣口與檢測(cè)器溫度分別為200與250℃。
沼氣體積采用排水法測(cè)定。保持水溶液pH不超過(guò)4.3以防止CO2吸收，沼氣體積數(shù)據(jù)經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化(273K，1.01×105 Pa)后記錄。
沼氣成分(CH4、CO2、H2)采用氣相色譜法(GC-7890，安捷倫，美國(guó))測(cè)定。測(cè)試條件為：色譜柱G3591，TCD熱導(dǎo)檢測(cè)器柱箱溫度80℃，載氣He流速為40mL∙min-1，進(jìn)樣口與檢測(cè)器溫度分別為200與250℃。
微生物多樣性和宏基因組學(xué)分析。待第二階段實(shí)驗(yàn)周期Ⅲ完成后(70d)，從陰極生物膜上取1mL污泥樣品進(jìn)行DNA抽提。對(duì)DNA剪切后篩選長(zhǎng)度為300bp的片段進(jìn)行建庫(kù)。利用PCR擴(kuò)增進(jìn)行文庫(kù)模板的富集，通過(guò)NaOH堿變性產(chǎn)生單鏈DNA片段。隨后進(jìn)入IlluminaHiseq測(cè)序，對(duì)測(cè)序產(chǎn)生的短讀序列(reads)進(jìn)行質(zhì)量剪切后優(yōu)化序列進(jìn)行拼裝，篩選>300bp的重疊群(contig)作為最后的拼裝結(jié)果，并將核酸長(zhǎng)度>100bp的基因翻譯為氨基酸序列。最后，參考NCBI_NR數(shù)據(jù)庫(kù)和KEGG數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)比該非冗余基因集序列，分別進(jìn)行分類和功能注釋。
2、結(jié)果與討論
2.1 外加電壓對(duì)污泥炭耦合MEC-AD運(yùn)行效果的影響
外加電壓對(duì)MEC-AD反應(yīng)器運(yùn)行效果的影響如圖2所示。在反應(yīng)器運(yùn)行初期，3組反應(yīng)器中的SCOD累積濃度均在2d達(dá)到峰值(3469mg∙L-1，BC;3858mg∙L-1，MEBC0.5;4066mg∙L-1，MEBC1.5)，之后隨著產(chǎn)酸產(chǎn)甲烷過(guò)程的進(jìn)行在10d后趨于穩(wěn)定，平均濃度由低到高分別為MEBC1.5<MEBC0.5<BC。這表明高電壓可在促進(jìn)污泥水解的同時(shí)提高可溶性有機(jī)物的降解。MEC-AD陽(yáng)極反應(yīng)產(chǎn)生的微量氧氣(4H2O→8H++8e-+2CO2)有利于兼養(yǎng)細(xì)菌的增殖從而加速有機(jī)物的降解轉(zhuǎn)化。此外，陰極富集的嗜氫產(chǎn)甲烷古菌消耗有機(jī)物水解酸化過(guò)程中產(chǎn)生的分子氫(H2)，也可促進(jìn)VFAs的乙酸化過(guò)程。MEBC0.5與MEBC1.5的電流密度分別為(1.16±0.29)與(3.83±0.99)A∙m-2。MEBC1.5的消化液pH值略高于MEBC0.5和BC，其原因可能是，高電壓促進(jìn)了電產(chǎn)甲烷的質(zhì)子消耗(CO2+8H++8e- →CH4+H2O)。反應(yīng)器運(yùn)行期間，MEBC0.5與MEBC1.5的氫分壓顯著高于對(duì)照組BC，這表明MEC陰極反應(yīng)的電子被用于還原質(zhì)子生成H2，但MEBC實(shí)驗(yàn)組的高氫分壓并未導(dǎo)致酸累積或降低甲烷產(chǎn)率。在反應(yīng)器穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)期(31~40d)，甲烷產(chǎn)率由高到底分別為MEBC1.5>MEBC0.5>BC。BC、MEBC0.5與MEBC1.5的沼氣甲烷體積分?jǐn)?shù)分別達(dá)到65.6%、72.3%與73.9%，外加電壓0.5V和1.5V將沼氣甲烷體積分?jǐn)?shù)提高了10.2%(p<0.05)和12.6%(p<0.01)。這表明MEC生物陰極微生物群可通過(guò)氫還原CO2進(jìn)行沼氣原位品位升級(jí)，提高甲烷產(chǎn)量。綜上所述，第一階段的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，外加電壓1.5V的污泥炭耦合MEC-AD運(yùn)行效果最佳。
2.2 不同有機(jī)負(fù)荷條件下污泥炭對(duì)MEC-AD運(yùn)行效果的改善
第2階段實(shí)驗(yàn)考察了外加電壓保持1.5V時(shí)，不同有機(jī)負(fù)荷率條件下污泥炭對(duì)MEC-AD運(yùn)行效果的影響，結(jié)果如圖3所示。隨著HRT的縮短以及OLR的增加，體系甲烷產(chǎn)率呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)。當(dāng)HRT從10d縮短至5d，ME1.5與MEBC1.5的甲烷產(chǎn)率和相應(yīng)的沼氣甲烷體積分?jǐn)?shù)分別有顯著提升，這表明投加污泥炭可同時(shí)提高MEC-AD體系的甲烷產(chǎn)量并實(shí)現(xiàn)原位沼氣品位提升。HRT進(jìn)一步縮短至2.5d后，ME1.5與MEBC1.5的甲烷產(chǎn)率與周期Ⅱ相比，分別下降了16.7%與22.3%。同時(shí)，相應(yīng)的沼氣甲烷體積分?jǐn)?shù)也降低至73.1%±3.7%與76.5%±4.3%。VFAs質(zhì)量濃度是反映AD系統(tǒng)穩(wěn)定度的重要參數(shù)，ME1.5與MEBC1.5的總VFAs質(zhì)量濃度在周期Ⅲ期間上升至(352±107)與(170±46)mg∙L-1，其主要組分為正丁酸、丙酸與乙酸。HO等指出，污泥高溫AD在HRT由3d縮短至2d出現(xiàn)的酸累積和甲烷產(chǎn)量下降主要由產(chǎn)甲烷古菌的洗脫所導(dǎo)致。在本研究中，雖然在HRT=2.5d時(shí)觀察到了酸累積現(xiàn)象，但其程度還未引起系統(tǒng)崩潰。由此可見(jiàn)，MEC-AD的碳?xì)蛛姌O表面滯留微生物的能力可有效緩解在短HRT高負(fù)荷運(yùn)行中產(chǎn)甲烷古菌流失的問(wèn)題。MEC-AD體系內(nèi)部的電流密度隨著OLR的增加而升高，且在整個(gè)污泥消化實(shí)驗(yàn)周期，MEBC1.5的電流密度均顯著高于ME1.5。電流密度的升高可能與多個(gè)因素相關(guān)，包括陽(yáng)極氧化反應(yīng)的有機(jī)物降解、EAB菌群的產(chǎn)電活性以及陰極電產(chǎn)甲烷。因此，投加污泥炭可能促進(jìn)以上的單個(gè)或多個(gè)代謝過(guò)程。此外，在周期Ⅰ~Ⅲ中，污泥炭并未明顯改善沼氣甲烷純度(圖3(a))，但顯著提高了周期Ⅰ與周期Ⅱ的甲烷產(chǎn)率。由于有機(jī)物在水解、產(chǎn)酸、產(chǎn)甲烷階段均可能釋放CO2，這表明污泥炭可能同步強(qiáng)化了有機(jī)物厭氧降解和乙酸裂解產(chǎn)甲烷過(guò)程(CH3COOH→CH4+CO2)，而并非選擇性強(qiáng)化氫還原CO2產(chǎn)甲烷(CO2+H2 →CH4+H2O)。當(dāng)HRT縮短至2.5d時(shí)，ME1.5與MEBC1.5兩組的甲烷產(chǎn)率差異不顯著。這可能與產(chǎn)甲烷古菌的大量流失有關(guān)，尤其是乙酸營(yíng)養(yǎng)型產(chǎn)甲烷古菌(例如甲烷八疊球菌屬Methanosarcina)。
SCOD反映了污泥顆粒性大分子有機(jī)物的水解發(fā)酵與產(chǎn)甲烷的平衡情況(圖4(a))。在反應(yīng)器啟動(dòng)10d后，SCOD的釋放與消耗保持平衡并趨于穩(wěn)定。在周期Ⅰ~III的穩(wěn)定期，MEBC1.5的SCOD始終低于ME1.5。這表明污泥炭可促進(jìn)SCOD的轉(zhuǎn)化利用，亦與甲烷產(chǎn)率數(shù)據(jù)的總體趨勢(shì)保持一致。MEC-AD系統(tǒng)消化液的pH基本保持在弱堿性范圍(7.4~7.8，圖4(b))，由于剩余污泥具有較高的堿度和較好的緩沖性能，周期Ⅲ的少量酸累積并未引起顯著的pH下降。ME1.5和MEBC1.5的穩(wěn)定期氫分壓分別為(9.0±3.9)Pa與(4.9±1.8)Pa、(6.8±1.8)Pa與(4.9±1.1)Pa以及(25.3±6.9)Pa與(10.9±3.9)Pa(圖4(c))，在高OLR運(yùn)行的II~III周期，MEBC1.5的平均氫分壓比ME1.5分別降低了26.0%(p<0.01)與56.9%(p<0.001)。這表明投加污泥炭可顯著促進(jìn)污泥MEC-AD的氫營(yíng)養(yǎng)型產(chǎn)甲烷過(guò)程，從而強(qiáng)化產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌-嗜氫產(chǎn)甲烷古菌的互營(yíng)共生代謝機(jī)制。
周期Ⅳ為污泥/甘油共消化的實(shí)驗(yàn)周期。相較于污泥消化的周期Ⅱ，雖然ME1.5與MEBC1.5的甲烷產(chǎn)率分別有小幅提高，但沼氣甲烷體積分?jǐn)?shù)卻有所降低。這主要是因?yàn)椋焊视蜔o(wú)需經(jīng)過(guò)溶胞-水解等限速步驟即可進(jìn)入發(fā)酵產(chǎn)酸階段，期間產(chǎn)生大量CO2，但伴隨而來(lái)的酸累積效應(yīng)可能導(dǎo)致體系不穩(wěn)定甚至崩潰�；�ME1.5和MEBC1.5的SCOD、VFAs、pH等多個(gè)參數(shù)的變化情況來(lái)看，甘油的快速代謝轉(zhuǎn)化已引起了體系不穩(wěn)定，而投加污泥炭可顯著緩解酸累積問(wèn)題從而維持MEC-AD的運(yùn)行效果。由厭氧發(fā)酵細(xì)菌代謝轉(zhuǎn)化甘油而快速累積的VFAs為互養(yǎng)酸氧化細(xì)菌-嗜氫產(chǎn)甲烷古菌等功能菌群提供了豐度的代謝底物，此時(shí)MEBC1.5的甲烷產(chǎn)率顯著高于ME1.5(圖3)，從兩實(shí)驗(yàn)組在VFA濃度與氫分壓的顯著差異來(lái)看(圖4)，污泥炭的引入提高了VFAs的轉(zhuǎn)化利用率，并大幅降低了體系氫分壓，從而提高了甲烷產(chǎn)量。
2.3 污泥炭對(duì)MEC-AD生物陰極微生物群落結(jié)構(gòu)的影響
生物陰極微生物在基因?qū)偎胶?/span>KEGG功能注釋水平上的Venn圖顯示，ME1.5與MEBC1.5陰極微生物在基因水平上和KEGG功能注釋水平上分別共有2587個(gè)屬和371個(gè)代謝通路，共有率分別為97.3%和97.8%。這表明污泥炭未顯著改變MEC-AD陰極微生物群落的組成和代謝功能(圖5)。ME1.5與MEBC1.5生物陰極細(xì)菌組成如圖6所示，優(yōu)勢(shì)門包括Firmicutes、Proteobacteria、Chloroflexi、Synergistetes、Actinobacteria和Thermotogae。在生物陰極細(xì)菌屬水平上，投加污泥炭使得優(yōu)勢(shì)菌屬Coprothermobacter、Fervidobacterium、Bellilinea的相對(duì)豐度分別顯著增加34.1%、186.6%、130.5%，然而Anaerobaculum的豐度則下降了186.6%。Coprothermobacter是有機(jī)質(zhì)高溫AD系統(tǒng)富集程度較高的菌屬，主要參與蛋白質(zhì)組分的發(fā)酵和產(chǎn)乙酸代謝過(guò)程，而Bellilinear則是隸屬于Chloroflexi門的丙酸互營(yíng)降解產(chǎn)甲烷菌屬。甲烷熱桿菌Methanothermobacter和甲烷八疊球菌Methanosarcina是生物陰極的優(yōu)勢(shì)古菌屬。甲烷熱桿菌為嗜氫產(chǎn)甲烷菌，極易成為生物陰極的優(yōu)勢(shì)產(chǎn)甲烷古菌以利用陰極產(chǎn)生的H2還原CO2生成甲烷。此外，投加污泥炭提高了代謝底物最為廣泛的甲烷八疊球菌的相對(duì)豐度，這可能有利于乙酸裂解途徑。
2.4 KEGG代謝通路功能基因分布及產(chǎn)甲烷過(guò)程關(guān)鍵酶
在兩組生物陰極微生物KEGG代謝通路一級(jí)分類中，編碼“CarbonMetabolism”功能的基因豐度最高，分別為67.2%(ME1.5)和68.3%(MEBC1.5)，其次為“GeneticInformationProcessing”、“EnvironmentalInformationProcessing”和“CellularProcesses”�！�CarbonMetabolism”類別主要包括“Carbohydratemetabolism”、“Aminoacidmetabolism”、“Energymetabolism”和“Nucleotidemetabolism”，在ME1.5與MEBC1.5中分別為14.6%、10.3%、7.2%、6.4%與15.3%、10.1%、8.3%、5.9%。在本研究中，消化對(duì)象為污泥，其主要成分為蛋白質(zhì)和多糖，因此，其碳水化合物代謝和氨基酸代謝功能基因所占比例較大。在KEGG代謝通路三級(jí)分類中，基因豐度差異如圖7所示。生物陰極主要參與Carbonmetabolism、Biosynthesisofaminoacids、Purinemetabolism、Pyrimidinemetabolism、Methanemetabolism、ABCtransporters等過(guò)程。相較于對(duì)照組ME1.5，投加污泥炭促使MEC-AD陰極微生物實(shí)現(xiàn)以上代謝過(guò)程的相關(guān)基因豐度變化的幅度為+3.1%、-0.5%、+8.0%、+6.8%、+43.1%、-4.5%。以上結(jié)果表明，投加污泥炭對(duì)于生物陰極產(chǎn)甲烷代謝過(guò)程的影響最大(+43.1%)。
在產(chǎn)甲烷過(guò)程中，MEC-AD生物陰極微生物表達(dá)的酶包括EC6.2.1.1(乙酸-輔酶A連接酶)、EC2.8.4.1(輔酶B-磺乙基巰基轉(zhuǎn)移酶)、EC1.2.99.5(甲酰甲烷呋喃脫氫酶)、EC2.1.1.86(四氫甲烷蝶呤S-甲基轉(zhuǎn)移酶)、EC1.12.98.1(輔酶F420)、EC1.8.98.1(甲基吩嗪:CoB-CoM異二硫化物還原酶)。投加污泥炭對(duì)MEC-AD產(chǎn)甲烷過(guò)程關(guān)鍵酶的相關(guān)基因豐度影響如表4所示。ME1.5生物陰極的產(chǎn)甲烷過(guò)程主要通過(guò)H2還原CO2代謝途徑(hydrogenotrophicmethanogenesis，KEGGmoduleM00567)，投加污泥炭同時(shí)強(qiáng)化了H2還原CO2途徑和乙酸裂解途徑的產(chǎn)甲烷過(guò)程(acetoclasticmethanogenesis，KEGGmoduleM00357)。這與前文2.3節(jié)所述的可兼顧氫營(yíng)養(yǎng)型和乙酸營(yíng)養(yǎng)型的Methanosarcina菌屬在MEBC1.5中的富集結(jié)果一致。污泥炭的投加可促進(jìn)生物陽(yáng)極的有機(jī)物氧化降解過(guò)程，從而提高MEC-AD體系內(nèi)部電流密度，并通過(guò)富集嗜氫產(chǎn)甲烷菌強(qiáng)化了生物陰極電產(chǎn)甲烷過(guò)程。鑒于污泥炭本身的弱導(dǎo)電性，它們可能主要通過(guò)表面具有氧化還原能力的官能團(tuán)反復(fù)供給、接受電子的機(jī)制來(lái)強(qiáng)化間接電產(chǎn)甲烷。
3、結(jié)論
1)在污泥炭耦合MEC-AD污泥產(chǎn)甲烷體系中，相較于無(wú)外加電壓和低電壓(0.5V)，高電壓(1.5V)可促進(jìn)污泥SCOD釋放與降解速率，提高甲烷產(chǎn)率。
2)在不同有機(jī)負(fù)荷運(yùn)行條件下，在HRT為10d與5d的運(yùn)行周期，投加污泥炭的實(shí)驗(yàn)組MEBC1.5的污泥厭氧消化甲烷產(chǎn)率均顯著高于對(duì)照組ME1.5，但當(dāng)HRT縮短至2.5d，MEBC1.5與ME1.5的甲烷產(chǎn)率并無(wú)顯著差異；在污泥-甘油共消化體系中，通過(guò)強(qiáng)化產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌-嗜氫產(chǎn)甲烷古菌的互營(yíng)共生代謝，污泥炭可有效緩解酸累積抑制，從而可提高甲烷產(chǎn)率。
3)宏基因組分析結(jié)果表明，投加污泥炭提高了優(yōu)勢(shì)菌屬Coprothermobacter、Fervidobacterium、Bellilinea以及代謝底物廣泛的優(yōu)勢(shì)產(chǎn)甲烷古菌Methnosarcina的相對(duì)豐度；在產(chǎn)甲烷代謝通路方面，投加污泥炭使得表達(dá)乙酸裂解途徑和H2還原CO2途徑的關(guān)鍵酶的相關(guān)基因豐度獲得明顯增加。（來(lái)源：上海交通大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，湖南碧臣環(huán)境能源有限公司）
